摘要:本文主要介紹微生物與電能和石油的聯(lián)系,分析微生物對(duì)這兩者利用提高的貢獻(xiàn),還介紹了一些雖然還不成熟,但還是很有潛力的微生物提供能量給我們的方法。
關(guān)鍵詞:本源微生物、剩余油開采、脫硫工藝、微生物發(fā)電
本源微生物:本源微生物是指存在與油藏中較為穩(wěn)定的微生物群落。本源微生物驅(qū)油是在注水開采原油過程中周期性地注入氧氣和氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),激活油藏中原油微生物的一種采油技術(shù)。與目前通常采用的外源微生物采油技術(shù)相比,本源微生物采油不存在適應(yīng)性、變異退化等問題,減少了菌種的開發(fā)、生產(chǎn)等步驟。工藝簡(jiǎn)單,投資少,成本低。
剩余油:由于技術(shù)原因以前開采時(shí)不能開采的剩余部分。[1]
革蘭氏陰性菌:細(xì)胞壁較薄,厚度為10nm。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,分外壁層和內(nèi)壁層。[2]
摘要:本文主要介紹微生物與電能和石油的聯(lián)系,分析微生物對(duì)這兩者利用提高的貢獻(xiàn),還介紹了一些雖然還不成熟,但還是很有潛力的微生物提供能量給我們的方法。
今天的世界有一個(gè)共同的憂慮,那就是能源危機(jī)。
石油、電能、水力、煤炭等老一代能源現(xiàn)在面臨著一個(gè)走向枯竭的問題,特別是石油,它是現(xiàn)代工業(yè)的血液,當(dāng)今社會(huì)幾乎都依賴于它而發(fā)展,但是對(duì)它的地球上儲(chǔ)藏量的保守估計(jì)是最多用到本世紀(jì)中葉,圍繞著石油危機(jī),世界經(jīng)濟(jì)的走勢(shì)幾乎由石油的供應(yīng)量來決定,為了多爭(zhēng)取擁有一些石油各經(jīng)濟(jì)大國(guó)使出了渾身解數(shù),甚至運(yùn)用了暴力手段。
電能也是相同的,現(xiàn)在中國(guó)以燃煤發(fā)電為主,但是煤炭?jī)?chǔ)量卻加快減少,而且燃煤發(fā)電污染相對(duì)比較嚴(yán)重;水力發(fā)電污染較少,但先期投資比較大,而且時(shí)間長(zhǎng),見效慢;核能發(fā)電優(yōu)點(diǎn)多但技術(shù)復(fù)雜……
面對(duì)已經(jīng)不多的石油我們要如何充分的利用?對(duì)于各項(xiàng)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如何整和?都是現(xiàn)代科技研究的重點(diǎn),而微生物技術(shù)給我們打開了一扇新的大門。
石油與微生物
1. 本源微生物采油技術(shù)為剩余油開采開路
大慶油田現(xiàn)已進(jìn)入高含水開發(fā)階段,尋找和開發(fā)剩余油非常重要[3]。最近,一項(xiàng)由長(zhǎng)江大學(xué)科研人員多年攻關(guān)研發(fā),工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的剩余油開采技術(shù)——本源微生物采油(MEOR)技術(shù),正在日趨成熟并廣泛應(yīng)用,為剩余油開采提供了新的途徑。
據(jù)了解,俄羅斯采用聚合物驅(qū)油,增產(chǎn)1噸原油的額外成本是30美元,而用本源微生物技術(shù)采油,增產(chǎn)1噸原油的額外成本是5到10美元,我國(guó)大慶油田三次采油,增產(chǎn)1噸原油的額外成本約為200到300元,由此可見本源MEOR在成本上的優(yōu)勢(shì)。早在2001年,長(zhǎng)江大學(xué)科研人員在大港孔店油田首次開展本源微生物驅(qū)油礦場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn),同時(shí)定期取樣分析研究其生化指標(biāo)和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化情況。發(fā)現(xiàn)本源菌激活后增加了3到5個(gè)數(shù)量級(jí),微生物代謝最終產(chǎn)物醋酸根和碳酸氫根濃度增加1到2個(gè)數(shù)量級(jí),原油性質(zhì)及流動(dòng)性均有改善,生物甲烷氣含量增加。進(jìn)一步分析研究表明,這些生物化學(xué)指標(biāo)變化與原油產(chǎn)量增加呈現(xiàn)正相關(guān)系。2004年擴(kuò)大應(yīng)用到3個(gè)區(qū)塊。截至目前,這家油田累計(jì)增產(chǎn)原油約2.2萬噸,投入產(chǎn)出比為1:13.2,取得了明顯效益。此外,本源微生物采油技術(shù)對(duì)油藏環(huán)境無二次污染,對(duì)人體健康和環(huán)境無毒害,是一種綠色環(huán)保的工藝技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于,在研究俄羅斯原有技術(shù)基礎(chǔ)上,在國(guó)際上首次對(duì)高溫和低蠟稠油油藏開展本源MEOR技術(shù)研究,并用分子生態(tài)學(xué)方法對(duì)油藏微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)存在許多未培養(yǎng)微生物資源,它在石油烴共降解中可能起著積極作用。
2. 新型石油微生物脫硫工藝[4]
石油脫硫是很重要的,含硫量的高低也決定了燃燒后對(duì)大氣的污染程度。液化石油氣固體堿脫硫精制新工藝[5],是目前新研發(fā)的脫硫新技術(shù)之一,但是作為化學(xué)脫硫方法總是難逃廢渣的處理問題。而我這里介紹的石油微生物脫硫工藝對(duì)環(huán)境的影響要小的多。
日前,中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所研究員劉會(huì)洲等,利用一種革蘭氏陰性菌--德氏假單胞菌R-8開展石油微生物脫硫研究,發(fā)現(xiàn)它對(duì)多種硫化物具有代謝能力,并通過固定化細(xì)胞的形式,進(jìn)一步提高其脫硫活性,具有很好的工業(yè)脫硫應(yīng)用前景。
汽油、柴油等石油產(chǎn)品,燃燒后排出大量的二氧化硫,是酸雨產(chǎn)生的主要原因之一。機(jī)動(dòng)車尾氣,即光化學(xué)煙霧型大氣污染,更是我國(guó)城市大氣污染的主要來源。目前,工業(yè)上廣泛采用的加氫脫硫法(HDS)對(duì)帶有取代基的二苯并噻吩(DBT)類雜環(huán)化合物的脫硫效率很低。相比催化加氫脫硫,微生物脫硫大幅降低設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用方面的投入,而且廢液排放很少,更符合環(huán)保要求。
在微生物脫硫研究方面,中國(guó)科學(xué)院過程工程所已開展多年研究工作。為發(fā)展更好的生物脫硫方法,研究人員分別從我國(guó)南方和北方地區(qū)的氣田、油田和煤田采集樣品,通過初篩和多次復(fù)篩,得到5株高效DBT專一脫硫菌株。分類鑒定發(fā)現(xiàn),篩選到的德氏假單胞菌R-8,是革蘭氏陰性菌。
劉會(huì)洲指出,國(guó)際上已報(bào)道的專一脫硫微生物,絕大多數(shù)屬于革蘭氏陽性菌。然而研究表明,它們?cè)谌軇┠褪苣芰Ψ矫娌蝗绺锾m氏陰性菌,因此進(jìn)行工業(yè)油品脫硫時(shí),革蘭氏陰性菌具有更好的應(yīng)用前景。初步研究表明,德氏假單胞菌R-8能脫除含硫量為261mg/L的加氫脫硫柴油中72%的硫,對(duì)含硫量為1807mg/L的高含硫柴油的脫硫率可以達(dá)到77%。
他們又研究了各種環(huán)境條件對(duì)微生物活性和脫硫速率的影響,以及分散劑、助溶劑、破乳劑對(duì)微生物的毒性,從而優(yōu)化反應(yīng)條件,提高了脫硫速率。并在生物反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物的高密度培養(yǎng)。所建立的工藝,廉價(jià)、有效,而且可以大批量培養(yǎng)。最后,劉會(huì)洲等采用固定化細(xì)胞的形式,進(jìn)行DBT和高含硫柴油的脫硫?qū)嶒?yàn);改進(jìn)固定化方法和條件,進(jìn)一步提高細(xì)胞脫硫活性。模擬實(shí)驗(yàn)顯示,固定化細(xì)胞經(jīng)過500小時(shí)以上使用,脫硫活性沒有明顯下降。實(shí)驗(yàn)證明,固定化細(xì)胞再生方便,是生物脫硫工業(yè)化的最佳選擇。
為深化成果,研究人員從紅平紅球菌LSSE8-1和戈登氏菌LSSEJ-1中成功擴(kuò)增得到了脫硫相關(guān)基因的片斷,并進(jìn)行了序列測(cè)定,目前正展開微生物脫硫工程菌的構(gòu)建工作。
3. 微生物與電能
電能作為現(xiàn)代能源的支柱性能源,它的產(chǎn)生形式多種多樣,水利發(fā)電,核能發(fā)電都可以說是比較清潔的發(fā)電方式,但是建設(shè)時(shí)間長(zhǎng),偶發(fā)性事件可能性大。最近先后在日本和俄羅斯發(fā)生了核電站事故,10日,日本關(guān)西電力公司承認(rèn),該公司位于福井縣的美濱核電站蒸氣泄漏事故的原因是由于發(fā)生破裂事故的配水管自1976年該機(jī)組開始投入生產(chǎn)以來的27年中,從未進(jìn)行過檢查而導(dǎo)致管道老損,管壁過薄,最終在不堪高壓的情況下發(fā)生了破裂事故。[6]
我現(xiàn)在要介紹一種自然界本身所特有的,污染可由環(huán)境自身調(diào)節(jié)的方法。
微生物發(fā)電未來供電新模式[7]
利用微生物發(fā)電其實(shí)已不新奇,很多國(guó)家都已致力于研發(fā)微生物電池,其原理是將微生物產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。
目前廣泛使用的沼氣發(fā)電也是微生物發(fā)電原理的間接應(yīng)用之一(微生物分解垃圾,產(chǎn)生沼氣,再利用沼氣發(fā)電)。利用微生物發(fā)電成本低、對(duì)環(huán)境的污染小、可應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣闊。因此也吸引了各國(guó)研究人員潛心鉆研這一課題,生物排泄物、白蟻的胃液、牛的胃液都曾被科學(xué)家用以探求微生物發(fā)電的可能性。微生物發(fā)電這一令人期待的發(fā)電模式正逐漸顯現(xiàn)出巨大的潛力。
3.1 牛胃液中微生物可產(chǎn)生電能
據(jù)西班牙皇家化學(xué)學(xué)會(huì)新近公布的一項(xiàng)研究報(bào)告宣稱,牛胃液中所含的細(xì)菌群在分解植物纖維的過程中能夠產(chǎn)生電力,電能約與一節(jié)5號(hào)電池相當(dāng)。 來自俄亥俄州大學(xué)的科學(xué)家安·克瑞斯提解釋說:“牛的胃液本身不能夠當(dāng)作電能來源,而是胃液中一種微生物能夠分解產(chǎn)生電能。這種微生物在反芻消化草等飼料中大量的纖維素過程中,就能夠產(chǎn)生大量的電子?!苯?jīng)過大量研究,克瑞斯提發(fā)現(xiàn),半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物能夠產(chǎn)生600毫伏的電能。于是,克瑞斯提設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)器材來深入證明。
牛羊等反芻動(dòng)物都有兩個(gè)胃,牛的第一個(gè)胃被稱為瘤胃。瘤胃分泌的胃液中含有大量微生物,當(dāng)牛進(jìn)食含有大量植物纖維的食物時(shí),胃液中的微生物便將植物纖維分解,分解過程中便產(chǎn)生了電子??茖W(xué)家利用針頭和玻璃除菌箱將牛的胃液導(dǎo)出,并模擬牛的消化過程,利用胃液中的微生物成功產(chǎn)生了電力。半公升牛的瘤胃胃液中含有的微生物約能產(chǎn)生600毫伏的電能。這種微生物在牛的糞便中也有,而牛的糞便又可以直接給燃料電池提供能量。用牛糞制成的燃料充電電池每節(jié)電池能夠產(chǎn)生300到400毫伏的電能。
如果生物體內(nèi)的微生物能夠成功地應(yīng)用于發(fā)電,那無疑將給能源匱乏的人類社會(huì)帶來巨大效益。但科學(xué)家們也宣稱目前這種利用生物體內(nèi)微生物發(fā)電的模式能產(chǎn)生的電能還很小,何時(shí)能投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)遙遙無期。
3.2 微生物變太空“糞”為太空“電”
目前載人飛船上天,宇航員在太空飛行中的排泄物要被帶回地球。如果有朝一日人類能踏上火星,那么往返火星與地球之間就需要四年的時(shí)間。粗略估算,在此期間,6名宇航員將會(huì)“制造”出6噸多的排泄物垃圾。這些廢物垃圾該如何處置呢?
日前科學(xué)家正在研究利用“泥菌”[8]屬微生物將這些太空垃圾變廢為寶。即讓“泥菌”屬微生物“吃下”人類的排泄物,產(chǎn)出來電能。
具體做法是將這種“泥菌”屬微生物放在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的燃料電池里,這塊電池的燃料不是氫,而是人類的排泄物?!澳嗑蓖淌诚屡判刮锖?,分解出電子,隨后電子被轉(zhuǎn)移到電池的一極,當(dāng)電子流向電池另一極時(shí),碰撞出電流。但目前這種理想的太空糞電池還尚未飛上太空,科學(xué)家稱目前的困難在于如何讓泥菌產(chǎn)出的電子轉(zhuǎn)移到電池上去。如果這一設(shè)想真的能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),那么受益的將不僅是宇航員,人類的排泄物都可變廢為利了。
3.3 三大難題困擾微生物發(fā)電的應(yīng)用
不久的將來,微生物發(fā)電能否成為人類社會(huì)供電新模式?中科院微生物研究所研究員江寧認(rèn)為,雖然目前微生物電池的研究很熱,但在可以預(yù)見的將來,人類社會(huì)利用微生物產(chǎn)生電能的可能性不大。江寧介紹說,目前主要有三大難題困擾著微生物發(fā)電的應(yīng)用。
如欲將發(fā)電模式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),首先產(chǎn)生的電量要足夠大,而目前利用微生物發(fā)電所產(chǎn)生的電量都微乎其微。其次電能的產(chǎn)生過程要簡(jiǎn)單。再次發(fā)電的工作環(huán)境要穩(wěn)定,比如不受溫度的變化。
而利用微生物發(fā)電的研究還處于實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境中。以牛胃液中微生物發(fā)電為例,牛胃液中的微生物在牛胃這樣一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中才能生存,此外實(shí)驗(yàn)室中通過龐大的器皿、恒定唯一的條件才將牛胃液中的微生物轉(zhuǎn)化為電能。如此龐大復(fù)雜的過程,如何投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),需要做的研究太多了。
小結(jié):微生物對(duì)于石油能源各個(gè)方面的應(yīng)用是現(xiàn)在比較熱門的,因?yàn)槲⑸锛夹g(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的物理化學(xué)技術(shù)來說,污染小,產(chǎn)生二次污染的可能性也小的多。本源微生物,在我的理解上類似于活性污泥中的特有菌種,水處理中我們對(duì)排污口的自然產(chǎn)生的菌種,它對(duì)該污水的處理有針對(duì)性的,石油工藝中的本源微生物也對(duì)該地區(qū)的石油有針對(duì)性。而對(duì)于這種本源微生物的培養(yǎng)和我們所學(xué)的微生物簡(jiǎn)單培養(yǎng)是相近的,C、N比也是常規(guī)的比例,這說明我們以前對(duì)這種本源微生物在石油方面的結(jié)合并不十分緊密,在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)我們對(duì)微生物太過忽略了,從這個(gè)側(cè)面而言微生物的研究可以擴(kuò)展的更廣一些。
微生物脫硫技術(shù),對(duì)于我們而言可能更專業(yè)了一點(diǎn),但是在大力強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)的今天這是很有前景的。汽油、柴油等石油產(chǎn)品,燃燒后排出大量的二氧化硫,是酸雨產(chǎn)生的主要原因之一。機(jī)動(dòng)車尾氣,即光化學(xué)煙霧型大氣污染,更是我國(guó)城市大氣污染的主要來源。通過生物脫硫一方面減少了硫?qū)Υ髿獾奈廴荆硪环矫嫠漠a(chǎn)生的廢棄物可以由自然自身凈化,不產(chǎn)生二次污染。
微生物在發(fā)電上的開發(fā)還只是一個(gè)起步,而且相對(duì)于其它的比較成熟的發(fā)電工藝它的發(fā)電量還是很小的,可實(shí)用性也不是很強(qiáng),但是在一些特殊場(chǎng)合還是有它的價(jià)值的,如太空,雖然現(xiàn)在以太陽能電池(太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作 的薄膜式太陽能電池為主流,而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段[9])為主,但是它的缺點(diǎn)是使用的太陽能接收板的面積太大,要從地球上帶入太空成本太高,而上面我們所提到的“泥菌”體積也就小的多,在相同體積上產(chǎn)生的電能“泥菌”要多的多,從另一方面來說“泥菌”發(fā)電在地球上的應(yīng)用還有待提高。
微生物是我們借助顯微鏡才能看到的世界,對(duì)他們的了解并不完全,還有很大的空間。解決能源問題現(xiàn)在的科學(xué)家對(duì)新能源的開發(fā)已經(jīng)是不遺余力,而通過這個(gè)小小的餓微生物我們可以看到一個(gè)大的世界,通過它我們可以對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改良,也可以由于對(duì)微生物的進(jìn)一步了解而對(duì)世界能源問題有新的開發(fā)角度。
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[8] 諸葛健,王正祥,工業(yè)微生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè),北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1994, p72
[9] 北京市青年聯(lián)合會(huì),?北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì),什么是太陽能電池? http://www.bjkp.gov.cn/gkjqy/nykx/k104102.htm