第8章-生物制氢技术.ppt

第八章生物制氢技术，1。概述1。优点：低能耗、高效率；清洁、节能和可再生；原料成本低，制氢过程不污染环境；一些生物制氢工艺具有良好的环境效益。2.生物制氢方法。3.生物制氢的研究与发展。100多年前，科学家们发现，在微生物的作用下，甲酸钙可以通过发酵从水中产生氢气。斯蒂芬森在1931年发现细菌中的氢化酶可以催化氢和氢离子的可逆反应。1937年，中村发现光合细菌可以在黑暗中释放氢气。1942年，加夫龙和鲁宾发现藻类栅藻可以通过光合作用释放氢。1949年，Gest和其他人的研究证明深红红螺菌在有机碳存在的情况下可以释放氢。1976年，孙等人分离出产氢细菌，产氢量和产氢时间相当可观。1984年，日本的Miyake等人筛选出无硫光合细菌，平均产氢率为18.4微升/小时*毫克。现有的大多数研究都是在实验室进行的小规模实验。分批培养是最常用的方法，关于连续培养产氢的报道很少。测试数据也是短期测试结果，很少有连续稳定运行期超过40天的研究案例被报道。即使瞬时产氢速率相对较高，通过长期连续操作能否获得高的产氢量仍有待讨论。许多研究仍然集中在细菌和酶的固定化技术上，离工业化生产还很远。4.目前存在的主要问题是微生物产氢的反应机理尚未得到很好的研究(包括各种遗传机制、能量代谢和物质代谢过程的研究)，也没有建立完善的理论体系，不利于科学研究的更快发展。为什么微生物能产生氢气？(2)微生物产氢的关键因素氢化酶。在制氢过程中能把质子还原成氢的酶是固氮酶和氢化酶。固氮酶是由两个蛋白质分子组成的金属复合蛋白酶。它能催化氮还原成氨，氢是副产品。过氧化氢酶是一种调节微生物氢代谢的活性蛋白质。氢化酶也可分为氢化酶和可逆氢化酶。微生物中氢化酶的主要功能是吸收固氮酶产生的氢。可逆氢化酶的吸氢过程是可逆的，氢化酶的吸氢过程是不可逆的。因此，从产氢的需求出发，经常构建氢化酶基因缺陷的突变体来提高产氢速率。微生物制氢的三种主要方法：1 .光合微生物产氢：2.微生物水煤气转化制氢；3.黑暗发酵制氢；1.光合微生物产氢：输入：光能制氢；1.直接光解制氢；2.光自养微生物产氢：3.光能制氢的特性：4.绿藻是人类已知的最古老的植物之一，进化出在两种完全不同的环境中生存的能力。当绿藻生活在正常的空气和阳光中时，它和其他植物一样具有光合作用。光合作用利用阳光、水和二氧化碳产生植物维持生命所需的氧气和化学物质。然而，当绿藻缺乏硫这一关键营养物，并被置于无氧和无光的环境中时，绿藻会为了生存而回到另一种生活方式。在这种情况下，绿藻会产生氢气。基本过程： (2)间接光解产生氢，光自养微生物(光合作用)有机光自养微生物(制氢过程)氢的特性：首先，有机物是由光能产生的。光能分解有机物产生氢气的总反应式为：光合作用12H2O 6CO 2光能6H12O6O2 6H2O制氢反应C6H12O6H2寡能12H2 26CO26H2O，例如蓝藻，蓝藻主要分为蓝绿藻、蓝藻和蓝藻。当蓝色细菌在厌氧黑暗环境中一段时间后，它开始合成氢化酶。当将适应厌氧条件的蓝色细菌放回到光照和厌氧环境中时，可以大大提高产氢率。在它的光合作用正常后，氢的生产就停止了。固氮酶：催化氮还原成氨，产生氢作为副产品，氢化酶：氧化固氮酶催化产生的氢。可逆氢化酶能够氧化和合成氢，(3)光发酵产氢，以及有机光能异养微生物的氢特性：有机物被光能分解并产生氢，原理上，这类微生物没有PSII光合系统，不能用水产生氢离子。相反，它们利用光能分解有机物，产生氢离子和高能电子。产氢酶再利用这些中间体和三磷酸腺苷来生产氢。在没有氮气的情况下，无硫紫色细菌利用光能和还原底物产生氢气： c 6 h12 o 12 H2少子能12h26co2。代表性菌株为：rhodosprillumrubul 3360180ml H2/lof culture/h；经常预算。球形：3.6-4.0 H2/LORMIMMOBIZEDCULTURING/H已经有通过这种微生物的光发酵产生氢气用于处理有机废水的例子。目前，已经被更频繁研究的光合产氢微生物包括颤藻属、红色红螺菌属、类球形红假单胞菌属、红色红假单胞菌属、类球形红细菌属、液泡外红螺菌属等。具有明显的优势：太阳能作为能源，水作为原料，能耗小，生产过程清洁，引起了各国生物制氢装置的关注。目前的情况是无奈的：目前，光合微生物制氢还远没有实际应用，光能转化率低。大量产氢需要大的光接收面积，并且没有令人满意的产氢藻类。仍然有希望：但人们普遍认为，光合生物制氢有很大的发展前景。根据美国太阳能研究中心，如果光能的转化率能达到10%，它就能与其他能源竞争。光合微生物制氢的概况，水煤气转换是一氧化碳和H2O向二氧化碳和H2的反应。从甲烷或水煤气开始的制氢工业涉及一氧化碳转化，因此水煤气转化是工业制氢的基本反应。水煤气转换是一个放热反应。高温不利于氢的生成，但高温有利于动力学速率的提高。2。微生物水煤气转化制氢曾经是水煤气转化的一种化学方法。现在有一种利用微生物转化水气的方法。目前，已发现两种无色硫细菌红色凝胶和红色凝胶可以进行如下反应：一氧化碳(g) H2O(l)二氧化碳(g) H2(g)，这为合成气转化制氢提供了一种新的途径。微生物水煤气转化产氢输入：微生物产一氧化碳和H2O:二氧化碳和H2，这两种无色硫细菌的优势：1。在短时间内快速生长和高细胞浓度。制氢速度快，转化率高。红色凝胶可以将气态一氧化碳100%地转化为H23。它对生长条件没有严格要求，并允许氧和硫化物的存在。其缺点包括传质速率的限制、一氧化碳的抑制和相对较低的动力学速率，使其在经济上无法与工业水煤气转化工艺竞争。可以在一定程度上应用高细胞密度和较高压力的操作，并配备CO2收集系统。暗发酵氢例如，c6h 12o 62 h2O2ch 3coo h4h 22 co 2c 6h 12o 62 H2Och3ch 2co H2O 2当H2和co2的分压增加时，制氢速率显著降低，并且合成了更多与制氢竞争的底物。厌氧发酵细菌通常具有较低的生物制氢产量，能量转化率一般只有33%左右，但如果底物转化为CH4，能量转化率可达到85%。为了提高氢气产量，除了培育受底物组成影响较小的优良耐氧菌株外，还应发展先进的培养技术。与光合微生物制氢、暗发酵系统和一氧化碳-水煤气转换系统相比，具有很强的实际应用前景。目前，已经有许多关于葡萄糖、污水和纤维素作为底物以及操作条件和工艺流程的持续改进的研究。中国在黑暗发酵制氢方面也取得了一些成就。4.微生物暗发酵制氢和一氧化碳-水煤气转化的概况可以通过细胞固定化技术实现稳定的制氢和储氢。然而，为了保证高的产氢率和实现工业规模生产，有必要进一步改进固定化培养技术和优化反应条件，如培养基的组成、浓度和酸碱度。这是一项集生物发酵制氢和高浓度有机废水处理于一体的综合技术。厦门大学承担了“十五”863计划高效微生物制氢系统和技术的任务，取得了一定的成果，建立了农作物秸秆、淀粉和有机废水的高效分解系统。40L生物制氢和氢能-电能转换集成系统，世界上第一条发酵生物制氢生产线450L生物制氢反应器在哈尔滨启动。哈尔滨工业大学任南琪教授承担的国家“863”计划“有机废水发酵生物制氢技术示范工程”已在哈尔滨国际科技城成功启动，日产氢气1200立方米。(1)绿藻直接光解以从水中产生氢气(1)通过基因工程水片段改变聚光复合体的大小以提高太阳能的转换效率；(2)改变氢化酶基因的耐氧性或进行定向克隆；(3)优化设计，降低光生物反应器的成本；(4)优化控制方法和工艺条件，提高产氢速率和产氢量。2.蓝藻(藻类)水间接光解制氢技术(1)筛选具有高活性氢酶或高外源细胞结构的细菌(藻类)菌株；(2)基因工程水段消除了氢化酶，提高了双向氢化酶的活性；(3)优化光生物反应器的设计，和(3)光发酵系统(1)消除其他竞争微生物以减少营养消耗；(2)利用不同光能共培养微生物4。黑暗发酵生物制氢技术(1)研究快速气体分离技术，以减少由