《生物制氢》PPT课件.ppt

1,许多同学去拜会大学教授,起初大家相谈甚欢,然而说着说着,学生们的话题便转向了抱怨,他们抱怨生活的压力和功课的负荷。 这时,教授不动声色地从厨房里取出了许多个不同质地、不同形状的杯子,其中有陶质的、有瓷质的、有木质的、有玻璃的、也有塑胶的。教授让同学们自己取杯子倒水喝。杯子被取得七七八八后,托盘上只剩下一些粗陋的杯子。 教授这时微笑着说:“你们瞧,所有细致、古朴、玲珑、美丽的杯子都被拿走了,剩下的,全是让人瞧不上眼的塑胶杯。,杯 子,2,生物制氢与燃料电池,氢与氢能 生物制氢 氢的存储及运输 氢的利用燃料电池,3,1.氢与氢能,元素周期表第一个元素 原子结构最简单 氢气密度最小，无色无味 常压下，-252.87时可变为无色液体 常压下，-259.1时可变成雪状固体 氢气燃烧产生大量的热（氢能）：142 kJ/g，是汽油发热量的3倍 燃烧速度快，易爆 在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物的形式存在 最理想的能源,4,氢能的特点,(1) 来源广。自然界存在的氕，其丰度约为氢总量的99.98%。地球上的水储量为21018万t，是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。 (2) 燃烧热值高。氢气的热值为121061kJ/kg，是甲烷的2.4倍，汽油的2.4倍，乙醇的4.5倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。 (3) 清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水； (4) 燃烧稳定性好。容易做到比较完善的燃烧，燃烧效率很高。 (5) 存在形式多。氢可以以气态、液态或者固态金属氢化物出现，能适应储运及各种应用环境的要求。 (6) 氢是“和平”的能源。化石能源分布极不均匀，常常引起激烈的资源争夺。而氢即可再生来源又广，每个国家都有着丰富的氢资源，因此可以说是“和平”的能源。,5,氢能的发展是历史的必然？,能源利用的趋势：高碳 低碳； 低氢 高氢；固态 气态 能源 氢/碳 碳/氢 柴薪 0.01 100 煤炭 0.7 1.43 石油 1.8 0.56 天然气 3.5 0.29 氢 0,6,氢能发展概况,1974年，国际氢能源协会（International Association for Hydrogen Energy，IAHE）创办，并于2000年开始举办两年一届的国际氢能论坛（Hyforum）。 2003年11月在美国首都华盛顿欧米尼西海姆大酒店举行氢能国际经济合作伙伴（IPHE）会议，共有15个国家和欧盟政府代表团以及各国工商界代表参加，中国是成员国之一。其目标是，到2020年，制氢的成本费用降低到能使其称为交通运输燃料的选择之一。,7,氢能永恒的能源,电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。 核聚变：氘 + 氚 氦；氢弹、太阳能。 受控核聚变： 高温（几千万-几亿摄氏度） 低气体密度（常温常压下的几万分之一） 能量约束时间超过1s。 资源丰富： 氘海水中含有的氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年； 氚没有； 锂锂 + 中子 氚，锂可用12万年。 分数氢：常规氢与核聚变的中间层。,8,氢的制备方法,水制氢 电解：通电； 热化学：1000，催化剂（Me3O4，MeCl2）； 热裂解：3000。 化石能源制氢 煤气化：煤 焦炭；C + H2O H2 + CO; CO + H2O H2 + CO2 天然气： CH4 + 2H2O 4H2 + CO2 ; CH4 2H2 + C 石油： CH3OH + H2O 3H2 + CO2 ; 通式：hv + CxHy + H2O H2 + CO2 ;,9,10,2. 生物制氢,与传统的化学制氢方法相比，生物制氢具有无污染、可再生和不消耗宝贵的矿物资源的突出优点。 按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。 按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；,11,12,2.1 光合作用,13,原初反应,电子传递和光合磷酸化,光反应,暗反应,14,光反应的主要蛋白,舞台,15,2.1.1 原初反应,是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过程。 物理过程：光的吸收、传递 化学过程：电子传递 特点 1.速度非常快，1012 s 109 s内完成； 2. 与温度无关，(77K，液氮温度)(2K，液氦温度)； 3. 量子效率接近1。,16,天线色素,特殊色素,17,18,19,光的吸收与传递,色素分子的能态 激发态的命运 1.放热 2.发射荧光与磷光 3.色素分子间的能量传递 4.光化学反应,20,色素分子间的能量传递,激子传递 激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但不能转移电荷。 这种在相同分子间依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。,21,共振传递 在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这种依靠电子振动在分子间传递能量的方式就称为“共振传递”。 在共振传递过程中，供体和受体分子可以是同种，也可以是异种分子。 能量传递过程中不发生光的吸收和电子的传递。,22,能量传递过程的能量变化,23,光化学反应,反应中心 反应中心是发生原初反应的最小单位，它是由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电子受体与供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需的蛋白质等成分组成的。 原初电子受体是指直接接收反应中心色素分子传来电子的电子传递体 反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供给电子的，因此反应中心色素分子又称原初电子供体。,24,25,原初反应光化学反应,原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程： PA P*A P+A 基态反应中心 激发态反应中心 电荷分离的反应中心 反应中心出现了电荷分离(P+) (A-) ，到这里原初反应也就完成了。 原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱” ，便可从次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高，供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给P+的还原剂叫做次级电子供体(D)，从A接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)，那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为： DP+AA1 D+PAA1 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递体中传递。,hv,26,PS和PS的光化学反应,27,2.1.2 电子与质子传递,28,29,光系统（Photosystem ，PS ）,PS是含有多亚基的蛋白复合体。它由聚光色素复合体、中心天线、反应中心、放氧复合体、细胞色素和多种辅助因子组成。,PSII反应中心结构模式图 示意PSII反应中心D1蛋白和D2蛋白的结构。 电子从P680传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌QA和QB。P680+在“Z”传递链中被D1亚基中酪氨酸残基还原。 Mn聚集体(MSP)对水的氧化。 CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。,30,PS反应中心的核心部分是分子量分别为32 000和34 000的D1和D2两条多肽。 反应中心的次级电子供体Z、中心色素P680、原初电子受体Pheo、次级电子受体QA、QB等都结合在D1和D2上。其中与D1结合的质体醌定名为QB，与D2结合的质体醌定名为QA。这里的Q，醌(Quinone)的字首。,组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47 000、43 000并与叶绿素结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHC更快地把吸收的光能传至PS反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。,31,醌的电子传递,QA是单电子体传递体，每次反应只接受一个电子生成半醌 ，它的电子再传递至QB，QB是双电子传递体，QB可两次从QA接受电子以及从周围介质中接受2个H+而还原成氢醌(QH2 ) 。这样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换，生成PQH2。,32,水的裂解与氧的生成,放氧复合体(OEC)又称锰聚合体(M,MSP)，在PS靠近类囊体腔的一侧，参与水的裂解和氧的释放。 每释放1个O需要从2个H2O中移去 4 个 e-，同时形成 4 个 H。,PS的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电子传至质体醌。,33,质体醌,质醌(PQ)也叫质体醌，是PS反应中心的末端电子受体，也是介于PS复合体与Cyt b/f复合体间的电子传递体。 质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数的5%10%，故有“PQ库”之称。 质体醌是双电子、双质子传递体，氧化态的质体醌可在膜的外侧接收由PS(也可是PS)传来的电子，同时与H结合；还原态的质体醌在膜的内侧把电子传给Cyt b/f，氧化时把H释放至膜腔。这对类囊体膜内外建立质子梯度起着重要的作用。,34,细胞色素b6/f复合体,Cyt b6/f 复合体主要催化PQH的氧化和PC的还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此Cyt b/f 复合体又称PQHPC氧还酶。,Cytb/f 复合体作为连接PS与PS两个光系统的中间电子载体系统，是一种多亚基膜蛋白，由4个多肽组成，即Cytf、Cytb 、Rieske 铁-硫蛋白、17kD的多肽等。,35,质体蓝素,质蓝素(PC)是位于类囊体膜内侧表面的含铜的蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于Cyt b/f复合体与PS之间的电子传递成员。通过蛋白质中铜离子的氧化还原变化来传递电子。PC在类囊体腔内移动。,36,光系统（PS）,PS由反应中心和LHC等组成。反应中心内含有1112个多肽，其中在A和B两个多肽上结合着P700及A0、A1、FX、FA、FB等电子传递体。每一个PS复合体中含有两个LHC，LHC吸收的光能能传给PS的反应中心。,37,PS的电子传递,两个主要的蛋白质亚基psaA和psaB的分布状况。 电子从P700传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体A1。 电子传递穿过一系列的被命名为FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（Fdx）。 P700+从还原态的质蓝素（PC）中接受电子。 psaF，psaD和psaE 几个PSI亚基参与可溶性电子传递底物与PSI复合体的结合。,38,铁氧化还原蛋白,铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-NADP还原酶(FNR)都是存在类囊体膜表面的蛋白质。 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化还原来传递H+。因其与Fd结合在一起，所以称Fd-NADP还原酶。FNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收Fd传来的电子和基质中的H，还原NADP为NADPH，反应式可用下式表示： 2Fd还原+NADP+ H FNR 2Fd氧化 + NADPH,39,光反应的电子与质子传递,光合磷酸化,40,图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PS与PS各吸收4个)，传递4个e能分解2个H2O，释放1 个O2，同时使类囊体膜腔增加8个H，又因为吸收8个光量子能同化1个CO2，而在暗反应中同化1个CO