生物技术与能源 方燕琼 (上海交通大学，电子信息与电气工程学院，上海市，200240) 摘要：本文通过微生物在石油开采的应用，清洁能源的概述和新能源的展望，为能源危机的解决 提供了从生物技术层面上的方案。 关键字：油气微生物勘探，微生物采油技术，乙醇，石油植物，氢能，生物燃料电池 Biotechnology and Energy Fang Yangiong (School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,PR China) Abstract:This passage provides a new solution to energy shortage from the view of biotechnology.It tells about the application of microorganism on the oil production, the summary of clean energy and the expectation of new energy. Key words:Microbial prospecting of oil and gas,Microbial Enhanced Oil Recovery, ethylalcohol,petroleum plant,hydrogenic energy,biochemical fuel cell 1.前言 使用量在不断不断的增多，能源存量也成为 能源是人类赖于生存的物质基础之一， 了社会日益严重的问题，不得不引起全人类 与社会经济的发展和人类的进步及生存息 的重视。 息相关。没有能源，人类与社会的发展将失 面对能源的短缺问题，利用生物技术提 去动力，将停滞不前。如何合理地利用现有 高不可再生能源的开采率及创造更多可再 的能源资源，始终贯穿于社会文明发展的整 生能源将成为人们关注的重点。因而生物技 个过程。 术与能源的研究及开发也应相应地成为人 能源分为不可再生能源和可再生能源。 们在能源领域研究的重点。显然，在不远的 不可再生能源是指地球上现有的三大库存 将来，能源主要来自生物技术的看法将成为 的化石原料，即煤、天然气和石油（包括核 事实。 能)。可再生能源是指太阳能、风能、地热2.微生物与石油开采 能、生物能、海洋能和水能。而如今能源的 2.1微生物与石油勘探)
生物技术与能源 方燕琼 （上海交通大学，电子信息与电气工程学院,上海市，200240） 摘要：本文通过微生物在石油开采的应用，清洁能源的概述和新能源的展望，为能源危机的解决 提供了从生物技术层面上的方案。 关键字：油气微生物勘探，微生物采油技术，乙醇，石油植物，氢能，生物燃料电池 Biotechnology and Energy Fang Yanqiong (School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, PR China) Abstract:This passage provides a new solution to energy shortage from the view of biotechnology.It tells about the application of microorganism on the oil production, the summary of clean energy and the expectation of new energy. Key words:Microbial prospecting of oil and gas, Microbial Enhanced Oil Recovery, ethylalcohol, petroleum plant, hydrogenic energy, biochemical fuel cell 1.前言 能源是人类赖于生存的物质基础之一， 与社会经济的发展和人类的进步及生存息 息相关。没有能源，人类与社会的发展将失 去动力，将停滞不前。如何合理地利用现有 的能源资源，始终贯穿于社会文明发展的整 个过程。 能源分为不可再生能源和可再生能源。 不可再生能源是指地球上现有的三大库存 的化石原料，即煤、天然气和石油(包括核 能)。可再生能源是指太阳能、风能、地热 能、生物能、海洋能和水能。而如今能源的 使用量在不断不断的增多，能源存量也成为 了社会日益严重的问题，不得不引起全人类 的重视。 面对能源的短缺问题，利用生物技术提 高不可再生能源的开采率及创造更多可再 生能源将成为人们关注的重点。因而生物技 术与能源的研究及开发也应相应地成为人 们在能源领域研究的重点。显然，在不远的 将来，能源主要来自生物技术的看法将成为 事实。 2.微生物与石油开采 2.1 微生物与石油勘探【1】
利用微生物勘探石油的新技术叫油气 从目前人类正在开发的许多产能的技 微生物勘探(POG),是一种依靠地表微生 术和效益来看，乙醇很可能是未来的石油替 物进行油气勘探的技术。人们发现油区底土 代物。乙醇作为燃料的益处有：产能效率高： 中的重烃含量与季节变化有很大联系，而季 在燃烧期间不生成有毒的一氧化碳，污染程 节变化的起因与微生物活动密切相关。在底 度低：可通过微生物大量发酵生产，成本低。 土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物， 乙醇发酵和操作实际上是一种相当传统的 这些微生物在土壤中的含量和在底土中的 工艺，因而一直被人们认为是人类首次从事 烃浓度存在着某种对应的关系，因此可将这 微生物发酵工艺的典例之一。乙醇发酵所需 些微生物作为勘探地下油田的指标菌。通过 的原材料可选用蔗糖或淀粉，发酵所需的微 在不同地区取土样，分析微生物种类及数量 生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富蔗糖水 来推测该区是否有油气藏存在。这种技术操 解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将 作方便而且成本低。比如，某个地区大量存 蔗糖水解为单糖（葡萄糖、果糖）。酒化酶 在乙烷分解细菌，证明该地区有大量乙烷的 是胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖 存在。而乙烷的出现就指示着附近地区有石 必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作 油蕴藏。乙烷分解细菌常作为探明石油矿藏 用下进行厌氧发酵并转化成乙醇及C0,而后 的一个指标。 乙醇及C0通过细胞膜被排出体外。 2.2微生物采油技术 通常乙醇发酵所需的原料依所使用的 微生物采油技术(MEOR)是通过微生物 菌株而定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母 技术来提高原油采收率，增加油井产量的三 次采油高新技术。这种技术工艺简便，成本 菌，可进行发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、 甘露糖及半乳糖也能被利用。一般认为半乳 低廉，保护油层，而且无污染，具有投入少、 糖比另外三种糖更难发酵。如果是用淀粉类 回收快、效益高的优点。这种技术将地面分 的多糖，则必须先水解成单糖后才能被发 离培养的微生物菌液和营养液注入油层，或 酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲 单纯注入营养液激活油层内的微生物，使其 在油层内生长繁殖，产生有利于提高采收率 霉，糖化后再接种酵母菌进行酒精发酵。酵 母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。 的代谢产物，以提高石油采收率。这是生 在工业发酵上常用的菌株有：啤酒酵母中的 物工程技术在石油开采领域的开拓性的应 德国1号和12号及台湾3%号、葡萄汁酵母 有。 3.生物技术与清洁能源 等。【 3.1微生物发酵新燃料乙醇 3.2石油植物
利用微生物勘探石油的新技术叫油气 微生物勘探（MPOG），是一种依靠地表微生 物进行油气勘探的技术。人们发现油区底土 中的重烃含量与季节变化有很大联系，而季 节变化的起因与微生物活动密切相关。在底 土中存在着能利用气态烃为碳源的微生物， 这些微生物在土壤中的含量和在底土中的 烃浓度存在着某种对应的关系，因此可将这 些微生物作为勘探地下油田的指标菌。通过 在不同地区取土样，分析微生物种类及数量 来推测该区是否有油气藏存在。这种技术操 作方便而且成本低。比如，某个地区大量存 在乙烷分解细菌，证明该地区有大量乙烷的 存在。而乙烷的出现就指示着附近地区有石 油蕴藏。乙烷分解细菌常作为探明石油矿藏 的一个指标。 2.2 微生物采油技术 微生物采油技术（MEOR）是通过微生物 技术来提高原油采收率，增加油井产量的三 次采油高新技术。这种技术工艺简便，成本 低廉，保护油层，而且无污染，具有投入少、 回收快、效益高的优点。这种技术将地面分 离培养的微生物菌液和营养液注入油层，或 单纯注入营养液激活油层内的微生物，使其 在油层内生长繁殖，产生有利于提高采收率 的代谢产物，以提高石油采收率。[2]这是生 物工程技术在石油开采领域的开拓性的应 有。 3.生物技术与清洁能源 3.1 微生物发酵新燃料乙醇 从目前人类正在开发的许多产能的技 术和效益来看，乙醇很可能是未来的石油替 代物。乙醇作为燃料的益处有：产能效率高； 在燃烧期间不生成有毒的一氧化碳，污染程 度低；可通过微生物大量发酵生产，成本低。 乙醇发酵和操作实际上是一种相当传统的 工艺，因而一直被人们认为是人类首次从事 微生物发酵工艺的典例之一。乙醇发酵所需 的原材料可选用蔗糖或淀粉，发酵所需的微 生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富蔗糖水 解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将 蔗糖水解为单糖（葡萄糖、果糖）。酒化酶 是胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖 必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作 用下进行厌氧发酵并转化成乙醇及CO 2，而后 乙醇及CO 2通过细胞膜被排出体外。 通常乙醇发酵所需的原料依所使用的 菌株而定。己糖发酵所用的菌株主要是酵母 菌，可进行发酵的己糖是葡萄糖，另外果糖、 甘露糖及半乳糖也能被利用。一般认为半乳 糖比另外三种糖更难发酵。如果是用淀粉类 的多糖，则必须先水解成单糖后才能被发 酵。淀粉的糖化通常是利用米曲霉或黑曲 霉，糖化后再接种酵母菌进行酒精发酵。酵 母菌发酵乙醇的生化过程是采用厌氧途径。 在工业发酵上常用的菌株有：啤酒酵母中的 德国1号和12号及台湾3％号、葡萄汁酵母 等。【3】 3.2石油植物【4】
3.2.1野生产油灌木 机的先驱，法国侧重于使用该内燃机在农业 野生产油灌木具有一定遗传变异的特 生产，而意大利侧重于使用该内燃机在环境 性，因而通过常规遗传育种技术完全有可能 保护方面，德国则对上述两方面的使用均采 培养出抗寒、高产及抗病虫害的“石油”树。 纳并相当重视。 此外，由于石油树抗逆性极强，抗恶劣气候， 3.3甲烷燃料 可种植在沙漠或旱地。据有关专家推论，假 厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产 如全球的1/3沙漠和旱地都种上“石油树”， 甲烷。整个发酵过程分为三个主要步骤。初 则所生产的“石油”就可完全满足人类对能 步反应：利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变 源的需求。 形杆菌属等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质 近几年来，人们发现产油树的种类越来 等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组 越多。在美国加州发现一种名叫能产油的兰 分。微生物发酵过程：低相对分子质量的可 桉树，其含油量高达树自身总重量的1.2%。 溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成 日本把桉油和汽油以7：1的方式进行混合作 有机酸。甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机 为汽车的燃料。在巴西也发现了一种名为可 酸转化为甲烷及C02。 比巴的乔木，树高30多米，树直径约1m。如 4.未来新能源 在树下端凿开一个小洞，“石油”就缓慢地 4.1氢能 流出，其流量为7-8kg/h。 在未来的新能源中，氢气能源是可燃气 3.2.2油料植物 中最理想的气体燃料之一。其原因是氢气在 从许多植物种子中均能提取出植物油。 燃烧时，除了释放发热量相当于汽油的3倍 例如向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和 之外，其燃烧剩余物均为水，不会造成环境 巴巴苏坚果等。近期，在欧洲用改良的油菜 污染，堪称为绿色燃料。1942年Gafron和 种子油作为一种内燃机燃料的替代物，并获 Rubin发现珊列藻可产氢。随后人们又发现 得相当可观的利润。这种内燃机油的反应是 了许多光合微生物及非光合微生物也能产 在NaOH催化剂的作用下进行的，其反应温度 氢。常见的放氢微生物可分为光合微生物及 为5℃。1吨的菜籽油与0.1吨乙醇反应可产 非光合微生物。产氢的光合微生物可分为藻 生1吨的脂和0.1吨甘油。甘油起着固化作 类及非藻类。藻类有颤藻属、螺藻属、念珠 用，脂可供燃烧，其特性与柴油相似。油籽 藻属、项圈藻届、小球藻属、珊列藻属及衣 菜没有毒性，生物降解率高于98%，它对地 藻属等。非藻类放氢微生物有绿硫菌属、红 球升温效应比常规的内燃机油低3~4倍。法 硫菌属和红螺菌属等。常见产氢的非光合微 国、意大利是使用以植物油料为燃料的内燃 生物可分为厌氧菌及兼性厌氧菌。前者有巴
3.2.1野生产油灌木 野生产油灌木具有一定遗传变异的特 性，因而通过常规遗传育种技术完全有可能 培养出抗寒、高产及抗病虫害的“石油”树。 此外，由于石油树抗逆性极强，抗恶劣气候， 可种植在沙漠或旱地。据有关专家推论，假 如全球的1/3沙漠和旱地都种上“石油树”， 则所生产的“石油”就可完全满足人类对能 源的需求。 近几年来，人们发现产油树的种类越来 越多。在美国加州发现一种名叫能产油的兰 桉树，其含油量高达树自身总重量的1.2％。 日本把桉油和汽油以7：1的方式进行混合作 为汽车的燃料。在巴西也发现了一种名为可 比巴的乔木，树高30多米，树直径约1m。如 在树下端凿开一个小洞，“石油”就缓慢地 流出，其流量为 7-8kg/h。 3.2.2油料植物 从许多植物种子中均能提取出植物油。 例如向日葵、棕榈、椰子、花生、油菜子和 巴巴苏坚果等。近期，在欧洲用改良的油菜 种子油作为一种内燃机燃料的替代物，并获 得相当可观的利润。这种内燃机油的反应是 在NaOH催化剂的作用下进行的，其反应温度 为5℃。1吨的菜籽油与0．1吨乙醇反应可产 生1吨的脂和0．1吨甘油。甘油起着固化作 用，脂可供燃烧，其特性与柴油相似。油籽 菜没有毒性，生物降解率高于98％，它对地 球升温效应比常规的内燃机油低3～4倍。法 国、意大利是使用以植物油料为燃料的内燃 机的先驱，法国侧重于使用该内燃机在农业 生产，而意大利侧重于使用该内燃机在环境 保护方面，德国则对上述两方面的使用均采 纳并相当重视。 3.3甲烷燃料 厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产 甲烷。整个发酵过程分为三个主要步骤。初 步反应：利用芽孢杆菌属、假单胞菌属及变 形杆菌属等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质 等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组 分。微生物发酵过程：低相对分子质量的可 溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成 有机酸。甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机 酸转化为甲烷及CO2。 4.未来新能源 4.1 氢能 在未来的新能源中，氢气能源是可燃气 中最理想的气体燃料之一。其原因是氢气在 燃烧时，除了释放发热量相当于汽油的 3 倍 之外，其燃烧剩余物均为水，不会造成环境 污染，堪称为绿色燃料。1942 年 Gafron 和 Rubin 发现珊列藻可产氢。随后人们又发现 了许多光合微生物及非光合微生物也能产 氢。常见的放氢微生物可分为光合微生物及 非光合微生物。产氢的光合微生物可分为藻 类及非藻类。藻类有颤藻属、螺藻属、念珠 藻属、项圈藻届、小球藻属、珊列藻属及衣 藻属等。非藻类放氢微生物有绿硫菌属、红 硫菌属和红螺菌属等。常见产氢的非光合微 生物可分为厌氧菌及兼性厌氧菌。前者有巴
氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏5.结语 杆菌等，而后者有大肠杆菌、嗜水气单胞菌、 能源危机是人类己经陷入并急需要设 软化芽胞杆菌、多黏芽胞杆菌等。【近十几 法摆脱的主要困境之一。本文通过微生物在 年来，科学家已经发现30-40种化能异养菌 石油开采的应用，清洁能源的概述和新能源 可以发酵糖类、醇类、有机酸等，从而产生 的展望，为能源危机的解决提供了从生物技 氢气。在光合细菌中，人们发现了13-18种 术层面上的方案。人类正在通过生物技术慢 紫色疏细菌和紫色非硫细菌能够产氢气。此 慢地解决能源危机这个问题。 外，把产氢基因克隆到水生藻类中能使之大 幅度地提高产氢量。 参考文献： 4.2生物燃料 [1]何艳青牛立权《生物技术在石油、石 微生物电池就是利用微生物的代谢产 化和化工中的应用》2002年 物作为物理电极活性物质，引起原物理电极 [2]黄曼刘倩倩《微生物在采矿及石油开 的电极电位偏移，增加电位差，从而获得电 采中的应用》2011年 能的装置。按生物燃料电池的构造不同可分 [3]罗承先《世界生物乙醇产业的发展现 为三类，即产物生物燃料电池、去极化生物 状》2007年 燃料电池及再生生物燃料电池。产物燃料电 [4]叶利民徐芬芬《石油植物的利用研究》 池是利用微生物发酵并分泌出具有电极活 2007年 性的代谢产物（例如2）来构成不同的电极 [5]施安辉《经济微生物》1990年 电位，并提供电能。去极化生物燃料电池是 [6]阎季慧《新的可再生能源一未来发展指 利用分别固定在电极上的微生物、酶、组织、 南》1998年 细胞及抗体等生物组分，参与电化学反应并 提供的电压和电能。再生生物燃料电池是利 用生物组分将原有的电化学活性的化合物 再生，这些再生的化合物再与电极发生相互 作用并产生一定的电压和电流。阿 利用微生物、酶及组织等生物材料均能 制作出各种类型的电池。尽管这些生物燃料 电池产电能较低，持续时间较短，但随着生 物技术的高速发展，生物燃料电池一定会成 为令人瞩目的新能源
氏梭菌、产气微球菌、雷氏丁酸杆菌、克氏 杆菌等，而后者有大肠杆菌、嗜水气单胞菌、 软化芽胞杆菌、多黏芽胞杆菌等。【5】近十几 年来，科学家已经发现 30-40 种化能异养菌 可以发酵糖类、醇类、有机酸等，从而产生 氢气。在光合细菌中，人们发现了 13-18 种 紫色硫细菌和紫色非硫细菌能够产氢气。此 外，把产氢基因克隆到水生藻类中能使之大 幅度地提高产氢量。 4.2 生物燃料 微生物电池就是利用微生物的代谢产 物作为物理电极活性物质，引起原物理电极 的电极电位偏移，增加电位差，从而获得电 能的装置。按生物燃料电池的构造不同可分 为三类，即产物生物燃料电池、去极化生物 燃料电池及再生生物燃料电池。产物燃料电 池是利用微生物发酵并分泌出具有电极活 性的代谢产物(例如H2)来构成不同的电极 电位，并提供电能。去极化生物燃料电池是 利用分别固定在电极上的微生物、酶、组织、 细胞及抗体等生物组分，参与电化学反应并 提供的电压和电能。再生生物燃料电池是利 用生物组分将原有的电化学活性的化合物 再生，这些再生的化合物再与电极发生相互 作用并产生一定的电压和电流。[6] 利用微生物、酶及组织等生物材料均能 制作出各种类型的电池。尽管这些生物燃料 电池产电能较低，持续时间较短，但随着生 物技术的高速发展，生物燃料电池一定会成 为令人瞩目的新能源。 5.结语 能源危机是人类已经陷入并急需要设 法摆脱的主要困境之一。本文通过微生物在 石油开采的应用，清洁能源的概述和新能源 的展望，为能源危机的解决提供了从生物技 术层面上的方案。人类正在通过生物技术慢 慢地解决能源危机这个问题。 参考文献： [1]何艳青 牛立权 《生物技术在石油、石 化和化工中的应用》 2002 年 [2]黄曼 刘倩倩 《微生物在采矿及石油开 采中的应用》 2011 年 [3]罗承先 《世界生物乙醇产业的发展现 状》 2007 年 [4]叶利民 徐芬芬 《石油植物的利用研究》 2007 年 [5]施安辉 《经济微生物》 1990 年 [6]阎季慧 《新的可再生能源—未来发展指 南》 1998 年