（农业生物环境与能源工程专业论文）太阳能光合生物制氢系统及其光谱耦合特性研究.pdf

河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 太阳能光合生物制氢系统及其光谱耦合 学位 博士 文题目 特性研究级别 学生 张军合 学科农业生物环境与 导师 张全国 姓名 专业能源工程 姓名 学位论文 如需保密，解密时闯年月日 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 特此声明。 研究生签名：多锣舻台 导师签名： 日期：年月 日 日期：年月日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离 开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书 研究生签名i ；8 嘴 导师签名：学院领导签名； 日期：年月 日日期：年月 日 日期：年月日 河南农业大学博士学位论文 致谢 在伴随着快乐、痛苦和兴奋的博士三年时光里，在我尊敬的导师张全国教授的悉心 指导下，我完成了博士学位论文、相关科研活动、公开发表文章等充满艰辛的任务，在 所有的工作中，都浓缩和凝聚着导师的心血和汗水l 在此，向导师表示诚挚的感谢和最 崇高的敬意! 在这期间，导师张全国教授严谨的学术态度，科学的学术方法，学识渊博、 思想深邃、思维活跃的学术观点，用心血做学问、用生命写文章的学术道德，以及创新 求是、扎扎实实的科研精神，为我营造了一种良好的学术氛围。导师严以律己、宽以待 人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，无微不至、感人至深的人文关怀，乐 观向上、积极主动的生活态度，令我如沐春风、倍感温馨，也使我明白了许多待人接物 与为人处世的道理。此时此刻我无法用准确生动的语言来淋漓尽致地描述自己的真实感 受，只好将其深深地埋在心底，化作对导师一道真诚的祝福：愿导师阖家欢乐，一生平 安! 感谢农业部可再生能源重点开放实验室的张百良、刘圣勇、杨群发、赵廷林、杨世 关、尤希凤、徐桂转、岳建芝、郭前辉等领导和老师们对本人在学术、科研上的关心和 支持! 感谢机电工程学院和研究生处的领导和老师多年来在学习和生活上的帮助和鼓 励! 同时还感谢那些默默无闻工作的老师们，正是他们的工作给我们创造了良好和舒适 的工作环境，向他们表示衷心的感谢! 感谢本人所在课题组的群风华正茂的有志青年，他们不仅仅使我感受到科研团队 的力量，也使我感受到生活的充实和愉悦! 尤其感谢周汝雁博士、王素兰博士、师玉忠 博士、李刚博士等在学术上所给予的莫大帮助! 也感谢原玉丰硕士，李鹏鹏硕士、范振 山硕士、刘振波硕士、杨茹硕士等所给予的支持和帮助! 每每回想与这些同学们朝夕相 处的往事，他们那种意气风发的精神永远是我高歌猛进的力量之源，谢谢他们j 论文脱稿之际，我要向妻子石润江女士及关心我的父母表示深深的谢意! 是他们帮 我共同撑起了这个家庭! 在我最困难的时刻给予我最直接的鼓励和精神上的安慰! 还有 我的儿子张子奇，他的聪明伶俐、乖巧懂事也是我奋发向上的不竭动力。博士论文的完 成也许是报答他们的最好礼物! 时光如水，日月如梭，三年的时光犹如人生旅途划过的一颗璀璨靓丽的流星。有太 多的人和事值得回忆，也有太多的经验和教训值得我总结和汲取! 最后，向所有直接或间接帮助过我的老师，同学、同事、工作人员，以及本文的评 阅老师表示感谢! 张军合 2 0 0 6 年5 月 摘要 捅要 本文是在国家自然科学基金项目“太阳能光合生物制氢体系及其光谱耦合特性研究弋批 准号：5 0 4 7 6 0 8 7 ) 的支持下开展的系列研究。 能源短缺、环境污染是人类面i 临的两大难题，寻找可持续供应的清洁的后续能源已经是 全球刻不容缓的一件大事，氢气以其能量密度高、洁净燃烧和可再生而被公认为是矿物燃料 的最理想替代能源。目前生产氢气的方法主要有化学制氢法和生物制氢法两大类尽管化学 制氢作为一项成熟的技术已成为工业制氢的一种主要手段，但是化学制氢通常反应条件要求 苛刻，消耗常规能源，生产过程对环境造成污染生物制氢是利用微生物自身的新陈代谢途 径而生产氢气的方法，反应条件温和，且制氢原料可采用工农业生产的各种有机废弃物( 有 机废水、畜禽粪便和城市污水等) 。在生产氢气的同时又治理了环境。 作为生物制氢的一种，光合生物制氢是在光照条件下利用光合细菌可分解有机质产生氢 气，对有机质分解彻底，产氢量高，且产氢过程中也不产生对产氢酶有抑制作用的氧气，是 一种最具发展潜力的生物制氢方法。但光转化效率普遍较低和成本太高制约了光合生物制氢 技术的应用和发展，本文采用太阳光完全替代能耗较大的人工光源，实现了太阳能光合生物 制氢系统在基本不消耗能源的情况下运行，从而有效地减少了光合生物制氢的能源消耗，显 著降低了生物制氢成本。本文研究了本实验室筛选出来的高效产氢菌种的光谱耦合特性。进 而采用滤光技术，提高了能够被产氢细菌高效吸收的有效光密度，极大地提高了光转化效率， 同时也对以畜禽粪便为原料的光合制氢工艺条件进行了研究 主要研究成果有以下几个方面： 1 成功研制出一套带有自动跟踪太阳且可调滤光的太阳光高效聚焦传输系统，并完成了 该系统的光传输性能优化研究。采用菲涅耳透镜聚光方式，使太阳光高效聚集，在焦点前放 置可更换的带通滤光片，在焦点处放置端光纤，使进入到光导纤维的能够被光合细菌高效吸 收的光的密度大大增加。同时，该系统采用光导纤维将太阳光输送到罐状反应器的内部，改 善了深层区域的光照度为了提高对太阳的利用率，根据太阳的运行规律，采用光电控制技 术，使信号探测器固定在集能平面上与其一起转动，当接收到太阳光线发生偏转信号后，传 给电子自动控制电路，通过模数转换对信号进行分析，给出指令，使驱动电机通过减速机构 转动集能平面，精确对准太阳，从而实现了对太阳方位角和高度角的全方位二维自动跟踪。 大大提高了太阳能利用率。 2 研制了具有较高效率的光合生物制氢实验系统，其中在设计具有较高表面积和体积比 的新型环流罐式光反应器时，以反应液的循环流动进行搅拌，取代了传统反应器内部的浆叶 搅拌，增加了反应器的有效容积并采用外置的熟交换系统，在循环的同时完成了反应温度 的控制，取代了传统的夹层结构，降低了成本并深入系统地研究了制氢系统中光的传输过 程，对菲涅耳透镜的聚光过程和光导纤维的传光过程进行了理论分析，对光在反应器中的衰 减特性，进行了入射光强、反应液浓度和深度对光衰减的影响实验研究，发现入射光的强度 摘要 对光在反应液中的衰减规律没有直接影响，即入射光的强度与光的穿透力无关，随着反应液 浓度的增加，反应液之间的相互遮光现象不断加强，对光的吸收程度也逐渐加大，从而使入 射光透过反应液的比例下降，导致透过反应液的光强迅速衰减。反应液的浓度越高，液体之 问的相互遮光现象也就越严重，对光的吸收程度越大，从而使入射光透过反应液的下降比例 也越大。即光衰减的越快。这些研究成果为完成太阳能光合生物制氢系统的研制及其稳定运 行条件的优化提供了科学依据。 3 对选育出的高效产氢菌株的光谱耦合特性进行了细致的研究，发现不同的菌株都有适 合其生长的不同波段的光，对紫色非硫细菌f l ，f 5 ，f 7 ，f l l ，紫色硫磺细菌s 7 ，s 9 和紫 绿色硫磺细菌l 6 进行了细胞形态观察，并测出了它们的活细胞吸收光谱曲线，发现紫色非 硫细菌f l ，f 5 ，f 7 ，f l l 具有相似的吸收特性，在3 7 5 和5 9 0 r i m 处有最大吸收，s 7 ，s 9 具 有相似的吸收特性，在3 8 0 和4 9 0 n m 处有最大吸收，l 6 在5 9 0 r i m 处有最大吸收并以黑暗 好氧处理4 天的猪粪污水为原料，在温度为3 0 ( 2 。p h 为7 0 ，接种量为1 0 ，采用中心波 长分别为4 0 0 r i m 、4 7 0 r i m ，5 4 0 r i m 、6 0 0 r i m 、7 0 0 r i m 。带宽为1 0 0 r i m 的带通滤光片d t b 4 0 0 、 d t b 4 7 0 、d t b 5 4 0 、d t b 6 0 0 、d t b 7 0 0 对通过采集到的太阳光进行处理，研究在不同波段 下光合细菌的生长特性和产氢特性，发现在不同波段的光照下，同一种菌种具有不同的生长 特性和产氢特性，而在3 8 0 n m 7 8 0 r i m 的光照下由这几种细菌组成的混合菌群具有最大产氢 能力通过采用滤光技术，使进入系统的太阳能与光合产氢细菌的吸收光谱特性相耦合，有 效地避免“光饱和效应”，显著提高太阳能光合生物制氢系统的光转化效率，经过测试光合 细菌利用畜禽粪便生成氢的燃烧热与光合细菌吸收的太阳光能量之比，即太阳能光转化效率 最高达到了2 1 0 3 4 本文利用自制的太阳能光合生物制氢实验系统研究了以猪场粪便为原料的光合细菌 利用太阳能光谱耦合制氢工艺条件研究表明，产氢量随原料浓度的升高而增大，猪场粪便 处理从二级沉淀池出来的污水浓度一般在5 0 0 0 m g l - 1 左右，考虑到工业化应用，以 5 0 0 0 r a g l - 1 为实验原料浓度；温度对光照产氢有比较显著的影响，该菌群产氢的最适宜温 度为3 0 1 2 ；该菌群适宜产氢的p h 值在6 5 , - - 7 5 之间，当原料p h 值为7 0 时产氢量达到最大； 稳定产氢时其氧化还原电位稳定在- 2 5 0 m v 左右。并利用正交试验方法对最佳产氢条件进行 了优化，最后得出以猪粪污水为原料的光合细菌产氢的最佳工艺条件为：温度3 0 ( 2 ，原料 初始p h 值为7 0 ，p s b 初期活性为对数生长后期6 0 h 。并且实验结果表明在产氢的同时c o d 去除转化率达到6 5 3 1 关键词：太阳能；光合细菌；氢气；光谱耦合 第一章绪论 第一章绪论 1 太阳能生物制氢的意义 ， 我国经济的快速发展、不断变化的人口结构及经济结构的改革，驱使能源消费猛涨， 从2 0 世纪9 0 年代末起，我国能源开始供不应求，并且在未来几年可能呈现愈演愈烈的趋势 同时，过度依赖化石能源、能源资源分布不均衡、发电输电效率低下等因素加剧了能源供应 紧张的态势，我国高速发展的经济正面临“动力”不足的困境。2 0 世纪9 0 年代后期由于能 源工业供应过剩导致暂停批准建设新的燃煤电厂，我国的能源供求关系就发生了逆转。此后， 能源供不应求的局面一直未得到改观。2 0 0 4 年，全国能源消耗总量达到1 9 7 亿吨标准煤， 比2 0 0 3 年增长1 6 i ”2 0 0 3 年和2 0 0 4 年夏天，能源供应短缺导致全国约2 ，3 的省份实行轮 流停电或定额供电 在未来的岁月里，工业化、城市化和居民生活水平的提高将继续保持较快的步伐，这将 把我国的能源消耗推向更高的水平。据预测，2 0 0 1 年至2 0 2 5 年之间，我国电力消耗增长速 度将是世界平均水平的2 倍；到2 0 2 0 年，我国的电力消耗将比目前增加5 0 0 6 。占世界发电 总量的1 5 ；到2 0 5 0 年，我国人均能源消耗量将在3 吨标准煤以上。因此，能源总量不足 的问题将长期存在。 目前人们使用的主要能源是煤、石油、天然气等矿物资源，它们是经过亿万年她质演变 所形成的化石燃料。随着社会的不断进步和工业化程度的不断提高，人类对能源的需求日益 增加，在目前所用的商品能源中，9 5 是化石能源，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 0 , 6 ，天然气占2 0 闭，而这些矿物燃料都是不可再生的资源， 在地球上的储量是有限的，世界煤炭储量估计约1 0 万亿吨，发展中国家和工业化国家相比 生产水平较低，其贮量和产量比为1 5 年依据国际能源机构( i e a ) 和美国能源信息署 ( d 1 ) e e i a ) 等机构2 0 0 2 年的预测，中国2 0 1 0 年石油总需求量将达3 4 - - 3 8 亿吨，2 0 2 0 年将达4 3 _ - 5 3 亿吨p j 。我国自1 9 9 3 年由石油净出口国变为挣进口国以来，石油净进口量 急剧增加，2 0 0 0 年达6 9 6 0 万吨，石油进口依存度( 净进口量占国内消费量比重) 达3 1 ， 已超过警戒线。预计2 0 1 0 年净进口增至1 6 _ - 2 1 亿吨，进口依存度上升到4 s - - 5 5 ；2 0 2 0 年净进口量将达2 4 - 3 6 亿吨，进n 依存度达6 ( b - 7 0 1 4 j 如此巨大的能源短缺。直接关 系到能源安全和国家安全。同时，传统能源的使用也将大量的废气烟尘物质排入大气，其生 成的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等造成的环境污染、温室效应和酸雨使2 l 世纪的环境 面临巨大挑战。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，。可再生能源”和“可持续发展”已被列入世界各国重要议事日程。 在所有的可替代能源中，氢气以其洁净燃烧、能量密度高、可再生而被能源界公认为最 理想的矿石燃料的替代能源，引起了世界各国的高度重视，许多发达国家投入大量的人力和 资金从事氢能技术的研究和开发，希望通过氢的制取、储存和燃料电池技术的突破，形成后 矿物燃料时代的可持续发展的能源模式。经过几十年的努力，特别是随着燃料电池技术的日 第一章绪论 臻成熟，以满足诸多领域对氢能大量需求为目标的氢能开发已经进入了新的阶段。美国、欧 洲和日本都相继推出了发展氢能技术的庞大的研发和产业化计划，为此投入了大晕的研发资 金，制定了产业化的鼓励政策可以预见，未来的十年是氢能技术取得重大突破和进入市场 的关键时期 氢气的生产有化学法和生物法两种途径化学制氢法已经作为比较成熟的技术应用于大 规模的工业化生产，目前大约9 0 的氢气是由天然气或由轻油高温裂解、重油氧化、煤汽 化、水电解、热化学循环等化学生产法生产。由于化学生产法均以消耗矿物能源为代价，生 产过程中不可避免造成对环境的污染，而且除电解法外均需在高温、高压或强酸强碱的条件 下进行，反应条件苛刻，成本很高。生物制氢是利用微生物自身的新陈代谢途径生产氢气的 方法。由于生物制氢是微生物自身新陈代谢的结果，生成氢气的反应在常温、常压和接近中 性的温和条件下进行，此外，生物制氢大多可采用工农业废弃物和各种工业污水为原料，不 仅成本低廉，而且在生产氢气的同时净化了环境，一举两得，所以最具发展和研究潜力生 物制氢的主要方法有光解水制氢，光合细菌产氢、黑暗发酵产氢、发酵细菌和光台细菌联合 产氢途径等，光解水制氢是在厌氧条件下。通过光合作用分解水产生氢气和氧气，所以通常 也称为光分解水产氢途径。其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，这一光合系统中，具 有两个独立但协调起作用的光合作用中心：接收太阳能分解水产生l i t 、电子和如的光合系 统i i ( p s i i ) 以及产生还原剂用来固定c 的光合系统i ( p si ) 。p s 产生的电子，由铁 氧化还蛋白携带经由p s 和p si 到达氢酶，i i 在氢酶的催化作用下在一定的条件下形成1 1 2 。 氢酶是所有生物产氢的关键因素f ，f 7 一目发酵产氢有两条途径：一是甲酸分解产氢途径， 另一条是通过n a d h 的再氧化产氢，称为n a d h 途径。黑暗发酵产氢可广泛使用多种有机 原料，包括淀粉、纤维素、木质素以及各种有机废液，但是产氢量较低，研究发现i m o l 丙 酮酸产生i 一2 m o l 的h 2 ，研究认为只有将i m o l 葡萄糖中1 2 m o l 的氢全部释放出来，黑暗发 酵产氢才具有大规模应用的价值“l 。产氢量低的原因主要有两个，第一是自然进化的结 果，从细胞生存的角度看，丙酮酸酵解主要用以合成细胞自身物质，而不是用于形成氢气； 第二，所产氢气的一部分在氢酶的催化下被重新分解利用。通过新陈代谢工程以及控制工艺 条件使电子流动尽可能用于产氢是提高发酵细菌产氢的主要途径。光合细菌制氢和发酵细菌 和光合细菌联合产氢途径在后面详细论述。 太阳能是最充足的可再生能源，每年照射到地球表面的太阳能大约为5 7 xl 1 j ，大约 相当于人类每年所需能量总和的1 0 0 0 0 倍旧，目前主要通过太阳能电池和太阳能集热器转 化太阳能，但是由于太阳光在地球表面极其分散，平均照射到地球表面的太阳能大约为 i k w m - 2 ，用太阳能电池和太阳能集热装置转化太阳能应用于工业化需要很大的接收面积， 所以阻止了太阳能的商业化应用。植物和微生物( 光合细菌和绿藻) 的光合系统能够自动吸 收太阳能进行生长和储存能量，这是任何人造设备所不具备的能力。通过提高农作物光合作 用效率来提高粮食产量的研究已经被国家列为。9 7 3 ”的重点支持项目之i l ，研究太阳能 2 第一章绪论 光合生物制氢技术来解决能源和环境污染的问题具有同样重要的意义。 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ，简称p s b ) 可利用的底物范围很广，在诸多已有的 p s b 产h 2 试验中，大部分是以各种工业有机废水作为p s b 处理的底物，而以畜禽粪便作为 底物的研究未见有任何报道。但目前在我国大中型畜禽养殖场排出的粪便已经成为重要的污 染源之一近年来，由于畜牧养殖业从分散的农户养殖转向集约化、工厂化的养殖，饲养方 式、养殖规模和分布区域随着我国经济建设的快速发展都发生了巨大的变化，导致畜牧养殖 业的环境污染总量、污染程度和分布区域也随之发生了很大变化。不仅使得畜禽粪便污染量 大幅度地增加，而且在各地出现了许多类似于工业污染的新的大型“污染源”此外，由于 畜牧养殖业从牧区、农区向城市、城镇周边大量转移。从人口稀少的偏远农村向人口稠密的 城郊地区逐渐集中，畜禽粪便的污染越来越加大了对城市、城镇环境的压力畜禽养殖业集 约化的程度越来越高，专业化特征越来越明显，最终导致了养殖业与种植业的日益分离。从 事养殖的不种地，粪便不当作肥料；种地的不再从事养殖，农田靠施化肥，畜禽粪便用作农 田肥料比重大幅度下降。畜禽粪便被乱堆乱排的现象越来越普遍，加重了环境的污染。因此， 畜禽粪便污染已成为我国农村仅次于小造纸废水污染的第二大污染源【1 ”l 。从以猪粪、牛 粪为原料生产沼气可以看出，其中含有大量的微生物可利用的小分子营养物质，利用畜禽粪 便作为光合细菌制氢原科，既得到清洁能源h 2 ，又实现了废弃物的资源化，在缓解能源危 机、减少环境污染等方面具有积极的现实意义 2 生物制氢途径 根据所用的微生物、产氢原料及产氢机理，生物制氢可以分为三种类型：( 1 ) 绿藻和蓝 细菌( 也称为蓝绿藻) 在光照，厌氧条件下分解水产生氢气，通常称为光解水产氢或蓝、 绿藻产氢。( 2 ) 光合细菌在光照、厌氧条件下分解有机物产生氢气，通常称为光解有机物 产氢、光发酵产氢或光合细菌产氢；( 3 ) 细菌在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气， 通常称为黑暗( 暗) 发酵产氢或发酵细菌产氢。 襄1 1 不同生物制氢特点的比较1 1 6 ”瑚 t a b l e l 1c o m p a r a t i o n o f d i f f c r c m b i o o g i 酬h y d r o g e n p r o d u c t i o n m e t h o d s 类型优点 缺点 蓝细菌和绿藻1 只需要水为原料 1 不能利用有机物，所以不 2 太阳能转化效率比树和能减少有机废弃物的污 作物高l o 倍左右染 3 有两个光合系统，光转化2 需要光照 效率低，最大理论转化效3 需要克服氧气的抑制效 率为1 0 应 4 复杂的光合系统产氢需 要克服的自由能较高 ( + 2 4 2 k j m o l l i 2 ) 光合细菌1 能利用多种有小分子有 机物 2 利用太阳光的波谱范围1 需要光照 3 第一章绪论 较宽 3 只有一个光合系统光转 化效率高，理论转化效率 1 0 0 4 不产氧，需要克服氧气的 抑制效应 5 相对简单的光合系统使 得产氢需要克服的自由 能较小( 乙酸光合细菌产 氢的自由能只有 + 8 5 k j t o o l h 2 ) 发酵细菌1 发酵细菌的种类非常多 2 产氢不受光照限制1 对底物的分解不彻底，治 1 利用有机物种类广泛 污能力低，需要进一步处 2 不产氧，需要克服氧气的理 抑制效应2 原料转化效率低 三种不同生物制氢途径的特点见表1 1 ，从表中可以看出三种生物制氢方法中，光合细 菌制氢更为优越。 3 光合生物制氢机理 3 1 光合细菌产氢 光合细菌产氢和蓝、绿藻一样都是太阳能驱动下光合作用的结果，但是光合细菌只有一 个光合作用中心( 相当于蓝、绿藻的光合系统i ) ，由于缺少藻类中起光解水作用的光合系 统，所以只进行以有机物作为电子供体的不产氧光合作用，光合细菌光合作用及电子传递 的主要过程见图1 1 描述 斯h 坤f 卜一帆 田l l 光合细菌光合产量过程电子传递示意啊 f 培1 ii l l s l r a f i o n o f e l e c t r o n t r a n s m i t p r o c e s s o f p h o t o s y n t h c c i c b z e t e r i a h y d r o g e n p h o o p r o d o c 【i o f l 光合细菌光分解有机物产生氢气的生化途径为：( c h 2 0 ) 一f d 一氢酶一1 1 2 ，以乳酸为例， 光合细菌产氢的化学方程式可以表示如下： ， 4 第一章绪论 光照 c 3 h 6 0 3 + 3 h 2 0 6 h 2 + 3 c 0 2 该反应的自由能为+ 8 5 k j m o l h 2 ，此外，研究发现”9 j 光合细菌还能够利用c o 产生氢气， 反应式如下： 光照 co4 - h 2 0 _ c 也+ h 2 目前认为光合细菌产氢由固氮酶催化，已经证明光合细菌可利用多种有机酸、食品加工 和农产品加工的下脚料产氢。计算所得光合细菌的光转化效率接近1 0 0 ，但这一计算忽略 了有机物中所含的能量，有关专家认为1 2 e 。2 ”，在理想光照度下( 低光照度) 实际光转化效 率要远远小于1 0 0 ，而且由于光合细菌的光合系统和藻类一样存在着光饱和效应，所以在 太阳光充足的条件下实际的光转化效率更低。提高光转化效率是所有光合生物制氢技术中有 待解决的问题，但是，光合细菌所固有的只有一个光合作用中心的特殊简单结构，决定了它 所固有的相对较高的光转化效率。 围1 2 光台细菌产氨示意图 f i g 1 2l l l u s u a t i o no f h y d m g e np r o d u c t i o nb yp h o t o b a c t e r i a 3 2 发酵细菌和光合细菌联合产氢途径 黑暗厌氧发酵产氢和光合细菌产氢联合起来组成的产氢系统称为混合产氢途径。图1 3 给出了混合产氢系统中发酵细菌和光合细菌利用葡萄糖产氢的生物化学途径和自由能变化。 厌氧细菌可以将各种有机物分解成有机酸获得它们维持自身生长所需的能量和还原力，为消 除电子积累产生出部分氢气。从图中所示自由能可以看出，由于反应只能向自由能降低的方 向进行，在分解所得有机酸中，除甲酸可进一步分解出h 2 和c 0 2 外，其它有机酸不能继续 5 如+i 第一章绪论 分解，这是发酵细菌产氢效率很低的原因所在。产氢效率低是发酵细菌产氢实际应用面临的 主要障碍。然而光合细菌可以利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的自由能堡垒，使 有机酸得以彻底分解，释放出有机酸中所含的全部氢。另一方面由于光合细菌不能直接利用 淀粉和纤维素等复杂的有机物，只能利用葡萄糖和小分子有机酸。所以光合细菌直接利用废 弃的有机资源产氢效率同样很低，甚至得不到氢气。利用发酵细菌可以分解几乎所有的有机 物为小分子有机酸的特点，将原料利用发酵细菌进行预处理，接着用光合细菌进行氢气的生 产，正好做到两者优势互补 m i y a k e 等人 2 2 “”峻证了混合产氢途径的可行性，同时发现发酵细菌和光合细菌联 合不仅提高了氢气产量，而且降低了光合细菌产氢所需的能量。我们的研究也充分证明了混 合产氢途径在光合细菌利用畜禽粪便产氢时的必要性和优越性，光合细菌几乎不能直接利用 畜禽粪便产氢，但是光合细菌利用经过处理的猪粪产氢效果很好陋l 。 围1 3 发酵细菌和光合细营联合产氢生他途径 f i g i 3 h y b r i d h y d r o g e np r o d u c t i o ns y s t e m o f a n a e r o b i c b a c t e r i a e n d p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a 4 光合生物制氢研究现状 光合生物产氢的现象t 0 0 多年前已被发现唧，对细菌产氢的基础性研究开始于2 0 世纪 2 0 年代，光合生物制氢的基础研究开始于4 0 年代瑚2 9 1 ，由于受光转化效率、产氢酶对氧气 敏感性以及生物制氢途径的复杂性等因素的制约，一直没进行深入的研究，美国1 9 7 3 年的 能源危机，使得能源界有关人士认识到研究矿石燃料的替代能源己迫在眉睫，上世纪7 0 年 代世界上开始了生物制氢的应用性研究，经过3 0 多年的研究，生物制氢技术仍然没有突破 性的进展，目前生物制氢技术仍处于研究和发展的起步阶段，应用于大规模的工业化生产还 有很多的研究工作要傲 光合生物制氢技术的研究首先开始于美国、日本等发达国家，近几年中国一些高校也开 始了生物制氢的研究总结国内外的研究信息，人们对生物制氢的研究主要包括产氢机理、 产氢工艺条件，产氢菌种、产氢工艺路线、产氢动力学、产氢酶、光转化效率和原料转化效 6 第一章绪论 率以及反应器等各个主要方面的研究，下面对其中主要几个方面的研究现状加以叙述 4 1 产氢机理 由于光合生物产氢是微生物新陈代谢的结果而生物的新陈代谢途径极其复杂，所以截 止目前人们只是对生物产氢途径有大概的认识，要彻底探明氢气形成的具体过程还有很远的 路要走对产氢酶结构、功能的研究是生物产氢机理研究的一部分，也是光合生物产氢机理 研究中取得进展较大的方面 b o n e m a n n d 等p o j 研究了0 2 对藻类产氢量的影响，发现少量0 2 存在抑制氢气的形成， 同时发现许多微藻尤其是绿藻，在厌氧条件下经历一阶段的黑暗之后产出氢气，转入光照条 件下( 仍为厌氧状态) 。产氢速度显著提高，但重新回到正常的新陈代谢状态后( 吸收c 0 2 ， 产生0 2 ) ，产氢随即停止，表明黑暗厌氧条件促进了产氢酶的合成或者提高了原有产氢酶的 活性。s u b r a m a n i a n 等【3 l 2 ”】研究了蓝绿藻( 蓝细菌) 的产氢机理，研究表明它们呈格兰 氏阳性，具有与高等植物相同的光合系统，广泛存在于海洋、土壤和其它生态系统中。它们 是能进行光合作用的固氦细菌，在固氮酶和氢酶的作用下光解水产生h 2 和0 2 。许多研究表 明雕”“韧，藻类产生h 2 的同时产生0 2 是其不能连续产氢的主要障碍，因为产氢酶对氧 气极其敏感，而氢气吸收酶的活性不受0 2 的影响。l e e 等 3 s q 研究发现，绿藻可能比蓝细 菌具有更高的产氢效率，因为蓝细菌的固氮酶需要生物体的能量载体三磷酸腺营( a t p ) 参 与才能起作用 对光合产氢机理的研究发现，按照时间和空间上概念，产氢分为两种类型：直接产氢和 间接产氢( 也称直接光解水产氢和间接光解水产氢) 。5 0 多年前g a f f r o n 等发现的真核单细 胞绿藻s c e n e d e s m u so b l i q u u s 的产氢过程属于直接光解水产氢，其作用机理是光照厌氧条件 下通过氢酶的催化而产生氢气【删采取将氧气及时除去或用基因工程培育耐氧型菌株的方 法可以使这类产氢过程持续较长的时间。研究除去氧气的方法有通入惰性气体、加入还原剂 消耗氧气，利用另一种耗氧微生物的共生消耗氧气等【1 1 4 2 , 蜘：美国的m e l i s 等“”l 组成的研究小组近年来一直在进行培育耐氧绿藻菌种方面的研究，已经取得了一些进展。蓝 细菌产氢是另一类间接光解水产氢，这一产氢系统中光合作用( 吸收c 0 2 产生0 2 ) 和固氮 作用( 产生h 2 ) 在时间或空间上是彼此分开的，研究发现蓝细菌存在“植物细胞”( v e g e t a t i v e c e l l ) 和“异型细胞”( h e t e r o c y s t ) 两种细胞，植物细胞进行正常的光合作用为异型细胞的 氨酶提供所需的还原剂( 碳水化合物) ，在异型细胞内的氮酶有一层较厚的细胞壁可以阻止 植物细胞产生的氧气的入侵，从而保护了催化产氢的固氮酶免造氧气的损害1 1 2 l 。l e e 等| 删 对绿藻产氢过程中两个光合系统的作用进行了研究，认为光合系统( p s ) 分解水并且还 原质体醌( p q ) 、细胞色素b f ( c y t b f ) 以及质体蓝素( p c ) ，而光合系统i ( p si ) 能够 还原铁氧还原蛋白( f d ) 和辅酶( n a d p ) ，氧化p c 、c y t b f 以及阳。 4 2 工艺条件 产氢工艺条件的研究是生物制氢研究中研究最多的方面，工艺条件的研究是确定特定的 7 第一章绪论 菌种产氢的最佳环境参数，是生物制氢中工业化应用的最基础性研究，由于不同的菌种要求 的生长条件各不相同。不同的研究者采用的菌种不同、使用的产氢基质不同，所以都需要首 先确定各自研究对象产氢的最佳工艺条件。工艺条件的研究是所有生物制氢研究者都要经历 的阶段，因此这方面的资料最多，工艺条件的研究包括对产氢菌种的培养和产氢两个方面的 工艺条件的研究，主要涉及温度、光照度( 光合生物制氢) 、气液相成分及含量、氮源种类 和添加量、培养基( 产氢基质) 成分和含量、p h 值、接种量、菌龄等各方面的内容，下面 对一些典型的研究做一简单介绍。 b a g a i 等忡l 研究7 - - 株发酵细菌混合连续产氢时氮源对氢气产量的影响，结果发现向产 氢基质间歇性地添加氦源是保证细胞活性的必要条件，定期添加氮源延长了氢气产量 k u m a z a w a 等i f , 0 1 研究了培养基中氮含量对o c i l l a t o r i as p 产氢量的影响，发现添加氮后培养 过程中细胞内叶绿素和蛋白质含量降低，碳水化合物含量显著增加，伴随着细胞成分变化， 该菌产氧能力下降而产氢能力显著增加，产氢速率达到2 6 0 l jm o f m g 叶绿素h ，并且研究 发现其产氢速率与光照度密切相关。s m a r k 等p ”研究发现当将p l e c t i n e m ab o r y a n u m 从含氮 有氧培养基转入微氧或厌氧的无氮培养基中时有氢气产生。b a n c r j 等l ”1 研究表明n h 4 c i 和k n 0 3 的混合氮源能促进a z o a a n a b a e n a 产氢。b c n e m a n n p ”研究了绿藻的混合产氢途径， 采用开放池塘培养绿藻使其固定c 0 2 储存碳水化合物( 绿藻的生物质) ，然后将培养好的绿 藻转入一黑暗、密闭的厌氧发酵容器中进行氢气生产。s a s i k a l a 等阳研究了r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s0 u 0 0 1 的生长阶段、产氢基质、p h 值以及谷氨酸含量与产氢速率之间的关系， 结果表明菌种生长的静止期对产氢有利，p h 值以及谷氨酸含量对产氢速率和氢气产量有较 大影响，同时还研究了光照度和细胞生长速度及产氢量之间的关系，结果表明，高光照度不 会抑制细胞生长和产氢，这与绿藻生长和产氢会受到强光的抑制不同。t a r d s h o 等盼“l 研究 了e n t e r o b a c t e r a e r o g e n e s 产氢的工艺条件，发现不断排出液相中的c 0 2 对产氢有促进作 用，产氢基质的p h 值对产氢量有显著影响，p h 值为7 时该菌生长最快。r o y c h o w d h u r y 等 口7 】研究发现，在产氢基质中通入一低压电流抑制甲烷的形成，可以提高产氢量。 4 3 光转化效率 国内外光合生物制氢研究中对于光转化效率和原料转化效率的研究不多，从为数不多的 研究结果可以看出，目前生物制氢中光转化效率和原料转化效率仍处于较低的水平，这是生 物制氢向工业化推进的重要障碍。 太阳能的分散性和由此形成的地球表面太阳能的低密度性，使得光驱动的生物制氢过程 的成本很高，目前有关生物制氢的研究很少研究光转化效率，少量报道的数据一般小于1 ， 所以要使光合生物制氢用于工业化生产，必须提高光合生物的光转化效率。下面就目前探明 的影响光转化效率的因素和提高光转化效率的措施做一概述。 4 3 1 影响光转化效率的因素 光合生物的光合反应分为两种类型，光反应( 与光直接有关的反应) 和暗反应( 在暗 8 第一章绪论 中进行的反应) ，对于有两个光合作用系统的高等植物、蓝细菌和绿藻，暗反应速度是指电 子在两个光合系统中传递的速度。其中，光反应占少数，其余大部分是暗反应，光反应的速 度比暗反应快得多，在强光下，光反应进行得很快，暗反应往往跟不上，由于完整的光合反 应是光反应和暗反应串联在一起共同完成的，暗反应完不成，光合作用就无法进行； k o k 等i s s l 也指出，强光下限制光转化效率的因素是睹反应速度。暗反应速度通常比色素捕获光 子的速度大约慢l o 倍。因而导致强光下光合作用器官所捕获光子的9 0 不能用于光合作用， 而以热或荧光的形式损失掉光合细菌同样存在这一现象，由于暗反应速度过慢，光合细菌 色素在强光下所捕获的光子远远超过了光合作用实际所需的光子数。这种效应被称为“光饱 和效应”目前所用的理论上1 0 的转化效率是以实验室弱光照射下所获得的值为基准计算 出来的，光饱和效应是强光下光转化效率远远低于理论值的主要原因。 4 3 2 提高光转化效率的方法 提高光转化效率一直是光合生物制氢领域致力解决的主要问题之一，5 0 多年前就有入 提出解决问题的方案，概括起来有三种方法：( 1 ) 高速搅拌，( 2 ) 分散光合生物反应器表面 的光，( 3 ) 培育叶绿素含量少的菌种从而减少光子的过多吸收和浪费。 4 3 2 1 高速搅拌 高速搅拌的方法是k o k 等【5 9 j 首先提出来的，原理为通过高速搅拌在所产生的旋涡内产 生。闪烁效应”他发现，强光以毫秒级的速度闪烁，在旋涡内可以产生出一段大约5 1 0 倍于感光时间的黑暗阶段，从而提高了光子的总体利用效率。其原理是，毫秒级闪烁的一个 闪光周期内，每个光合作用单位( 包括几百个叶绿素分子) 只捕获一个光子，接下来相对较 长的黑暗阶段( 感光时问的5 1 0 倍) 使得光合系统间缓慢的电子传递在一次闪烁中得以完 成，从而使暗反应和光反应同步进行，因此避免了光饱和效应。通过高速搅拌提高光转化效 率的方法受到争议，p a t r i c k 等【5 l 认为，产生闪烁效应需要很大的搅拌能量，研究发现，搅拌 耗能正比于搅拌速度的三次方，毫秒级闪烁显然动力费用过高，不能用于实际生产。但是， 他认为，为防止生物质沉淀而进行适当速度的搅拌是必要的，合适的搅拌速度为2 5 3 5 c m s w e i s s i m a n 等1 6 0 l 研究发现，在p h 和0 2 含量一定的条件下，在5 - 6 0 c m s 的搅拌速度内，产 氢量几乎没有变化。而另一些研究人员认为，搅拌使批量培养物中的单个细胞产生的间歇感 光效应，对产氢量有巨大的影响。 4 3 2 2 分散表面的光 这一方法是通过光分散设备将光线导入深层培养液。p a t r i c k i s 认为最简单的方法是垂直 分布光合生物反应器，从而减少直射光。但这种布置也相应地增加了反应器的面积，因而具 有一定的局限性另一种办法是采用光纤光合生物反应器，用聚光镜收集太阳光，将收集到 的太阳光通过光纤导入光合生物反应器内部。1 9 7 0 年美国一个绿藻产氢研究小组采用了该 技术1 3 ”，2 0 0 2 年日本一家大研究机构在进行用绿藻固定c 0 2 减少温室效应，同时生产氢气 的研究中采用了这一技术 4 2 1 。在提高光转化效率的几种方法中，目前认为这种方法比较可 9 第一章绪论 行，所以我们的部分研究设备也采用了这一技术。 4 3 2 3 改良菌种 第三种方法是筛选或培育叶绿素含量较少的变异菌种，这种变异菌种中含有较少的“天 线色素”或。光接收色素”( 如蓝细菌的藻胆蛋白等) ，简单地说，含较少光接收叶绿素的光 合作用器官在强光下吸收光子的数量较少，因此减少了光饱和效应造成的浪费现象。m y e r 等【6 i 】指出，很难在自然界中找到这样的变异菌，这是自然选择的结果，因为成群生长的光 合生物中。细胞间歇地处于强光( 表面或表面附近) 和弱光环境( 深层) 中，而且处于弱光 环境的频率更高，因此，自然进化的结果必然导致含更多光捕获色素的菌种得以存活。以此 来适应长时间处于弱光环境的现实，这些菌种可以比含捕获光子色素少的菌种能捕获更多的 光子，换句话说，在这种竞争机制中，每个细胞都尽可能长出更多的天线色素分子 5 0 多年前就有人提出通过减少天线色素分子的数量来减少饱和效应1 6 2 ，但是没有引起 广泛的关注，最近几年，美国和日本一些研究人员开始关注这一方案。日本一研究结果表明， 减少了天线色素的绿藻在强光下连续产氢的产氢量提高了5 0 1 e 3 j 忡】删。虽然这一结果距他 们的目标很远，但是说明了这一方案的可行性。他们正在继续做进一步的研究另外，有人 采用生理学方法进行这方面的研究1 删m ，采用d u n a l i e l l as a l n a 菌株，研究发现，在一强制 条件下，绿藻光合系统i i ( p s ) 的光合作用中心受到损伤，天线色素数量减少，但是强 制条件解除后，在天线色素分子的数量恢复之前，p s 完成了修复，因此短时间内可以在 强光下保持较高的光合反应速度。g r e e n b a u m 等嘟l 报道了一个缺少光合系统的i ( p si ) 的绿藻的变异种仍具有产氢活性， 由于只有一个光合系统，所以将电子由水传给c 0 2 或 h 2 只需要一个光子，从而可使太阳能转化效率提高了一倍。基于这一现象，r e c l d i n g 等嗍 提出筛选或培育只有p s 的绿藻或蓝细菌来降低光饱和效应的方案，目前的研究证明这一 方法不太容易实现。 目前，藻类光解水制氢的最终目标是提高光转化效率，光转化效率成为制约藻类产氢的 除氧气抑制问题外的另一个重要问题。 r e d d i n g 等咿】提出筛选或培育只有一个光合系统的绿藻或蓝细菌来降低光饱和效应的 方案正是光合细菌本身所具有的、不同于高等植物和藻类的独特结构，光合细菌只有一个光 合作用中心，这是光合细菌光转化效率高的原因所在，因此从光转化效率上可以看出，光合 细菌生物制氢系统有其固有的优越性 5 光源的光质与光合色素的光吸收特性 5 1 天然光源的光谱特性 地球上所有的光合生物在其天然生态环境中都是利用太阳光的辐射进行光合作用的。太 阳光实际上是一种电磁辐射。太阳辐射的波长范围包括从1 0 r t m 以下的宇宙射线一直到波长 达数十米的无线电波，覆盖了电磁波谱的绝大部分嗍。表l - 2 列出了地球大气上界太阳辐射 能量随波长的分布情况。从表中可以看出，大约9 8 的太阳辐射能的波长在0 3 3 t o pm 的 l o 第一章结论 范围内，在进入大气层之前，太阳辐射能量光谱的峰值在0 4 8 um 处。这与一个温度为6 0 0 0 k 的热辐射体发射的辐射能量分布谱相一致p o i 7 ”，热核反应使目前的太阳表面温度维持在 6 0 0 0 k 左右 太阳辐射能通过厚厚的大气层时，光谱分布发生了显著的变化太阳光谱中的x 射线被 大气成分强烈地吸收；大部分紫外线( 波长为0 2 9 - 0 3 8um ) 被臭氧吸收；波长超过2 5p m 的射线，在大气层外的辐射强度本来就很低，再加上大气层中的二氧化碳和水蒸汽的强烈 吸收，所能达到地面上的能量微乎其微；只有波长为0 3 8 - - 0 7 6i tm 的可见光部分才可能比 较完整地达到地面。 地球表面接受到的太阳辐射可以分为直射辐射和散射辐射两种类型，从太阳传来的辐射 直接穿透大气层照射到地表，这是直射辐射；那些在穿过大气层时被大气中的气体分子，尘 埃颗粒及云雾等散射和反射后到达地面的那部分太阳辐射称为散射辐射。晴朗的天空中雾珠 和尘埃颗粒很少，只有气体分子和细小的水汽颗粒在空中散射f i 1 7 2 1 散射辐射的量与太阳 高度角和云的覆盖度有关，不过，即使是在晴天散射辐射仍占总太阳辐射的l o l 3 0 【7 “光 合作用所利用的太阳辐射波长主要在4 0 0 - 7 0 0 h m 范围，也有人认为是3 8 0 7 8 0 n t o 范围。这 部分可见光范围内的太阳辐射约占到达地表的太阳总辐射能的5 0 1 7 3 1 表1 2 大气上界光谱段太阳辐照度分布状况r 7 0 】 t a b l e l 2s u n m d l m i o n i n t e n s i t ys p m d i n t h e u p p 口s p e e m m o f t h