生物能源研究现状与发展态势省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生物能源研究现实状生物能源研究现实状况况与发展态势与发展态势Status and Trend of Biological EnergyStatus and Trend of Biological Energy第第1页页第第2页页 按照当前已经探明化石能源储量以及按照当前已经探明化石能源储量以及开采速度来计算,全球石油剩下可开采年开采速度来计算,全球石油剩下可开采年限仅有限仅有4141年;天然气剩下可开采年限年;天然气剩下可开采年限6262年;年;煤炭剩下可开采年限煤炭剩下可开采年限230230年。年。原油原油 41 年年天然气天然气 62 年年煤炭煤炭 230 年年第第3页页依赖化石资源工业文
2、明只是人类文明历史一幕依赖化石资源工业文明只是人类文明历史一幕人类走向生物质经济时代是一个历史回归,是人类人类走向生物质经济时代是一个历史回归,是人类走向可连续发展进步和必定走向可连续发展进步和必定生物质循环经济推进下 可连续发展社会第第4页页生物质能源形式生物燃料Biofueln n乙醇n n生物气n n生物柴油利利用用生生物物质质规规模模化化制制取取可可再再生生能能源源氢氢气气、酒酒精精和和生生物物柴柴油油等等,能能够够填填补补能能源源供供给给总总缺缺口口,保保障障国国家家能能源源安安全全,降降低低环环境境污污染染,创创造造友友好好社社会会,含含有有巨巨大大经经济济、环环境和社会效益。境和
3、社会效益。第第5页页木质纤维素生物质能源化与资源化系统工艺流程木质纤维素生物质能源化与资源化系统工艺流程生物质糖化液糖化液燃料酒精燃料酒精残液残液沼气沼气回用水回用水木质素木质素 和残渣和残渣有机肥有机肥生物絮凝剂生物絮凝剂燃烧为燃烧为系统提系统提供热源供热源H H2 2糖化糖化发酵生发酵生物制氢物制氢生产生产 乙醇乙醇生产生物生产生物絮凝剂絮凝剂厌氧产厌氧产甲烷菌甲烷菌废水深废水深度处理度处理补充水补充水第第6页页依据依据新能源和可再生能源发展纲要新能源和可再生能源发展纲要,制订了中国新能源和可再生能源发展优先制订了中国新能源和可再生能源发展优先项目。项目。技技技技术术术术先先先先进进进进并
4、并并并基基基基本本本本成成成成熟熟熟熟,含含含含有有有有辽辽辽辽阔阔阔阔市市市市场场场场和和和和需需需需求求求求,但但但但整整整整个个个个系系系系统统统统尚尚尚尚不不不不完完完完善善善善,需需需需要要要要进进进进行行行行必必必必要要要要工工工工业业业业性性性性试试试试验验验验和和和和示范技术和系统;示范技术和系统;示范技术和系统;示范技术和系统;技技技技术术术术上上上上已已已已经经经经有有有有一一一一定定定定基基基基础础础础,市市市市场场场场前前前前景景景景亦亦亦亦好好好好,但但但但一一一一些些些些关键性技术还未处理,需要继续攻关研究;关键性技术还未处理,需要继续攻关研究;关键性技术还未处理,
5、需要继续攻关研究;关键性技术还未处理,需要继续攻关研究;前前前前技技技技术术术术即即即即使使使使不不不不成成成成熟熟熟熟,甚甚甚甚至至至至尚尚尚尚处处处处于于于于试试试试验验验验室室室室研研研研究究究究阶阶阶阶段段段段,但但但但含含含含有有有有潜潜潜潜在在在在市市市市场场场场前前前前景景景景,或或或或为为为为了了了了跟跟跟跟踪踪踪踪世世世世界界界界先先先先进进进进科科科科技技技技动态而必须进行研究技术。动态而必须进行研究技术。动态而必须进行研究技术。动态而必须进行研究技术。第第7页页第第8页页以生物质为资源,利用生物技术生产清洁、可再生氢能源,符合循环经济和可连续发展战略。保障国家能源安全,补
6、充能源不足保障国家能源安全,补充能源不足作为可再生氢能源作为可再生氢能源,原料起源丰富原料起源丰富降低矿物燃料消耗,降低环境污染降低矿物燃料消耗,降低环境污染生物制氢战略意义生物制氢战略意义第第9页页 美国:国会氢能法案及美国:国会氢能法案及DOE氢能计划氢能计划 年布什宣告增拨年布什宣告增拨12亿美元用于亿美元用于 国会同意总额为国会同意总额为30亿美元氢能计划亿美元氢能计划 日本:,日本:,“WE-NET”计划完成计划完成 年,年,“发展氢能安全使用及基础设施研究计划发展氢能安全使用及基础设施研究计划”欧盟:关于氢能欧盟:关于氢能“Framework”计划中投入也呈上升趋势计划中投入也呈上
7、升趋势 各国均在大力推进各自氢能研究各国均在大力推进各自氢能研究 冰岛、丹麦等北欧国家已开始筹建国家氢能系统冰岛、丹麦等北欧国家已开始筹建国家氢能系统国际发展趋势国际发展趋势 目标:目标:使氢能成为广泛使用洁净燃料或能源载体使氢能成为广泛使用洁净燃料或能源载体第第10页页光解制氢法光解制氢法Photosyntheticallyv绿藻绿藻(green algae)v蓝细菌蓝细菌(blue-green algae)、光合细菌光合细菌(photo-synthetic bacteria)生物制氢方法之一第第11页页绿藻绿藻光解作用产氢光解作用产氢 氢化酶氢化酶氢化酶氢化酶2H2H+2e+2e H H2
8、 2 绿藻中存在氢酶绿藻中存在氢酶,能够利用光能产生氢气。整能够利用光能产生氢气。整个路径包含水裂解和释氧光系统个路径包含水裂解和释氧光系统II(PS II)II(PS II)和生成和生成还原剂用来还原剂用来CO2 CO2 还原光系统还原光系统I(PS I)I(PS I)。在光合系统。在光合系统第二个阶段第二个阶段(PS II),(PS II),氧化侧从水中取得电子并产生氧化侧从水中取得电子并产生氧气氧气,电子经过一系列光驱动下生化反应电子经过一系列光驱动下生化反应,电子能量电子能量得到升级得到升级,最终抵达第一阶段最终抵达第一阶段(PS)(PS)还原侧并传递还原侧并传递给氢酶给氢酶,由氢酶传
9、递给氢离子从而产生出氢气。由氢酶传递给氢离子从而产生出氢气。第第12页页蓝细菌和光合细菌蓝细菌和光合细菌光解作用产氢光解作用产氢 固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶N2+8H+8e-+能量能量 2NH3+H2 固氮酶是光营养细菌产氢关键酶。在有氮气存在条件下,它催化分子氮还原为氨同时释放出少许氢气。第第13页页细菌发酵制氢法细菌发酵制氢法 发酵产氢微生物能够在发酵过程中分解有机物产生氢气,它包含梭菌属(Clost ridium)、脱硫弧菌属(Desulf ovibrio)、埃希氏菌属(Escherichia)、丁酸芽孢杆菌属(Trdiumbut y ricum)等等等等。生物制氢方法之二第第14页页发酵
10、法生物产氢发酵法生物产氢 H2 理论产量理论产量C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+2CO2+4H2理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢4 4摩尔摩尔摩尔摩尔第第15页页发酵产氢过程三种基本路径丁酸型发酵、混合酸发酵、NADH路径第第16页页(1)(1)丁酸型发酵产氢路径丁酸型发酵产氢路径:专性厌氧细菌类群专性厌氧细菌类群,如梭状芽孢杆菌属等。其如梭状芽孢杆菌属等。其主要末端产物有主要末端产物有:丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、CO2 CO2 和和H2H2。葡萄糖经葡萄糖经EMPEMP路径生成丙酮酸。丙酮酸首先在丙酮酸路径生成丙酮酸。
11、丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱羧脱氢酶作用下脱羧,形成羟乙基与硫胺素焦磷酸酶复合物形成羟乙基与硫胺素焦磷酸酶复合物,该复合物将电子转移给还原态铁氧化还原蛋白该复合物将电子转移给还原态铁氧化还原蛋白(Fd),(Fd),然后然后在氢化酶作用下被重新氧化成氧化态铁氧化还原蛋白在氢化酶作用下被重新氧化成氧化态铁氧化还原蛋白(Fdox),(Fdox),产生分子氢。产生分子氢。第第17页页TPPTPP E ECHCH3 3COSCoACOSCoAHSCoAHSCoA丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶CHCH3 3COCOOHCOCOOHCOCO2 22Fe2Fe2+2+8FeFd8FeFd2Fe2Fe3+3+氢化
12、酶氢化酶2H2H+H H2 2CHCH3 3 C COHOH TPPTPP E E2e2eTPP-ETPP-E:含硫胺素焦磷酸氧化还原酶含硫胺素焦磷酸氧化还原酶第第18页页(2)混合酸发酵产氢路径 由由EMPEMP路径产生丙酮酸脱羧后形成甲酸和乙酰基路径产生丙酮酸脱羧后形成甲酸和乙酰基,然后甲酸裂解生成然后甲酸裂解生成CO2 CO2 和和H2H2。该产氢过程由甲酸氢。该产氢过程由甲酸氢解酶解酶(FHL)(FHL)系统催化进行。系统催化进行。FHLFHL系统含有甲酸脱氢酶系统含有甲酸脱氢酶和氢化酶组分和氢化酶组分,经过铁氧化还原蛋白酶和氢化酶作用经过铁氧化还原蛋白酶和氢化酶作用分解为分解为CO2
13、 CO2 和和H2H2。经典微生物主要有经典微生物主要有:埃希氏菌属和志贺氏菌属埃希氏菌属和志贺氏菌属等。主要末端产物有等。主要末端产物有:乳酸乳酸(或乙醇或乙醇)、乙酸、乙酸、CO2 CO2、H2 H2 和甲酸等。和甲酸等。其总反应方程式能够用下式来表示其总反应方程式能够用下式来表示:C6 H12O6+H2O CH3 COOH+C2 H5OH+C6 H12O6+H2O CH3 COOH+C2 H5OH+2H2+2CO22H2+2CO2第第19页页FdFd:铁氧还蛋白酶:铁氧还蛋白酶 2e2eHCOOHHCOOH2H2H+2Fe2Fe2+2+FdFd2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶H H2 2
14、COCO2 2CHCH3 3COCOOHCOCOOH丙酮酸丙酮酸-甲甲酸裂解酶酸裂解酶CHCH3 3COSCoACOSCoAHSCOAHSCOA第第20页页(3 3)NADH(NADH(二核苷酸腺嘌呤尼克酰胺二核苷酸腺嘌呤尼克酰胺)路径路径丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢路径丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢路径,而而NADH NADH/NAD+/NAD+则是一个平衡调整路径。在微生物新陈代谢过程则是一个平衡调整路径。在微生物新陈代谢过程中中,经经EMPEMP路径产生路径产生NADH NADH 和和H+H+普通均可经过与丙酸、普通均可经过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相耦联而得以再生丁酸
15、、乙醇或乳酸等发酵相耦联而得以再生,从而确保从而确保NADH/NAD+NADH/NAD+平衡。但当平衡。但当NADHNADH和和H+H+再生相对于其形成再生相对于其形成较慢时较慢时,会产生会产生NADHNADH与与H+H+积累。对此积累。对此,生物有机体必须生物有机体必须采取其它调控机制采取其它调控机制,如在氢化酶作用下如在氢化酶作用下,经过释放分子氢以经过释放分子氢以使使NADHNADH与与H+H+再生。再生。反应方程式以下反应方程式以下:NADH+H+H2+NADNADH+H+H2+NAD+第第21页页发酵产氢3种技术 即非固定化纯菌种(自絮凝技术)、固定化纯菌种、非固定化混合菌种(活性污
16、泥)。第第22页页非固定化纯菌种非固定化纯菌种(自絮凝技术自絮凝技术)因为采取非固定化纯菌种产氢技术细胞持有量较低,极难确保反应器中拥有高浓度产氢细菌和确保产氢细菌产氢能力最大发挥,所以极难实现生物反应器实际运行。所以,人们对这方面研究较少,大多是把这方面技术用来与固定化纯菌种发酵产氢进行比较。第第23页页固定化纯菌种n n 为了提升生物制氢反应器产氢效率为了提升生物制氢反应器产氢效率,就要确保就要确保充分发挥生物制氢反应器效能充分发挥生物制氢反应器效能,即确保反应器中拥即确保反应器中拥有高浓度产氢细菌和确保产氢细菌产氢能力最大有高浓度产氢细菌和确保产氢细菌产氢能力最大发挥。当前发挥。当前,国
17、际上主要采取固定化技术来实现这国际上主要采取固定化技术来实现这一目标。一目标。n n固定化细胞含有耐低固定化细胞含有耐低pH,pH,连续产氢时间长连续产氢时间长,抑制氧抑制氧气扩散速率和预防产氢细菌细胞流失,单位反应气扩散速率和预防产氢细菌细胞流失,单位反应器比产氢率和运行稳定性有很大提升优点。不过器比产氢率和运行稳定性有很大提升优点。不过,因为固定化载体在反应器中占有相当大空间因为固定化载体在反应器中占有相当大空间,限制限制了产氢细菌浓度在反应器中提升了产氢细菌浓度在反应器中提升,从而也妨碍了生从而也妨碍了生物制氢反应器产氢效能发挥。物制氢反应器产氢效能发挥。第第24页页非固定化混合菌种非固
18、定化混合菌种(活性污泥活性污泥)为了处理固定化带来限制和克服纯菌种为生物为了处理固定化带来限制和克服纯菌种为生物制氢技术工业化操作和管理带来困难制氢技术工业化操作和管理带来困难,有些学者提有些学者提出了生物制氢反应器混合菌种非固定化制氢技术出了生物制氢反应器混合菌种非固定化制氢技术,即经过对生物制氢优势菌群限制因子控制和人工即经过对生物制氢优势菌群限制因子控制和人工驯化伎俩驯化伎俩,在反应器中形成产氢稳定乙醇型发酵菌在反应器中形成产氢稳定乙醇型发酵菌群群,使反应器中菌体细胞浓度到达较高水平。使反应器中菌体细胞浓度到达较高水平。第第25页页 当前以葡萄糖,污水,纤维素为底物并不停改进操作条件和工
19、艺流程研究较多。国内研究也取得了一些进展。任南琪等1990年就开始开展生物制氢技术研究,以后提出了以厌氧活性污泥为氢气原料有机废水发酵法制氢技术。该技术突破了生物制氢技术必须采取纯菌种和固定技术局限,开创了利用非固定化菌种生产氢气新路径,并首次实现了中试规模生产连续产氢。第第26页页中试研究设备与现场中试研究设备与现场第第27页页建设中生物制氢示范基地氢气储罐氢气储罐主楼主楼第第28页页燃料电池燃料电池生物制氢车间生物制氢车间中央控制中央控制氢气储罐氢气储罐制氢设备制氢设备第第29页页 最大比产氢能力最大比产氢能力 细菌种属细菌种属 菌种代号菌种代号 mmol/g-Drycellhmmol/g
20、-Drycellh 研究者研究者 产气肠杆菌产气肠杆菌产气肠杆菌产气肠杆菌 E.8 17.0 Tanisho,E.8 17.0 Tanisho,S.S.(Enterobacter aerogenesEnterobacter aerogenes)梭菌属梭菌属梭菌属梭菌属 No.2 20.3 No.2 20.3 Taguchi,F.Taguchi,F.(Clostridium sp.Clostridium sp.)拜氏梭菌拜氏梭菌拜氏梭菌拜氏梭菌 AM21B 21.25 AM21B 21.25 Taguchi,F.Taguchi,F.(Clostridium beijerinckiiClostri
21、dium beijerinckii)巴氏梭菌巴氏梭菌巴氏梭菌巴氏梭菌 1.2 1.2 James,D.James,D.(Clostridium pasteurianumClostridium pasteurianum)弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌 2.5 2.5 James,D.James,D.(Citrobacter intermediusCitrobacter intermedius)丁酸梭菌丁酸梭菌丁酸梭菌丁酸梭菌 7.0 7.0 Tanisho,S.Tanisho,S.(Clostridium butyricumClostridium butyricum)阴
22、沟肠杆菌阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌 IIT-BT08 IIT-BT08 29.6329.63 Kumar,N.Kumar,N.(Enterobacter cloacaeEnterobacter cloacae)国外几个发酵产氢细菌产氢能力比较国外几个发酵产氢细菌产氢能力比较国外几个发酵产氢细菌产氢能力比较国外几个发酵产氢细菌产氢能力比较 第第30页页面临问题、机遇与挑战关关键键问问题题:提提升升产产氢氢能能力力,利利用用廉廉价价原原料料,降降低低制制氢氢成成本本,适适应应商商业业化化需求需求菌种改良,建立高效产氢菌群菌种改良,建立高效产氢菌群高效连续流反应器高效连续流反应器基于代谢工程高产
23、氢收率生化路径基于代谢工程高产氢收率生化路径开发廉价原料开发廉价原料第第31页页方案一:理想生物产氢机理方案一:理想生物产氢机理(代谢工程代谢工程)TPP-ETPP-E:含硫胺素焦磷酸氧化还原酶:含硫胺素焦磷酸氧化还原酶FdFd:铁氧还蛋白酶:铁氧还蛋白酶实现实现实现实现1mol1mol葡萄糖产生葡萄糖产生葡萄糖产生葡萄糖产生6mol6mol氢气氢气氢气氢气 CHCH3 3COCOOHCOCOOHCHOOHCHOOHTPPTPP-E EHSCoAHSCoACHCH3 3 C COHOH TPPTPP-E ECHCH3 3COSCoACOSCoA2Fe2Fe2+2+8FeFd8FeFd2Fe2F
24、e3+3+氢化酶氢化酶2H2H+COCO2 22Fe2Fe2+2+2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶2e2eFdFd2H2H+H H2 2H H2 22e2e改良脱氢酶系改良脱氢酶系第第32页页方案二:生物发酵法与光解法耦联方案二:生物发酵法与光解法耦联分体耦联分体耦联底物梯级利用底物梯级利用一体耦联一体耦联互生关系互生关系原理:发酵法生物制氢残液原理:发酵法生物制氢残液(有机酸和醇有机酸和醇)作为光解法生物制氢供氢体作为光解法生物制氢供氢体第第33页页 是一类特殊电池是一类特殊电池是一类特殊电池是一类特殊电池,以自然界微生物以自然界微生物以自然界微生物以自然界微生物或酶为催化剂或酶为催化剂或酶
25、为催化剂或酶为催化剂,直接将燃料中化学能转直接将燃料中化学能转直接将燃料中化学能转直接将燃料中化学能转化为电能。化为电能。化为电能。化为电能。第第34页页生物燃料电池分类分分 类类特特 征征按催按催化剂化剂分类分类微生物燃料电池微生物燃料电池 利用利用微生物微生物整体作为催化剂整体作为催化剂酶酶燃料电池燃料电池直接利用直接利用酶酶作催化剂针对电作催化剂针对电池阳极区使用生物催化剂池阳极区使用生物催化剂按电按电子转子转移方移方式分式分直接燃料电池直接燃料电池指指燃料直接在电极上氧化燃料直接在电极上氧化,电子直接由燃料转移到电极电子直接由燃料转移到电极间接燃料电池间接燃料电池燃料不在电极上氧化,在
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