生物能源研究现状与发展态势

1、生物燃料biofuel 绿藻中存在氢酶, 可以利用光能产生氢气。整个途径包括水裂解和释氧的光系统ii ( ps ii) 和生成还原剂用来co2 还原的光系统i ( ps i) 。在光合系统的第二个阶段(ps ii) ,氧化侧从水中获得电子并产生氧气,电子经过一系列光驱动下的生化反应,电子的能量得到升级,最终到达第一阶段(ps ) 的还原侧并传递给氢酶,由氢酶传递给氢离子从而产生出氢气。 固氮酶是光营养细菌产氢的关键酶。在有氮气存在的条件下，它催化分子氮还原为氨同时释放出少量氢气。 发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气,它包括梭菌属( clost ridium ) 、脱硫弧菌属( d

2、esulf ovibrio) 、埃希氏菌属( escherichia) 、丁酸芽孢杆菌属( trdiumbut y ricum) 发酵产氢过程的三种基本途径丁酸型发酵、混合酸发酵、nadh途径(1)丁酸型发酵产氢途径: 专性厌氧的细菌类群,如梭状芽孢杆菌属等。其主要末端产物有:丁酸、乙酸、co2 和h2。 葡萄糖经emp途径生成丙酮酸。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧,形成羟乙基与硫胺素焦磷酸酶的复合物,该复合物将电子转移给还原态的铁氧化还原蛋白( fd) ,然后在氢化酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁氧化还原蛋白(fdox) , 产生分子氢。（2） 混合酸发酵产氢途径 由emp途径产生的丙

3、酮酸脱羧后形成甲酸和乙酰基,然后甲酸裂解生成co2 和h2。该产氢过程由甲酸氢解酶( fhl)系统催化进行。fhl系统含有甲酸脱氢酶和氢化酶组分, 通过铁氧化还原蛋白酶和氢化酶作用分解为co2 和h2。 典型微生物主要有: 埃希氏菌属和志贺氏菌属等。主要末端产物有:乳酸(或乙醇) 、乙酸、co2 、h2 和甲酸等。 其总反应方程式可以用下式来表示:c6 h12o6 + h2o ch3 cooh + c2 h5oh + 2h2 + 2co2（3）nadh (二核苷酸腺嘌呤尼克酰胺)途径丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢途径,而nadh /nad+则是一种平衡调节途径。在微生物的新陈代谢过程中,

4、经emp途径产生的nadh 和h+ 一般均可通过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相耦联而得以再生, 从而保证nadh /nad+平衡。但当nadh和h+的再生相对于其形成较慢时,会产生nadh与h+ 的积累。对此,生物有机体必须采取其他调控机制,如在氢化酶的作用下,通过释放分子氢以使nadh与h+再生。反应方程式如下:nadh + h+ h2 + nad+发酵产氢的3种技术 即非固定化的纯菌种(自絮凝技术) 、固定化的纯菌种、非固定化的混合菌种(活性污泥) 。非固定化的纯菌种非固定化的纯菌种( (自絮凝技术自絮凝技术) ) 由于采用非固定化的纯菌种产氢技术细胞持有量较低,很难保证反应器中拥有高浓

5、度的产氢细菌和保证产氢细菌产氢能力的最大发挥,所以很难实现生物反应器的实际运行。因此,人们对这方面的研究较少,大多是把这方面的技术用来与固定化的纯菌种发酵产氢进行比较。固定化的纯菌种n 为了提高生物制氢反应器的产氢效率,就要保证充分发挥生物制氢反应器效能,即保证反应器中拥有高浓度的产氢细菌和保证产氢细菌产氢能力的最大发挥。目前,国际上主要采取固定化技术来实现这一目的。n固定化细胞具有耐低ph,持续产氢时间长,抑制氧气扩散速率和防止产氢细菌细胞流失，单位反应器的比产氢率和运行稳定性有很大提高的优点。但是,由于固定化载体在反应器中占有相当大的空间,限制了产氢细菌浓度在反应器中的提高,从而也妨碍了生

6、物制氢反应器产氢效能的发挥。非固定化的混合菌种非固定化的混合菌种( (活性污泥活性污泥) ) 为了解决固定化带来的限制和克服纯菌种为生物制氢技术工业化的操作和管理带来的困难,有些学者提出了生物制氢反应器的混合菌种非固定化制氢技术,即通过对生物制氢优势菌群限制因子的控制和人工驯化的手段,在反应器中形成产氢稳定的乙醇型发酵菌群,使反应器中菌体细胞的浓度达到较高的水平。 目前以葡萄糖,污水,纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。国内研究也取得了一些进展。任南琪等1990年就开始开展生物制氢技术的研究,后来提出了以厌氧活性污泥为氢气原料的有机废水发酵法制氢技术。该技术突破了生物制氢技术必

7、须采用纯菌种和固定技术的局限,开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径,并首次实现了中试规模生产持续产氢。国外几种发酵产氢细菌的产氢能力比较国外几种发酵产氢细菌的产氢能力比较 方案二：生物发酵法与光解法耦联方案二：生物发酵法与光解法耦联 是一类特殊的电池是一类特殊的电池, , 以自然界的微以自然界的微生物或酶为催化剂生物或酶为催化剂, , 直接将燃料中的化直接将燃料中的化学能转化为电能。学能转化为电能。式分式分材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面的应用尝试的应用尝试mfcs性好性好心脏起搏器等人造器官的电源心脏起搏器等人造器官的电源de

8、rek r. 20056lovleynature2002lovleymfcs10 m纯菌种与 生物燃料电池中有效和高效的菌种是关键所在！生物燃料电池中有效和高效的菌种是关键所在！ (separate hydrolysis and fermentation, shf)（simultaneous saccharfication and fermentation, separate pentose fermentation，ssf）趋势趋势(consolidated bio-processingcbp)，即生物质的水解和发酵是由同一种菌，即生物质的水解和发酵是由同一种菌 植物的纤维素和半纤维素可作为

9、乙醇发酵的原植物的纤维素和半纤维素可作为乙醇发酵的原料。转化过程如图所示：料。转化过程如图所示：5037-40形式存在。它的形式存在。它的发酵过程中无需严格的消毒，无需消发酵过程中无需严格的消毒，无需消耗大量能量分离提纯产品并且产率很高耗大量能量分离提纯产品并且产率很高。由于基质中。由于基质中水分很少，所以会大大降低染菌的机率。但是，固态水分很少，所以会大大降低染菌的机率。但是，固态发酵也有不足之处，发酵过程会产生大量的代谢热。发酵也有不足之处，发酵过程会产生大量的代谢热。50%90%5%10%常重要的。木糖的存在对纤维素酶水解纤维素有抑常重要的。木糖的存在对纤维素酶水解纤维素有抑制作用，当木

10、糖浓度达到制作用，当木糖浓度达到时，木糖对纤维素酶的时，木糖对纤维素酶的抑制可以达到抑制可以达到。 ？ graham quick1000h(biodiesel)jon van gerpen ，2005，fuel processing technology 86 (2005) ：1097 1107 传统的碱催化方法传统的碱催化方法n无需催化剂无需催化剂, ,反应速率快、转化率高反应速率快、转化率高, ,反应分离反应分离可同时进行可同时进行, ,但反应需在高温高压的条件下进行但反应需在高温高压的条件下进行, ,对设备要求相当高且能耗巨大。对设备要求相当高且能耗巨大。 脂肪酶固定化技术脂肪酶固定化技术全细胞催化剂在生