（化学工艺专业论文）玉米秸秆厌氧发酵生物制氢放大实验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 能源短缺和环境污染是新世纪人类所面临的巨大挑战。与其他传统的能源 燃料相比，氢气具有能量密度高、热转化率高、输送成本低、燃烧时只生成水、 无二次污染等诸多优点。在众多的制氢方法中，生物质厌氧发酵制氢技术以其来 源于微生物自身的新陈代谢条件下即可进行，而且可利用工农业废弃物为制氢原 料，既实现了废弃物资源化，而且成本低廉，所以厌氧发酵生物制氢技术是一种 发展前景广阔的环境友好型制氢新方法，具有良好的应用前景。 本文在批式实验和小型放大实验研究成果的基础上，以农业废弃物玉米秸秆 为产氢原料，以牛粪堆肥为产氢菌源，在3 0 立升规模的混合式制氢反应器中通过 厌氧发酵产生氢气，取得了有意义的研究结果。结果表明： 1 以牛粪堆肥作为天然厌氧微生物来源，采取先煮沸菌源溶液1 5 m i n ，接着 曝气2 h 的预处理方法，产氢能力达n 3 5 m o l h f f m o l 蔗糖。用蔗糖和玉米秸秆的混 合物作为菌种培养基质，以菌龄为1 8 个小时的菌种作为种子源接种到生物反应器 中，菌种的延迟时间大大缩短为4 个小时。玉米秸秆经过爆破、浸泡、酸解的预 处理方式，比产氢速率最高达到为2 2 0 m l g 秸秆，约是未处理玉米秸秆产氢能力 的4 7 倍。 2 根据发酵液有机负荷c o d 的变化，为了维持玉米秸秆被降解为有机物和 有机物转化为氢气的平衡，在玉米秸秆将被完全降解时即补充新鲜的物料，以满 足菌种的代谢平衡，同时维持较高的产氢速率。所以我们确定进料方式为半连续 方式，为防止营养物质被消耗殆尽每隔1 2 个小时进料一次，即物料停留时间为1 2 小时，并及时地移走代谢产物以保证菌种的良好生长条件，延长菌种稳定期，稳 定期菌种的最高浓度为3 8 1 朝。 3 得到3 0 立升生物制氢反应器中适宜控制参数：反应温度为3 6 l 、反 应p h 值5 o 5 2 、搅拌转速为1 0 0 r m i n 、最佳秸秆浓度范围为1 2 1 5 9 l 、进料 时间间隔1 2 h 。在最佳工艺条件下可持续产氢，最高产氢速率达到4 3 3 m l ( 1 x h ) ， 最高比产氢率为2 2 0 m l g 秸秆，生物气中最高氢浓度6 1 ，实验效果良好。检测 结果显示发酵类型为丁酸型发酵。 关键词：生物制氢；厌氧发酵；牛粪堆肥；玉米秸秆；放大实验 郑州人学硕七学位论文 a b s t r a c t t h er e d u c t i o no fe n e r g yr e s o u r c ea n dt h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n ta r et w og r e a t p r o b l e m st oh u m a nb e i n g c o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rf o s s i lf u e l ，h y d r o g e ni sa ni d e a l ， c l e a na n ds u s t a i n a b l ee n e r g yr e s o u r c ef o rf u t u r e i th a sm a n ya d v a n t a g e sa sf o l l o w s ： l l i g he n e r g yd e n s i t y ，h i g hh e a tc o n v e r s i o n ，l o wc o s to ft r a n s p o r t a t i o n ，a n dn o r e c o n t a m i n a t i o n b i o l o g i c a lh y d r o g e np r o d u c t i o np r o c e s s e s ，i n c l u d i n gp h o t o s y n t h e s i s a n da n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，a l ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n dl e s se n e r g yi n t e n s i v e c o m p a r e dt oc h e m i c a lp r o c e s s e s b e t w e e nt w ob i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，f e r m e n t a t i v e p r o c e s st h a tu s e sw i d er a n g eo fo r g a n i cs u b s t a n c e si st e c h n i c a l l ys i m p l e ra n dm o r e a t t r a c t i v et h a np h o t o s y n t h e t i cp r o c e s s t h ef e r m e n t a t i v eb i o h y d r o g e np r o c e s si s e n v i r o n m e n tf r i e n d l ya n dr e a c h e st w oa i m s ：g e t t i n gr i do fw a s t e sa n de m i t t i n g h y d r o g e n s oi tm u s th a v eag o o df u t u r e i nt h ep r e s e n ts t u d y ，t a k i n gc o r ns t r a wa ss u b s t r a t e ，t h es c a l e - u pe x p e r i m e n to f b i o h y d r o g e np r o d u c t i o nb yc o wd u n gc o m p o s ti n3 0 1 i t r er e a c t o rb a s i n go ns h a k i n g c u l t u r ea n ds m a l l - s c a l ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t w eg o tt h es i g n i f i c a n ts t u d y r e s u i t s t h er e s u l t ss h o w e d ： 1 t h em e t h o do fe n r i c h i n ga n dc u l t u r i n gn a t u r a la n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m b a c t e r i u mf r o mt h ec o wc o m p o s tw a si n v e s t i g a t e di n t h i se x p e r i m e n t t h ee f f e c t i v e w a yt oh a r v e s th y d r o g e nb a c t e r i aw a st h a tt h ec o m p o s ta e r a t e df o r2h o u r sa f t e r b o i l i n gf o r1 5r a i n ，a n dt h e nw a sc u l t u r e db yt h em i x t u r eo f s u c r o s ea n dc o r ns t r a wa s s u b s t r a t ei na5 一l i t e rr e a c t o r t h eh y d r o g e np r o d u c t i v i t ya c h i e v e d3 5 m o lh 2 m o l s u c r o s e a f t e rc u l t u r i n gf o r1 8h o u r s ，t h eb a c t e r i u mw a si n o c u l a t e dt ot h e3 0 一l i t e r b i o r e a c t o r ，a n dt h ed e l a yt i m et 0p r o d u c eh y d r o g e nw a ss h o g e n e dt o4h o u r s p r e t r e a t e db yd e m o l i t i o n , m a r i n a t i n g ，a c i d o l y s i s ，t h eh y d r o g e np r o d u c t i v i t yo ft h e c o r ns t r a ww a s2 2 0 m l h 2 ，gc o r n s t a l k ，a b o u t4 7t i m e so f t h o s eu n - p r e t r e a t e dc o r ns t r a w 2 a c c o r d i n gt ot h ev a r i e t yo ft h eo r g a n i cl o a d i n gc o d o fc u l t u r ef l u i d ， s e m i c o n t i n u o u sc u l t u r em e t h o dw a si n t r o d u c e d ，f 把s hc u l t u r em e d i u mo rp o t a s s i u m h y d r o x i d ew e r ea d d e di n t ob i o r e a c t o rt oa d j u s tp hv a l u ee v e r y1 2h o u r s a n dt h e 塑型盔堂堡主堂堡堡茎 b y - p r e d u c tw a sm o v e da w a yi nt i m ei no r d e r t ob a l a n c et h ed e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo f t h es u b s t r a t ea n dt h eh y d r o g e np r o d u c t i o nr a t e t h ef a v o r a b l ec o n d i t i o nc a ne x t e n d t h es t e a d yp e r i o do f t h eb a c t e r i u m 3 t h eo p t i m a lc o n t r o l sp a r a m e t e ri nt h e3 0 - l i t e rb i o r e a c t o ra sf o l l o w s ：t 3 6 a = l c ， p h5 o 5 2 ，s p e e do f a g i t a t o rl o o t r a i n ，i n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f c o m s t a l k1 2 1 5 9 l ， i n t e r v a lo ff e e d i n g1 2 h u n d e rt h i so p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h es c a l e u p r e a c t o ro b t a i n e dah y d r o g e ny i e l do f4 3 3 m l ( 1 x h ) c o n t i n u o u s l y ，t h em a x i m u m h y d r o g e np r o d u c t i v i t yo f c o r n s t a l kw a s2 2 0m l g ，t h eh i g h e s th y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n i l lm cb i o g a sr e a c h e d6 1 t h ed e t e c t i o nr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ef e r m e n t a t i o nw a s b u t y r a t ea c i dt y p ef e r m e n t a t i o na c c o r d i n gt ot h eb y p r o d u c t s k e y w o r d s ：b i o - h y d r o g e n ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；c o wd u n g ；c o i t is t r a w s c a l e u pe x p e r i m e n t i i i 郑州大学硕士学位论文 1 1 选题背景 1绪论 能源是发展国民经济提高人民生活质量的重要物质基础，是直接影响经济发 展的一个重要制约因素，同时也是国家战略安全保障基础之一【l 】。对能源的开发 和使用推动着人类文明的发展，能源科学技术的每一次突破，都带来社会发展和 生产力的巨大飞跃。 纵观历史，世界能源结构的转变经历了由煤炭替代木柴( 煤炭消耗由1 8 6 0 年的1 3 6 亿吨煤当量增至1 9 0 0 年的7 3 5 亿吨煤当量，占1 9 0 0 年一次能源总量 的9 4 以上) ；由石油和天然气代替煤炭( 从上世纪二十年代开始，1 9 5 9 年的石 油和天然气消费占一次能源总量的比例由1 9 2 0 年的1 1 上升到5 0 ，而煤炭所 占的比例则由8 7 下降到4 8 ) 的转变。许多国家依靠充足而廉价的石油实现 了经济的高速增长。仅5 0 年代和6 0 年代，世界石油消费量每l o 年就增长1 倍 还多 2 - 0 。可以说，石油带来了世界经济的繁荣，也带来了现代文明。 目前，人类所使用的商品能源中，9 5 是化石能源 7 1 。在能量消耗中比重最 大的是石油，占能源消耗总量的4 5 ，煤炭占3 0 ，天然气占2 1 。而这些矿 物燃料都是不可再生的能源，在地球上的储量是有限的。世界煤炭储量估计约为 1 0 万亿吨，据目前开采速度大约可以维持4 0 0 年；世界石油总储量约3 0 0 0 亿吨， 其中探明储量1 2 4 0 亿吨，以1 9 8 9 年的开采水平可维持4 0 年，即使地球上总储 量全部被开采，也维持不了七、八十年。世界天然气储量发展中国家和工业化国 家各占一半，因为发展中国家生产力水平低，其储量和产量比为1 5 5 年，而工业 化国家仅为3 9 年l s 】。 新世纪的到来，可以预料人类社会对能源数量、质量的需要会越来越多、越 来越高。但是由于无止境的开采、挖掘，使人类赖以生存的能源资源正在日益减 少，而作为主要能源的石油、煤的贮量也日益枯竭。由于化石燃料的不可再生性 和有限的储量，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。另外，化石燃料的 使用也带来了严重的环境污染。化石燃料燃烧所产生的污染物，j t l c o x 、n o x 、 s o x 、c x h x 、烟尘、飞灰和其它有机化合物等进入大气后正造成越来越严重的 温室效应和其它大气污染。能源危机和环境污染是新世纪人类所面i 临的重大挑 郑州大学硕士学位论文 战。作为能源需求大国的中国，目前已经有超过3 1 的石油需要进口，而到2 0 l o 年，这一数字将会增长到4 5 5 5 1 9 1 。基于环境污染和能源短缺的双重危机， 发展清洁的可再生的新能源的要求越来越迫切。1 9 9 2 年世界环发大会之后，众多 有识志士科学地认识到：在能源和环境问题日趋严重状况下，以石油为主体的能 源体系不可能长久维持下去，但我们不能靠停止消费“化石燃料”来解决“地球再 生”问题。“可再生能源”和“可持续发展”正是由此而诞生并被列入世界各国重要 议事日程。 当今世界，对促使经济、社会和环境协调发展，实施可持续发展战略已经形 成共识。因而，新能源的开发和利用，以替代非再生能源，已成当今世界迫切和 现实的研究课题之一。能源结构正在从以石油、天然气为主的能源系统转向核能、 可再生能源多元化结构。氢能，正在以取代传统能源技术的新概念和新技术再现 2 1 世纪舞台，被列为2 1 世纪前期世界能源技术发展的重点方向之一【l o l 。日本把发 展氢能世界能源网络项目( w o r l de n e r g yn e t w o r k ) 列入到新能源综合开发机构 ( n e d o ) 的新日光计划中，政府和各界均投入了大量的人力、物力和财力。欧 洲一些发达国家还成立了专门机构，构建了自身的氢能源路线图( r o a d m a p ) ，并 制定了生物质制氢的发展规划，计划2 0 2 0 2 0 5 0 年全面推动氢能经济的实施【n 】， 逐步将该技术实现商业化生产。2 0 0 4 年2 月，美国能源部出台了氢能技术研究、 开发与示行动计划。该计划阐述了美国能源安全所面临的挑战及发展氢经济的 必要性和紧迫性，制定了发展氢经济的步骤和向氢经济过渡的时间表，确定了在 发展氢经济的初始阶段即技术研发阶段的技术研究、开发与示范的具体内容和目 标，以及相关后续行动等。该计划的出台是美国推动氢经济发展的又一重大举措， 标志着美国发展氢经济已从政策评估、制定阶段进入到了系统化实施阶段。2 0 0 4 年7 月，第1 5 届世界氢能会议在日本横滨召开。德国、日本等已开发了几种型号 的氢能车【1 2 1 。我国是世界上以燃烧煤炭为主要能源的少数国家之一，引起的环境 污染问题尤为严重，煤炭的开采、燃烧和污染治理等一系列问题都更为复杂，科 学的解决更为困难。目前，我国正在实施可持续发展战略，积极推动包括氢能在 内的洁净能源的开发和利用。近年来，在氢能领域取得了多方面的进展。我国己 初步形成一支由高等院校、中国科学院及石油化工等部门为主的从事氢能研究、 开发和利用的专业队伍。在国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科 2 郑州大学硕士学位论文 学院和中国石油天然气集团公司的支持下，这支队伍承担着氢能方面的国家自然 科学基金基础研究项目、国家“8 6 3 ”、“9 7 3 ”高技术研究项目、国家重点科技 攻关项目及中国科学院重大项目等。科研人员在制氢技术、储氢材料和氢能利用 等方面进行了开创性工作，拥有一批氢能领域的知识产权，其中有些研究工作已 达到国际先进水平。但是由于世界发达国家在此方面投入力量较少，这使得我国 的能源科学技术工作者在煤的高效和洁净利用技术方面必须投入更多的力量来 解决这些困难。为此，同世界发达国家一样，生物质能源和其他可再生能源的开 发和利用必将成为我国能源科学发展方向。 在众多新能源中，氢能受到了科学家的广泛关注。这是因为与传统的能源相 比，氢气具备以下几个显著的特点： 1 氢是宇宙中最丰富的元素，宇宙中7 5 的质量由氢元素构成，取之不竭， 用之不尽。 2 燃烧值高，氢是周期表中最轻的元素，与其它物质相比，具有最高的能 量比，达到3 4 1 5 k e a l g ：而汽油仅为1 3 k e a l g ，喷气飞机用燃料为1 2 1 5 k c a l g ， 煤的仅为4 8 3 7 k c a v g 。 3 清洁无污染，氢气燃烧时不产生温室气体和其它对人体有害的物质，氢 氧结合的燃烧产物是最纯净的物质水，不会对环境产生任何污染，远比化石 燃料洁净。近年来激发人们对氢能新的兴趣和讨论的一个重要因素是环境保护的 需要。首先美国加州规定了使用零排放汽车( z e v ) ，2 0 0 3 年1 0 售出的车必须 是z e v 1 4 】。另外一个与此有关的事件是工业化国家签订了日本京都协议。按照 这个国际条约，在2 0 0 8 2 0 1 2 年工业化国家的温室气体排放要比1 9 9 0 年的水平 降低5 2 t 15 1 。 4 化学简单性。它在快速释放能量时，破坏和形成的键相对来说很少，具 有高的反应速率常数和较快的电极过程动力学，可以用电化学方法释放它的能 量。氢在铂电极上放电时的交换电流密度( 不是施加电压时，基本的动态电荷转 移速率) 达到l m a e m 2 1 1 6 1 ，氢空气( 氧) 高效燃料电池的原理就是基于这一点。 这种燃料电池可以达到数百m a c m 2 的电流密度，或者1 0 0 w k g 级的比功率，为 燃料电池驱动的电动车打下了技术基础。燃料电池车的燃料利用率可以达到 4 0 5 0 ，这比内燃机车的要高5 0 t 1 7 1 。 郑州大学硕士学位论文 5 应用范围广。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工 业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的 气化、重油的精炼等；化工中制氨、制甲醇也需要氢；氢还用来还原铁矿石；用 氢制成燃料电池可直接发电。采用燃料电池和氢气蒸汽联合循环发电，其能量 转换效率将远高于现有的火电厂。近年来氢能的应用领域不断扩大，从过去的宇 航领域扩展到今天的民用工业领域，特别是氢燃料电池，其高效性带来的良好经 济前景和环保优势，更加促进了人们对氢能的广泛重视。 因此氢气作为洁净高效和可以再生的二次能源而倍受关注。人们预言，氢气 将成为本世纪最理想的清洁绿色能源，是极有前途的化石燃料替代品。 1 2 生物制氢技术的发展及研究现状 1 8 世纪工业革命以来建立的化石能源体系正面临着两大挑战：第一、化石能 源储量日益减小，面临着枯竭的危险；第二、由使用化石能源带来的温室效应、 酸雨、粉尘污染等一系列环境问题日益严峻。解决这些问题并实现人类的可持续 发展目标，必然离不开可替代的清洁能源，以构筑新的能源体系。可再生清洁能 源中，可以从自然界广泛存在的生物质获取的包括氢气、甲烷、乙醇、甲醇和生 物柴油等。其中，氢能源是最清洁的、极具潜力的未来替代能源之一。氢能的研 究已涉及能源、汽车、环境、生物、经济、法律、政策等多个领域。 氢能可作为“二次能源”，传统的制氢工艺有水电解法、烃类的蒸汽转化和 重油( 或渣油) 的部分氧化重整等，国际上的氢能制备工艺还有热解制氢、光化 制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等1 6 j 。 在这些方法中，9 6 的氢气都是从天然的碳氢化合物一天然气、煤、石油产品中 提取出来的，4 是用水电解制氢技术制取的 1 8 1 。除了生物制氢技术外，其他的 制氢技术都有消耗大量的化石能源、能耗较高、造成资源浪费等缺点，而且在生 产过程中造成环境污染，生物制氢与之相比，有清洁、节能、不消耗矿物资源而 且还能回收生物质能等许多突出优点，因而越来越受到重视，其在氢气生产及其 应用技术研究开发中的作用也越来越显掣1 9 1 。生物制氢技术作为一种符合可持续 发展战略的课题，已在世界上引起了广泛的重视，将成为未来能源制备技术的主 4 郑州大学硕士学位论文 要发展方向之一。 早在十八世纪后期【2 们，就发现有些藻类和微生物可以通过光合作用或发酵作 用产生氢气。美国科学家l e w i s 于1 9 6 6 年最先提出生物制氢想法【2 “2 2 1 ，2 0 世纪7 0 年代世界性的能源危机爆发，生物制氢的实用性及可行性才得到高度的重视，氢 气被当时的能源界誉为“未来燃料”。8 0 年代能源危机结束之前，人们对各种氢 源及其应用技术已进行了大量开发研究。石油价格回落以后，氢气及其它替代能 源的技术研究一度不再出现在一些国家的议事日程中。到了9 0 年代，人们对由以 石化燃料为基础的能源生产所带来的环境问题有了更为深入的认识，清醒地认识 到由石化燃料造成的大气污染，其危害不仅是区域性的，而且对全球气候的变化 也会产生显著影响。此时，世界再次把目光“聚焦”在生物制氢技术上，世界上 许多国家和地区对生物制氢技术给予空前的重视和支持。与传统的物理化学方法 相比，生物制氢有节能、可再生和不消耗矿物资源等许多突出的优点，因而受到 了世界范围内科学家的广泛关注，世界上许多国家都投入了大量的人力物力对生 物制氢技术进行开发研究，以期早日实现该技术向商业化转变，抢先占领国际市 场。可以预料生物制氢技术，很可能成为人类进行氢规模生产的重要途径1 2 3 1 。 生物制氢技术研究在我国开展较晚，起始于2 0 世纪9 0 年代，但进展迅速，无 论是光解生物制氢技术还是发酵法生物制氢技术，其研究成果均已达到国际水 平，如中国科学院微生物研究所、上海植物生理研究所、上海交通大学、华东师 范大学、浙江农业大学和中国农业大学等，特别是哈尔滨工业大学在发酵生物制 氢技术方面在产氢的机理、细菌的选育、细菌的生理生态学、生物制氢反应设备 的研制等多方面进行了大量研究，取得了较大的突破，从而使我国在生物制氢技 术在前沿性技术领域占有了一席之地【2 3 弘2 卯。厌氧法生物制氢迅速发展的原因 归纳起来有：1 ) 生物制氢的产氢原理基本上和传统的厌氧发酵相似，均包括水解、 酸化、产乙酸阶段，不同的是传统的厌氧发酵最后是产甲烷阶段，而生物氢发酵 的最后一个阶段是产氢气阶段。2 ) 传统厌氧发酵放大实验的成熟性使我们很容易 把一些生物反应器嫁接应用到生物氢制备的放大实验中。但是，目前生物制氢技 术还很不成熟，大多数研究仍然集中在纯细菌研究和细胞固定化技术上，如探讨 产氢菌种的筛选及包埋剂的选择等：另外，菌种大多采用光合细菌。因为这些研 郑州大学硕士学位论文 究思路和方向不适宜，迄今在基础理论和应用技术研究方面均无突破。制约发展 的主要原因是：研究规模和产氢能力水平低；纯菌种、产氢能力低及需要细胞固 定化等原因使工业化氢气生产难以实现。任南琪在1 9 9 0 年提出了以厌氧活性污泥 为制氢生产，利用碳水化合物为原料的发酵法生物制氢技术。该技术在国际上是 全新的生物制氢技术，它突破了生物制氢必须采用纯菌种和固定技术的局面，开 创了利用非固定化菌种生物制氢的新途径，并首次实现在中试条件下，连续长期 持续产氢中试研究成功，这标志着我国的生物法制氢技术处于世界领先水平，并 将发展成为具有创新技术的新兴产业【2 5 1 。 1 3 生物制氢技术的机理和方法 生物制氢是把自然界储存于有机化合物( 如植物中的碳水化合物、蛋白质等) 中的能量通过高效产氢细菌的作用，转化为氢气。生物制氢是利用某些微生物代 谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。由于所用原料可以是有机废水，城市垃 圾或者生物质，来源丰富，价格低廉。其生产过程清洁、节能，且不消耗矿物资 源，正越来越受到人们的关注。 1 9 3 7 年n a k a m u t a 最早报道了生物产氢的现象。能进行生物产氢的微生物主 要有真核藻类、蓝细菌、光合细菌和异养型厌氧细菌。生物制氢过程可以分为5 类：1 ) 利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法；2 ) 有机化合物的光合细菌( p s b ) 光分 解法；3 ) 有机化合物的厌氧发酵制氢；4 ) 光合细菌和发酵细菌的耦合法制氢；5 ) 酶催化法制氮。1 ) 和2 ) 这两种类型都是属于光合生物产氢，藻类等是光合自养微 生物，主要依靠分解水来产生氢气，光合细菌是光合异养微生物，主要依靠分解 有机质来产生氢气。虽然它们产氢的生化途径不同，但具有相似的光学反应机理。 表1 列出了利用各种微生物进行生物产氢的优缺点1 2 6 1 。氢酶和固氮酶是催化产氢 反应的两个关键性酶，然而这两个酶均不是专一性产氢酶。氢酶除了在有足够还 原力时催化产氢外，还催化作为一种能量回收机制的吸氢反应。固氮酶的主要功 能是催化固氮反应，即将分子氮还原为氨。只有当缺乏基质( 分子氮) 的时候才 催化产氢反应。这两种酶不仅在不同的微生物中具有不同的功能，即使在同一种 微生物中不同的氧化还原条件下也起不同的作用。另外，氢酶催化的产氢反应无 6 郑州大学硕士学位论文 需a t p ，而崮氮酶催化的产氢反应则需要a t p o 这两种酶所催化的产氢反应可用以下方程来表示2 _ 7 l ： 2 h + + 2 e 一盟h 2 h + + 2 e 一+ 4 a t p 旦塑h 2 + 4 a t p + 4 p i 生物制氢技术根据微生物生长所需要的能量来源划分为光合微生物制氢和 厌氧发酵有机物制氢 2 s 2 9 1 。 表1 1 不同生物产氢方法的优缺点比较 t a b l e l 1c o m p a r i s o no f t h es e v e r a lb i o h y d r o g e nm e t h o d s 7 郑州大学硕士学位论文 1 3 1 光合法生物制氢技术 产氢的光合微生物包括光合细菌和藻类。如颤藻属( o s e i l l a t o f i a ) 中某些种 类、深红红螺菌( r h o d o s p i r i l l u mr u b r u m ) 、球形红假单胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a s s p h e r o i d s ) 和深红红假单胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a sr u b r u m ) 等。 光合生物产氢的现象1 0 0 多年前已经发现 3 0 l ，其基础性研究开始于2 0 世纪2 0 年代【3 1 1 。1 9 4 2 年g a f f r o nh 和r u b i nj 发现一种栅列藻属绿藻( s c e n e d e s m a s s p ) 在光 照厌氧条件下能够产生氢气1 3 2 1 。不断深入的研究表明，很多藻类和光合细菌都具 有产氢特性。光合细菌的许多种类在代谢过程中都能释放氢气。光合细菌产氢的 机制，一般认为是光子被捕获得光合作用单元，其能量被送到光合反应中心，进 行电荷分离，产生高能电子并造成质子梯度，从而形成腺苷三磷酸( a t p ) 。另外， 经电荷分离后的高能电子产生还原型铁氧还原蛋白( f d r e d ) ，固氮酶利用a t p 和 f d r e d 进行氢离子还原生成氢气。微藻光制氢的过程可以分为两个步骤：首先微藻 通过光合作用分解水，产生质子和电子，并释放氧气；然后微藻通过特有的产氢 酶系( 蓝藻通过固氮酶系和绿藻通过可逆产氢酶系) 的电子还原质子释放氢气。 目前研究较多的是深红红螺菌( r h o d o s s p i r i l l u mr u b r u m ) ，有资料报道其产氢 量高达6 5 m l ( h x l ) ( 培养液) ，比蓝细菌产氢量高l 倍多。利用该菌固定化细胞产氢 量高达2 0 m l ( g x h ) ，气体组成中h 2 占7 0 7 5 。由此可见光合细菌具有产氢速 率高、产生的氢气纯度高等特点。但是由于太阳能的分散性和低密度性使得光合 生物制氢在实际应用中具有很大的局限性。蓝藻类细菌( c y a n o l a c t e r i a ) 或蓝绿 藻( b l u e g r e e na l g a e ) 利用水作为氢供体，在光照下直接将水分解为氢气和氧气。 反应只需要水和阳光，并能够释放氧气。从环保的角度，此反应非常具有前景。 但是，因为复杂的反应系统需要克服大量的自由能( + 2 3 7 k j m o l h 2 ) ，所以该菌 种的产氢速度非常低 2 9 1 。有文献显示将鱼腥藻属的一个变异株( a n a b a e n a v a r i a b i l i s a s i ) 纯化后，然后用角叉藻胶固定，进行了培养实验，最大产氢速率 达4 6m l g ( 干重) h ，但是这种高产氢率只维持了1 5 天。许多科学家进一步研究发 现即便使用优良的蓝藻固氮产氢，其能量利用率依然比较低。对于有固氮作用的 念珠藻( n o s t o c f l a g e l l i f o r m e ) 进行了产氢性能的研究表明，批式培养( 反应器 容积2 5 0 m 1 ) 中，获得了约为1 2 肚m o l m g ( 叶绿素a ) h l 。光合细菌不是利用水而是 利用一些有机酸或碳水化合物作为产氢的底物，与藻类相比，反应需要较少的自 郑州大学硕十学位论文 由能( 8 5 k j t o o l 氢气，对于乳酸) ，并可将有机质全部降解。但是，该过程需要 较高能量来驱动氢化酶，所以转化效率也不比藻类细菌光解高。通过光合制氢理 论分析，微生物将有机物质转化为氢气的潜力巨大，而在经过半个多世纪的研究， 光合法生物制氢技术尚未得到理想的结果，这主要就是因为光合微生物生长速度 慢，生长过程必须以充足的光照为前提条件，无法进行相当规模的工业化生产等 原因，始终是制约光合生物制氢技术发展的主要障碍。 1 3 2 发酵法生物制氢技术 厌氧发酵菌包括兼性厌氧和专性厌氧菌。如丁酸梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u m b u t y r i c u m ) 、拜氏梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u m b e i j e r i n c k i i ) 、大肠埃氏杆( e s c h e r i c h i a - c o l d 、产气肠杆菌( e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e s ) 等。 过去的二十年中，生物制氢技术的研究主要集中在光合细菌生物制氢的研究 上，但b e n e m a n n l 3 3 认为利用厌氧发酵细菌产氢比光合细菌更具前景。厌氧菌利 用碳水化合物作为能量来源，并将其转化为氢气。发酵有机物产氢的形式主要有 两种：一是丙酮酸脱氢系统，在丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰的过程中，脱下的氢经 铁氧还原蛋白的传递作用而释放出分子氢；二是n a d h n a d 平衡调节产氢，当 有过量的还原力形成时，以质子作为电子沉池而形成氢气f 蚓。产氢反应如方程式 ( 1 ) ( 2 ) 口5 】快速，不需要太阳能，还可以同时实现产能和除废的双重目的。因此， 从可再生的有机废水或有机废弃物中利用厌氧发酵过程生产氢气，在生物制能和 环境保护领域展现了巨大前景。 a u 0 0 s c ( 蔫酊j 葑糖) + 2i - 1 2 0 + a c e t a l e ( 乙哟+ 2o o 生+ 4 啦g ；1 8 4 2 1 0 ( 1 ) a l 】c c | s e ( 蝴一b i i t y 眦e ( 丁哟+ 2 0 3 2 + 2 屿 a c t - - 2 5 7 1 k j ( 2 ) 在厌氧菌发酵研究中，现有的研究主要集中在纯菌种研究和细胞固定化技术 方面【3 6 - 3 9 1 。人们用一些微生物载体或包埋剂，对细菌固定化的一系列反应器系统 进行了研究 4 0 1 。k a r u b e 等人利用聚丙烯酰胺凝胶包埋固定化丁酸梭状芽孢杆菌 ( c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ) 细胞进行产氢试验 2 9 1 ，以葡萄糖为供氢体，3 t c 下可 连续产氢2 0 天。t a n i s h o 和l s h i w a t a 在对产气肠杆菌e 8 2 0 0 5 菌株进行的聚氨基 甲酸乙酯泡沫固定化细胞产氢实验中，获得持续产氢率为2 2 m o l h j m o l ( 糖) ， 最大产氢率达3 5 m o l h 2 m o l ( 糖) ，即产氢速率最大达到了1 3 m m o l h 2 ( 1 x h ) 【4 l l 。 9 郑州大学硕十学位论文 y o k o i 和o h k a w a r e 等人在用产气肠杆菌h o 3 9 进行的非固态化实验中，获得了 1 2 0 m l h 2 ( i x h ) 的产氢速率；采用多孔玻璃做载体对菌体进行固定化实验时，产氢 率提高到8 5 0 m l h r ( 1 h ) ( h r t = 1 h ) ，与非固定化细胞相比，产氢率提高了七倍【4 2 l 。 但细菌纯化和细胞固定化技术存在以下缺点：1 ) 包埋技术复杂，且不易选 择合适的包埋莉；2 ) 利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法，发酵条件要求严 格，纯菌种的分离和提纯技术条件苛刻且不易批量获得，纯菌种分离成本昂贵， 所以只适合于实验室研究；3 ) 小型试验易取得瞬间最高产氢率，要长期运行并 连续生物产氢、保持较高的产氢量和氢浓度，技术难度高，很难取得突破。上述 原因限制了该项制氢技术的应用和规模化生产。 自上个世纪_ 9 0 年代后期，人们发现一些天然菌源，例如活性污泥、产大豆的 土壤、不同来源的堆肥等通过适当的预处理后，可用作天然混合产氢菌源直接用 于厌氧发酵生物制氢【4 3 舶l 。日本北里大学研究人员以各种生活垃圾，如剩菜、肉 骨等经处理后作为生产氢的原料，借助一种梭菌( c l o s t r i d i u m ) a m 2 1 b 菌株，于 3 7 。c 发酵生产氢气，1 k g 垃圾经有效分解代谢，可获得4 9 m l 氢气【4 5 i 。任南琪等以 厌氧活性污泥为菌种来源，以废糖蜜和淀粉为原料，采用两相厌氧反应器制得了 氢气，开创了利用非固定化菌种进行生物制氢的新途径 4 6 - 4 8 1 ，其研究借助厌养发 酵污泥( 含厌养菌等) 接种于5 0 m 3 反应器中进行发酵，每天可获取2 5 0 2 8 5 m 3 的氢 气，纯度可达9 9 以上，有望实现工业化生产，并已在哈尔滨建立小规模“生物 制氢产业化基地”，氢气产量可达6 0 0 m 3 d 4 5 1 ，s h i w us u n g 等以土豆地和大豆地 土壤为菌种来源，以蔗糖为底物，实现了持续产氢，最高产氢速率为 7 4 7 m l ( l x h ) 4 9 1 ，樊耀亭等以牲畜粪尿堆肥和秸秆堆肥为菌源，通过处理蔗糖和 淀粉的模拟有机废水成功制备出氢气f 5o 5 1 1 ，最高产氢速率为3 8 1 m l ( i x h ) 。 但迄今为止，生物发酵制氢所用的底物，大多数为糖和淀粉，包括含有这些 简单碳水化合物的有机废水1 4 9 彤i 。尽管一些研究小组用厌氧发酵法成功地将一些 成分比较复杂的有机固体废弃物【5 4 5 6 】( 如土豆淀粉渣、麦麸、食物废弃物、市政 有机固体废弃物等) 转化为氢气，但产氢效率不佳。而对于纤维素类难生物降解 的生物质，例如农作物秸秆( 玉米秆、麦秸秆和稻草等) 等，迄今国内外有其生 物制氢的报道很少。这是由于用传统的发酵方法直接以这类生物质为底物进行生 物制氢，几乎不能产氢，或者氢的转化效率和产氢速率极低，本文提出了通过对 1 0 郑州大学硕士学位论文 玉米秸秆进行预处理，使其高效率转化为氢气的方法，取得了良好的实验结果。 1 3 3 两种生物制氢方式比较 光驱动利用光合细菌直接将太阳能转化为氢气，是一个非常理想的过程，但 是由于光利用效率很低，光反应器设计困难等因素，近期内很难推广应用。 与光合生物制氢技术相比，发酵法生物制氢技术表现出以下优越性：( 1 ) 发 酵产氢菌种的产氢能力要高于光合产氢菌种，而且发酵产氢细菌的生长速率一般 比光解产氢的要快； ( 2 ) 发酵产氢无需光源，可以实现持续稳定地生产，而且 反应装置的设计、操作及管理简单方便；( 3 ) 制氢设备的反应容积可比较大， 从而可以从规模上提高单台设备的产氢量；( 4 ) 可发酵的原料来源广、成本低； ( 5 ) 兼性发酵产氢细菌更易于保存和运输。所以，发酵法生物制氢技术比光合微 生物制氢更容易实现规模化、工业化生产。 现代生物技术的突飞猛进必将带动生物制氢技术的突破。我们有理由相信具 有清洁、高效、可再生等突出特点的氢气在不远的将来取代石油能源进入我们的 日常生活。产氢重要途径的生物制氢产业化进程也必将备受世人关注。该技术的 推广应用必将带来显著的经济效益、环境效应和社会效应。就产氢的原料而言， 从长远来看利用廉价的有机基质产氢，是解决能源危机，实现废物利用，改善环 境的有效手段，是制氢工业新的发展方向。 1 4 发酵法生物制氢底物的研究现状 氢能的开发利用，首先必须解决廉价氢源问题。寻找大规模的廉价制氢技 术是各国科学家共同关心的问题。从一次性能源诸如从煤、石油和天然气等化石 燃料制取氢气存在严重污染环境等问题。从非化石燃料，例如已具规模化生产能 力的电解水制氢方法，又存在成本高，耗能大的缺点。从长远观点分析，不符合 可持续发展的需要。在能源需求量日益增加而化石燃料日趋减少形势下，必须寻 找一种低能耗，高效率和无污染的制氢方法来替代常规制氢技术。生物制氢是利 用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。由于所用原料可以是有 机废水，城市垃圾或者生物质，来源丰富，价格低廉。纤维素类生物质是地球上 最丰富和廉价的可再生资源，全世界每年的植物体生成量高达1 5 5 x 1 0 ”吨干物 郑州大学硕士学位论文 质，其中纤维素、半纤维素的总量约为8 5 x 1 0 1 0 吨。在我国，仅农作物秸秆年产 量就达7 2 亿多吨，但目前其利用率不n 3 0 t 期，而且转化利用的种类较少，绝 大部分被废弃在田间或直接燃烧，既浪费了宝贵资源，又造成环境污染。秸秆资 源是一个有待开发的巨大宝库，国内外科学家已竞相开展了农作物秸秆资源利用 的研究。 玉米秸秆的结构主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤 维素、木质烈5 8 1 ( 表1 2 ) ，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹，纤维素是一种有 1 0 0 1 0 0 0 p - d 一吡喃型葡萄糖单体以p l ，4 糖苷键连接的直链多糖，多个分子 平行排列成丝状不溶性微小纤维而半纤维素主要是木糖以及少量阿拉伯糖，半 乳糖、甘露糖组成，而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳 香族化合物半纤维素较易水解为五碳糖，纤维素较困难水解为六碳糖，而木质 素一般作为燃料。 表1 2 玉米秸秆化学组成( ) t a b l e l 2c o m p o n e n to f c o r n s t a l k ( ) 组成干基 纤维素 半纤维素