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1、能源微生物学,北方民族大学生物科学与工程学院,授课教师:刘雅琴,E-mail:qq:531453557,课程编号：12100690课程名称：能源微生物学课程类型：专业选修课（限选）总 学 时：32学时学 分：2学分先修课程：微生物学、生物化学、发酵工程,课程的目的与任务,以甲烷产生菌、乙醇产生菌和氢气产生菌为代表的能源微生物在环境保护、非再生能源节约和有关领域综合效益提高等方面，都有直接而显著的促进作用，能源微生物的开发利用将极大促进生物能源产业的发展。能源微生物学是研究能源微生物的种类、及其结构、形态、生理生化、生态分布等的基础知识与基本理论，以及能源微生物在能源转化中的作用等。涵盖利用微生
2、物技术转化可再生能源的基础理论、基本工艺、应用情况和发展前景。通过本课程的学习，可拓宽学生的知识面，使学生了解生物技术发展的一个新领域，培养学生独立思考的能力。,课程简介,当前全球面临的能源和环境危机，将微生物技术与可再生能源转化有机结合起来。本课程从实用的角度出发，内容主要包括能源微生物概述、生物沼气、生物氢气、生物乙醇、生物柴油、生物燃料电池等方面。是使学生系统了解可再生能源生物转化的新技术、新材料、新方法、新进展的集理论性和实践性为一体的一门课程。,教学安排与学时分配（共32学时）,采用讲授与课堂讨论相结合的教学方式。课外学生完成课程作业，阅读与本课程相关的期刊论文5-10篇。,主要教学
3、方式：,考查，采用提交论文的形式（论文成绩占60%，听课、课堂讨论及作业成绩占40%）,考核评分方式：,教 材：,参考书：,可再生能源的微生物转化技术，宋安东主编，科学出版社，2009年。,1.生物能源技术与工程化，张百良著，科学出版社，2009年。2.石油微生物开采技术，张廷山等编著，化学工业出版社，2009年。3.沼气发酵微生物学，钱泽澍、闵航编著，浙江科学技术出版社，1986年。4.现代工业微生物学，姚汝德编著，华南理工大学出版社，2001年。,第一章 绪论,1.1能源状况,世界能源状况,能源是人类文明的先决条件，是经济增长和社会发展的重要物质基础。能源安全是一个国家或地区实现经济持续发
4、展和社会进步所必需的保障。,狭义的能源安全指的是液体燃料的供应安全，主要指石油供应安全。,在20世纪的社会发展史中，以石油为主的化石能源占据着举足轻重的地位。即，石油的供应与一个国家的外交、军事和经济等领域息息相关；石油中断供应时，外交和军事手段是解决经济问题的根本途径。,据统计，人类每年消耗的能源已经超过87亿吨石油当量，而且不断增长，预计到2015年达到112亿172亿吨石油当量。但资料表明，1991年全球石油储量为1330亿吨，按每年30亿吨消费计算，全球石油仅能维持到2050年。,过去的200多年，建立在石油、煤炭、天然气等化石燃料基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。人类所需的能
5、量80%以上来源仍然是石油、煤和天然气。化石燃料消费的增加，有两个突出问题摆在我们面前：造成环境污染日益严重；地球上现存的化石燃料总有一天要枯竭。,化石燃料日益枯竭和环境问题的日趋严重，使人们对不可再生的化石燃料储量的有限性和使用的局限性有了深刻的认识。能源问题是当今世界各国都面临的关系国家安全和经济社会可持续发展的中心议题，已经成为全球关注的焦点。,人们开始把目光转移到有利于社会可持续发展的可再生能源体系,目前，世界能源发展已经步入一个崭新的时期，能源结构将呈现多元化的发展趋势：,即世界能源结构正在经历由化石能源消耗为主向可再生能源为主的变革。,根据国际能源机构（International
6、Energy Agency,IEA）预测，在未来的能源结构中，石油和煤炭的比例将逐渐下降，天然气、核能和可再生能源比例将逐渐上升。,生物质能作为世界一次能源消费中的第四大能源，是唯一可存储和运输的可再生能源，在能源系统中占有重要地位。生物质资源是生物质能的主要存在的载体，并且在可再生能源结构体系中占相当大的比例。,生物质资源主要包括农作物秸秆、能源作物、畜禽粪便和农产品加工业副产品等，且取之不尽、用之不竭，具有广阔的发展空间和潜力。,1.1.2 中国能源现状,中国已探明的石油可采储量约62亿吨，已累计采出34.6亿吨，剩余27.4亿吨。中国石油的消费，现仍以每年13%的速度激增，按目前的采油量
7、计算，可供开采17年。进入20世纪90年代，中国的国民经济按年均9.7%的速度增长，原油消费按年均5.77%的速度增加，而同期国内原油的增长速度仅为1.67%，导致中国自1993年开始成为石油的净进口国，且进口量逐年增大。,2006年，我国进口原油已达到1.4亿吨，石油的对外依存度到达到47%。进口石油耗去中国大量的外汇。,这是一个严峻的事实：国际经验表明，当一个国家石油进口量超过5000万吨，国际石油市场行情的变化就会影响该国家的经济运行；超过1亿吨，石油的安全问题就要由外交、军事的手段来保证。国际惯例表明，当一个国家石油的对外依存度超过30%时，该国的石油安全是很危险的。因此，从现阶段起，
8、中国的石油安全问题实际已成为维系国家和民族安危的大问题。,21世纪的今天，随着经济的迅猛发展，中国已跃升为世界第二大能源消费国，已经成为全球进程中的一个重要支点，其经济循环也日益融入世界经济体系中。中国每年石油开采总量基本增幅很小，完全不能满足社会发展的需要（见图1.1）；而每年的石油净进口总量却在迅猛递增（见图1.2）。与此同时，以化石燃料为主的能源结构也带来日益严重的环境问题。,1.2 微生物能源转化技术,解决中国能源安全问题的途径,国际上解决能源安全问题的途径主要是建立战略石油储备，即储存多余的石油来保障在石油危机时国家社会和企业的石油供给。根据中国的国情，中国解决能源安全问题主要有：节
9、能技术推广 可以缓解但不能彻底解决能源安全问题；石油进口多元化和建立战略石油储备 石油进口多元化仅能在一定程度和一定范围内解决能源问题；建立战略石油储备是一个系统工程，需要政府为主的庞大资金投入；,目前最有效的途径是能源供给多元化，而利用生物技术开发的可再生能源是多元化能源体系中的关键部分。,1.2.2 利用微生物技术转化可再生能源,不管是液态的如乙醇、生物柴油、丁醇还是气态的如沼气和氢气，均可来自于生物资源。通过生物技术的方法，利用能源微生物如产乙醇菌、产丁醇菌、产甲烷菌、产氢菌等对生物质进行发酵生产。生物燃料乙醇、生物沼气已成为当前可再生能源的重要组成部分 生物氢气被认为是最有发展潜力、最
10、清洁的能源 生物丁醇是刚刚引起重视的具有很高燃值的液态生物燃料。,随着生物酶技术的应用，生物柴油的转化可以不通过碱法皂化，也可以不通过化学催化剂转酯化而可直接通过脂肪酶的生产和应用来进行酶法转化。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。生物燃料包括氢气、甲醇、甲烷可以通过生物技术的方法生产供应给燃料电池系统，也可在燃料电池系统中直接配套生物燃料的发酵装置，将生物燃料的制取与电能的获得偶联起来。石油工业与生物技术之间有着密切的联系。微生物活动与石油地质学和地球化学之间有很强的相关关系：,可以通过微生物的种类、数量来勘探石油；微生物的存在与活动对石油的开采
11、有很强的推动作用，可以通过微生物的生长、代谢产生一系列的物质来提高石油的开采率；抑制有害于石油工业的微生物的活动对提升油的品质、提高油的产量有很重要的作用。利用生物技术手段将煤炭变成高附加值的化工品或油类物质，尤其是对低级的褐煤、风化煤的转化更为重要，这是一项重要的矿业生物工程，更是一项生物技术能源领域的应用体现。,1.2.3 开发利用可再生生物能源的意义,许多国家和地区都已经开始利用可再生能源，这主要是由于开展此项活动会产生重大的经济效益、社会效益和生态效益。减少石油的需求量。可再生能源可以替代先进车辆使用的石油燃料。在常规的汽油中调和至少10%或更高含量的乙醇形成的乙醇汽油可以正常驱动机动
12、车。生物柴油可以和石油柴油以任意比例勾兑，纯的生物柴油甚至可以直接在常规的发动机上使用。这样就可以减少石油的消耗，从而缓解能源紧张局面。改善空气质量，降低温室气体的排放。煤的燃烧向大气中排放了大量的SO2、H2S、CO2和NOx等气体，造成酸雨和温室效应；石油的燃烧也向空气中排放大量的CO2，加重了地球的温室效应；机动车排放的尾气，向大气环境中排放了大量的重金属铅。,与汽油和柴油相比，乙醇和生物柴油可显著减少温室气体的排放。使用从谷物生产的乙醇可降低温室气体排放量30%左右，使用从甜菜和甘蔗生产的乙醇可分别降低温室气体排放量42%和80%左右，使用从纤维素原料生产的乙醇可降低温室气体排放量60
13、%65%，使用从油菜获得的生物柴油可降低温室气体排放量55%60%。特别是用纤维素来生产乙醇是世界各国看好的重要可再生能源利用方法之一，甚至有人认为这种乙醇的使用可实现碳的全部封闭循环，实现温室气体的零排放，同时使用可再生能源可以降低空气中CO、SO2和颗粒物的含量。,改善车辆使用性能。乙醇的辛烷值很高，可以用来提高汽油的辛烷值，这样就可以减少过去传统提高辛烷值的物质甲基叔丁基醚的使用，从而降低了铅的排放，减少环境污染。有利于农业的发展。利用农作物，如玉米、小麦（用于生产乙醇）、大豆和油菜（用于生产生物柴油），为农民增加了额外的农产品市场，对农村经济发展起到了积极作用。利用农林废弃物、农村和城市垃圾来生产沼气、乙醇等可以在减少环境污染的同时补充能源的供应。,
