微生物制氢-2.ppt

1、生物制氢过程的运用、前景和发展方向,学生：冉 春 秋 导师：张卫 研究员 海洋产品与工程研究组,Seminar I,提 纲,制氢方法的简介 生物制氢方法的介绍 生物制氢技术的运用、前景 生物制氢技术的发展方向,一.制氢方法的介绍,1.基于化石燃料的方法 天然气的蒸气重整； 天燃气的热裂解； 石油碳氢化合物重组分的部分氧化； 煤的气化； 热裂解或气化 占整个氢气产量的90%以上,2.基于以水为原料的方法,电解； 光解； 热化学过程； 直接热分解 占整个氢气产量的4%左右,3.基于生物技术的方法,藻类和蓝细菌光解水； 光合细菌光分解有机物； 有机物的发酵制氢； 光合微生物和发酵性微生物的联合运用

2、生物质制氢,生物制氢的优点,耗能低、效率高； 清洁、节能和可再生； 原料成本低，制氢过程不污染环境； 一些生物制氢过程具有较好的环境效益,二.生物制氢方法的介绍,1.直接光解技术（绿藻） 在厌氧条件下，绿藻既可以利用氢作为电子供体用于二氧化碳的固定或释放氢气,由于氧对氢酶的严重抑制，必须将光合放氧和光合放氢在时间上或空间上分开，可以通过部分抑制PSII光化学活性来实现： 元素调控，如：硫、磷 PSII抑制剂，如：DCMU、CCCP、FCCP 代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii 产氢速率为：7.95mmol H2/L ,100h.,2.间接光解产氢（蓝细菌）,蓝细菌

3、主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类,固氮酶：催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生,吸氢酶：氧化由固氮酶催化产生的氢气,可逆氢酶：能够氧化合成氢气,总反应式为： 12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2 C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2 代表性菌（藻）株： Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h,3.光发酵产氢（无硫紫细菌）,无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生氢气 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2 代表菌株

4、为： Rhodospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of culture/h; Rb.spheroides: 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h 已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机废水的实例,4.光合异养微生物水气转化反应产生氢气,一些光合异养微生物在暗条件下能够利用CO做为单一碳源，产生ATP的同时释放出H2、CO2 CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) (1) Rubrivivax gelatinosus CBS 不仅可以在暗条件下进行CO-水-气转换反应，而且能利用光能固定CO2将CO同化为细

5、胞质；即使在有其他有机底物的情况下，其也能够很好利用CO,（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能够100%转换气态的CO成H2； （3）这类微生物的氢酶具有很强的耐氧性，在空气中充分搅拌时氢酶的半衰期为21h. 代表性菌株： Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h,5.暗发酵制氢,厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气；温度范围25-80，或超高温80 (1)当乙酸为终产物时： C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2 (2)当丁酸为终产物时： C6H12O6 + 2H2O CH3CH

6、2CH2COOH + 2H2 + 2CO2 当H2、CO2分压增加，产氢速率明显降低，合成更多与产氢竞争的底物,氢气产生速率与：pH、水力停留时间、 氢分压等有很大关系 利用厌氧细菌发酵纤维素、半纤维素、木质素降解后的小分子有机物，具有很强的环境、经济效益,三.生物制氢技术的运用前景,BioH2 system H2 synthesis rate 1.0 kW (mmol H2 (l h) FC(l) Direct photolysis 0.07 3.41*105 Indirect photolysis 0.355 6.73*104 Photo-fermentation 0.16 1.49*10

7、5 CO-oxidation 96.0 2.49*102 Dark fermentations Mesophilic,undefined 121.0 1.98*102,暗发酵体系和CO-水气转换系统具有较强的实际运用前景，其他生物制氢模式也值得深入研究，以增加产氢速率和产氢量 暗发酵体系： 500L 2.5 KW PEMFC 1000L 5.0 KW PEMFC CO-水气转换系统: 624L 2.5 KW PEMFC 1250L 5.0 KW PEMFC,一个工程化问题：当反应器容积增大后，因为传质、单位细胞容积负荷、光通路等变化对产氢反应速率的变化,四.生物制氢技术的发展方向,1.绿藻直接

8、光解水制氢技术 （1）通过基因工程水段改变集光复合体尺寸，以增加太阳能的转换效率； （2）改变氢酶基因的耐氧性，或是进行定向克隆； （3）优化设计，降低光生物反应器的成本； （4）优化调控方法、工艺条件，增加产氢速率、产氢量.,2.蓝细菌（藻）间接光解水制氢技术 （1）筛选高活性氢酶或高异性细胞结构的菌（藻）株； （2）基因工程水段消除吸氢酶，增加双向氢酶的活性； （3）优化光生物反应器的设计,3.光发酵系统 （1）消除其他竞争性微生物，以减少对营养的消耗； （2）共培养利用不同光能的微生物 4.暗发酵生物制氢技术 （1）研究气体快速分离技术，减少因氢、二氧化碳分压增加抑制产氢速率膜技术的使用

9、； （2）防止因一氧化碳积累对PEMFC的毒害； （3）诱变高产氢能力的菌株； （4）优化反应器的设计如固定床的使用,总 结,生物制氢技术总体上还处在初步研究阶段，但其在原料来源、能源消耗、环境方面具有较强的优势，所以仍是值得深入研究的领域.,参考文献,（1）David B. Levina, Lawrence Pitt, Murray Love. Biohydrogen production: prospectsand limitations to practical application. International Journal of Hydrogen Energy 29 (2004)

10、 173 185. （2）Patrick C. Hallenbeck, John R. Benemann. Biological hydrogen production; fundamentals and limiting processes. International Journal of Hydrogen Energy 27 (2002) 1185 1193. （3）K.Vijayaraghavan, Mohd Amin Mohd Soom. Trends in biological hydrogen productiona review. International Journal of Hydrogen Energy. （4）Her