微生物与资源利用.ppt

第七章微生物与资源利用,,第一节微生物冶金,1.微生物湿法冶金技术（1）地下无人采铜技术（就地浸出法）先将深达数百米的地下铜矿层爆破成碎矿石堆，不需将矿石运出，就在原地，用特别培养的细菌和水一起灌入铜矿层，其中一部分细菌如氧化硫杆菌、聚硫杆菌等，把矿石中的硫或硫化物氧化生成硫酸，而另一部分细菌如氧化亚铁硫杆菌等能在硫酸存在下，把硫酸亚铁氧化成为硫酸铁。细菌本身则借助于这些反应获得能量，并不断地生长繁殖。氧化产生的硫酸铁还可进一步将黄铁矿和辉铜矿分别氧化为硫酸亚铁和硫酸铜，同时自身被还原成硫酸亚铁。通过这样的方式，矿石中的铜离子就被浸出，成为可溶于水的硫酸铜。另外，这些细菌往往还会分泌出一些有机物质，其中的部分有机物对金属离子具有螯合作用，通过这种作用也可以让部分铜离子溶解到水中。,这样，当人们把培育出的细菌随着水不断地送入矿层后，它们利用矿层中的生活环境，就会逐步繁殖起来．细菌越聚越多，溶矿速度也就越来越快，从矿层中流出来的溶液中就含有大量的硫酸铜。要做的工作，就是想办法把这些硫酸铜溶液收集起来。由于不需要把矿石从地下运出来，这种方法称为“就地浸出法”。至于要把硫酸铜转变为铜，只需加入铁粉，就可以把铜置换出来。也可采取电解等其它方法提取铜。,微生物湿法冶金的基本原理,硫酸铁自身被还原成硫酸亚铁）,加入铁粉置换铜采取电解法提取铜,矿石中的硫或硫化物,硫酸,,矿石中的硫酸亚铁,辉铜矿（Cu2S）,黄铁矿（FeS2）,,,,2矿堆浸出适用对象对于含铜量稍高一些的贫矿（金属含量在５％以下），则可以考虑先把矿石开采出来，然后在合适的场地上按一定的方式堆起来，再从上面喷淋含特定微生物的浸出液。这种方法虽然增加了开采成本，但有利于提高微生物的生长速度和铜的浸出速度，也便于控制浸出溶液中硫酸铜的浓度和收集浸出液。,微生物湿法冶金技术适用于,①对一些铜含量特别低的矿床，由于开采成本太高，一般就可以考虑采用就地浸出法。②而对于含铜量稍高一些的贫矿（金属含量在５％以下），则可以考虑先把矿石开采出来，然后在合适的场地上按一定的方式堆起来，再从上面喷淋含特定微生物的浸出液。这种方法虽然增加了开采成本，但有利于提高微生物的生长速度和铜的浸出速度，也便于控制浸出溶液中硫酸铜的浓度和收集浸出液。③对于一些大型的矿山和冶炼厂，还可以采用带搅拌的反应器或反应槽进行湿法冶金，虽然成本更高，但反应速度也会大大提高。,2.其它金属应用,除了铜矿外，微生物湿法冶金还已经在提取铀和金上得到了工业应用；对其他很多金属如锰以及一些复合矿的湿法冶金技术，也正在从试验室研究向工业应用迈进。微生物这些微小的生命在不久的将来，将可以帮助人类获取更多的财富。,第二节磷矿的微生物处理,1.我国磷肥工业遇到的难题我国磷资源丰富，但不少是中低品位的磷矿。若直接用酸法制肥，由于其中的碳酸盐含量过高，不仅要消耗大量的酸，而且产品质量也很难合格，而如果先进行选矿，成本又会大幅度上升。这是目前我国磷肥工业的难题之一。探索利用微生物处理低品位磷矿、生产低成本的微生物磷肥，将是解决这一难题的有效方法。,2.低品位磷矿生产微生物磷肥,溶解矿物中磷的微生物种类能够溶解矿物中磷的微生物很多，主要包括芽抱杆菌、假单孢菌、欧文氏菌、亚硝化菌、硫杆菌、链霉菌、曲霉、青霉等。微生物溶解磷的机理微生物溶解磷的机理之一，是它们在自身的代谢活动中会产生一些有机酸，如柠檬酸、草酸、醋酸、酒石酸等，这些有机酸可以与磷矿中的钙、镁、铁、铝等金属离子结合，从而促使磷矿的溶解。,3.发酵磷矿粉＋培养基＋微生物,①生产可溶性磷将磷矿粉和培养基混在一起，利用微生物发酵过程，将磷矿粉中的不溶性磷转化为可溶性磷，然后再将这些可溶性磷和发酵产生的大量微生物一起作为高效的复合磷肥使用。②在土壤中解磷可以将未经过发酵的磷矿粉和少量微生物一起直接在农田中施用，让微生物在土壤中发挥解磷作用。,第三节微生物与石油资源的开采和利用,石油似乎天生就与微生物有缘。石油从它的来源和形成，到勘探、开采、应用，乃至石油在开采、运输和应用过程中造成的污染的清除，到处都有微生物的参与。,１.石油的产生与微生物,一般认为，石油是由深埋在地下的古代动、植物和微生物的残体，在地层深处的压力和温度下经受漫长的演变而形成的。在石油的最初的形成过程中，很可能也有微生物的参与；而在原油中发现的一些特殊微生物的存在，至少可以说明微生物参与了石油的后期演变。,２.微生物是采油向导,石油的主要成份石油是由各种有机化合物组成的，其中最大量的是由碳和氢组成的化合物，叫做烃。如甲烷、乙烷等。某些微生物可作采油导向一些以石油中的烃类为食物的细菌例如乙烷分解细菌等，可以作为石油勘探队的“向导”。导向原理石油虽深埋地下，但总有一些烃会透过岩层缝隙跑到地层的浅处。有些微生物喜欢以烃类有机物为食，虽然跑到地表层的烃很少，但也足以让一些这样的微生物维持生命并繁衍后代了。因此，勘探队员如果在某地区的土壤中发现大量的以烃为食的微生物，就说明那里很可能有石油，再配合其他的探测方法，就可确定油藏的分布范围了。,３.微生物在石油开采中的作用,（1）一次采油发现石油资源后，采油工人首先会根据油层的分布进行钻井。油井钻成后，由于地层的压力，部分原油从井中喷涌而出，这个过程称为一次采油。不足之处随着原油的不断涌出，地层下原油的压力就被逐步释放，到一定的时候原油就不会自动喷出来了。所以一次采油虽然省事，但只能开采出一小部分原油。,（2）二次采油,一次采油后，为了把大量的原油开采出来，通常采用注水驱油的方法，通过注水井往油层中高压注水，靠水的流动把油从地下”驱赶”到地面，这个过程称为二次采油。,用水驱油,,,二次采油不足之处,二次采油一般也只能开采出不到一半的原油（40～50），其原因是原油比水黏得多，所以水比原油流得更快，这样在高压下，注入的水到了一定的时候就能从原油中“杀出一条血路”，直接冲出地面，而失去了驱油的能力。,（3）三次采油,在一次采油和二次采油后，为了能将更多的原油开采出来，就需要采用各种各样的其他采油技术来继续将剩下的大量石油从地下驱出，这个过程通称为三次采油。,三次采油技术的种类,（１）一类方法是在注入的水中加一些聚合物如黄原胶，来增加水的黏度，或者加入一些能增加水和油的混合程度的表面活性剂。,用加黄原胶后的水驱油,,,（２）微生物采油技术也是三次采油技术的一种,微生物采油技术利用微生物的活动及其代谢物强化采油的技术MicrobialEnhancedOilRecovery，简称MEOR，是一项科技含量高、发展迅猛的绿色环保技术，可以让高含水、近枯竭和废弃的老油田重新生产。基本原理①利用微生物能在油层中发酵并产生大量的酸性物质以及H2、CO2及CH4等气体的生理特点，使微生物产气可增加地层压力，提高采油率；②产生的酸性物质可溶于原油中，降低原油的粘度；③微生物还可产生表面活性剂，降低油水的表面张力；④有些微生物可以把高分子碳氢化合物分解成短链化合物，使之更加容易流动，避免堵住油井输油通道。,微生物采油技术（属三次采油）的分类,（1）微生物地上采油技术概念地上微生物采油技术是在地面上的工厂里，利用微生物发酵生产出一些微生物多糖或者微生物表面活性剂，然后再把这些多糖和表面活性剂加到用来驱油的水中，以便能提高原油开采量，其中最常用的驱油发酵产品是黄原胶。它是由黄单饱菌产生的一种多糖，把它溶解在水中能极大地提高水的黏度。优点微生物地上采油技术的优点是效果比较明显，速度快。缺点由于要在工厂里发酵生产这些驱油用的生物产品，成本比较高。,,（2）微生物地下采油技术概念地下采油技术是将一些特定的微生物如某些假单孢菌、芽孢杆菌等和一定量的必要的营养物质通常是廉价的蔗糖工业副产物糖蜜等一起注入贮油岩层，让微生物在岩层这个巨大的天然“发酵罐”中生长繁殖，利用生成的大量微生物细胞以及它们在生长过程中产生的代谢物，来改变原油的性质，提高开采效率。地下采油最有效的方法是将微生物和营养物质一起用高压泵从注水井注入贮油层，让微生物在油层中迁移、生长、繁殖，并产生出各种代谢物，通过微生物和它们的代谢物的作用将油从采油井驱出。这样的过程称为微生物驱油。,微生物地下采油,微生物驱油,注水井,采油井,,本源微生物技术驱油采油增产显著我国陆上多数油田虽然已进入中后期开发阶段，但地下仍有40％－50％的剩余石油难以采出。于是，微生物采油技术便成了解决这一难题的途径之一。本源微生物驱油就是通过往地层中注入营养液激活地层中处于休眠状态的好氧和厌氧微生物，以原油及中间代谢产物为碳源生长繁殖，产生有利于增油的代谢产物，如气体、低分子量溶剂、生物表面活性剂、短链有机酸、生物多糖等，达到改善油藏，提高原油采收率的目的。,,大庆油田微生物驱油实验增油效果喜人2005年11月12日，大庆外围特低渗透油田朝阳沟油田传来喜讯,大庆油田公司应用微生物驱油技术的60口油井已经开始出油,前景良好。这是大庆油田继聚合物（聚丙烯酰胺等）驱、水驱、三元复合驱油技术后又一项自主研发的新技术。据统计,2003年以来，大庆外围油田已有近百口油井被注入微生物，截至2005年10月底，已累计增油1.2万吨。2004年，这个公司又开始进行“两注九采”实验，就是给两口井注入微生物，让周围9口井往外出油。记者在现场看到,现在有6口井开始“吐”油。这些区块都是大庆外围特低渗透油藏，用其他驱油方法，很难达到这个效果。,,三元复合驱油技术三元复合体系是由碱/表活剂/聚合物组成,碱/表活剂可使体系与原油间形成超低界面张力,聚合物又使体系具有更高的粘度,因此,三元复合驱既可扩大波及体积又可提高洗油效率,从而更大程度地提高油层的最终采收率。,,大庆参与一项石油开采技术的微生物基因组计划2003-4-291813课题组组长綦丹华说，此项研究就是利用基因工程手段，在分子水平上定向构建或改造采油自然微生物菌种的性能，增加、增强其生理特性和功能，然后把它们制成能注入油层进行采油的菌液。据调查，除中国外，世界上仅有美国等个别发达国家开始启动类似研究计划。全世界目前有６０％的石油地质储量难以用现有技术开采。,4.微生物在石油加工中的作用,石油脱蜡石油产品的质量与其中蜡的含量高低有很大关系。飞机如果使用含蜡量高的汽油，高空的低温会使蜡凝固起来，将飞机上的油管堵塞，造成严重事故，因此，石油产品就要进行脱蜡处理。利用解脂假丝酵母和热带假丝酵母等微生物，可以吃掉石油中的蜡，同时，由此产生的大量酵母细胞中因含有丰富的蛋白质和维生素，故可以作饲料用。,5.微生物处理石油污染,在石油生产和使用过程中，石油污染是极其普遍的现象，尤其是在运输过程中若发生大量渗漏时，常造成严重的后果。利用那些以烃类为食物的微生物也可以消除这些污染物，净化环境。,6.土壤生物修复,1）概念利用土壤中天然的微生物资源或人为投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到各污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，使土壤恢复其天然功能。2）土壤生物修复技术土壤修复的工作步骤（１）调查污染地的本底资料（２）制定治理方案，进行适当的可行性试验（３）技术实施,3）土壤生物修复工程,（１）微生物修复法①原位处理适于污染面积大、污染不严重的土壤修复。,生物通风,②异位处理,a.现场处理法以土壤耕作方式处理b.预制床（挖掘堆置）法,,c.堆置处理法类似有机固体废物的堆肥d.生物反应器法生物泥浆反应器处理生物反应器的处理过程先将污染土壤挖出，以土水比1∶2的比例与水混合为泥浆，然后转送入反应器内。加入经驯化的微生物、营养盐及表面活性剂以提高降解速率，温度控制在20～25℃。并通空气。其内有搅拌装置，可使土壤、微生物等充分混合，因而处理速度较快，效果好。,,e.厌氧生物修复法如在土壤泥浆反应器中，投加厌氧颗粒污泥修复芳香烃污染的土壤。,第四节变废为宝,近年来，英国的“疯牛病”事件和比利时的“二恶英”事件引起了全世界的恐慌。这两起事件的起因，都是因为使用了含动物来源成分的混合饲料，因此，饲料安全问题已经引起世界各国政府的高度重视。微生物饲料因其蛋白质含量高、安全无污染的优点，被认为将是21世纪饲料产业的支柱之一。,1.利用农作物加工中的下脚料生产饲料,农作物种类例如利用玉米、甘薯、马铃薯、大米等粮食生产淀粉时，会产生大量的废渣。废渣主要成分除水分外，这些废渣主要含淀粉和糖类、纤维素、蛋白质、脂肪以及一些无机盐，其中又以淀粉和糖类含量最高。这些下脚料虽然有的也可以直接用作饲料，但由于其蛋白质含量较低，而且其中的一些成分不容易被动物消化吸收，故而营养价值不够理想．,2.微生物如何将农产品加工废渣变成优质饲料,1转化成富含蛋白质的微生物细胞用农产品加工的下脚料培养微生物，利用微生物的代谢作用，把其中的一部分淀粉和糖类、粗蛋白、粗脂肪转化成富含蛋白质的微生物细胞．这样，不仅提高了这些下脚料中的蛋白质含量，而且菌体蛋白质也更容易被动物吸收．,,2产生有营养价值的其他物质,微生物代谢产生的各种各样的维生素、氨基酸等，都具有很高的营养价值。微生物通过以上作用将农作物废渣变成为优良的动物饲料。,