生物技术和能源省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物技术与能源生物技术与能源生物技术与能源生物技术与能源姓名姓名：XXX第1页什么是能源？什么是能源？-不可再生能源：煤炭、石油、天然气-可再生能源：太阳能、风能、水能、地热能、生物质能第2页 生物质生物质：是指利用大气、水、土地等经过光合作用而产生各种有机体，即一切有生命能够生长有机物质通称为生物质。它包含植物、动物和微生物。生物质能生物质能：就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中能量形式，即以生物质为载体能量。它直接或间接地起源于绿色植物光合作用，可转化为常规固态、液态及气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一个可再生能源，同时也是唯一一个可再生碳源。第3页目录目录CONTENTS 生物柴油生物柴油02微生物燃料电池微生物燃料电池06 生物乙醇生物乙醇04国内外发展现实国内外发展现实状况状况01 生物沼气生物沼气05 生物制氢生物制氢03第4页 1国内外发展现实状况国内外发展现实状况第5页国内外发展现实状况国内外发展现实状况1.1.国外发展现实状况国外发展现实状况 生物质能是世界上主要新能源，技术成熟，应用广泛，在应对全球气候改变、能源供需矛盾、保护生态环境等方面发挥着主要作用，是全球继石油、煤炭、天然气之后第四大能源，成为国际能源转型主要力量。第6页利用方式利用方式利用规模利用规模国家国家数量数量单位单位1.生物质发电生物质发电1亿亿千瓦千瓦美国美国1590万万巴西巴西1100万万2.生物沼气生物沼气570亿立方米亿立方米德国德国200瑞典瑞典3.生物质成型燃料生物质成型燃料3000万吨万吨北欧北欧瑞典瑞典4.生物燃料乙醇生物燃料乙醇8000万吨万吨美国美国巴西巴西5.生物柴油生物柴油万吨万吨全球生物质能利用现实状况全球生物质能利用现实状况第7页2.国内发展现实状况 我国生物质资源丰富，全国可作为能源利用农作物秸秆及农产品加工剩下物、林业剩下物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。截至，生物质能利用量约3500万吨标准煤，其中商品化生物质能利用量约1800万吨标准煤。第8页中国生物质能资源分布图中国生物质能资源分布图第9页中国生物质能资源分布图中国生物质能资源分布图第10页利用方式利用方式利用规模利用规模年产量年产量折标煤折标煤数量数量单位单位数量数量单位单位万吨万吨/年年1.生物质发电生物质发电1030万千瓦万千瓦520亿千瓦时亿千瓦时15202.户用沼气户用沼气4380万户万户140亿立方米亿立方米13203.大型沼气工程大型沼气工程10万处万处504.生物质成型燃料生物质成型燃料800万吨万吨4005.生物燃料乙醇生物燃料乙醇210万吨万吨1806.生物柴油生物柴油80万吨万吨120总计总计3540我国生物质能利用现实状况我国生物质能利用现实状况第11页我国存在问题：我国存在问题：1.还未形成共识。2.商业化开发利用经验不足。3.专业化市场化程度低，技术水平有待提升。4.标准体系不健全。5.政策不完善 第12页 2生物柴油生物柴油第13页生物柴油生物柴油 生物柴油生物柴油：是以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等，野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油，经过酯化或酯交换工艺制得主要成份为长链脂肪酸甲酯长链脂肪酸甲酯可代替石化柴油再生性柴油燃料。第14页优点：优点：（1）优良环境保护特征（2）很好润滑性能（3）燃烧性能好（4）很好安全性能第15页制备方法：制备方法：酯交换法、催化加氢、气体合成酯交换法、催化加氢、气体合成1.1.第一代生物柴油第一代生物柴油酯交换法酯交换法 动植物油脂主要成份是甘油三酯，酯交换法是利用低碳醇在催化剂作用下与甘油三酯反应生成脂肪酸甲酯和甘油。生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第16页催化剂：催化剂：酸、碱及其复合应用 酸催化法催化剂：硫酸、盐酸和磷酸等。碱催化法催化剂：氢氧化钠、氢氧化钾和甲醇钠等。酸、碱复合催化法是先在酸催化剂作用下，将脂肪酸转化为脂肪酸甲酯，再在碱催化剂作用下，将甘油三酯转化为脂肪酸甲酯。（1 1）酸碱均相催化法）酸碱均相催化法（2 2）酸碱非均相催化法）酸碱非均相催化法生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第17页（1 1）酸碱均相催化法）酸碱均相催化法 反应条件相对温和，反应速率快，不过，因为催化剂含有强腐蚀性，反应结束后，需对酸或碱进行中和及分离等后续处理，工艺流程长，生产成本增加，且存在废水和废渣排放等环境污染问题。碱性催化剂是当前使用最为广泛催化剂。液碱催化技术应用液碱催化技术应用鲁奇工艺（德国）鲁奇工艺（德国）生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第18页酯交换反应器回流分离甘油粗甲酯沉降槽第19页（2 2）酸碱酸碱非均相催化法非均相催化法 大多采取固体酸和固体碱，可防止液体酸、碱难分离问题以及废水和废渣排放问题 与固体酸相比，固体碱含有较高反应活性，可简化催化剂分离回收过程及缩短反应时间，实现了连续生产，降低了生产成本。固碱催化技术应用固碱催化技术应用Esterfip-H 固体碱工艺固体碱工艺（法国）（法国）生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第20页固定化床反应器（混合金属氧化物固体碱催化剂）甲醇甲醇粗甲酯粗甲酯减压蒸馏分离甘油分离甘油生物柴油产品纯度99%，废水排放少第21页（3 3）超临界法）超临界法 是在超临界流体参加下化学反应，超临界流体既能够作为反应介质，又能够参加反应。在超临界状态下，低碳醇和油脂成为均相，反应速率大，反应时间短。另外，在反应中不使用催化剂不使用催化剂，反应后续分离工艺简单，不排放废碱或酸液，不污染环境，生产成本大幅降低。不过超临界法反应条件非常苛刻，需要在高温高压高温高压下进行。应用应用超临界甲醇醇解（超临界甲醇醇解（SRCA）工艺）工艺（中国）（中国）生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第22页反应压力：6.58.5MPa产率93%，废渣废水少，废水中不含酸碱第23页（4 4）生物酶法）生物酶法 利用脂肪酶催化醇与甘油三酯进行酯交换反应，制备生物柴油。生物酶法优点在于条件温和、醇用量少、游离脂肪酸和水含量对反应无影响、无污染排放。但脂肪酶价格昂贵，故此方法成本较高，不利于大型工业生产。生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法第24页2.2.第二代生物柴油第二代生物柴油催化加氢催化加氢 （1 1）直接催化加氢：）直接催化加氢：将油脂在高温高压下进行深度加氢，羧基中氧和氢生成水，本身还原成烃。应用应用芬兰芬兰NestNest企业企业NExBTL（新一代环境保护生物柴油）工艺（新一代环境保护生物柴油）工艺 （2 2）加氢脱氧异构）加氢脱氧异构 是油脂经过加氢脱氧和临氢异构化两步来制备生物柴油 应用应用美国环球油品公美国环球油品公司司(UOP)Ecofining（绿色柴油）工艺（绿色柴油）工艺生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢第25页生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢第26页生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢异构化第27页3.3.第三代生物柴油第三代生物柴油气体合成气体合成 空气、氧气、水蒸气介质中空气、氧气、水蒸气介质中发生高温裂解、氧化还原发生高温裂解、氧化还原农林废弃物农林废弃物破碎加工破碎加工气化炉气化炉(CO、H2合成气合成气)催化加氢催化加氢费托合成费托合成生物柴油生物柴油第28页 3生物制氢生物制氢第29页生物制氢生物制氢 生物制氢生物制氢：是把自然界储存于有机化合物（如植物中碳水化合物、蛋白质等）中能量经过高效产氢细菌高效产氢细菌作用，转化为氢气氢气，是利用一些微生物代谢过程来生产氢气一项生物工程技术。方法：方法：光解水制氢、光发酵制氢、暗发酵制氢、光发酵和暗发酵耦合制氢第30页（1 1）光解水制氢）光解水制氢 微生物光合作用分解水产氢。以蓝藻为例：H2O（光）缺点：产氢能力较低，不消耗废物。理论研究：理论研究：管英富等采取固定化技术对海洋扁藻进行固定，发觉固定化光解水产氢效率提升5倍。第31页（2 2）光发酵制氢）光发酵制氢 光合异养型细菌在厌氧条件下，以有机物厌氧酵解产生小分子有机酸或醇为底物，光提供能量，将H+还原成H2过程。当葡萄糖作为光发酵基质时，反应方程以下：光发酵含有相对较高光转化效率。第32页理论研究：理论研究：Guillaume Sabourin-Provost学者首次：底物：生物柴油中粗甘油 生物：紫色脱硫光和细菌 H2产量:6 mol H2/mol 粗甘油，理论产量75%才金玲：底物：乙酸 生物：产氢海洋光和细菌（富集获取）研究条件：温度（30）、光照条件（4000lx）、起始pH（8.0）、乙酸浓度第33页（3 3）暗发酵制氢）暗发酵制氢 异养型厌氧细菌 当葡萄糖作为暗发酵基质时，反应方程以下：在有机废物厌氧处理过程中，酸化阶段是在初始水解之后第二阶段，在这一阶段能够产生挥发性脂肪酸、乙酸和H2、CO2。第34页理论研究：理论研究：汤桂兰等，利用养殖场废水进行了厌氧发酵生物制氢技术研究。以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源，经过养殖场废水厌氧发酵生产氢气，结果表明，加入营养物质接种污泥养殖场废水氢气含量、累积产氢量和单位COD氢气产量最高可到达50.65%、334.80 mL和287.10 mL/g。第35页（4 4）光发酵和暗发酵耦合制氢）光发酵和暗发酵耦合制氢 先进行暗发酵，再经过光发酵产氢。暗发酵后发酵液中含有丰富有机酸可用于光发酵，如此可消除有机酸对暗发酵制氢抑制作用；而光发酵中光合细菌对有机酸利用则能降低废水COD值。葡萄糖作为两步发酵基质时，反应方程以下：第36页理论研究：理论研究：Yang 等开展了利用玉米芯作为基质时经过暗发酵和光发酵结合方法产氢研究。暗发酵：最正确产氢量和产氢率分别为（120.35.2）mL H2/g-玉米芯和150 mL H2/(L h).光发酵：光合细菌经过将暗发酵过程出水消化产氢，最大产量为(713.644.1)mL H2/g-COD，此时COD 去除率高达90%。暗发酵阶段产氢主要是因为玉米芯水解产物中还原糖和低聚糖生物转化作用，而光发酵阶段主要是经过暗发酵出水中乙酸、丁酸和乙醇生物降解作用来产氢。第37页生物制氢法生物制氢法产氢效率产氢效率转化底物类型转化底物类型转化底物效率转化底物效率环境友好程度环境友好程度光水解制氢光水解制氢慢慢水水低低需要光，对环需要光，对环境无污染境无污染光发酵制氢光发酵制氢较快较快小分子有机酸、小分子有机酸、醇类物质醇类物质较高较高可利用有机废可利用有机废水制氢，需要水制氢，需要光照光照暗发酵制氢暗发酵制氢快快葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化纤维素等碳水化合物合物高高可利用工农业可利用工农业废弃物制氢，废弃物制氢，发酵废液在排发酵废液在排放前需处理放前需处理光发酵和暗发光发酵和暗发酵耦合制氢酵耦合制氢最快最快葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化纤维素等碳水化合物合物最高最高可利用工农业可利用工农业废弃物制氢废弃物制氢 4种产氢方法比较种产氢方法比较第38页1李媛,张俊涛,谢红艳.生物能源技术发展和利用现实状况研究J.广东化 工,44(13):112-143.2.美国开发变废水污泥为可再生天然气技术J.计量与测试技术,44(04):19.3潘炼峰,吴辰钟.我国生物能源产业发展中问题及处理对策J.经营与管理,(02):96-98.4宁艳春,于占春,白殿国,张东远,屈海峰,张显友.生物燃料技术现实状况及研究趋势分析J.化工科技,24(04):88-92.5曹军卫,高志,凌定元,王健.生物技术在能源领域中应用与发展前景J.山东化工,44(07):60-63.6崔文康,杨冰冰,冯云,席克忠,马新起,乔聪震.第二代生物柴油技术研究进展J.化学研究,26(02):216-220.参考文件参考文件第39页7孙立红,陶虎春.生物制氢方法综述J.中国农学通报,30(36):161-167.8刘汝宽,肖志红,李昌珠,叶红齐.离子液体催化制备生物柴油研究进展J.中国油脂,39(09):53-57.9王常文,崔方方,宋宇.生物柴油研究现实状况及发展前景J.中国油脂,39(05):44-48.10舟丹.我国生物质能科技发展思绪J.中外能源,19(02):57.11史国强,李军,邢定峰.生物柴油生产工艺技术概述J.石油规划设计,24(05):29-34+50.12孙毅.生物技术与能源开发J.科技情报开发与经济,23(15):150-152.13朱增勇,于立明.美国发展玉米乙醇对农产品市场影响J.中国食物与营养,18(06):48-51.第40页14纪超凡,虞星炬,薛松,陈兆安,张卫.亚心型四爿藻在CCCP作用下光生物产氢代谢路径J.微生物学通报,38(11):1666-1672.15彭良才.论中国生物能源发展根本出路J.华中农业大学学报(社会科学版),(02):1-6.16王平,马祥庆.生物能源开发利用及生产技术研究进展J.亚热带农业研究,(04):313-316.17费世民,张旭东,杨灌英,周金星,刘福云.国内外能源植物资源及其开发利用现实状况J.四川林业科技,(03):20-26.18Mona Abo-Hashesh,Nicolas Desaunay,Patrick C.Hallenbeck.High yield single stage conversion of glucose to hydrogen by photofermentation with continuous cultures of Rhodobacter capsulatus JP91J.Bioresource Technology,128:.第41页19金明兰.生物制氢技术研究进展J.吉林建筑工程学院学报,29(04):45-48.20张全国,王毅.光合细菌生物制氢技术研究进展J.农业机械学报,44(06):156-161.21申翔伟,周雪花,杜金宇,荆艳艳.生物制氢技术发展历程及其特征J.太阳能,(01):22-25.22田水泉,张立科,杨风岭,张宪宏,樊静.生物质能源化学转化技术与应用研究进展J.安徽农业科学,39(03):1645-1648.23黄惠莹,陈德业.有机废水处理生物制氢技术研究进展J.广东化 工,41(13):133-134.24成少安,黄志鹏,于利亮,毛政中,黄浩斌,孙怡.微生物燃料电池处理高盐废水研究进展J/OL.第42页25李晶.微生物燃料电池产电代谢及菌群解析D.西安建筑科技大学,.26王维大.微生物燃料电池共代谢降解氰化物及产电性能研究D.北京科技大学,.27刘睿,王晓慧,海热提,向龙,付进南,李媛.活性炭优化生物阴极提升微生物燃料电池产电性能J.环境科学学报,35(07):2059-2063.28郭伟.微生物燃料电池产电性能及处理偶氮染料废水研究D.河南师范大学,.29卢娜,周顺桂,倪晋仁.微生物燃料电池产电机制J.化学进展,(Z2):1233-1240.30田夏迪,程浩毅,王爱杰.微生物-光-电化学耦合技术降解污染物和回收能源研究进展J/OL.第43页31谭晓君,陈峻峰.微生物燃料电池研究进展及发展趋势探讨J.广东化工,44(16):105-106+90.32李婉君.微生物燃料电池技术发展及其应用前景探讨J.绿色环境保护建材,(08):253.33赵宝国.生物乙醇行业发展趋势分析J/OL.当代交际,:(-05-27).http:/