生物制氢技术的原理和发展现状

生物制氢技术的原理和发展现状生物制氢技术的原理和发展现状生物制氢技术的原理和发展现状V:1.0精细整理，仅供参考生物制氢技术的原理和发展现状日期：20xx年X月可再生能源实验设计论文题目生物制氢技术的原理和发展现状学院机电工程学院专业农业生物环境与能源工程学生姓名×× 学号×××××指导老师××××撰写时间：20××年×月×日生物制氢技术的原理和发展现状摘要：介绍了生物制氢的基本原理、三种生物制氢的基本方法，并对这三种方法进行了比较；简要介绍了生物制氢技术的国内外发展历程；最后总结了生物制氢技术研究方向，指出了光合生物制氢是最具发展前景的生物制氢方法。关键词：氢气、生物制氢、光合生物、实验设计1．前言随着能源短缺以及能源使用过程产生的环境污染问题的日益严重，人类面临着寻求绿色、新能源的巨大难题。氢能具有清洁、高效、可再生的特点，是一种最具发展潜力的化石燃料替代能源。与传统的热化学和电化学制氢技术相比，生物制氢具有低能耗、少污染等优势。生物制氢技术的发展在新能源的研究利用中日趋受到人们的关注。本文主要介绍了生物制氢的基本原理、生物制氢的三种方法和此技术的研究发展现状及实验设计。2．生物制氢技术的基本原理与方法制氢的方法包括化石能源制氢、电解水制氢、生物制氢、热解制氢等[1]。其中，生物制氢具有节能、清洁、原料来源丰富、反应条件温和、能耗低和不消耗矿物资源等优点[2,3]。广义地讲，生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括微生物产氢和生物质气化热解产氢等[4,5]。狭义地讲，生物制氢仅指微生物产氢，包括光合细菌（或藻类）产氢和厌氧细菌发酵产氢等[2,6,7,8,9]。本文只讨论狭义上理解的生物制氢，这也是利用生物制氢的主要研究方向[3,6]。迄今为止一般采用的方法有：光合生物产氢，发酵细菌产氢，光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。各种生物制氢方法有不同的特点[10]。2.1下面简要介绍下生物制氢的三种方法1）光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能[8,11]。目前研究多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等[6,17]。蓝藻与绿藻在厌氧条件下，通过光合作用分解水产生氧气和氢气，它们的作用机理与绿色植物的光合作用机理相似。作用机理见图1[13]，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H+、电子和O2的光合系统Ⅱ(PSⅡ)以及产生还原剂用来固定CO2的光合系统Ⅰ(PSⅠ)。PSⅡ产生的电子由铁氧化还原蛋白携带经由PSⅡ和PSⅠ到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成H2[14]。产氢酶是所有生物产氢的关键因素，绿色植物由于没有产氢酶,所以不能产生氢气，这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在，因此除氢气的形成外，绿色植物的光合作用规律和研究结论可以用于藻类新陈代谢过程分析。图1藻类光合产氨过程电子传递示意图光合细菌产氢和蓝细菌、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(相当于蓝细菌、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Ⅱ，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如图2[13]。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,具有提高光转化效率的巨大潜力。图2光合细菌光合产氢过程电子传递示意图2）发酵细菌产氢利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢[8]。能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等[6,17]。与光合细菌一样，发酵型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶的作用下将底物分解制取氢气，底物包括：甲酸、乳酸、丙酮酸及各种短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维素二糖，硫化物等。发酵气体中含H2(40%～49%)和CO2(51%～60%)。CO2经碱液洗脱塔吸收后，可制取99.5%以上的纯H2。产甲烷菌也可被用来制氢。这类菌在利用有机物产甲烷的过程中，首先生成中间物H2、CO2和乙酸，最终被产甲烷菌利用生成甲烷。有些产甲烷菌可利用这一反应的逆反应在氢酶的催化下生成H2[17]。在这类异养微生物群体中，由于缺乏典型的细胞色素系统和氧化磷酸化途径，厌氧生长环境中的细胞面临着产能氧化反应造成电子积累的特殊问题，当细胞生理活动所需要的还原力仅依赖于一种有机物的相对大量分解时,电子积累的问题尤为严重。因此，需要特殊的调控机制来调节新陈代谢中的电子流动,通过产生氢气消耗多余的电子就是调节机制中的一种[15]。3)光合生物与发酵细菌的混合培养产氢由于不同菌体利用底物的高度特异性，它们能分解的底物是不同的。要实现底物的彻底分解并制取大量H2，应考虑不同菌种的共同培养。YokoiH.等采用丁酸梭菌(Clostridiumbutylicm)、产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)和类红球菌(Rhobactersphaerbdies)共同培养，从甜土豆淀粉残留物中制取H2，可连续稳定产氢30天以上，平均产氢量为4.6molH2/mol葡萄糖，是单独利用C.butylicm产氢量的两倍。原因在于C.butylicm产生的淀粉酶能降解淀粉成葡萄糖来产氢，E.aerogenes中不含淀粉酶，只能直接利用葡萄糖产氢。而在两者代谢的过程中，葡萄糖降解除了产生H2，还产生两者不能利用的小分子有机酸，使培养基的pH值下降，偏离了微生物的最适生长条件，从而使氢气产量下降。但当三者共同培养时，葡萄糖降解产生的有机酸能被R.sphaerbdies降解，从而使培养基pH值保持恒定，葡萄糖能够被充分利用，产氢量大大提高[17]。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联合产氢工艺。图3给出了联合产氧系统中厌氧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[16]。从图中所示自由能可能看出，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H2和CO2外，其它有机酸不能继续分解，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。然而光合细菌可能利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的正自由能堡垒，使有机酸得以彻底分解，释放出有机酸中所含的全部氢。图3厌氧发酵细菌和光合细菌联合产氢生化途径2.2生物制氢的方法比较光合生物制氢的优势在于对蓝细菌(Cyanobacteria)的研究较早，已经积累了丰富的经验，且光合细菌的底物范围也较广[17]；光合细菌对光的转化效率高[18]。但光合生物制氢存在以下问题：1）蓝细菌和绿藻在产氢的同时伴随氧的释放，易使氢酶失活[1,19]。消除氧气的机械法和化学法[3]或者消耗大量惰性气体和能量，或者导致不可逆反应使细胞失活，都不可取。2）光合产氢微生物只对特定波长的光线有吸收作用[20]，而提供充分的波长合适的光能又会消耗大量的能源，光源的维护与管理变得复杂，使产业化制氢难度变大[7,11]。发酵法生物制氢较光合法生物制氢具有以下几个优点：1）发酵产氢菌株的产氢能力要高于光合产氢菌株的产氢能力。2）在实际培养中，发酵细菌生长要快于光合细菌。3）无需光照，不但可以昼夜持续产氢，且产氢反应装置的设计简单，操作管理方便。4）可以使单台制氢设备的容积足够大，提高单台制氢设备的产氢能力，易于实现工业化生产规模。5）可以广泛利用工业废料为底物，实现废物处理的资源化。6）混合培养时，产氢细菌驯化和启动更容易[6,7,18,21，22,23]。3生物制氢技术的国内外发展现状及实验设计3.1国内外现状生物制氢早在早在100多年前就已经被发现[24]，科学家们就发现在微生物作用下，通过蚁酸钙的发酵可以从水中制取氢气[2,7]。1931年，Stephenson等人首次报道了再细菌中有氢酶的存在后，Nakamura在1937观察到光合细菌在黑暗条件下放氢现象[25]。1939年和1942年Gafforn及其合作者发现了一种已在地球上存在30亿之久的蓝绿海藻——栅藻(Scenedesmusobliquus)，它既能在厌氧的条件下吸收氢气固定CO2，也能在一定条件下通过光合作用产生氢气[26,27]。1949年Gest和Kamen报道了深红螺菌在光照条件下的产氢现象和固氮作用[28]。Spruit在1958年证实了藻类可以通过直接光解过程产氢，而不需要借助于二氧化碳的固定过程[29]。生物制氢的想法最先是由Lewis于1966年提出的，其研究与开发主要围绕绿藻、蓝细菌和光合细菌的光解产氢及发酵产氢两大类展开的[11]。Benemann在1974年观察到柱孢鱼腥藻(Anabaenacylindrical)可光解水产生H2和O2[30]。1979年，Lamma发现钝顶螺旋藻(Spirulinaplatensis)具有放氢的特性[31]。20世纪70年代世界性的能源危机爆发，生物制氢的可行性研究受到高度重视[23]。生物制氢技术最早由Gaffron和Rubin提出并首先展开了相关研究，此后该项研究在世界上许多国家迅速展开[23]。最先开始生物制氢技术的国家是美国、日本等发达国家，后来世界许多国家都投入了大量的人力物力对生物制氢技术开发研究。预计21世纪中期可实现生物制氢技术的实际商业化应用。迄今为止，已有牛粪废水、精制糖废水、豆制品废水、乳制品废水、淀粉废水、酿酒废水[32]、麦麸、酒糟、玉米秸秆等农业固体废弃物以及厨余垃圾[3]被转变为生物氢气，但研究规模还处于实验室水平。人们为了提高反应器内的生物量，普遍利用纯菌种[9]，在菌体培养方面研究固定化技术。传统观点认为，微生物体内的产氢系统（主要是氢化酶）很不稳定，只有进行细胞固定化，才可能实现持续产氢。李建政等使用肠杆菌E.82005菌株进行试验[11]，连续流非固定化试验的产气率仅为琼脂固定化试验的1/7。然而，固定化技术也有不足。细菌的包埋是一种很复杂的工艺，要求有与之相适应的纯菌种生产、菌体固定化材料开发及加工工艺，使制氢成本大幅度增加；细胞固定化形成的颗粒内部传质阻力较大，使细胞代谢产物在颗粒内积累而对生物产生反馈抑制和阻遏作用，从而会使生物产氢能力降低；固定化的细菌容易失活，一般经3到6个月运行后需要更换，增加了运行成本[23]。而国内的研究起步较晚，起始于20世纪90年代，但进展迅速，我国有不少学者在氢气的生物方法制取方面有不少研究，主要集中在厌氧生物制氢和光合生物制氢两大方面。任南琪在1990年提出了以厌氧活性污泥为制氢生产者，利用碳水化合物为原料的发酵法生物制氢技术[1,34]。该法避免了利用纯菌种进行生物制氢所必须的纯菌分离、扩大培养、接种与固定化等一系列配套技术和设备，在大幅度降低生物制氢成本的同时，也提高了生产工艺的可操作性，在技术上更易满足工业化生产的要求。中国哈尔滨工业大学通过选育得到了高转化细菌，建立了非固定化连续流混合菌发酵方法，已完成500～1000标准m3/d的中试试验，目前正建立600m3/d的工业化试验装置，成本低于水电解法制氢成本[2,36]。虽然在发酵法制取氢气的研究上已经取得了很大的成绩，但是这种技术至今没有被广泛的利用，说明它还存在很多问题受到很大限制[6]。另外，对于生物制氢，氢气的纯化与储存是一个很关键的问题。生物法制得的氢气的体积分数通常为60%～90%，气体中可能混有CO2、O2和水蒸气等。有人尝试使反应气体通过钯～银膜，以实现反应与分离的耦合[1]。3.2实验设计3.2.1光水解制氢从Gaffron1942年报道了栅藻(Scenedesmusobliquus)可光裂解水制氢[26,27]以后，Benemann等人对微藻产氢进行了深入研究，此后该项研究在世界许多国家迅速展开。光解水制氢是微藻及蓝细菌以太阳能为能源，以水为原料，通过微藻及蓝细菌的光合作用及其特有的产氢酶系将水分解为H2O和O2，并且在制氢过程中不产生C02。蓝细菌和绿藻均可光裂解水产生氢气，但它们的产氢机制却不相同。藻类是直接光解水获得氢气，而蓝细菌则属于间接光解水，中间存在一个CO2的固定和转化过程。对于藻类和蓝细菌产氢而言，由于光合中心I和光合中心II的同时存在，其在光合作用放氢的同时还伴随着氧气的生成，而氧气对藻类和蓝细菌的产氢酶具有较强的抑制作用；同时由于氢气性质较为活跃，在氧气存在的条件下即使在环境条件下也能与氧化合生成水，因此要想获得氢气就需要进行气体分离，这就增加了光解水制氢的技术难度，提高了制氢的成本[14]。光解水制氢因其只需以水为原料且有两个光合系统就可将光能转化为氢气，太阳能转化效率比数目及农作物高10倍左右，且原料来源丰富、环保等优点。但也有很多缺点如不能利用有机物、不能利用有机废弃物、在光照的同时需要克服氧气的抑制效应、光转化效率低(最大理论转化效率为10%)、复杂的光合系统产氢需要克服的自由能较高(+242kJ/mol，以H2计)[13]、光生物反应器造价昂贵等，从而影响了光解水生物制氢技术的发展，制约了规模化制氢。但光解水制氢作为制氧来源还有许多需要解决的技术难题，因为在光合放氧的同时伴随有氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决产氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。一些改善方法，如采用连续不断提供氩气以维持较低氧分压和光照黑暗交替循环等方法一般用于实验研究，较难实用化。3.2.2厌氧生物制氢厌氧生物制取氢气的研究最早开始于20世纪70年代。它是通过厌氧微生物将有机物降解制取氢气。许多厌氧微生物在氮化酶或氧化酶的作用下能将多种底物分解而得到氢气。这些底物包括：甲酸、丙酮酸、CO和各种短链脂肪酸等有机物、淀粉纤维素等糖类、硫化物等。这些物质广泛存在于工农业生产的高浓度有机废水和人畜粪便中，利用这些废弃物制取氢气，在得到能源的同时还会起到保护环境的作用，实现了废弃物的资源化利用。目前许多国家的科学家对厌氧发酵有机物制氢的过程开展了研究，在菌种选育、驯化和反应器结构方面进行了较多的工作。哈尔滨工业大学较早开展了厌氧法生物制氢技术的研究，发现了产氢能力很高的厌氧细菌乙醇型发酵，在理论上取得了重大突破，处于国际领先水平，并研制出利用城市污水、淀粉厂、糖厂等含碳水化合物废水制取氢气的生物制氢反应器，在良好运行条件下，最高持续产氢能力达到5.7m3H2/(m3反应器·d)。厌氧生物产氢要达到规模工业化生产，除需进一步研究厌氧生物产氢的影响因素、厌氧生物产氢污泥驯化及其不同基质的产氢潜能外，还必须研制厌氧生物产氢控制系统，评估工程投资、运行费用与产氢效率的关系，以及实验室反应器模型放大到工程实践中的偏差，因此，厌氧生物产氢的工业化生产还有待时日。对于厌氧制氢来说由于其产氢过程不依赖光照条件，易于实现反应器的放大，但由于厌氧产氢菌不能彻底利用发酵底物而造成有机酸的积累，抑制反应进行，同时原料的不完全利用也会带来环境危害。从产氢能力来看，光合细菌产氢效率远远高于藻类制氢、蓝细菌制氢和厌氧制氢。同时光合细菌制氢还因可以利用多种有机酸和有机废弃物进行产氢，实现能源生产和废物处理的综合效应而吸引众多学者的关注[10]。3.2.3光合微生物制氢对比各类生物制氢技术，光合细菌制氢不仅有较高的产氢能力，还可以利用多种有机废弃物作为产氢原料，实现氢能生产和废弃物处理的双重目标而成为制氢技术研究的热点。光合微生物制氢是指利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能。能够产氢的光合生物包括光合细菌和藻类。目前研究较多的产氢光合细菌主要有深红红螺菌、红假单胞菌、液胞外硫红螺菌类球红细菌、夹膜红假单胞菌等[12]。光合细菌作为光合制氢的理想材料其优点包括：(1)容易培养并且以多种有机废弃物为产氢原料，具有较高的理论转化率；(2)可利用的太阳光谱范围较宽，比蓝细菌和绿藻的吸收光谱范围更广泛，具有较高的光能转化率潜力；(3)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+8．5kJ/molH2)；(4)终产物氢气组成可达95%以上；(5)产氢过程中不产生氧气，是一种最具发展潜力的生物制氢方法。基于以上优点，光合细菌制氢得到了众多研究者的关注。有关光合制氧最早的研究是Nakarnura于1937年首先观察到光合细菌释放氢气的现象，Gestt于1949年报道了光合细菌在光照厌氧条件下可产生氢后，人们对光合细菌的产氢机制进行了大量研究，探明了其产氢的基本原理，但由于微生物代谢的复杂性，到目前为止对产氢的具体过程还有很多未知之处。国内外一些学者已对光合细菌产氢机理开展了一些探索性研究，但由于光合生物制氢普遍存在光转化效率较低和生产成本高等问题，所以，至今仍停留在实验室探索性研究阶段。近几年，国内少数学者主要围绕提高光合细菌的光转化效率等方面，着手对光合细菌制氢进行了实验研究，并取得了一些重要进展。河南农业大学在国家自然科学基金、863计划等项目支持下，正在按照生产性工艺条件进行太阳能光合生物制氢技术及相关机理的研究，并且已经取得了一定的突破。目前，直接利用太阳能的光合细菌制氢技术研究进入了中小规模的连续生产性技术研究阶段，主要研究目标是解决光合生物的连续、高效和规模化制氢工艺等关键技术问题，研制出的太阳能光合生物连续制氢系统为深入研究光合生物连续制氢技术及其工业化应用提供了基础试验平台，取得了一些重要的研究进展。4生物制氢技术的研究重点与前景目前，生物制氢需要解决的问题及研究重点主要可概括为以下几个方面：1）氢气形成的生物化学机制研究。进一步深入、准确地表达氢气的代谢途径及调节机制，为提高光合产氢效率及其它应用方面的研究提供基础。2）高产菌株的选育。优良的菌种是生物制氢成功的首要因素，目前还没有特别优良的高产菌株的报道，需要加强常规筛选和基因工程筛选方面的研究。3）光的转化效率及转化机制方面的研究。光能是光合生物制氢的唯一能源，需要深入研究光能吸收、转化和利用方面的机理，提高光能的利用率，以加快生物产氢的工业化进程。4）原料利用种类的研究。研究资源丰富的海水以及工农业废弃物、城市污水、养殖厂废水等可再生资源，同时注重污染源为原料进行光合产氢的研究，既可降低生产成本又可净化环境。5）连续产氢设备及产氢动力学方面的研究。6）氢气与其它混合气分离工艺的研究。7）副产物利用方面的研究。光合产氢时原料对氢气的转化率很低，在提高氢气转化率的同时研究其它有用副产品的回收和利用，是降低成本、实现工业化生产的有效途径。长期的实验研究我们知道，光解水制氢虽然原料简单易得，但其他条件要求高，产氢速率较低；厌氧黑暗发酵产氢的速率目前最高，条件要求最低，有直接的应用前景；而光合细菌因其在光照条件下，可分解有机质产生氢气，终产物中氢气组成可达60%以上，且产氢过程中也不产生对产氢酶有抑制作用的氧气，产氢速率比光解水产氢快，能量利用率比厌氧发酵产氢高且能将产氢与光能利用、有机物去除相结合，而且光合细菌的蛋白含量占到细胞重量的65%，菌体中含有多种维生素和光合色素，在发酵产氢结束后所收集的细胞还能够作为饲料添加剂和微生物肥料等，因此是最具发展潜力的生物制氢方式。参考文献：[1]谭天伟,王芳,邓利.生物能源的研究现状及展望[J].现代化工2003,9:8～12.[2]王志涛,王宝辉,冯进来,张铁锴.氢能制备技术发展概况[J].油气田地面工程,2004,7:33.[3]汪群慧,马鸿志,王旭明,汲永臻.厨余垃圾德资源化技术[J].现代化工,2004,7:56～59.[4]刘少文,吾广义.制氢技术现状及展望[J].贵州化工,2003,28(5):4～9.[5]毛宗强.第四讲生物制氢.氢能工程.（幻灯片讲义）,2004.[6]崔有贵,李永峰,任南琪,李建政,张蕊,李鹏.甜菜废蜜生物制氢细菌的诱变育种[J].中国甜菜糖业,2004,3:1～2.[7]任南琪,林明,马汐平等.厌氧高效产氢细菌的筛选及其耐酸性研究[J].太阳能学报,2003,2:80～84.[8]韩志国,李爱芬,龙敏南,韩博平.微藻光合作用制氢--能源危机的最终出路[J].生态科学,2003,22(2):104~108.[9]卢元,张,邢新会.ClostridiumparaputrificumM-221发酵制氢培养条件研究[J].生物加工过程,2004,5:41~45.[10]BENEMANNJR,BERENSONJA,KAPLANNO,etal.Hydrogenevolutionbyachloroplast-hydrogenasesystem[J].ProcNatlAcadSciUSA,1993,70(5):2317～2320.[11]左宜,左剑恶,张薇.利用有机物厌氧发酵生物制氢的研究进展[J].环境科学与技术.第2004,1:97～100.[12]李冬敏,陈洪章,李佐虎.生物制氢技术的研究进展[J].生物技术通报.2003,4:1～5.[13]张全国,尤希凤,张军合.生物制氢技术研究现状及其发展[J].生物质化学工程.2006,40(1):27～31.[14]RAMACHANDRANR,MENONRK.Anoverviewofindustrialusesofhydrogen[J].IntJHydrogenEnergy.1998,(23):593～598.[15]HANSELA,LINDBLADP.Towardsoptimizationofcyanobacteriaasbio-technolgicallyrelevantproducersofmolecularhydrogen,acleanandrenewableenergysource[J].ApplMicrobiolBiotechnol,1998,50(7):153～160.[16]UENOY,HARUTAS,ISHIIM,etal.Microbialcommunityinanaerobichydrogen-producingmicrofloraenrichedfromsludgecompost.[J].ApplMicrobiolBiotechnol,2001,57(1):555～562.[17]洪坚平,谢英荷,巫东堂.农业微生物资源的开发与利用.北京:中国林业出版社,2000:196～202.[18]谭天伟,王芳,邓利.能源生物技术[J].生物加工过程,2003,5:32～36.[19]杨素萍,曲音波.光合细菌生物制氢[J].现代化工,2003,23(9):17～22.[20]张全国,尤希凤,雷廷宙等.太阳能光合生物制氢光转化效率的影响因素研究[J].河南农业大学学报.2004,3:96~99.[21]任南琪,宫曼丽,邢德峰.连续流生物制氢反应器乙醇型发酵的运行特性[J].环境科学,2004,11:113.[22]刘敏,任南琪,丁杰,李永峰,徐丽英.糖蜜、淀粉与乳品废水厌氧发酵法生物制氢[J].环境科学,2004,9:65～69.[23]任南琪,李建政.生物制氢技术[J].太阳能,2003,2:4～6.[24]JacksonDD,