生物技术概论 第8章生物技术与能源 习题与参考答案 一、名词解释 1.微生物勘探技术：微生物勘探技术是以微生物为探测系统的技术方法，可以检测和 量化烃类气体微渗漏。 2.油气藏：油气藏是油气在单一圈闭中的聚集，具有统一的压力系统和油水界面，是 油气在地壳中聚集的基本单位。 3.贾敏效应：贾敏效应是一种阻力效应，油中气泡或者水中的油滴由于界面张力而力 图保持成球形。 4.徽生物地面发酵法：微生物地面发酵法是指在地面工厂的发酵反应罐中，为微生物 提供必需的营养物质，将微生物的代谢产物（主要是生物活性剂和生物聚合物）注入地层， 从而提高采收率。 5.生物质能：生物质能是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中 的能量形式，即以生物质为载体的能量。 6.生物制氢：生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括生物质气化制氢和微 生物发酵制氢两种方法。 7.生物柴油：生物柴油是一种较为洁净的合成油，是植物油、动物油、废弃油脂或微 生物油脂经转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。是一种可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 8.徽藻油脂：微藻油脂就是由微藻产生并贮存于微藻体内的油脂。 9.工程微藻：工程微藻就是利用生物技术方法改变微藻基因组成或其调控元件、加强 产油代谢途径或减少产油旁代谢途径，从而开发的含油率高、适应性强的新的油料藻株。 10.燃料乙醇：燃料乙醇是生物质能源的一种，一般是指体积浓度达到99.5%以上的可 用作燃料的无水乙醇。 二、简要回答 1.如何利用微生物提高采油量？ 石油又称原油，常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。这些烃类 可能以气态、液态或沥青质固态存在。气态烃常伴随液态烃存在。气态烃一般是从甲烷到丁 烷的小分子饱和烃混合物。液体烃俗称原油，含有上千种化合物。原油和天然气存在于地下 沉积岩层中，形成贮油岩层。目前在油田开采过程中微生物起着越来越重要的作用。靠地层 压力将原油运到地面，称为一次采油，一次采油所得油量一般只占油田总储量的13左右。 在二次采油中，利用微生物采油是一项重要的技术。利用微生物在油层中的生长繁殖、发酵 代谢，产生大量酸性物质和气体，增加地层压力和降低原油的黏度，增加油的流动性，用于 提高采油量。经过二次采油后，仍然有30%的原油需要进一步开采，即第三次采油。在第
生物技术概论 第 8 章 生物技术与能源 习题与参考答案 一、名词解释 1. 微生物勘探技术：微生物勘探技术是以微生物为探测系统的技术方法，可以检测和 量化烃类气体微渗漏。 2. 油气藏：油气藏是油气在单一圈闭中的聚集，具有统一的压力系统和油水界面，是 油气在地壳中聚集的基本单位。 3. 贾敏效应：贾敏效应是一种阻力效应，油中气泡或者水中的油滴由于界面张力而力 图保持成球形。 4. 微生物地面发酵法：微生物地面发酵法是指在地面工厂的发酵反应罐中，为微生物 提供必需的营养物质，将微生物的代谢产物（主要是生物活性剂和生物聚合物）注入地层， 从而提高采收率。 5. 生物质能：生物质能是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中 的能量形式，即以生物质为载体的能量。 6. 生物制氢：生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括生物质气化制氢和微 生物发酵制氢两种方法。 7. 生物柴油：生物柴油是一种较为洁净的合成油，是植物油、动物油、废弃油脂或微 生物油脂经转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。是一种可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 8. 微藻油脂：微藻油脂就是由微藻产生并贮存于微藻体内的油脂。 9. 工程微藻：工程微藻就是利用生物技术方法改变微藻基因组成或其调控元件、加强 产油代谢途径或减少产油旁代谢途径，从而开发的含油率高、适应性强的新的油料藻株。 10. 燃料乙醇：燃料乙醇是生物质能源的一种，一般是指体积浓度达到 99.5%以上的可 用作燃料的无水乙醇。 二、简要回答 1. 如何利用微生物提高采油量？ 石油又称原油，常存在于地下的地质沉积岩层中，是一种复杂的烃类混合物。这些烃类 可能以气态、液态或沥青质固态存在。气态烃常伴随液态烃存在。气态烃一般是从甲烷到丁 烷的小分子饱和烃混合物。液体烃俗称原油，含有上千种化合物。原油和天然气存在于地下 沉积岩层中，形成贮油岩层。目前在油田开采过程中微生物起着越来越重要的作用。靠地层 压力将原油运到地面，称为一次采油，一次采油所得油量一般只占油田总储量的 1/3 左右。 在二次采油中，利用微生物采油是一项重要的技术。利用微生物在油层中的生长繁殖、发酵 代谢，产生大量酸性物质和气体，增加地层压力和降低原油的黏度，增加油的流动性，用于 提高采油量。经过二次采油后，仍然有 30%的原油需要进一步开采，即第三次采油。在第
生物技术概论 三次采油中，主要选育产气量高的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培 养液一起注入油层中，通过代谢、产酸产气、分泌表面活性剂增加地层压力，降低表面张力， 消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。 2.简述徽生物在石油工业中的应用。 微生物在石油工业中的应用包括以下几个方面： (1)微生物在石油勘探中的应用。主要的应用领域为未开采区含油气性预测：对成熟 探区储层进行评价： (2)在石油开采中的应用。主要包括将微生物的代谢产物（主要是生物活性剂和生物 聚合物)注入地层，从而提高采收率，或将微生物注入地层，使其在油层中就地产生各种代 谢产物。只要供给微生物足够的营养物质，代谢产物的生成速度就会大于微生物降解的速度。 (3)微生物在石油炼制和化工中的应用。石油中含有的硫、氮等元素在石油加工利用 过程中会污染环境、产生酸雨，必须脱除。微生物脱硫是利用适宜细菌代谢过程使石油脱硫， 在生化反应过程中，脱硫剂可以再生或自身补充。 (4)微生物在石油工业环保方面的应用。主要的应用领域为微生物对含油土壤的治理 和微生物对含油废水的治理。 3.生物质能源有哪些？ 生物质能是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即 以生物质为载体的能量。第一代生物质能源是由甘蔗和甜菜、或其它粮食作物（如高粱、玉 米等)采用发酵工艺来生产生物燃料替代乙醇汽油。第二代生物能源是指利用非粮食作物， 如秸秆等农业废弃物为原料来生产纤维素乙醇。第三代生物能源或将进入“藻时代”，人们 尝试以微藻为原料生产生物燃料的油脂，之后从海藻中提取生物油脂，通过酯化反应生 产生物柴油。近年来，开发的生物质能包括生物乙醇、沼气、氢气和微生物燃料电池等新型 能源。 4.简述生物柴油的生产策略。 生物柴油的生产策略包括以下几个方面： (1)油料植物的生产策略。通常有提高油料作物的含油量和改善植物油脂的品质两种 方法。 (2)木本油料植物的生产策略。选用优良的木本油料植物包括大戟科的麻疯树，漆树 科的黄连木，山茱萸科的光皮树，无患子科的文冠果，山茶科的油茶在国土面积约69%的山 地、高原、丘陵地区甚至沙地上进行种植： (3)利用微生物与藻类转化生产生物柴油。一些产油酵母菌能生产油脂并贮存在菌体 内，油脂含量达到细胞干重的70%以上，海洋绿藻的含油量也可达30%左右，以这些微生物 为原料，利用微藻油脂转化技术可生产生物柴油。 (4)废油脂资源的利用。利用废弃油脂转化技术，以废油脂为原料生产生物柴油
生物技术概论 三次采油中，主要选育产气量高的菌种或利用分子生物学技术构建基因工程菌，连同营养培 养液一起注入油层中，通过代谢、产酸产气、分泌表面活性剂增加地层压力，降低表面张力， 消除地层堵塞，从而提高采油量，延长油井的寿命。 2. 简述微生物在石油工业中的应用。 微生物在石油工业中的应用包括以下几个方面： （1）微生物在石油勘探中的应用。主要的应用领域为未开采区含油气性预测；对成熟 探区储层进行评价； （2）在石油开采中的应用。主要包括将微生物的代谢产物（主要是生物活性剂和生物 聚合物）注入地层，从而提高采收率，或将微生物注入地层，使其在油层中就地产生各种代 谢产物。只要供给微生物足够的营养物质，代谢产物的生成速度就会大于微生物降解的速度。 （3）微生物在石油炼制和化工中的应用。石油中含有的硫、氮等元素在石油加工利用 过程中会污染环境、产生酸雨，必须脱除。微生物脱硫是利用适宜细菌代谢过程使石油脱硫， 在生化反应过程中，脱硫剂可以再生或自身补充。 （4）微生物在石油工业环保方面的应用。主要的应用领域为微生物对含油土壤的治理 和微生物对含油废水的治理。 3. 生物质能源有哪些？ 生物质能是指生物通过光合作用将太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即 以生物质为载体的能量。第一代生物质能源是由甘蔗和甜菜、或其它粮食作物（如高粱、玉 米等）采用发酵工艺来生产生物燃料替代乙醇汽油。第二代生物能源是指利用非粮食作物， 如秸秆等农业废弃物为原料来生产纤维素乙醇。第三代生物能源或将进入“藻时代”，人们 尝试以微藻为原料生产生物燃料的油脂，之后从海藻中提取生物油脂，通过酯化反应生 产生物柴油。近年来，开发的生物质能包括生物乙醇、沼气、氢气和微生物燃料电池等新型 能源。 4. 简述生物柴油的生产策略。 生物柴油的生产策略包括以下几个方面： （1）油料植物的生产策略。通常有提高油料作物的含油量和改善植物油脂的品质两种 方法。 （2）木本油料植物的生产策略。选用优良的木本油料植物包括大戟科的麻疯树，漆树 科的黄连木，山茱萸科的光皮树，无患子科的文冠果，山茶科的油茶在国土面积约69%的山 地、高原、丘陵地区甚至沙地上进行种植； （3）利用微生物与藻类转化生产生物柴油。一些产油酵母菌能生产油脂并贮存在菌体 内，油脂含量达到细胞干重的70%以上，海洋绿藻的含油量也可达30%左右，以这些微生物 为原料，利用微藻油脂转化技术可生产生物柴油。 （4）废油脂资源的利用。利用废弃油脂转化技术，以废油脂为原料生产生物柴油
生物技术概论 5.谈谈你对未来能源的见解。 从历史能源的发展来看，我们人类的燃料从固体燃料逐步进入煤炭时代，在进入今天的 液体燃料一石油能源时代，而未来的时代发展趋势将会转向更加清洁的天然气能源。从未来 着眼，太阳能、风能等新能源将会引领人类走向新的未来，然而这个过程当中天然气将会作 为一个过渡能源让人类度过接下里的60到0年时间，让人类有足够的时间应对能源需求， 此外这个过程当中，天然气能源的基础设施也开始用于氢能的开发，不会造成巨大的生产资 料的浪费。 三、拓展讨论 1.微生物在石油工业发展中的应用前景。 [思路提示]微生物在石油工业发展之所以得到广泛的关注，除了其在采油工业上的杰 出表现之外，主要的应用前景在微生物采油技术。该项技术在实际的应用中既有优点，也有 缺点，只要在实际的应用中及时有效地解决所出现的问题，就能够在一定程度上有效提高石 油的开采效率，降低企业的经营成本，提高企业经营效益。由于微生物在石油开采中具有较 强的优势，具体表现在：(1)微生物采油不会产生二次污染，因而这种采油技术是绿色采 油。(2)微生物达到的区域很广，微生物采油不受区域限制。(3)微生物采油成本也很低， 它以水为生长介质，以质量较次的糖蜜为营养，效果好。(4)实施方便，通过油井现有的 管道就可以注入油层。因此表现出较好的应用前景。 2.燃料乙醇发展的瓶颈。 [思路提示]燃料乙醇发展瓶颈有两个：一是原料保障，二是市场容量。原料保障方面， 在粮与非粮的原料途径上，目前非粮路线占据上风，所以原料来源主要渠道就是木薯、甜高 粱、秸秆，以及农林加工剩余物质。但木薯距离规模种植还相距甚远：而甜高粱一般适宜在 沿海滩涂种植，虽可利用资源很多，但因为地域非常分散，目前集中利用还相当困难。因此， 如果不能获得廉价有效的原料保障，燃料乙醇就犹如无米之炊。市场容量方面，从总体上看， 乙醇汽油推广使用的地域普及面较窄，在消耗总量上有限。与车用汽油总量相比，实属九牛 一毛。显然，乙醇汽油受政策干预较强，市场远未开放。 3.微生物制造氢的技术难点和发展前景。 [思路提示]微生物制氢技术具有良好的环境性和安全性，是最具潜在应用前景的制氢 气方法之一。微生物制氢因无污染、效率高、成本低等优点，在氢能开发及产业化方面展现 巨大的潜力。目前己发现能够产生氢气的微生物很多，科学家把具有产氢能力的细菌划分为 4个类型：(1)依靠发酵过程而生长的严格厌氧细菌：(2)能在通气条件下发酵和呼吸的兼 性厌氧细菌：(3)能进行厌氧呼吸的严格厌氧菌：(4)光合细菌。 目前的技术难点是：(1)在深入研究微生物产氢的原理和条件的基础上，寻找产氢能 力高的微生物，用于大规模的生产；(2)寻找便利的携带和储存氢气的方法。 (复旦大学林娟)
生物技术概论 5. 谈谈你对未来能源的见解。 从历史能源的发展来看，我们人类的燃料从固体燃料逐步进入煤炭时代，在进入今天的 液体燃料—石油能源时代，而未来的时代发展趋势将会转向更加清洁的天然气能源。从未来 着眼，太阳能、风能等新能源将会引领人类走向新的未来，然而这个过程当中天然气将会作 为一个过渡能源让人类度过接下里的 60 到 70 年时间，让人类有足够的时间应对能源需求， 此外这个过程当中，天然气能源的基础设施也开始用于氢能的开发，不会造成巨大的生产资 料的浪费。 三、拓展讨论 1. 微生物在石油工业发展中的应用前景。 [思路提示] 微生物在石油工业发展之所以得到广泛的关注，除了其在采油工业上的杰 出表现之外，主要的应用前景在微生物采油技术。该项技术在实际的应用中既有优点，也有 缺点，只要在实际的应用中及时有效地解决所出现的问题，就能够在一定程度上有效提高石 油的开采效率，降低企业的经营成本，提高企业经营效益。由于微生物在石油开采中具有较 强的优势，具体表现在：（1）微生物采油不会产生二次污染，因而这种采油技术是绿色采 油。（2）微生物达到的区域很广，微生物采油不受区域限制。（3）微生物采油成本也很低， 它以水为生长介质，以质量较次的糖蜜为营养，效果好。（4）实施方便，通过油井现有的 管道就可以注入油层。因此表现出较好的应用前景。 2. 燃料乙醇发展的瓶颈。 [思路提示] 燃料乙醇发展瓶颈有两个：一是原料保障，二是市场容量。原料保障方面， 在粮与非粮的原料途径上，目前非粮路线占据上风，所以原料来源主要渠道就是木薯、甜高 粱、秸秆，以及农林加工剩余物质。但木薯距离规模种植还相距甚远；而甜高粱一般适宜在 沿海滩涂种植，虽可利用资源很多，但因为地域非常分散，目前集中利用还相当困难。因此， 如果不能获得廉价有效的原料保障，燃料乙醇就犹如无米之炊。市场容量方面，从总体上看， 乙醇汽油推广使用的地域普及面较窄，在消耗总量上有限。与车用汽油总量相比，实属九牛 一毛。显然，乙醇汽油受政策干预较强，市场远未开放。 3. 微生物制造氢的技术难点和发展前景。 [思路提示] 微生物制氢技术具有良好的环境性和安全性，是最具潜在应用前景的制氢 气方法之一。微生物制氢因无污染、效率高、成本低等优点，在氢能开发及产业化方面展现 巨大的潜力。目前已发现能够产生氢气的微生物很多，科学家把具有产氢能力的细菌划分为 4 个类型：（1）依靠发酵过程而生长的严格厌氧细菌；（2）能在通气条件下发酵和呼吸的兼 性厌氧细菌；（3）能进行厌氧呼吸的严格厌氧菌；（4）光合细菌。 目前的技术难点是：（1）在深入研究微生物产氢的原理和条件的基础上，寻找产氢能 力高的微生物，用于大规模的生产；（2）寻找便利的携带和储存氢气的方法。 （复旦大学 林娟）