（环境工程专业论文）发酵生物制氢反应系统生物强化技术研究.pdf

哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 摘要 发酵法生物制氢技术，以生物质为原料进行可再生能源物质氖气的生 产，符合可持续发展战略的要求，已成为世界各国竞相开发的高新技术之一。 本文以混合菌种的连续流发酵生物制氢系统为基础，对生物制氢反应系统的生 物强化技术进行了深入的研究，这一研究对进一步提高系统的产氢能力，加速 发酵法生物制氢技术的工业化进程具有重要意义。 本文将生物强化技术引入生物制氢领域，确定了连续流发酵法生物制氢工 艺的最佳生物强化控制参数和高效菌种的投加技术。研究表明，系统在一定控 制条件下达到稳定运行状态，在容积负荷为1 2 k g c o d m 3 d 、h r t 6 h 、反应器 内m l v s s 为l o 3 8 9 l 时，投加高效产氢菌种b 4 9 ，在投加量为5 的条件下， 强化处理后的反应系统，除o r p 基本保持不变外，其产气和产氢能力、液相末 端发酵产物、p h 值、糖转化率等均发生了变化。其中糖的转化率从9 4 8 增加 到9 6 3 ，反应混合液的p h 值从4 7 下降为4 3 4 4 ，乙醇型发酵的目的产物 乙醇和乙酸在总发酵产物中的比例也从7 3 6 提高到8 6 6 ，平均产气能力和 平均产氢能力分别提高了1 2 9 和1 8 o 。而且，生物制氢系统的生物强化作 用有利于进一步提高反应系统的运行稳定性。 通过小试基础性试验的指导，将生物强化技术应用于工业化生物制氢反 应系统。研究表明，系统在一定控制条件下达到稳定运行状态，在容积负荷 为2 8 9 k g c o d m 3 - d 、h r t 8 6 h 、反应器内m l v s s 为6 ，3 4 9 l 时，采用半连 续生产和半连续投加高效产氢菌种y u a n 3 的方式，投加菌种量为0 8 9 ， 对工业化发酵产氢反应系统进行生物强化技术处理。当工业发酵生物制氢反 应器达到相对稳定状态时，单位反应器的产气率和产氢率比投菌前分别提高 了1 5 7 和1 7 1 ；单位生物量的产气率和产氢率比投菌前的产气率和产氢 率分别提高了2 5 2 和2 7 7 。总糖的转化率超过了9 5 o ，反应系统的p h 值维持在4 4 4 9 之间，乙醇型发酵的目的产物乙醇和乙酸在总发酵产物 中的比例也从8 8 9 提高到9 3 ，0 。 关键词生物制氢；发酵类型；生物强化；高效产氢菌种 堕尘鎏三些查耋三兰堡：! ：耋篁篁三 a b s t r a c t b i o h y d r o g e np r o d u c t i o n t e c h n o l o g yb y f e r m e n t a t i o nu s e sb i o m a s sa sr a w m a t e r i a l st op r o d u c et h er e n e w a b l eh y d r o g e ne n e r g y t h i st e c h n o l o g ym e e t st h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y , a n dh a sb e c o m eo n eo ft h eh i g ht e c h n o l o g y a t t r a c t i n gt h es c i e n t i s t sa l lo v e rt h ew o r l d o nt h eb a s eo f t h ec o n t i n u o u sf l o wt e s to f m i x e dm i c r o f l o r a , o u rr e s e a r c hw e r et h eb i o a u g m e n t a t i o ni nb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n r e a c t o r t h eb i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e df i r s t l yi n t ot h eb i o h y d r o g e n p r o d u c t i o n f i e l di nt h i sr e s e a r c h 1 1 1 e o p t i m a lc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s o f b i o a u g m e n t a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t ，w h e nt h es y s t e m w a ss t a b l ea to l ro f12 k g c o d m 3 d ，h r t 6 h ，m l v s s10 3 8 9 l ，p u t t i n gi ne f f i c i e n t h y d r o g e np r o d u c t i o nb a c t e r i ab 4 9a n dt h ei n o c u l a t i o nq u a n t i t yo fi tw a s5 t h e b i o g a sp r o d u c t i o nc a p a c i t ym a dt h eh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a c i t y , v f a s ，p h ，a n dt h e r a t eo fc o n v e r s i o no f s u g e r w a sc h a n g e d e x c e p t o r ph o l d i n gi n v a r i a n t f u n d a m e n t a r i l yb yb i o a u g m e n t a t i o n t h er a t eo fc o n v e r s i o no fs u g e rw a si m p r o v e d f r o m9 4 8 t o9 6 3 t h ep ho fi n t e r m i x t u r ew a sd e c r e a s e df r o m4 7t o4 ，3 - - 4 ，4 t h ep u r p o s ep r o d u c t so fe t h a n o lt y p ef e r m e n t a t i o nw a se t h a n o la n de t h a n o i ca c i d ， w h o s ep r o p o r t i o nw e r ei n c r e a s df r o m7 3 6 t o8 6 6 t h ea v e r a g em o p s p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dt h ea v e r a g eh y d o r g e np r o d u c t i o nc a p a c i t yw e r ei m p r o v e d 1 2 9 a n d1 8 ，9 m o r e o v e r , t h ec o m p o s i t i o no ft h ef e r m e n t a t i o np r o d u c t sa n d o p e r a t i o n a ls t a b i l i t yw e r ei m p r o v e d b a s e do nt h er e s u l t so f s e v e r a lp r e v i o u st e s t si nl a b o r a t o r y ，t h eb i o a u g m e n t a t i o n t e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt o i n d u s t r i a lb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t o r t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a t ，w h e nt h es y s t e mw a ss t a b l ea to l ro f2 8 9 蚝c o d m 3 d ， h r t 8 6 h ，m l v s s 6 3 4 9 l ，t h eb i o a u g m e n t a t i o nt e c h n o l o g yw a sp r o c e e d e df o r i n d u s t r i a lb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t e ri nt h ef o r mo fs e m i c o n t i n u o u sp r o d u c t i o n a n ds e m i c o n t i n u o u sa d d i t i o n ，p u t t i n gi ne f f i c i e n th y d r o g e np r o d u c t i o nb a c t e r i ay n a n 一 3a n dt h ei n o c u l a t i o no fi tw a so 8 9 w h e nb i o h y d r o g e np r o d u c t i o nr e a c t o rr e a c h e d n 一 窒竺堡三些奎耋三兰塑；! 兰堡篁兰 t ot h es t a t eo fs t a b i l i t y , t h er a t eo f b i o g a sp r o d u c t i o na n dh y d r o g e np r o d u c t i o no fu n i t r e a c t o rw e r ei m p r o v e dt o1 5 7 a n d1 7 1 b yb i o a u g m e n t a t i o n t h er a t eo f b i o g a s p r o d u c t i o na n dh y d r o g e np r o d u c t i o no fu n i tb i o m a s sw e r ei m p r o v e dt o2 5 2 a n d 2 7 7 ，t h er a t eo fc o n v e r s i o no fs u g e re x c e e d e d9 5 ，t h cp hi n s y s t e mw a s s u s t a i n e di n4 4 4 9 ，t h ep u r p o s ep r o d u c t so fe t h a n o lt y p ef e r m e m a t i o nw a se t h a n o l a n de t h a n o i ca c i d ，w h o s ep r o p o r t i o nw e r ei n c r e a s df r o m8 8 9 t o9 3 0 k e y w o r d sb i o h y d r o g e np r o d u c t i o n ；f e r m e n t i o nt y p e ；b i o a u g m e n t a t i o n ；e f f i c i e n t h y d r o g e np r o d u c t i o nb a c t e r i a 1 1 1 堕堡堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质 基础，它的开发和利用能够对人类社会的可持续发展和和谐社会的存在具有重 要的意义。随着科技的发展和社会生活水平的提高，人们对能源的需求量也与 日俱增，据统计世界上最近2 5 年内能源的消耗量相当于过去1 0 0 年的消耗 ，如今能源的消耗量已经成为衡量人们生活水平和文明程度的一个重要标 志。但是从目前能源结构看，在商品能源中，有9 5 是包括煤炭、石油和天然 气在内的化石能源【2 j o 地球上作为一级能源的化石能源都是不可再生的，而且它们的储量是十分 有限的。随着人类的大量开采和利用，这些珍贵的化石能源将逐渐枯竭，据估 算，以目前的储量和开采程度，仅能维持5 0 8 0 年，煤炭也只能维持2 0 0 3 0 0 年左右【 j 。随着科技的进步，人们对能源的需求量将不断增加，而化石能源只 会越来越少，它将远远无法满足人们对能源的需求，我们面临着严重的能源危 机。另外，化石能源开采和利用不仅会产生大量的废水废渣，还会产生大量的 c 0 2 ，以及s 0 2 、n 0 2 等污染物质，预计到2 0 2 0 年c 0 2 的排放量将从现在的 6 1 亿吨增加到9 8 亿吨【4 】。温室效应和酸雨等环境问题的出现会导致人类迫切 地需要开发清洁的可再生能源。高效、清洁的二次能源的开发f 在成为人类研 究的热点课题，很多国家都在加紧对太阳能、生物质能、氢能、海洋能和地热 能等替代能源的丌发和利用。 在诸多的新型替代能源中，氢能被认为是最具有吸引力的替代能源。表1 1 列出了氢气、甲烷和汽油等燃料的比较【l 。5 6 1 ，比较结果表明，氢气作为一种 新型的能源具有许多优越性：氢是宇宙间最简单同时也是储量最丰富的元素； 氢能是一种十分清洁的能源，氢在燃烧和使用过程中只生成水，不产生任何污 染物，甚至也不产生c 0 2 ，可达到污染的“零排放”，正是由于氢的这种清洁 特性，它又被人们称为“清洁能源”和“绿色能源”：氢的利用率高，氢在动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 力转换的过程中热效率比常规的化石燃料高3 0 6 0 ：氢的能量密度高，是汽 油的2 6 8 倍：氢气能够出存在一些特殊的金属化合物或纳米材料中，贮存方便 氢的输送性能良好，在输送各种能源时，以相同的热量计算，氢的输送成本最 低，损失最小，优于输电 ”：氢与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无 传动部件、无噪声的新型发电技术。总之，氢气由于其清洁、高效、可再生、 资源丰富、便于贮存和运输方便等突出优点而在能源界倍受青睐，被认为是2 l 世纪能源体系的重要支柱。在未来的世界能源系统中，氢能将发挥着举足轻重 的作用 8 - 9 。 表1 - 1 氢、甲烷、甲醇和汽油的若干性能比较 燃料名 氢甲烷甲醇汽油 代表性分子式 h 2c h 4 c h 3 0 hc 8 h 1 8 分子量 2 0 1 81 6 0 4 33 2 0 4 21 0 0 - 1 0 5 液态比重( 叽) 7 04 6 87 9 6 6 9 0 _ 7 9 0 燃烧热( k c a l g ) 3 4 1 51 3 35 4 2 1 3 沸点( ) - 2 5 2 ，8 7 1 6 26 52 7 - 2 2 5 c 0 2 排放龟 0 2 32 8 82 9 芏墼丕塑! ! 里丝2 1 ：! ! ：! ! ：! ：! ! c 0 2 排放量是指燃料产生1 0 4 干导热量时排放的c 0 2 的千克数 从全球的能源变化趋势也可以看出( 见图1 - 1 ) ，人类在过去的1 5 0 年中完成 图1 - 1 全球能源系统的变化趋势1 4 】 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 了从同体燃料时代向液体燃料时代的转变，并正从以气体燃料为主体的社会能 源结构方向发展i ”。目前我们正在进入以气体燃料为主体的能源时代，预计到 2 0 5 0 年，气体能源的消耗量将超过煤炭和石油，而到了2 l 世纪术，以氢气为 主要能源气将占据全球能源市场的7 5 以上【l 。因此，有人提出2 l 世纪将成 为氢能经济社会 1 1 - 1 2 】，氢能在未来社会的能源系统中将发挥重要的作用，人们 对清能源的需求量将不断增加。 目前主要的制氢方法包括物理化学方法和生物方法。由于自然界中的大部 分氢是以化台态形式存在的，所以氢气的生产需要从其它化合物中分离获得。 目前人们采用的主要制氢方法有5 种；水电解法：它将水电解为氢和氧，但 是在电解的过程中8 5 的电能被白白地浪费掉了，只有1 5 的电能体现在氢能 上。目前有4 的氯气来源于电解法1 1 。热化学法：通过高温热解制氢，需 要在3 0 0 0 的高温下使水发生热化学反应，生成氢气和氧气。虽然经过科技人 员的改进使热解温度降低到了1 0 0 0 ，但是该法仍耗能较大。光电化学法： 将半导体材料和电解质溶液组成光电化学电池，在阳光照射下制氢。等离子 化学法：将石油、天然气、煤与水蒸气反应生成水煤气，然后将水煤气和水蒸 气一同通过灼热的氧化铁( 催化剂) 生成二氧化碳和氢，经过气体分离即可得 到氢。目前世界生产的氢气，9 6 是由天然的碳氢化合物天然气、煤、石 油产品中提取的。生物制氢法：通过发酵或光合微生物的作用，将有机质分 解获得氢气。 由于前四种方法主要采用物理和化学方法来制取氢气，主要消耗大量不可 再t l 的矿物资源或电力【”】，造成生产成本普遍较高，而且在生产过程中产生的 污染物对地球环境会造成破坏，已不能适应社会发展的需求；而生物制氢技术 具有清洁、节能、不消耗矿物资源和低成本等许多突出的优点，是一项符合可 持续发展的战略的新技术。 生物质在自然界虽然分布广泛，但能量密集程度比煤炭、石油和天然气等 化石能源要少很多，因此，对于生物质能的利用，如果采取大规模集中利用， 一定会因物流因素的影响而使产品氢气的造价高昂且使用不便。从物质与能量 的自然平衡角度分析，对于生物质能源的开发，采取分布式利用更为合理。在 人类生产和生活过成中，形成了大量的复函生物质的高浓度有机废水、生活垃 堕查堡三些奎耋；! 耋堡：! 耋篁堕兰 圾等生物质能相对密集的废弃物，这些废弃物虽然以分散的形式分布，如果不 经适当处理而直接丢弃，将对人类赖以生存的地球环境造成严重污染，并进一 步威胁到人类本身的生存。同时，这些生物质能相对密集的废弃物，也是大自 然的馈赠，是宝贵的物质和能源资源，弃之可惜。如果我们能将这些“废物” 作为分散式能源加以利用，不仅刁；会影响自然界物质循环和能量流动的和谐， 同时也为人类的可持续发展和和谐生活环境的创立了1 ：辟了新的途径。 生物制氢技术已经在世界上引起广泛的重视，如德国、以色列、日本、葡 萄牙、俄罗斯、瑞典、英国、美国都投入了大量的人力和物力对该项技术进行 研究开发。近几年美国每年对生物技术研究的费用平均为几百万美元，日本在 研究领域每年的投资为美国的5 倍。而且在f i = f 本和美国等一些国家还为此成立 了专门机构，并建立了生物制氢发展规划，以期通过对生物制氢技术的基础性 和应用性研究，在2 1 世纪中叶使该技术早日实现商业化生产。在日本有能源 部主持的“阳光计划”，确立的最终目标是建立一个世界范围的能源网络，以 实现对可再生能源氢的有效生产、运输和利用，该计划从1 9 9 3 年到2 0 2 0 年横跨2 8 个年头【1 6 1 。生物制氢研究再次成为各国政府支持的重点1 17 i 。 1 2 生物制氢技术的主要研究方向 氢气作为一种无污染的清洁燃料，已引起国内外的极大关注。早在1 8 世 纪，人们就已经认识到某些藻类和微生物在代谢过程中可以产生氢气的现象， 但是直到2 0 世纪7 0 年代世界性的能源危机爆发，生物法制氢的实用性及可行 性才得到高度重视”8 1 。1 9 6 6 年l e w i s 就提出，许多藻类和细菌在厌氧条件下 能产生氢气”鲥。氢气被当时的能源界誉为“清洁的”“未来燃料”。随着人类文 明的发展和进步，人们对以化石燃料为基础的能源生产所带来的环境问题有利 更深入的了解，清醒地认识到化石燃料造成的大气污染甚至会对全球气候的变 化产牛显著影响。一些工业化国家为了减少环境污染共同签订了京都协议 书，它要求在2 0 0 8 2 0 1 2 年问，工业化国家温室气体排放量要比1 9 9 0 年的 水平降低5 2 g 们。因此世界把目光“聚焦”在生物制氢技术上，氢能源成为 世界关注的热点。 大量的研究资料显示，根据微生物的生理代谢特性，能够产生分子氢的微 4 哈尔滨工业大学t 学硕l 学位论文 生物呵以分为以下两大主要类群：( 1 ) 包括藻类和光合细菌在内的光合生物。( 2 ) 诸如兼性厌氧的和专性厌氧的发酵产氢细菌。由于产氢的微生物划分为光合细 菌和发酵细菌两大类群，目前生物制氢技术也发展为两个主要的研究方向，即 光合法生物制氢技术和发酵法生物制氢技术。纵观生物制氢技术研究的各阶 段，比较而言，对光合法生物制氢的研究要远远多于对发酵法生物制氢的研 究。 1 2 1 光合法生物制氨技术 自g a f f r o n 和r u b i n ( 1 9 4 2 ) f 2 l j 发现。种栅列藻属绿藻( s c e n e d e s m a s s p ) 可以 通过光合作用产生氢气以来，不断深入的研究表明，很多的藻类和光合细菌都 具有产氢特性，目前研究较多的主要有颤藻属( o s c i l l a t o r i a ) 、深红红螺菌 ( g h o d o s p i r i l l u mr u b r u m ) 、球形红假单胞茵( r h o d o p s e u d o m o n a ss p h e r o i d e s ) 、深 红红假誓胞菌( r h o d o p s e u d o m o n a sr u b r u m ) 、球形红微菌( r h o d o m i c r o b i u m s p h a e r o i d e s ) 、液泡外硫红螺菌( e c t o t h i o r h o d o s p i r av a c u o l a t a ) 等。一些产氢的 藻类和光合细菌种属及其产氢能力列于表1 2 中。 表卜2 一些光合细菌的产氢能力 2 2 1 种类微生物种属产氢能力 f 坐里! ! 蔓2 1 鲤旦鬯型! ：垃 蓝细菌a n a b a e n ac y l i n d r i c ab - 6 2 90 1 0 3 o s c i l l a t o r i as p m i a m ib g 75 s p i r u l i n a p l a t e n s i s 0 4 c c d o t r i xm 咖b m h o c 翩b - 3 7 9o ，1 0 8 绿藻 c h l a m y d o m o n a sr e i n h a r d i i1 3 7 c 2 0 s e e n e d e s m z 口o b l i q u u sd 3 0 3 光台细菌r h o d o b a c 膪rs p h a e r o i d e sr v3 3 r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s8 7 0 36 7 从目前光合法生物制氢技术的主要研究成果分析，该技术未来的研究动向 主要有以下j l 个方面：光合产氢机理的研究、参与产氢过程的酶结构和功能研 究、产氢抑制因素的研究、产氢电子供体的研究、高效产氢基因工程菌研究和 实用系统的开发研究等。在这些发展方向之中，高效产氢工程菌的构建以及光 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 反应器等实用系统的开发具有较大的研究价值。 6 0 多年来，人们对光合法生物制氢技术开展了大量的研究工作，各国的科 学工作者一直进行着不懈的努力，但是利用光合法制氢的效果并不理想。光合 细菌的产氢能力及其对光能的转化效率都偏低【2 4 2 5 ，产氢代谢过程的稳定性差 而且光合法制取氢气需要充足的光能源，这些问题都限制了光合法生物制氢技 术的发展。因此要使光合法生物制氢技术达到大规模的工业化生产水平，很多 问题仍有待于进一步研究解决。 1 2 2 发酵法生物制氯技术 产氢发酵细菌是另一1 类在代谢过程中可以产生分子氢的微生物，产氢发酵 细菌能够根据自身的生理代谢特性，通过发酵作用，在逐步分解有机底物的过 程中产生分子氢。 资料显示，能够发酵产氢的微生物很多，如丁酸梭状芽孢杆菌 ( c l o s t r i d i u mb u t y r i c u m ) 、巴氏梭菌( c l o s t r i d i u mp a s t e u r i a n u m ) 、克氏梭菌 ( c l o s t r i d i “mk l u y v e r i ) 、拜氏梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u mb e i j e r i n c l 订 i ) 、丙酮丁醇 梭菌( c l o s t r i d i u ma c e t o b u t y l i c u m ) 、热纤维梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o c e l l u m ) 、大 肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o i l ) 、拟杆菌属( b a c t e r o i d e s ) 、产气肠杆菌( e n t e r o b a c t e r a e r o g e h e s ) 、中间柠檬酸杆菌( c i t r o b a c t e ri n t e r m e d i u s ) 、产气韦荣氏球菌 ( v e i l l o ”e l l a g a z o g e n e s ) 、醋微球菌属0 c e t i v i b r i o ) 、奥氏甲烷杆菌 ( m e t h a n o b a c r e r i “mr e t t g e r i ) 、瘤胃球菌属( r u m i n o c o c c u s ) 、嗜热产氢菌属 ( t h e r m o h y d r o g e n i u m ) 、拟盐杆菌属( h a l o b a c t e r o i d e s ) 、褐球固氮菌 ( a z o l o b a c t e rc h r o o c o c c u m ) 等。 科学工作者们分离出了很多产氢发酵细菌，以期获得高产氢能力的产氨发 酵细菌，在分离到的细菌中，肠杆菌属和梭菌属的细菌较多，它们的产氢能力 也普遍较高，例如，k u m a r 等( 2 0 0 0 ) 2 6 】分离到的一株阴沟肠杆菌e n m r o b a c m r c l o a c a e 的产氢能力最高，最大产氢能力可达2 9 6 3 m m o l h z gd r y c e l l m 。 与光合法生物制氢相比，发酵法进行生物制氢技术具有一定的优越性：( 1 ) 发酵法生物制氢技术的产氢稳定性好。由于发酵法生物制氢技术利用有机底物 的分解制取氢气，它不需要光能源，因此发酵法制氢技术不必依赖于光照，能 哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文 够不分昼夜的持续产氢，从而保证产生的氢气的持续稳定性。( 2 ) 发酵产氢细 菌的产氢能力较高。光合细菌和发酵细菌产氢能力的综合比较表明，迄今为 止，发酵产氢菌种的产氢能力还是要高于光合细菌。从表1 2 可见，大多数光 合细菌的产氢能力都在5 m m o l h 2 g d r y c e l l h 以下，而发酵细菌大都具有较高的 产氢能力，如产气肠杆菌勘胞m 6 口c 把ra e r o g e n e se 8 2 0 0 5 产氢能力为 17 m m o l h 2 g d r y c e l l - h e ”j ，阴沟肠杆菌e n l e r o b a c t e rc l o a c a e 的产氢能力为 2 9 6 3 m m o l h 2 gd r y c e l l h 【2 6 】。( 3 ) 发酵细菌的生长速率快。研究表明，发酵细菌 的生长速率快于光合细菌，它可以为工业化规模的生物制氢技术设备快速地提 供大量的产氢发酵微生物。( 4 ) 制氢成本低。发酵细菌利用的产氢底物是植物 光合作用的产物，实际上是对太阳能的间接利用技术，而且它可以利用工农业 生产的废弃物作为原料，实现废物的资源化处理，从而降低发酵法制取氢气的 生产成本。发酵法生物制氢技术的优越性已逐渐被人们所认识，近年来，发酵 法生物制氢技术研究受到普遍的关注，正在成为生物制氢研究的热点。 1 3 生物制氢技术的发展现状 随着人们对氢能源的高度重视，以及对生物制氢技术认识的深入，国内外 图卜2 产氢细菌脆弱拟杆菌w e 一1 l图卜3 产氢细菌坚实线性醋菌w e 一1 5 哈尔滨工业大学工学 觋士学位论空 够不分昼夜的持续产氢，从而保证产生的氢气的持续稳定性。( 2 ) 发酵产氢细 菌的产氢能力较高。光合细菌和发酵细菌产氢能力的综合比较表明，迄今为 止，发酵产氢菌种的产氢能力还是要高于光合细菌。从表1 2 可见，大多数光 合细菌的产氢能力都在5 m m o l h 2 g d r y c e l l h 以下，而发酵细菌大都具有较高的 产氢能力，如产气肠杆菌e n t e r o b a c t e ra e r o g e n e se 8 2 0 0 5 产氢能力为 1 7 m m o l h j g d r y c e l l - h 口”，阴沟肠杆菌e n t e r o b a c t e rc 0 1 2 c c j g 的产氢能力为 2 9 6 3 m m o l h 2 gd r y c e l l h 1 2 6 1 。( 3 ) 发酵细菌的生长速率快。研究表明，发酵细葡 的生长速率快于光合细菌，它可以为工业化规模的生物制氢技术设备快速地提 供大量的产氢发酵微生物。( 4 ) 制氧成本低。发酵细菌利用的产氢底物是植物 光合作用的产物，实际上是对太阳能的间接利用技术，而且它可以利用工农业 生产的废弃物作为原料，实现废物的资源化处理从而降低发酵法制取氢气的 生产成本。发酵法生物制氢技术的优越性已逐渐被人们所认识，近年来，发酵 法生物制氢技术研究受到普遍的关注，正在成为生物制氧研究的热点。 13 生物制氢技术的发展现状 随着人们对氢能源的高度重视，以及对生物制氢技术认识的深入，国内外 随着人们对氢能源的高度重视，以及对生物制氢技术认识的深入，国内外 国卜2 产氢细菌脆弱拟杆菌w p l l蚓卜3 产氢细菌坚实线性醋菌w e - 1 5 竺垩鎏三些查兰三兰竺：! 兰堡兰兰 众多的科研工作者投入到这项研究中，目前生物制氢技术的主要研究成果及发 展方向可以概括为以下几个方面。 1 3 1 高效产氢菌种的分离和筛选 目前，国际上对生物制氢技术的研究仍处于实验室研究阶段，产氢细菌的 产氢能力不高成为限制生物制氢技术发展的重要因素。为了解决这一问题，国 内外的研究者纷纷进行产氢细菌的分离和筛选工作，以期获得高效的产氢菌 种。 j u n g 等( 2 0 0 2 ) 2 8 】从厌氧消化污泥中分离出一株化能异养菌c i t r o b a c t e rs p y 1 9 ，最大产氢能力为2 7 1m m o l h 2 g d r y c e l l _ h ；r a c h m a n 等( 1 9 9 7 ) 【2 9 j 分离到的 产气肠杆菌h u l 叭突变株a 一1 的产氢能力为7 8m m o l h d l 培养基：王勇( 2 0 0 2 ) 3 0 1 从产氢厌氧活性污泥中分离到了几株产氢细菌，并获得了细菌的电镜照片 ( 图1 - 2 和图1 3 ) ；林明( 2 0 0 2 ) 【3 l j 从生物制氢反应器的厌氧活性污泥中分离到 了一株高效产氖细菌，其产氢能力为2 5 2 8m m o l h 2 g d r y c e l l h ，是目前国际上 所发现的具有最高产氢能力的发酵性细菌之一。k u m a r ( 2 0 0 0 ) 1 2 6 j 从树叶榨出 物中分离到一株阴沟肠杆菌e n t e r o b a c t e rc l o c a ei i t - b t 0 8 ，在3 6 。c 和p h 值6 0 条件下，最大产氢速率可达2 9 6 3m m o l h 2 gd r y c e l l h ，这是目前资料报道的产 氢能力最高的产氢发酵细菌。 1 3 2 生态因子对产氢能力的影响 生态因子对产氢发酵细菌的生长和生理代谢有重要影响，也会影响细菌的 产氢能力。目前对生态因子的研究主要集中在温度、p h 值、氧化还原电位和 金属离子等几个方面。 温度对微生物的生长和生理代谢过程有重要影响，不同的微生物的最适生 长和产氢温度不同。j u n g 等( 2 0 0 2 ) 2 8 】对c i w o b a c 耙rs p y 1 9 的研究表明，其最 适的细胞生长和产氢温度为3 0 4 0 。c 。k u m a r 等【2 6 j 证明e n t e r o b a c t e rc l o a c a e 1 1 t - b t0 8 在3 6 时具有最大的产氢速率。 p h 值对发酵细菌的产氢代谢活性和发酵产物组成均有重要影响，因此对 发酵细菌最适产氢p h 值的研究也很多。f a b i a n o 等( 2 0 0 2 ) m 】在研究中发现， 堕兰堡三些垒耋三兰堡圭兰堡兰兰 产气肠杆菌n c i m b l 0 1 0 2 的最适p h 值为6 1 6 0 ；任南琪等( 1 9 9 8 ) 3 3 - 3 4 1 经过 系统的研究提出，p h 值和氧化还原电位对产氢发酵微生物的发酵产物组成有 重要影响，是影响产酸发酵类型的限制性生态因子。 金属离子能对氢酶的结构和功能产生影响，从而影响产氢发酵细菌的产氢 能力。王勇( 2 0 0 2 ) 蛸0 j 的研究表明，f e 参与了产氢产酸代谢中相关酶系的作用 过程，可直接影响细菌的生物氧化及脱氢过程，并可诱导系统的发酵过程向平 衡程度较高的乙醇型发酵类型转变。他还发现，单质f e 对产氢的促进作用要 优于f e ”。林明( 2 0 0 2 ) 口l j 对多种金属离子的研究表明，适宜浓度的f e 2 + 、 n i ”、m f + 对产氢菌株b 4 9 的生长和产氢发酵有促进作用，在o 0 0 1 l 浓度 下，促进顺序为f e 外 n i 2 十 m 9 2 + 。g r a y 等( 1 9 6 5 ) 1 3 5 1 指出，在缺铁的培养基上 生长的肠杆菌和梭菌不能产氯。但是，当金属离子的浓度超过一定范围时，会 引起细菌中毒。镍在固氮菌中的毒性水平是1 0 4 m g l ，镁在厌氧发酵中的抑制 浓度在1 0 0 0 p p md a 上t 3 6 j 。 1 3 3 混合菌种产氨技术的崛起 目前对生物制氢技术的研究大多采用的是纯菌种，而利用混合菌种，特别 是利用厌氧活性污泥制取氢气的研究较少。实际上，利用混合菌种具有一定的 优越性。首先，它不存在纯菌种系统存在的杂菌污染问题。若利用的混合菌种 为厌氧活性污泥，则可以通过它的培养形成沉降性能良好的絮体，避免菌体在 连续流状态下的流失。另外，它在运行中操作简单，便于管理，提高了生物制 氢工业化生产的可行性。 m a j i z a t 等( 1 9 9 7 ) 3 7 1 以葡萄糖为底物，利用接种厌氧活性污泥的反应器进 行了连续流的产氢研究，当稀释率为o 2 5 h 。时，反应器的产氢速率为7 1 l d ； f a n g 等( 2 0 0 2 ) 3 8 1 利用混合发酵菌群的葡萄糖发酵产氢，获得了 4 6 士0 4 l h 2 g v s s d 的比产氢速率，并对产氢的厌氧混合菌种进行了扫描电镜 观察( 图1 3 ) 。纵观生物制氢的研究现状可见，利用混合菌种进行连续流制氢 的研究极少，而且也是在近几年的研究中爿刚刚出现的，另外它们都采用了葡 萄糖作为产氢的基质，这无疑会造成生物制氢的成本偏高，难以实现大规模的 j 业化生产。 篁玺鋈三兰尘耋三兰堡尘兰竺丝兰 早在1 9 9 0 年，任南琪教授和王宝贞教授就开始了有机废水发酵法生物制 氢技术的研究并取得较大成果。有机废水发酵法生物制氢技术利用两相厌氧生 物处理工艺的产酸相作为生物制氢单元m4 ，依靠厌氧活性污泥( 混合菌 种) 的特性，通过发酵法从有机废水中制取氢气。该技术具有诸多的优点：( 1 ) 首次实现了有机废水的连续流持续产氢。该技术以有机废水作为制氢底物，能 够大幅度地降低工业化制氢的生产成本，而且采用了两相厌氧工艺的产酸相， 可以实现连续进水，持续产氢。( 2 ) 该技术以具有自絮凝作用的非固定化的混 合菌种( 厌氧活性污泥) 作为氢气生产者，反应器中的厌氧活性污泥来源广 泛，不需固定化处理，只需对接种污泥进行一定时间的驯化，就能达到连续产 氢的目的。具有操作简便，易于管理的优点。( 3 ) 这是一项集发酵法生物制氢 和高浓度有机废水处理为一体的综合工艺技术，在处理高浓度有机废水的同时 回收大量的清洁能源氢气，这一工艺的出现使生物制氢的工业化生产成为可 能。 有机废水发酵法生物制氢技术在小试研究中，以甜菜制糖厂的废糖蜜为底 物时，获得了1 0 4 m 3 h 2 m 3 d 的最大比产氢速率，在中试研究 4 q 的稳定运行 期，产氧能力达到5 7 m 3 h 2 m 3 d ，氢气纯度大于9 9 ，该研究成果达到了国际 领先水平，被4 8 5 位两院院士投票评选为“2 0 0 0 年中国十大科技进展新闻”之 一。该技术是一项兼具环境污染治理和新能源开发的新型环保及能源技术，具 各自动化程度高、运行稳定、管理方便等突出优点，为治理污染和废物综合利 用开创了一条新路。经过系统的开发，这一技术已具备了工业化氢气生产的基 本条件，尽快推广这项技术，不仅可服务于我国的环境保护和经济建设事业， 而且有利于占领国际市场，并保持该项技术在国际上的领先地位。 1 4 生物制氢技术的应用前景 当今世界，人们对促进经济和环境协调发展，实施可持续发展战略已形成 共识。寻求能源合理利用的新途径，开发其它新能源，己成为人类迫切需要解 决的课题。由于清洁、高效、可再生等突出的特点，在2 1 世纪，氯气有着十 分光明的应用前景，它的应用领域也在不断的扩大。当前，氢能源的开发和利 用技术已成为科学研究中的热点课题，氢气作为一种高能燃料可成为氢能飞 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 机、火箭、氖能汽车的动力1 13 “j ；离子交换膜氢燃料电池的开发和利用前景 无限，日本的东京电器公用事业公司已经建设了第二条氢燃料电池发电生产 线11 m w 的燃料电池发电厂；世界上一些主要的汽车公司都在竟相丁i ：发以 氢作为能源的汽车，日本丰田汽车公司研制出了氢燃料电池汽车，f 1 本武藏工 业大学先后研制了8 个型号的系列氢能汽车，德国的d a l m l e r - b e n z 公司也开发 出了贮氢材料型的氢能汽车；美国的波音公司对超音速飞机适用液氢燃料的可 行性进行了研究，结果表明使用氢燃料在技术上已没有任何不可逾越的障碍， 俄罗斯、德国的科学家也在积极地研制氢能飞机，预计2 0 1 0 年之后，新一代 的氢能飞机将翱翔于蓝天【8 1 。氢的应用已不仅仅局限于能源领域，氢气在其它 领域也有广泛的用途，如化工合成、炼油重整、甲醇合成、煤的液化和甲烷 化、航空航天以及金属冶金、电子、焊接、食品等领域。随着氢气用途的增 加，氢气的需求量在迅速增长，常规的制氢方法已经无法适应社会发展的需 要，尤其是面临严峻的世界性环境危机，从国内到国外都在大力推进和支持废 物综合利用、节能高效的清洁生产项目，研究开发适应社会发展需求的制氢技 术已是当务之急。 生物制氢技术因其具有清洁、节能和不消耗矿物资源等许多突出优点而倍 受世人关注，有关的技术研究在世界各国的共同努力下，不断取得进展。在人 类进入2 l 世纪之际，考虑到所面临的资源短缺和环境问题，开发清洁的生物 制氢技术，其重要意义是毋庸置疑的，其发展前景是令人鼓舞的。有理由相信 在不远的将来，生物制氢的产业化生产就会成为现实，该项技术的研究开发及 推j 、+ 应用，将带来显著的经济效益、环境效益和社会效益。 1 5 本课题的目的、意义与主要研究内容 1 5 1 课题来源 本研究课题来源于国家杰出青年科学基金项目“发酵法生物制氢生理生态 学与工程技术研究”，并得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目“有机废水的 发酵法生物制氢技术生产性示范工：程”( n o 2 0 0 3 a a 5 1 5 0 3 0 ) 、国家高技术研究 发展计划( 8 6 3 ) 引导项目“发酵法生物制氢高效菌种产业化技术” 哈尔滨t 业大学工学硕上学位论文 ( n o 2 0 0 2 a a 0 0 1 0 3 4 ) 和国家熏点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“生物质高效 制氢反应机理”( n o g 2 0 0 0 0 2 6 4 0 2 ) 的立项与资助。 1 5 2 研究的目的和意义 发酵法生物制氢技术的研究始于1 9 9 0 年，由哈工大的任南琪教授开创， 该技术利用具有自絮凝特性的厌氧混合菌种( 厌氧活性污泥) 作为氢气的生产 者，以碳水化合物为原料，在厌氧条件下进行连续流的发酵制氢。它突破了生 物制氢必须采用纯菌种和固定化的局面，开创了利用非固定化菌种生物制氢的 新途径。发酵法生物制氢技术经过前期系统的研究与开发，已取得较大的成 果，尤其是中试研究的成功，为该技术的工业化生产奠定了良好的基础。为了 进一步提高反应器的产氢能力，仍然有必要进行一系列的基础性研究，如将高 效产氢菌种投配到生物制氢反应系统中的生物强化技术研究等。这一系列的研 究，不仅雒较大幅度地提高生物制氢反应器的产氢能力，降低生物制氢的生产 成本，也会从广度和深度上丰富和完善发酵法生物制氢的理论体