环境生物技术论文
《环境生物技术》
课程论文
论文名称：生物制氢技术与能源的发展前景
学院（部）：包装与材料工程学院
专业名称：环境生物技术
学生姓名：张京京
班级名称：1301 学号：134******** 最终成绩：
生物制氢技术与能源的发展前景
摘要氢能具有清洁、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。近年来，生物制氢技术在发酵菌株筛选、产氢机制、制氢工艺等方面取得了较大进展。暗发酵和光发酵结合制氢技术是一种新技术,具有较高的氢气产量。以厌氧细菌和光合细菌为发酵菌种,以富含碳水化合物的工农业废弃物为原料,进行暗发酵和光发酵结合制氢,具有广阔发展前途前景。本文综述了国内外生物制氢技术研究进展
关键词生物制氢；光发酵；暗发酵；工农业废弃物；可再生能源
Abstract Hydrogen has a clean, efficient and renewable characteristics, is one of the most potential substitute of fossil fuel energy. With the traditional thermal chemical and electrochemical system compared to hydrogen technology, biological hydrogen production has the advantage of low energy consumption and less pollution. In recent years, biological hydrogen production technology in screening of fermentation strains, and production mechanism, the respect such as hydrogen production technology has made great progress. The dark hydrogen production technology, the technology is a new technology, with higher yield of hydrogen. With anaerobic bacteria and photo-heterotrophic bacteria strains for fermentation, using the wastes from agriculture and industry rich in carbohydrates as a raw material, with dark hydrogen production, the technology has broad prospects for future development. This paper reviews the research progress of biological hydrogen production technology at home and abroad
Key words biological hydrogen production；photo fermentation；dark fermentation；Industrial and agricultural waste；Renewable energy
前言
目前，化石能源短缺，石油价格日益攀升，亟需寻求可再生、高效、清洁能源来替代。氢气作为清洁能源的首选，是未来理想的燃料之一。虽然制氢有物理、化学、生物等很多方法，但传统的化石燃料重整制氢及电解水制氢等技术由于存在着耗能大、原料转化率低及污染环境等问题，一直制约着氢能的大规模应用与发展。生物制氢耗能低、污染少、反应条件温和，且能将制氢与废弃物再利用相结合，因此受到国内外众多研究者的广泛关注[1]本文对生物制氢技术的发展及现状进行了分析，指出目前生物制氢领域存在的主要问题，并对生物制氢的前景进行了展望。目前世界范围内氢气的交易量达 0.5 ×109 t，并以每年10%的速度增长[2]。根据美国的国家氢气规划，到 2025年,氢气在整个能源市场上的份额将占 8 % ～ 10%[3]。美国能源部预测,2040年氢能及其运输系统可以遍布美国的各个地区 [4]，研究结果对于促进生物制氢技术的发展和加快生物制氢技术
的产业化步伐具有重要的意义。
正文
1．生物制氢概述
生物制氢技术就是利用微生物发酵作用从废弃物中提取氢气的技术。早在19世纪人们就认识到微生物具有产生氢气的特性。在20 世纪30年代，Gafron 发现绿藻具有产生氢气的功能以来，生物制氢技术逐渐受到研究人员的广泛关注;
70 年代的石油危机，促使各国政府和科学寻求替代能源，开展各种生物制氢技术的研究［5］。目前，世界所面临的能源短缺与环境污染的两大难题，使生物制氢技术的研究再度活跃。各种现代生物技术广泛地应用在生物制氢研究中，极大地推进了生物制氢技术的发展和应用。
1．1 氢气的应用价值
氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍以上，因此氢气在航天领域、交通运输的应用具有独到之处，是火箭、宇宙飞船、航天飞机的常用燃料；其次，氢气是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料，用于石油和其他石化燃料的精炼；再次，利用氢气制成燃料电池直接发电，或者采用燃料电池和氢气一蒸汽联合循环发电［6］。
1．2 生物制氢的机理
国内外学者进行了大量生物制氢机理的研究，普遍认为氢气与生物体间的相互转化是普遍存在的，氢代谢在调节厌氧发酵的碳及电子流动中起着重要的作用。碳、氢代谢伴随着各种有机物的分解及合成，为厌氧微生物的正常生长提供所必须的能量，氢酶催化氢代谢。在有少量氮气存在时，蓝细菌在氮酶的催化下利用葡萄糖作为还原剂产生氢气。生物体内涉及氢气的反应通常分为两类: 一是利用氢气作为还原剂推动生物体内的新陈代谢过程；二是生物体为了消除体内过大的电子压力，在酶的催化下将氢离子转化为氢气［7］。
1．3 生物制氢的分类及特点
根据生物制氢底物及其机理、选用的微生物、生物制氢方式的不同，将生物制氢分为蓝细菌和绿藻制氢、光合细菌制氢和厌氧发酵制氢等3种类型。20世纪30年代起始的蓝细菌和绿藻，在光照、厌氧条件下分解水产生氢气，称为光解水产氢或蓝、绿藻产氢；光合细菌在光照、厌氧条件下分解有机物产生氢气，称为光合细菌产氢；厌氧细菌在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气，称为厌氧发酵产氢。由上述两种或多种生物制氢方法联合作用完成生物制氢过程。光解水产氢具有以水为原料，节约材料的优点，但存在光合系统复杂、克服自由能高、光转化效率低及不能利用有机废弃物的缺点; 光合细菌制氢过程中不产氧、需要克服的自由能较小的优点，但存在需要光照的缺点；厌氧发酵制氢具有厌氧细菌的种类较多、不受光照限制的优点，但存在着底物分解不彻底、污染环境，原料转化效率低的缺点［8］。
1．4 制氢原料
光解水制氢分别以水和蓝细菌、绿藻本身作为制氢的原料；光合细菌制氢利用葡萄糖、乳酸、乙酸及苹果酸等合成原料；厌氧发酵细菌制氢以各种农产品加工废弃物、农产品和果蔬等天然原料做原料。为了降低成本，国内外学者利用糖精厂、乳酸发酵厂、酒精厂、豆腐厂和牛奶加工厂的废水，以及城市污水、固体垃圾处理液等各种农产品加工的副产品进行产氢的研究［9］。
1.5 影响制氢效率的因素
随着国内外学者深入研究表明，许多因素对制氢效率造成极为重要的影响。基础性研究主要集中在确定特定的菌种及制氢的最佳环境参数，根据菌种的种类确定生长条件、产氢基质不同确定生物制氢的条件。主要包括菌种的鉴别、菌龄、气液相成分及含量、氮源种类和添加量、培养基成分和含量、pH值、接种量、光学特性，温度等因素对制氢效率产生不同的影响[10]。
2.生物制氢的研究进展
人们在100多年前就发现了生物产氢的现象，上世纪40年代开始细菌制氢和光合制氢的基础性研究。由于受光转化效率、制氢酶对氧气敏感性以及生物制氢途径的复杂性等因素的制约，一直处于停滞状态。直到70年代，石油危机使各国政府和科学家意识到急需寻求替代能源，世界上第一次开始了生物制氢的实用性研究。虽然研究者们经过几十年的潜心研究，目前仍然没有突破性的成果，需要进行大量的研究工作。美国、日本等发达国家首先开始生物制氢技术研究，近几年中国也开始了生物制氢的研究。当今世界所面临的能源与环境的双重压力，使生物制氢研究再度兴起。各种现代生物技术在生物制氢领域的应用，大大推进了生物制氢技术的发展。目前，国内外生物制氢技术的研究重点集中表现在以下几个方面:
2.1暗发酵生物制氢技术
暗发酵生物制氢是利用厌氧发酵产氢细菌在厌氧条件下将有机物分解转化为氢气，此过程不需要光能供应. 能够进行暗发酵产氢的微生物种类繁多，包括一些专性厌氧细菌、兼性厌氧细菌及少量好氧细菌［11］，目前，已知的暗发酵产氢过程主要包括甲酸分解产氢、丙酮酸脱羧产氢以及 NADH /NAD 平衡调节产氢 3 种途径。1990年以来，任南琪等通过对糖蜜废水的连续流制氢研究，发现并提出了新的乙醇型发酵产氢途径［12］。研究表明，当末端产物为乙醇时，氢气产量较高［13］.暗发酵制氢过程产生的是混合气，除含有氢气外还含有一
定量的 CO
2，以及少量的甲烷、一氧化碳以及 H
2
S［14］。目前暗发酵制氢技术
的研究可分为如下几种: ①纯菌种暗发酵制氢；②2 种或几种菌种协同暗发酵制氢；③以活性污泥为代表的混合菌种暗发酵制氢。
1）纯菌种暗发酵制氢
利用纯菌种的代谢作用将富含碳水化合物的有机质进行发酵制氢。目前，国内外研究所用的菌种可分为嗜温菌种 ( 25 ～40℃ )、嗜热菌种( 40 ～65℃ )、耐热菌种 ( 65 ～80℃ ) 以及超级嗜热菌种(＞80℃ )［15］，目前研究最多的是在室温或稍高于室温的条件下生长产氢的嗜温菌种，最常用的是严格厌氧的梭状芽胞杆菌属( Clostridium) 和兼性厌氧的肠杆菌属( Enterobacter )。 Pattra 等［16］采用Clostridium sp．T2 菌种，以蔗
糖为原料，在全混流反应器( CSTＲ) 中产氢速率高达 3. 15 mmol /( L·h) 且氢气体积分数也高达 61. 5% 。Xing 等［17］用 Ethanoligenens harbinense YUAN－3菌种，以葡萄糖为底物，在非无菌条件的连续发酵过程中进行产氢实验，所能够得到的产氢量达到 1.93 mol /mol。而早在 1995年 Tanisho 等用聚氨酯泡沫作为菌种附着的支撑物，在连续发酵条件下用糖浆作发酵底物，能够得到的最大产氢量为 3. 5 mol /mol。众多的研究成果显示，嗜温菌种在暗发酵产氢过程中能够实现较高的产氢量，同时缓解由于有机废水和生物质的排放而产生的环境危害。
2)2 种或几种菌种协同暗发酵制氢
由于纯菌种用于制氢过程受到操作条件的限制，考虑到菌种之间的协同作用，可以将已知的 2 种或多种菌种共同应用于制氢过程［18］，早在 2002 年Niel 等就将极其嗜热的菌种Caldicellulosiruptorsaccharolyticus 和Thermotoga elfii 混合应用于暗发酵制氢阶段，用2个完全搅拌釜式反应器( CSTR)和1个厌氧序批式反应器( ASBＲ) 实现 3. 2 mol /mol 的产氢量，且体系中容易形成小颗粒，表面嗜热菌能够很好地用于造粒，是适合作碳水化合物制氢发酵的菌种模式。
3)以厌氧活性污泥为代表的混合菌种暗发酵制氢
厌氧活性污泥是在缺氧或无氧条件下具有一定活性，含有复杂的混合菌种的半固态或固态物质。利用污泥进行暗发酵制氢突破了利用纯菌种的种种局限，能够持续产氢，成本低，环境负荷小。其发酵类型可以分为乙酸型、丁酸型、乙醇型发酵等。通过控制体系的 pH、酶活性、氧化还原电位可使发酵类型偏向有利于产氢的乙醇型发酵，从而使产氢过程连续性提高，利于工业化生产。
国内外的研究主要集中在污泥的预处理方式和发酵体系优化 2 个方面。不同的预处理方式作用于菌种的富集和筛选，所得菌种的产氢特性也不尽相同。Cheong 等［19］比较了5种预处理方法( 酸、二溴乙磺酸钠、湿热、干热和冻融处理)，研究表明，酸处理是最利于产氢的污泥处理方式。Ｒen 等［20］研究了4 种处理方式( 热、酸、碱、反复曝气)对于暗发酵产氢类型的影响，实验结果表明，经过预处理的污泥( 碱处理除外)在用于发酵时能够几乎完全抑制产甲烷菌种的活性；反复曝气处理后的菌种发酵类型多为乙醇型发酵，最高产氢量为1.96 mol /mol。综合国内外研究成果，适宜的发酵体系可描述为: 30 ～35℃、初始 pH 5.5～6. 5、氧化还原电位－100～－125 mV、水力停留时间( HRT) 5～6 h、C/N比40～60、反应器型式多为完全搅拌釜式反应器( CSTR)和厌氧序批式反应器( ASBR)。
2.2光生物制氢技术
1）光解水生物制氢技术
光解水生物制氢主要是指绿藻和蓝细菌，在厌氧光照条件下，利用自身特有的产氢酶系，将水裂解为氢气和氧气的过程，此过程没有 CO
2
的产生.其产氢机理和绿色植物光合作用机理相类似，但放氢机制却截然不同. 这两种微生物生长
的营养需求较低，只需空气(CO
2和 N
2
分别作为碳源和氮源)、水(电子和质子)、
简单的无机盐和光，能直接光解水产生氢气，将太阳能转化为氢能。绿藻在光照
和厌氧条件下的产氢则由氢酶催化，而蓝细菌的产氢则由固氮酶和氢酶的共同催化下完成. 两种生物所需的电子和质子均来自于水的裂解。
大多数藻类都是通过固氮催化释放氢气，在异形胞与营养细胞的共同作用下，
光解水释放H
2和O
2
，即固氮放氢的过程。无异形胞单细胞蓝藻的产氢主要由固
氮酶催化，大部分无异形胞的蓝藻由于没有异形胞而失去了对氧气的防护能力，只能在光暗交替情况下释放 H
2
［21］.
2）光发酵生物制氢技术
光发酵生物制氢是在厌氧光照条件下，光发酵细菌利用小分子有机物、还原态无机硫化物或氢气做供氢体，光驱动产氢，产氢过程没有氧气的释放。光发酵细菌只含有光合系统 PS I，不含有 PS II，所以同绿藻和蓝细菌相比，在产氢的同时不产生氧气，不存在氧气对产氢酶的抑制，产氢纯度和产氢效率高，可以简化工艺过程。光发酵生物制氢是与光合磷酸化相偶联的，由固氮酶催化的放氢过程同时由于所需ATP来自光合磷酸化，所以固氮放氢所需要的能量来源不受限制，这也是光发酵细菌产氢效率高于暗发酵细菌的主要原因。
无论在间歇还是连续培养产氢过程中，菌种都扮演着重要的角色，其性能的优良直接影响到生物制氢技术的成败。因此，获取高效产氢的光发酵细菌一直是研究者关注的焦点。
国内外研究者相继展开了各种生活废水、工业废水、农副产品废弃物等作为产氢底物的研究，以降低光发酵产氢的成本。
已有一些研究者模拟有机废水成分进行了光发酵产氢试验的研究。Takabatake 等［22］研究了乙酸、丙酸和丁酸作为混合碳源同时添加碳酸盐去除氨的产氢试验。我国的余汉青等［23］研究了 Rhodopseudomonas capsulata 利用混合挥发酸作为电子受体进行连续流产氢试验，当乙酸钠、丙酸盐、丁酸钠的质量浓度为 1.8，0.2，1.0 g /L 时，最大氢气产率为 37.8 mL /(g·h)，底物转化效率45%。台湾的张嘉修等［24］人也研究了Rhodopseudomonas palustrisWP3－5使用乙酸钠和丁酸钠共同作为碳源用于氢气生产，最大氢气产率达 39. 5 mL /h，最大累计氢气体积2738 mL，氢气产量 51.6%。我国尤希凤等［25］人研究了 Rhodobacter sphaeroides 菌株利用猪粪废水的产氢能力及对猪粪废水的处理能力，猪粪废水的 COD 从 5 687，3500，1214 mg /L 分别下降到 3586，2135，723 mg /L，产氢速率分别为 27.3，18.5，15.0 mL /(L·d)。 Tao 等［26］人在使用 ZX－5处理废水时，COD 去除率可达80%，每克COD氢气产量500mL。
上述研究表明，使用光发酵细菌对废水进行处理的同时，既得到清洁能源氢气、降低制氢成本，又实现了废弃物的资源化。
2.3光发酵和暗发酵结合制氢
先经过暗发酵再进行光发酵的制氢技术是氢气生产的一种新方法 ,比单独使用一种方法制氢具有很多优势 ,可有效提高氢气的产量。暗发酵后的发酵液中含有丰富的有机酸可用于光发酵 ,如此可消除有机酸对暗发酵制氢的抑制作用 ;而光发酵中的光合细菌对有机酸的利用则能降低废水的COD值。为保证该法在两种反应体系的正常进行 ,须严格控制发酵底物的组成和发酵条件。暗发酵的发酵液中铵离子浓度和 C /N 比应低于对光合细菌产生抑制的程度。在暗发酵结束后应调整发酵液的稀释率和pH值，以满足光发酵光合细菌对有机酸和 pH的
要求. Redwood 等 (2006)[27]研究了以葡萄糖为底物 ,先经过 E. coli的暗发酵，再经过 Rhodobacter sphaeroides O. U. 001的光发酵制氢的可行性。
另外，还可采用光合细菌和厌氧细菌的混合系统产氢。厌氧细菌很容易将多糖类化合物分解，快速产氢。但由于有机物代谢分解不彻底，有机酸积累引起反馈抑制从而影响产氢效率。而光合细菌能利用有机酸代谢产氢。若将这两者混合培养，互补利用这两种菌的功能特性，可以形成一个高效产氢体系 [28]。Yokoi 等 [29]研究了厌氧菌和光合细菌共同培养一步发酵制氢的过程。通过 C. butryricum和Rhodobacter sp的共同培养，氢气的产量可达 4.5 mol/mol葡萄糖〔同样的发酵基质若只经过暗发酵制氢 ,氢气的产量只有 1.9 mol/mol (葡萄糖 ) 〕。Kawaguchi等 [30]通过 Lactobacillus am ylovous和 R. m arinum 共同培养一步发酵制氢,氢气的产率为 60%。Zabu等(2006) [31]将 Rhodobacter sphaeroides O.U.001 与 Halobacterium salinarum混合培养制氢，光能转化率达到 2.25%。需要指出的是，采用混合培养发酵制氢还必须解决有机酸的消耗速率、有机酸在发酵液中的积累以及发酵液中固体悬浮物降低透光度等问题。
3.存在的问题
生物制氢技术虽然发展较快，然而，该技术存在的一些主要问题限制了其产业化的步伐。
1)暗发酵生物制氢虽然具有产氢稳定、速率快等优点，但是，由于挥发酸的积累而产生反馈抑制作用限制了其产氢量。同时其生产和储运设施不够完善，严重制约其大规模应用。
2)光生物产氢技术，光能转化效率低下问题一直困扰着广大研究者。运用基因工程手段改造光发酵细菌的光合系统或人工诱变获取高光能转化效率的光发酵产氢菌株，深入研究光能转化机制包括光能吸收、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。
3)成本问题制约了生物制氢技术的工业化应用。廉价底物的开发利用对降低生物制氢的成本至关重要。重点开展以工农业废水、城市污水、畜禽废水等可再生资源以及秸秆等含纤维素类生物质为原料进行暗发酵和光发酵产氢的研究，既可降低生产成本又可净化环境。
4)暗－光发酵耦合系统的协同系统的生态共融性问题。暗光发酵2种细菌在生长速率、酸的耐受力等方面存在巨大差异，而且暗发酵产酸速率快，致使体系pH 急剧下降，严重抑制光发酵细菌的生长，产氢效率降低，这也是混合培养产氢的瓶颈问题。如何使二者充分利用各自优势，发挥互补功能，解除彼此间的抑制及产物的反馈抑制，提高氢气生产能力、底物转化范围和转化效率，是亟需解决的问题。需要研究者不断的分离筛选同一生态位的光发酵和暗发酵细菌或改进产氢条件，优化产氢系统，使二者能够更好地发挥协同产氢作用，使之能够在同一系统中共存，实现真正意义上的底物的梯级利用，深度产氢。
4.前景展望
生物制氢技术是制氢技术中起步较晚但发展迅速的技术，无论是光解制氢还是发酵制氢，都在近年来得到了突飞猛进的发展。氢能是解决能源短缺和环境问题的清洁能源，制氢技术的发展对于能源和环境问题具有深刻的意义。纵观制氢技术的发展研究，其未来的发展趋势集中在以下几个方面: 进一步研究光发酵产氢菌种的来源和筛选培育方式，与暗发酵过程进行联合，进行菌种的筛选和培
育；将筛选出的混合菌种进行分离，得到纯菌种进行专项研究，针对发酵机理进行深入研究，为制氢技术的应用拓展提供支持；扩大制氢技术中工艺与条件的优化范围，进一步拓展其工业化应用范围；设计新的反应器型式，结合新材料和支撑物的研究技术进行反应器的创新研究；进一步放大到大规模的连续性生产阶段，并实行有效的控制。对制氢技术的研究有着很高的挑战，但同时也富有理论研究和实用价值，在可再生能源研究的道路上具有深刻的意义。
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