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

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，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 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。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 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 2COCO2 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、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-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 beijerinckiiClostridium 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+8FeFd8FeFd2Fe2Fe3+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，在别处氧化后电子经过燃料不在电极上氧化，在别处氧化后电子经过某种路径传递到电极上来某种路径传递到电极上来特殊间接燃料电池特殊间接燃料电池利用利用生物制氢生物制氢提供提供 “燃料燃料”第第35页页时间时间时间时间研究内容研究内容研究内容研究内容19英国英国Potter用酵母和大肠杆菌进行试验发觉利用微生物能够产生电流，从此用酵母和大肠杆菌进行试验发觉利用微生物能够产生电流，从此国际上开始研究国际上开始研究MFCs19501950年年年年后后后后美国开发一个用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原料美国开发一个用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原料MFCs，但研究多，但研究多为间接为间接MFCs，即先利用发酵产生氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电，即先利用发酵产生氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电1960196019701970年年年年直接直接MFCs研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源人工心脏等人造器官电源MFCs19801980年年年年后后后后氧化还原介体应用提升了氧化还原介体应用提升了MFCs输出功率，促使国际上再度兴起输出功率，促使国际上再度兴起MFCs研究研究19901990年初年初年初年初 我国开始研究我国开始研究我国开始研究我国开始研究MFCsMFCs后后国际上国际上MFCs研究成为热点：包含电子传递机理、电极新材料开发、生物催研究成为热点：包含电子传递机理、电极新材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面应用尝试化剂固定化技术以及废水处理等方面应用尝试微生物燃料电池（微生物燃料电池（微生物燃料电池（微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells Microbial Fuel Cells，MFCs)MFCs)研究沿革研究沿革研究沿革研究沿革第第36页页阳极池中，燃料阳极池中，燃料(葡萄糖等葡萄糖等)在微生在微生物整体作为催化剂物整体作为催化剂作用下被氧化，产作用下被氧化，产生电子经过外电路生电子经过外电路抵达阴极，质子经抵达阴极，质子经过质子交换膜抵达过质子交换膜抵达阴极。阴极池中，阴极。阴极池中，处于氧化态物质得处于氧化态物质得到电子被还原。到电子被还原。MFCs基本原理第第37页页能量转化能量转化效率高效率高因为因为MFCs不受卡诺热机效率限制，在理论上含有很高能量转化效率不受卡诺热机效率限制，在理论上含有很高能量转化效率原料原料广泛广泛能够直接利用有机物、无机物作为燃料，甚至可直接利用污水等能够直接利用有机物、无机物作为燃料，甚至可直接利用污水等操作条件操作条件温和温和普通是在常温、常压、靠近中性环境中工作，这使得电池维护成本低、普通是在常温、常压、靠近中性环境中工作，这使得电池维护成本低、安全性强安全性强生物相容生物相容性好性好利用人体内葡萄糖和氧为原料生物燃料电池能够直接植入人体，作为利用人体内葡萄糖和氧为原料生物燃料电池能够直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官电源心脏起搏器等人造器官电源MFCs特点第第38页页一个微生物燃一个微生物燃料电池简单结料电池简单结构构隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布阳离子交阳离子交阳离子交阳离子交换膜换膜换膜换膜氯丁橡氯丁橡氯丁橡氯丁橡胶垫圈胶垫圈胶垫圈胶垫圈碳素纤碳素纤碳素纤碳素纤维电极维电极维电极维电极终端终端终端终端MFCs研究现实状况第第39页页Proteins vulgarisProteins vulgaris大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属(Escherichia coliEscherichia coli)假单胞菌假单胞菌假单胞菌假单胞菌(pseudomonas speciespseudomonas species)土杆菌属土杆菌属土杆菌属土杆菌属(GeobacterGeobacter)泥弧菌属泥弧菌属泥弧菌属泥弧菌属(GeovibrioGeovibrio)希瓦菌属希瓦菌属希瓦菌属希瓦菌属(ShewanellaShewanella)一些硫酸盐还原菌一些硫酸盐还原菌一些硫酸盐还原菌一些硫酸盐还原菌(Desulfovibrio desulfuricansDesulfovibrio desulfuricans)还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌(DesulfotomacumDesulfotomacum reducensreducens)采取主要菌种第第40页页Delaney等选择等选择不一样介体不一样介体-菌种组合，发菌种组合，发觉好介体可显著改进了电池电流输出曲线觉好介体可显著改进了电池电流输出曲线，其中硫堇其中硫堇PVulgaris葡萄糖组合性能最葡萄糖组合性能最正确，库仑产率（实际电流量与燃料消耗正确，库仑产率（实际电流量与燃料消耗理论电流量之比）高达理论电流量之比）高达62%。Lithgow等经过不一样介体比较，等经过不一样介体比较，发觉介体发觉介体分子亲水性基团越多，输出功率越大分子亲水性基团越多，输出功率越大。介体种类选择第第41页页 马马马马萨萨萨萨诸诸诸诸塞塞塞塞州州州州立立立立大大大大学学学学Derek Derek R.R.LovleyLovley等等等等从从从从河河河河底底底底沉沉沉沉积积积积物物物物中中中中分分分分离离离离出出出出Geobacter Geobacter metallireducensmetallireducens（金金金金属属属属还还还还原原原原地地地地杆杆杆杆菌菌菌菌 ），是是是是发发发发觉觉觉觉第第第第一一一一个个个个能能能能将将将将有有有有机机机机物物物物氧氧氧氧化化化化成成成成COCO2 2，同同同同时时时时以以以以铁铁铁铁氧氧氧氧化化化化物物物物为为为为电电电电子子子子受受受受体体体体微微微微生生生生物物物物一一一一个个个个全全全全新新新新含含含含有有有有电电电电化化化化学学学学活活活活性性性性微微微微生生生生物。物。物。物。纯菌种培养MFCs第第42页页n n6月，Lovley等在Nature上发表一篇文章中阐述了Geobacter sulfurreducens新导电机理。它们也是导电性很强生物纳米导线。这一发觉提出了生物电子转移新机制，让我们看到了批量生产适合纳米电子装置蛋白纳米导线前景。n n,Lovley等将兼性菌Geobacter sulfurreducens接种于MFCs阳极。第一次证实了附着在阳极表面微生物能够单独产生电能，并能将羧酸盐底物降解至10M以下。阳极附着阳极附着阳极附着阳极附着G.sulfurreducensG.sulfurreducens SEMSEM照片照片照片照片 第第43页页宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学Bruce E.Logan课题组致力于混课题组致力于混合菌种合菌种MFCs研研究。他们设计了究。他们设计了单室微生物燃料单室微生物燃料电池用于处理污电池用于处理污水。水。混合菌种培养MFCs第第44页页Bruce E.Logan等等人人比比较较了了混混合合菌菌种种培培养养MFCs和和纯纯菌菌种种G.metallireducens培培养养MFCs。采采取取相相同同反反应应器器，纯纯菌菌种种MFCs电电能能密密度度3740mW/m2，混混合合菌菌种种MFCs电电能能密密度度38mW/m2，在在产产电电量量方面基本上无差异方面基本上无差异。纯菌种与混合菌种MFCs比较第第45页页 利用不一样燃料处处理理废废水水时时，当当HRT为为1.1h，产产生生能能量量为为72 mW/m2，COD去去除除率率为为42%；当当HRT延延长长到到4.0h时时，COD去去除除率率增增加加到到79%，平平均均能能量量为为43 mW/m2。若若分分别别以以葡葡糖糖糖糖、乙乙酸酸盐盐、丁丁酸酸盐盐、葡葡聚聚糖糖、淀淀粉粉为为燃燃料料，COD浓浓度度为为1000mg/L，则则产产生生能能量量分分别别为为212、286、220、150和和242 mW/m2。第第46页页在在发发酵酵过过程程中中，细细菌菌只只能能将将有有机机物物不不完完全全地地分分解解，除除产产生生少少许许氢氢外外，还还有有乙乙酸酸和和乳乳酸酸等等，这这称称为为“发发酵酵障障碍碍”。Logan等等人人发发觉觉，在在反反应应中中给给细细菌菌加加上上0.25伏伏电电“刺刺激激”，能能克克服服“发发酵酵障障碍碍”，使细菌将反应进行到底使细菌将反应进行到底。MFCs发酵产氢强化办法第第47页页电子传导屏蔽问题电子传导屏蔽问题 制约制约MFCs输出功率密度最大原因是电子传输出功率密度最大原因是电子传递过程递过程!按按照照Marcus和和Sutin提提出出理理论论，电电子子转转移移速速率率由由电电势势差差、重重组组能能和和电电子子供供体体与与受受体体之之间间距距离离决决定定。理理论论和和试试验验均均表表明明，随随传传递递距距离离增加，电子转移速率呈指数下降。增加，电子转移速率呈指数下降。MFCs关键问题第第48页页处理办法处理办法采取酶法，对酶外壳进行修饰，再将其固采取酶法，对酶外壳进行修饰，再将其固定到电极表面从而实现电子直接传递定到电极表面从而实现电子直接传递 直接用导电聚合物固定酶，从而大大缩短直接用导电聚合物固定酶，从而大大缩短电子传递距离，实现电子直接传递电子传递距离，实现电子直接传递 采取纳米粒子等修饰电极表面，利用尺寸采取纳米粒子等修饰电极表面，利用尺寸效应、表面效应等特征来实现直接、快速效应、表面效应等特征来实现直接、快速电子传递电子传递 第第49页页介介体体包包裹裹在在微微生生物物细细胞胞外外，无无法法形形成成有有效效电电子传递。子传递。介体问题介体问题提升电子提升电子传递效率传递效率 将微生物固定于电极表面将微生物固定于电极表面利利用用纳纳米米粒粒子子尺尺寸寸效效应应、表表面面效效应应等等特特征征，实实现现直直接接、快快速速电电子子传递传递 第第50页页微微生生物物在在各各种种底底物物存存在在下下可可更更加加好好地地繁繁殖殖、生生长长。所所以以，提提供供复复合合底底物物有有可可能能使使生生物物燃料电池到达更大功率燃料电池到达更大功率为为了了提提升升介介体体氧氧化化还还原原反反应应速速率率，可可将将两两种种介介体体适适当当混混合合形形成成复复合合介介体体，以以期期到到达达更佳效果更佳效果 采取复合营养物质和复合介体采取复合营养物质和复合介体第第51页页开发和利用新菌种开发和利用新菌种生物燃料电池中有效和高效菌种是关键所在！生物燃料电池中有效和高效菌种是关键所在！特殊菌特殊菌特殊菌特殊菌类本身类本身类本身类本身含有传含有传含有传含有传递电子递电子递电子递电子功效功效功效功效 研究无介体微生物燃料电池会提供研究无介体微生物燃料电池会提供突破点突破点 微观上探索分析生物导电和产电机微观上探索分析生物导电和产电机理机制理机制 提升提升MFCs效率提供新路径效率提供新路径 指导新生物材料合成和利用指导新生物材料合成和利用 第第52页页航空航天航空航天航空航天航空航天大规模大规模大规模大规模 发电和家发电和家发电和家发电和家用电源用电源用电源用电源 废水、生物质（秸秆、生活垃圾、粪便等）处理宇航员粪便处理能处理能 源问题，源问题，发展可替发展可替换能源换能源特殊领特殊领 域相关问域相关问题题未来MFCs应用领域第第53页页因因为为酶酶与与介介体体共共同同固固定定相相对对更更轻轻易易，相相对对而而言言，直直接接使使用用酶酶修修饰饰电电极极生生物物燃燃料料电电池池发发展展较较快快。惯惯用用酶酶有有胆胆红红素素氧氧化化酶酶、葡葡萄萄糖氧化酶、漆酶等。糖氧化酶、漆酶等。能能够够在在酶酶燃燃料料电电池池中中作作为为催催化化剂剂酶酶主主要要是是脱脱氢氢酶酶和和氧氧化化酶酶。甲甲醇醇和和葡葡萄萄糖糖是是最最常常见见两种原料。两种原料。酶燃料电池研究第第54页页第第55页页举措与发展情况举措与发展情况美国美国美国美国 20世纪世纪70年代末，迫于石油危机，联邦政府制订了年代末，迫于石油危机，联邦政府制订了“乙醇发展计划乙醇发展计划”，开始大，开始大力推广车用乙醇汽油。力推广车用乙醇汽油。1999年年8月，克林顿政府宣告实施以农作物取代化石燃料长久计划，到，生物月，克林顿政府宣告实施以农作物取代化石燃料长久计划，到，生物质能源利用增加质能源利用增加2倍。倍。日本日本日本日本 日本环境省温室效应对策技术关键研讨会提议，国内汽油汽车使用掺加酒精含日本环境省温室效应对策技术关键研讨会提议，国内汽油汽车使用掺加酒精含量为量为10混合燃料。另外混合燃料。另外,环境省计划于推出试用车，在日本普及。环境省计划于推出试用车，在日本普及。巴西巴西巴西巴西 1975年推行车用乙醇汽油计划。年推行车用乙醇汽油计划。1991年巴西政府再次颁布相关法令，要求在全国全部加油站汽油中必须添加年巴西政府再次颁布相关法令，要求在全国全部加油站汽油中必须添加20-24%无水酒精。无水酒精。欧共欧共欧共欧共体体体体 主动发展车用乙醇汽油最直接原因是处理农产品过剩问题。当前，在税收优惠主动发展车用乙醇汽油最直接原因是处理农产品过剩问题。当前，在税收优惠政策支持下，车用乙醇汽油使用呈上升趋势。政策支持下，车用乙醇汽油使用呈上升趋势。一些国家政策和举措第第56页页研究历史沿革18981898年年年年德国采取酸水解工艺从木头中得到了糖，并进行微生物发酵取得酒精，这是德国采取酸水解工艺从木头中得到了糖，并进行微生物发酵取得酒精，这是最早期生物质制酒精工艺。最早期生物质制酒精工艺。二战二战二战二战 期间期间期间期间发觉里氏木霉能够产生纤维素酶，从此开始利用酶进行生物质转化制取燃料发觉里氏木霉能够产生纤维素酶，从此开始利用酶进行生物质转化制取燃料乙醇方法诞生。乙醇方法诞生。1950-1950-19701970水解与发酵分段法水解与发酵分段法水解与发酵分段法水解与发酵分段法(Separate Hydrolysis and Fermentation,(Separate Hydrolysis and Fermentation,SHFSHF)占主导占主导占主导占主导1970-开发开发开发开发同时糖化和发酵工艺同时糖化和发酵工艺同时糖化和发酵工艺同时糖化和发酵工艺（Simultaneous Saccharfication and Simultaneous Saccharfication and Fermentation,separate pentose fermentationFermentation,separate pentose fermentation，SSFSSF）-至今至今开发出开发出开发出开发出同时糖化和共发酵工艺同时糖化和共发酵工艺同时糖化和共发酵工艺同时糖化和共发酵工艺(Simultaneous Saccharification(Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation,and Co-Fermentation,SSCFSSCF）未来未来未来未来 趋势趋势趋势趋势生物质直接转化乙醇一体化生物法生物质直接转化乙醇一体化生物法(Consolidated Bio-Processing，CBP)，即生物质水解和发酵是由同一个菌即生物质水解和发酵是由同一个菌第第57页页 植物纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵原料。植物纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵原料。植物纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵原料。植物纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵原料。转化过程如图所表示：转化过程如图所表示：转化过程如图所表示：转化过程如图所表示：第第58页页研究存在问题方面方面存在问题存在问题水解酶水解酶水解酶水解酶当前使用纤维素酶都是由真菌产生。今后将着眼于厌氧分解菌，因为这些当前使用纤维素酶都是由真菌产生。今后将着眼于厌氧分解菌，因为这些细菌普通不分泌胞外酶，产能低，多数对结晶纤维素没活性。细菌普通不分泌胞外酶，产能低，多数对结晶纤维素没活性。糖化和糖化和糖化和糖化和发酵温发酵温发酵温发酵温度协调度协调度协调度协调在纤维素酶糖化过程中，纤维素酶最适温度在在纤维素酶糖化过程中，纤维素酶最适温度在 50左右，而酵母发酵控制左右，而酵母发酵控制温度在温度在 37-40。怎样使这两个过程温度尽可能协调一致。怎样使这两个过程温度尽可能协调一致。固态发固态发固态发固态发酵技术酵技术酵技术酵技术固态发酵是使微生物在没有或几乎无游离水固体培养基上生长代谢过程，固态发酵是使微生物在没有或几乎无游离水固体培养基上生长代谢过程，固态基质上水分以吸附水形式存在。它发酵过程中无需严格消毒，无需消固态基质上水分以吸附水形式存在。它发酵过程中无需严格消毒，无需消耗大量能量分离提纯产品而且产率很高。因为基质中水分极少，所以会大耗大量能量分离提纯产品而且产率很高。因为基质中水分极少，所以会大大降低染菌机率。不过，固态发酵也有不足之处，发酵过程会产生大量代大降低染菌机率。不过，固态发酵也有不足之处，发酵过程会产生大量代谢热。谢热。第第59页页方面方面存在问题存在问题酸水解酸水解酸水解酸水解稀酸水解，糖转化率只能抵达稀酸水解，糖转化率只能抵达50%，其水解过程中产生一个络合物，是，其水解过程中产生一个络合物，是大多数微生物抑制剂。浓酸水解，约有大多数微生物抑制剂。浓酸水解，约有 90%纤维素和半纤维素转化糖被纤维素和半纤维素转化糖被回收，不过浓酸水解中酸难以回收。回收，不过浓酸水解中酸难以回收。同时糖同时糖同时糖同时糖化发酵化发酵化发酵化发酵同时糖化法优点是显而易见，但同时也有显著限制原因，一是木糖抑制同时糖化法优点是显而易见，但同时也有显著限制原因，一是木糖抑制作用，二是糖化和发酵时最适温度不协调，三是酒精抑制作用。作用，二是糖化和发酵时最适温度不协调，三是酒精抑制作用。木糖转化木糖转化将木糖及时转化为酒精，对高效率酒精发酵是非常主要。木糖存在对纤将木糖及时转化为酒精，对高效率酒精发酵是非常主要。木糖存在对纤维素酶水解纤维素有抑制作用，当木糖浓度抵达维素酶水解纤维