第七讲生物技术概论2.ppt

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1、第七讲 生 物 技 术 概 论 第三节 资源环境与生物技术,本 讲 要 点,一、资源 1、资源的分类 2、全球资源的现状 二、环境 环境问题的现状 三、资源利用与环境保护的原则 1、产生资源与环境问题的根源 2、保护与利用的原则 四、生物技术对人类生产方式的改造 1、生物技术是可持续发展的关键 2、生物能源,一、资源 自然资源:存在于自然界并能为人类所利用以满足其生活和生产需要的物质和能量。,按资源量是否受人类利用的显著影响可分为： 非枯竭性自然资源（如太阳能、风能） 可枯竭性自然资源（如矿物、生物、土地资源） 非枯竭性自然资源（如大气和水资源）也会受到人类影响。,可枯竭性自然资源又可根据能否

2、自我更新而分为： 可再生性自然资源（如生物资源、地区性水资源） 非再生性自然资源（如各种矿物资源）,（一）资源问题的现状 1. 土地资源 ： 水土流失，土地的沙漠化 ，土地退化。,我国损失耕地2000平方公里/年，沙漠化，固体废弃物9.5亿吨/年，危险品1000万吨/年，污染土壤,被沙漠掩盖的胡杨林,黄土高原,东北盐碱化的土地,2.水资源 ： 人均淡水贫乏 、水资源分布不均 、水污染日益严重。,我国七大水系，符合类以上水质的（可供生活饮用）仅有29.1%， 90%以上严重污染。,3.能源 能源是工农业生产和人们生活的重要物质基础。 包括阳光、风、流水、地热、潮汐、木材和各种矿物燃料。 石油、煤

3、炭、天然气占世界总能源消费的90%。全球石油8000万桶/天 中国：煤炭68.7%，石油21.2%，天然气2.8%，水电7.3%。,化石资源是生物利用太阳能，固定二氧化碳，产生生物质，生物质被埋藏后变为化石资源，能量高度集中，利用效率高，极大促进了人类社会的物质生产。但化石资源是非再生性的资源。,化石资源日益匮乏成为最突出的全球性资源问题。 石 油：50100年 天然气：75120年， 煤 炭：200300年,美国，全球5人口消耗全球1/4石油，11L/人天，20年后增长50% 我国2003年成世界第二石油消费国， 2005年3.17亿吨/年，43%需要进口。现在520万桶/天1000万桶/天

4、， 2025年,据预测，世界大部分国家石油将在20年内采完，中东可采100年 近几年来能源价格已经暴涨。,高油价促使人们加大对化石燃料的开发,如果没有前瞻性的能源政策？,石油、天然气,煤,油页岩,焦油砂,易开采，清洁,难开采，破坏大,文明崩溃,人们已经认识到全世界的石油产量有可能在2016年达到峰值，如现在不寻找替代能源，全球经济将崩溃。,然而传统清洁能源发展存在困难 水电：清洁，发电量大，技术成熟 但投资大、明显影响环境， 埃及的阿斯旺水库处境尴尬 核能：法国达70%， 但投资大、有一定危险性， 大部分民众担忧核电发展,风能：丹麦达20%，清洁 但噪音大、占地，影响观瞻， 还存在能量存储的问

5、题 德国居民反对新建风力发电 在风力发电基座上喷写标语 太阳能：西班牙规定新建筑物必须安装太阳能设施 但目前的发电成本高 为传统火力发电的12倍 且供电不稳，能量存储难,必须需要寻找廉价且更容易实施的替代能源！,4.生物资源 生物资源是一种可再生的自然资源，在一定条件下可以自我更新。 尤其是光合生物利用太阳能，固定二氧化碳，可产生能量。,但生物资源并非取之不尽，用之不竭。森林资源自1950年以来已损失了50%，草地资源面临退化和荒漠化的严重威胁，野生生物资源自18世纪以来已经损失1533%。,二、环境 （一）环境问题的现状 1.温室效应与全球变暖 大气中二氧化碳、甲烷和氮氧化合物含量越高，热外

6、流越受阻，从而地表温度也升得越高，称为温室效应。,人类大量使用各种化石资源，温室气体排放迅速增加 在过去100年内全球平均气温升高了0.6，预计21世纪末全球平均气温将升高3，冰川融化，到2100年世界海平面将升高0.62米。 气温升高导致全球出现各种灾害性气候，台风、洪水、干旱等灾害频发。,2.臭氧层破坏 臭氧层存在于地球大气层上部平流层是地球生物保护屏障,人类活动排放到高空的氯氟烃如氟利昂（CFCl3）等含有大量自由氯原子能催化分解大量臭氧分子，破坏了平流层中臭氧的平衡，出现臭氧层变薄甚至产生臭氧空洞 按现行减少速度，到2075年，臭氧将比1985年减少40%，全球皮肤癌患者将达1.5亿人

7、。臭氧空洞还在继续扩大,3.酸雨 酸雨是指pH值小于5.6的酸性降水,大气中的SO2和NO在强光照射下发生光化学氧化作用，并与水汽结合而形成硫酸和硝酸导致雨水呈酸性。产生酸雨的物质主要来源于人类生产生活中矿物燃料的燃烧，尤其是煤炭和石油。,4. 环境污染 环境污染包括：大气污染、水体污染、土壤污染和噪音污染等 世界十大污染城市中有太原、北京、兰州、重庆等8个中国城市,大气、水体、土壤三者的污染不是孤立的，它们能互相影响,我国1/3城市大气属于重污染，2020年仅燃煤污染导致的疾病就要支付3900亿美元的费用，约占GDP的13%,三、资源利用与环境保护的原则,（一）全球性资源与环境危机产生的根源

8、 在人类中心主义的价值观指导下的人类活动导致人与自然界的关系不和谐，人类向自然无节制地索取和不合理的开发利用是资源出现枯竭危机的直接原因，伴随经济-社会的全球性进程，人类不恰当的开发利用与不合理的生产活动，使环境产生了对人类不利的变化。,壳牌公司对加拿大北方焦油砂的开采，严重破坏了当地的土壤、植被与河流。提取过程中需使用大量热水和化学溶剂将沥青从焦油砂中洗出，并在500高温下分解为焦油，已经严重影响到当地天然气资源的供应。,例如汽油，如果考虑到其不可再生和使用后对环境及人类的影响，其价格将是现在的2.6倍,人们并没有珍惜资源，资源的价格并没有真正反映其价值。,如何解决资源及环境问题？,必须改变

9、我们的传统生产方式！,1.走可持续发展的道路 1987年联合国提出了可持续发展的科学观点 “在不危及后代人满足其环境资源需求的前提下，寻找满足当代人需要的发展途径”,2.保护生物多样性 1992年联合国通过的生物多样性公约 生物多样性是指一定空间范围内生物及其组成的系统的总体多样性和变异性,是生物资源的一个标志，支撑着人类的生存和发展，实质就是保护人类自己，保护人类文明的延续。,（二）资源利用与环境保护的原则,3.必须发展生态工艺和绿色技术,以往的局限性：社会物质生产过程按“原料-产品-废料”的模式进行，它以排放大量废料为特征，原料只有4被利用。,生物圈的物质生产是一种无废料的生产，生态系统的

10、技术原则和组织原则是非线性和循环的,生态工艺：输入生产系统的物质被逐级或循环使用，最后的剩余物经过处理以对生命和环境无害的形式排放。,其生产过程可用“原料-产品-剩余物-产品”模式表示,化石经济时代,后化石经济时代,无化石经济时代,四、生物技术对人类生产方式的改造,（一）生物技术是可持续发展的关键,“后化石经济时代”即将到来！,布什1月31日发表的政府国情咨文提到: We have a serious problem: America is addicted to oil, which is often imported from unstable parts of the world. Th

11、e best way to break this addiction is through technology. Breakthroughs on new technologies will help us reach a great goal: to replace more than 75 percent of our oil imports from the Middle East by 2025. By applying the talent and technology of America, this country can dramatically improve our en

12、vironment, move beyond a petroleum-based economy.,瑞典欧洲重要石油消费国 The environmentally progressive Scandinavian nation has announced one of its most ambitious goals yet: to completely end its dependency on fossil fuels - and do it in the next 15 years. “Our dependency on oil should be broken by 2020”，sai

13、d Mona Sahlin, the minister of Sustainable Development. “We want to be both mentally and technically prepared for a world without oil”, said Martin Larsson,“后化石经济时代”即将到来！,化石资源的替代,能源,资源,环境,社会经济可持续发展,化石经济,寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续发展的重大战略方向,利用可再生资源的新经济模式,地球上所有的生命依赖于植物和藻类，它们可以通过光合作用固定太阳能与CO2，提供能量，是生物资源和化石资源的

14、基础。,可再生资源的解决思路？,人类的发展一直在依靠经生物转化的资源 未来仍然要依靠生物转化的资源,自然生物质资源转化,阳 光,原始文明 食物,工业文明 化石原料,农耕文明 衣食住行,1万年,3千年,2百年,新文明,未来,提供可持续发展的物质基础,光合作用产生的 生物质循环,目前世界 化石资源消耗,仅需使用小于 10% 生物质循环， 即可替代化石资源,950亿吨 C年,65 亿吨 C年,发展生物经济的可行性,生物经济的发展模式,并不是简单地回归到古代的农耕时代 必须与现有的科学技术、生产方式充分接轨，充分利用现有的科学文明与技术探索新的发展模式,植物固定能量,生物技术转化与提取,提供能源与基础

15、产品,石油精炼,有机化学 化工过程 化学反应多步 溶剂, 催化剂 能量,石油工业,石油,石脑油,石油 化学产品,关键 化合物 乙烯、丙烯、丁二烯 苯、甲苯。二甲苯,CO2,短缺,燃料,生物能源 生物材料 大宗化学品,生物有机化学,新化学工业过程,生物催化 化学催化 工艺绿色化,生物质化学工业,可持续 发展,分解,关键 化合物 葡萄糖 脂肪酸,（二）生物能源 生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的 能源,包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质 生产的能源。 如燃料乙醇、生物柴油、生物质气化及液化燃料、 生物制氢等。,我国属于太阳能资源丰富的国家，面积每年接 受的太阳能相当于2.4万亿吨标准

16、煤。 我国生物质的生产总量，近60亿吨，可期望转化为生物能源的约为30-35亿吨标煤。 这是我国发展生物技术产业永不匮缺的资源,1、燃料乙醇 乙醇汽油是在汽油中填加乙醇（522%），其排放污染仅为汽油的1/3。采用专用乙醇发动机，几乎无污染。 生物乙醇就是利用酵母等微生物将葡萄糖降解为乙醇,巴西是发展燃料乙醇的成功典范 生物乙醇793万吨/2000年， 1550万辆汽车/350万辆摩托车使用燃料乙醇。 耗资65亿美元，获利89亿美元，节省石油进口外汇465.5亿美元。 1979-1995年间减少二氧化碳排放量达6500万吨。 提供了约100万个直接就业位置和50万个间接就业机会。,目前美国、欧

17、洲、拉美、日本、中国均开始大规模生产生物乙醇用作燃料乙醇。 2003年美国燃料乙醇的总装置能力达到约840万吨/年。 日本在巴西投资生产燃料乙醇。 欧盟提出,到2020年,运输燃料的20%将用燃料乙醇替代,中国燃料乙醇生产规模139万吨,2005年，国内生物乙醇产量达到287万吨/年，到2020年，燃料乙醇达到1000 万吨（可能会提前实现） 。 东北、河南等5省正在使用燃料乙醇，5年内推广到全国,目前生物乙醇的生产方法根据原料区分有: （1）糖类：如糖蜜生产乙醇是工艺最为简单、南美洲如巴西、阿根廷。 （2）谷物淀粉类：北美和欧洲、中国广泛使用 我国2005年玉米酒精占总产量的50，消耗玉米6

18、00万吨,（3）纤维素类：以植物秸秆等纤维素为原料生产乙醇是最具挑战性的课题。,植物秸秆等纤维素不涉及粮食安全，我国每年产生大量植物秸秆，大部分被烧毁浪费，污染环境。 来源：玉米、稻谷、小麦等秸秆及稻壳、蔗渣， 产量：7亿吨左右 酒精最大产量：5000万吨左右,用纤维素制造乙醇的关键问题是：纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。,（1）如何对纤维素原料进行预处理 主要有化学法和酶法 化学法一般采用酸水解法，常见，已投入生产，但需要耐腐蚀 酶法水解的关键是纤维素酶。2001年美国开发纤维素酶有了较大突破, 预计其成本可与以谷物淀粉为原料生产的乙醇相竞争。,（2）如何利用植物纤维原料中的戊糖 戊糖(

19、主要为木糖20 %30 %)。迄今已发现100 多种微生物可代谢木糖生成乙醇（包括细菌、丝状真菌和酵母），特别是基因工程的发展,产生了大量可利用木糖的基因工程菌。,2、生物柴油,生物柴油是采用来自动物或植物油脂及餐饮废油等与甲醇(或乙醇) 经酯交换反应而得到的脂肪酸甲（乙）酯，可以替代普通石油柴油的可再生的清洁燃料。,生物柴油具有以下优点: 可减少对石油的需求，可再生; 环境友好, 生物柴油的尾气中有毒有机物为普通柴油的30%，几乎无SO2和铅等有毒物，可达欧3排放标准 ； 闪点高, 安全性好，低温启动性好，燃烧性能好； 排放红外辐射低，可用作军用,生物柴油各国的生产状况 （2000年）,20

20、03年欧洲成品油5%为生物柴油，德国年产110万吨，2010年800万吨,目前生物柴油主要用化学法生产, 即油脂与甲醇或乙醇等，在酸或碱性催化剂和高温（230250）下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。但工艺复杂, 能耗高；脂肪中不饱和脂肪酸在高温下易变质。 超临界法合成生物柴油, 在超临界甲醇中直接对脂肪酸进行酯化，不需要催化剂，反应速度快，后处理简单，但设备要求高压，能耗大。,关键技术为：生物酶法合成生物柴油, 通过脂肪酶进行酯交换反应,制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和, 能耗低，无污染物排放等优点。 酶法合成生物柴油的关键是高效

21、的脂肪酶。各国都在加大对酶法的研发。 我国采用假丝酵母脂肪酶, 其生物柴油转化率已达96%，固定化酶半衰期达200h以上，生产成本显著降低，已具备竞争优势，处于世界先进水平。,酶法合成生物柴油工艺即将大规模生产: 北京：500吨示范装置已投产 上海：1万吨装置即将投产 秦皇岛：5万吨装置2007年投产,生物柴油的原料来源,原料约占生物柴油生产成本的90,美国主要原料是大豆油，西欧则是菜籽油 成本太高，我国食用油尚需部分进口，不符合国情 选择废食用油作为原料可以降低成本 我国地沟油300万吨/年，废油脂200万吨/年 ，北京市的饭馆一天就可产生废食用油1000吨。如利用可生产数百万吨生物柴油。

22、一举两得：即获得能源，又可避免重复使用而发生食品安全问题,但废弃食用油来源分散，难回收，需解决来源稳定的问题 如何实现餐饮废油的专业回收？,发展高产非食用油料植物是提供原料的重点 (1)黄连木种子含油量35.05%,种仁含油量56.5% ，种子产量5080kg生长4年即可结实，分布范围广，现有面积400多万亩。 我国有黄连木取油的传统，但其食用不佳，已退出食用领域，种子1元/kg，2.5吨黄连木种子可生产1吨生物柴油。,福建已建设黄连木种植基地，开始用于生物柴油炼制。河南、山东、陕西、河北开始规划,黄连木种子,（2）麻疯树种仁含油率50-80%，麻疯树林3年可挂果投产、5年进入盛果期。栽培麻疯

23、树的干果产量为600-800kg/亩。 适合在热带、亚热带种植，在我国适宜种植面积约有3000万亩。目前，四川、云南已人工栽培达30多万亩。四川已经建立相关的生物柴油生产装置。,种植木本油料植物既可促进生物能源产业的发展，又可绿化荒山荒地，改善生态环境,麻疯树种子,3、沼气,沼气是作物秸杆、粪便等有机物质在厌氧条件（隔绝空气）下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。沼气中含有大量甲烷气体，可作为燃料。,沼气发酵是一个复杂的生理生化过程，需要经过水解、产酸、产甲烷三个阶段。 （1）水解阶段，微生物把纤维素、脂肪等有机物转为可溶性组分， （2）产酸阶段，微生物通过厌氧发酵将这些组分转化为有

24、机酸， （3）产甲烷阶段，甲烷菌把有机酸转化为甲烷。,目前我国生物质产量为沼气大发展提供可能,另有：26亿吨畜禽粪便 0.7亿亩薪炭林地 8.5亿亩用材林地 10亿亩低质地 大量含糖工业废渣 大量富营养废水,水葫芦也称凤眼莲，可净化水质，但繁殖速度快，覆盖水面，导致水中缺氧，是一种危险的外来物种，我国南方每年花费5亿治理，为什么不可以利用，变害为利呢？,南京工业大学污水处理与沼气生产集成示范工程,沼气池,100100m,植物秸杆,粪便,生活污水,沼气,沼气锅炉,学生浴室,温泉游泳池,图书馆空调,沼渣,污水处理 水体净化,太阳能,太阳能集热系统,中温发酵,热,草坪,山林,有机肥料,光照,学生食堂

25、,教工宿舍,4、生物制氢,氢气是目前最理想的清洁燃料之一，无任何污染 氢燃料电池电动汽车已投入市场。 氢气的制备方法有太阳能制氢、水电解法制氢、天然气或工业尾气分离制氢和生物制氢等。 化学方法制氢要消耗大量的资源,而且再生产过程中产生的污染物对地球环境造成破坏。,生物制氢包括生物质气化制氢和微生物发酵制氢。 利用生物质如秸秆等裂解气化制备氢气已完成中试。 微生物发酵制氢采用的微生物主要集中在光合细菌(包括绿藻、蓝细菌) 和厌氧细菌。 光合细菌可利用光合作用转化太阳能为氢能, 厌氧细菌可降解大分子有机物产氢, 因此可通过转化可再生的生物质生产氢能。厦门大学完成了小试,生物质,生物能源技术,生物炼制技术,规模化沼气 与污水处理,生物质制氢,生物质能、 太阳能发电,C2- C4炼制,大宗化学品,生物材料,生物能源,生物质工业示范工程,