1、颤藻属( 产氢研究）颤 藻 属 Oscillatoria 蓝 绿 藻 的 一 属 ， 常 见 于 各 种 淡 水 环 境 ， 包 括 温 泉 。 丝 状 体 不 分 枝 ， 单 生 或 交 织 成 片 ， 会 作 节 律 性 颤 动 ， 故 名 。 颤动 是 由 于 分 泌 的 胶 质 将 丝 体 推 向 反 向 而 发 生 的 。 裂 殖 生 殖 ， 双 凹 形 的 死 细 胞 (分 离 盘 )将 丝 体 分 成 若 干 个 段 殖 体 。无 胶 质 鞘 或 有 而 很 薄 。 蓝 藻 门 颤 藻 科 的 一 属 。 藻 体 单 一 不 分 枝 ， 直 走 或 弯 曲 ； 或 许 多 藻 丝
2、 互 相 交 织 而 形 成 片 状 、 束 状 或 皮 革 状 的 蓝 绿色 团 块 。 藻 丝 外 表 无 胶 鞘 。 藻 丝 端 部 细 胞 往 往 逐 渐 狭 小 而 变 尖 细 ， 有 的 弯 曲 如 钩 ， 或 作 螺 旋 状 转 向 ； 有 的 其 游 离端 处 的 壁 增 厚 而 成 一 帽 状 体 。 一 般 细 胞 为 短 圆 柱 形 ， 细 胞 的 内 容 物 一 般 为 灰 蓝 或 深 蓝 绿 色 ， 有 些 种 有 伪 空 胞 。 以藻 殖 段 繁 殖 。 本 属 约 有 100种 。 颤 藻 属 的 藻 丝 ， 能 沿 其 长 轴 作 滚 转 或 匍 匐 的 运 动
3、 。 称 为 滑 溜 运 动 。 颤 藻 是 蓝 藻 门 中 分 布 最 广 的 属 之 一 。 能 在 各 种生 境 中 繁 生 ； 在 淡 水 水 体 如 井 边 、 厨 房 外 自 来 水 龙 头 下 、 猪 牛 等 厩 外 的 潮 湿 土 表 、 岩 石 上 、 稻 田 、 沟 渠 、 池 塘 、湖 泊 、 沼 泽 、 溪 河 以 及 海 边 都 可 发 现 。 繁 殖 旺 盛 时 往 往 产 生 难 闻 的 气 味 ， 导 致 水 体 污 染 ， 不 适 于 饮 用 。厌氧发酵生物产氢的试验研究（一） 第一章：绪论1.能源问题1.1 世界能源问题 能源是左右可持续发展进程的关键因素之
4、一。一方面，能源为改善人类生活和促进经济发展所必需。与此同时，能源也可能造成空气污染、全球变暖等健康和环境问题。现有的能源供应和消费模式显然称不上“可持续”。联合国公布的一些数字颇能说明问题：目前全球有亿人用不上电，占世界人口的约三分之一，他们主要生活在贫困的乡村地区；全球矿物能源消耗量在至年间增加了，发达国家是其中的大户，人均矿物燃料年消耗量达到发展中国家人口的约倍；至年，全球二氧化碳排放量翻了一番，燃烧矿物燃料产生的温室气体，目前是全球温室气体的最主要来源，所占份额达到。 年里约地球首脑会议以来，世界能源消耗量显著增加，据预测在未来年内仍将以平均每年的速度上升。如何以可持续发展的方式满足不
5、断增长的能源需求，既是挑战，也提供了历史性的机遇。这不仅要求国际社会继续采取有效措施，使全球贫困人口能享受现代能源技术的恩惠，更重要的还将有赖于采用先进的技术提高矿物燃料等能源生产的效率，推广洁净煤炭等技术，以及增加可再生等新能源的使用量等。在约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议上，各国代表将就如何制订出具体的时间表和指标、提高可再生能源在能源结构中的比例等展开讨论。1.2 中国能源问题急需解决 目前，我国能源消费量巨大，已成为世界第二大能源消费国，但我国能源消耗却存在不合理性。我国终端能源用户用在能源消费的支出占国内生产总值的 13%，而美国仅为 7%。从能源利用效率来看，我国 8 个主要高耗能
6、行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高 47%，而这 8 个行业的能源消费占工业部门能源消费总量的 73%。按此推算，与国际先进水平相比，我国的工业部门每年多烧掉了约 2.3 亿吨标准煤。 一方面是大量能源的不合理使用，另一方面却是中国能源在经济发展中的全面告急。统计显示，2003 年，全国缺电省份达 19 个，出现了 1996 年来首次大范围的电力短缺现象。2004 年，缺电情况加重，缺电省份增加到 24 个，最大的电力缺口达到 3000 万千瓦。在缺电的情况下，煤炭供不应求，价格一路上涨。中国石油、电力、煤炭、天然气等基础性能源供应全面告急。 节能降耗、合理利用能源，成为中国政府的重要工作
7、任务。 “要注重能源资源节约和合理利用”，是国务院总理温家宝在 2005 年 3 月 5 日十届全国人大三次会议上作政府工作报告时所特别强调的。1.3 氢气21 世纪能源新宠2002 年英国金融时报载文说，由于易燃易爆而结束了飞艇称王称霸地位的氢气，可能东山再起，成为 21 世纪的重要燃料。氢气作为燃料，有以下特点:一是除核燃料外氢气的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为 142 351 kJkg，是汽油发热值的 3 倍；二是它燃烧时，几乎不产生有害气体和微粒；三是蕴藏丰富。据估计，目前全球的石油储量，仅能维持 3040 年，煤的储量仅能维持 200300 年，核燃料铀等的储量
8、也是有限的，而氢元素存在于水中，可以说是取之不尽，用之不竭 。 厌氧发酵生物产氢的试验研究（二） 生产氢气最简单、最直接的方法是电解法。将电流通于水，可把水分解成氢气和氧气。利用石油、煤等发电制氢，同样污染环境，且成本高。 从 20 世纪 80 年代开始，太阳能电池的转换效率大幅提高，成本降低。这样，如果计入石化燃料治理污染费用和污染引起疾病的治疗费用、运输渠道等开支，氢的成本也只接近于石化燃料生产电力的成本。美国国家能源和环境研究中心已计划在加州的沙漠地带布设大面积太阳能电池，用其电力电解地下含水层的水来生产氢气，然后用泵把氢抽入管道，分配使用。另外，生物技术制氢也是一种才良有前途的方法。例
9、如，藻类中的红藻、蓝藻、绿藻和褐藻，均能利用阳光将水分解成氢和氧，目前德国正在建造一座藻类制氢农场，预计到 2020 年，可形成藻类制氢产业。科学家发现有许多原始低等生物，在其新陈代谢过程中可放出氧气。日本一位细菌学家培养出一种红极毛杆菌，这种细菌每消耗 5 毫升淀粉培养液，可产生 25 毫升氧气，是功效很高的一种制氢菌种。美国宇航部门将做这样的试验：将一种光合细菌红螺杆菌带到太空去，用它所放出的氢气作为能源，供航天器仪器使用。这种红螺杆菌生长繁殖速度很快，并极容易在农副产品的废渣、废水和乳类产品加工后的垃圾中培养。这也是一种很有前途的制氢细菌。此外，直接利用太阳光分解水制造氢气的方法也在试验
10、之中。随着液态氢技术的发展和储氢合金的研制成功，氢的储存、运输将更加安全，氢将成为汽车、飞机、空间飞行器的理想燃料。2.固废垃圾处理现状中国有 668 座城市，1998 年产垃圾 1.4 亿吨，且以每年 10%的速度增长。而且，还有历年的存量城市生活垃圾 60 亿吨。绝大多数的城市已经陷于垃圾的包围之中，泛滥的垃圾对城市环境造成严重污染，社会每年要消耗大量的人力物力用于垃圾的清运和处理。城市生活垃圾、粪便的处理，已受到国家和各地政府的高度重视。目前常规垃圾处理方法有焚烧发电、卫生填埋、堆肥三种，但是受我国经济水平、垃圾特性等的制约，这三种方法都不适宜在我国大力推广。焚烧发电一次性投资太高，且运
11、行费用高，只适合于经济高度发达国家；卫生填埋占用土地，如果不严格按国际标准实施，将在数年后造成二次污染，后果将更严重；堆肥周期长，肥效低，不能使垃圾彻底无害化，不易被农民接受。城市污水污泥处理与处置城市污水污泥市民污水处理过程中产生的固体废弃物。随着国内污水处理事业的发展，污水厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，产生的污泥量也日益增加，目前在国内污水厂中其基建和运行费用约占总基建和运行费用的20-50。污水污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有害成分。为防止造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和除了效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理
12、中占有的位置已经日益突出。厌氧发酵生物产氢的试验研究（三） 当前的污泥处理技术：1 填埋 从总体来看填埋是一项比较成熟的技术（以沿用了近 40 年） ，目前仍然是西方发达国家污泥处置的主要手段之一。但是污泥填埋过程中由于对对脱水污泥的土力学性质（以剪切强度表示）要求比较高、大面积选址困难、运输距离增长，以及可能污染地下水等原因，已被逐年减少采用。2 海洋倾倒操作简单，对沿海城市来说处理费用低，但人们越来越关注其可能对海洋生态环境的影响国际上很多国家已禁止污泥海洋倾倒，中国政府 1994 年接受 3 项国际协议，承诺于 1994.2.20 期不在海上处置工业废物和污水污泥。3.焚烧焚烧法由于采用
13、合适的预处理工艺和焚烧手段，达到污泥热能的自持以及尾气污染水平的下降，成为很具发展前景的处理方法。但处理设备投资大，处理费用高。4.污泥农用污泥农用是值得关注的处置方法，它于其他方法相比，不仅能耗低，而且还可回收利用污泥中大量的植物养分，影响其推广的因素是可能引起的病原体扩散、重金属污染、难降解有机物及 n、p 对水体污染。表 1 污泥处理技术比例处理技术焚烧土地填埋垃圾混合填埋农业利用绿化无污泥处置所占比例3.4531.033.4544.833.4513.79国内的污泥处置，即最终出路存在严重问题，从上表可以看到仍然有 13.79的污泥没有处置，这将为环境污染带来巨大的危害。而且土地填埋和焚
14、烧也会造成二次污染，对环境造成很多的伤害。能源短缺和固废处理问题两者可以有一个交合点，怎么样才能得到兼顾呢？本次实验就是为了研究生物制氢，是利用城市污泥作为原料。第二章：基础知识和原理1. 发展氢能的微生物途径发展洁净能源或替代新能源是未来能源建设的世界潮流，其中氢能是最佳的选择。多途径开发氢能，其中利用微生物有效开发氢能是重要途径之一。人们熟知，氢是“水之源”，2 个氢原子结合成氢分子，氢气在氧气中易燃烧释放热量，并生成水。由于氢、氧结合不会产生 CO2、SO2、烟尘等污染物，所以氢被看作是未来理想的洁净能源，有“未来石油”之称；也可用于燃料电池的研制，氢能和燃料电池技术将会彻底改变全球能源
15、系统的发展方向，氢在自然界中算是最丰富的元素之一，它存在于淡水、海水之中，也存在于碳氢化合物和一切生物质中。因此，对氢能的研究开发引起国内外的高度重视，并将其作为洁净能源研发的一种重要战略措施。氢能作为气态能源之一，不仅洁净，而且高效，不污染环境，将是本世纪能源发展的一大方向。发展氢能将成为国际上关注的热点，而生物氢能的研发同样吸引各国研究者和企业家的关注。 美国政府对氢能的研究投入 1.2 亿美元，以加速氢能（和燃料电池）的发展，预计到 2010 年，在美国将会兴起氢经济；在欧洲，如德国等对氢燃料研究开发占有较大比例；日本把生产氢能作为可再生能源长期发展的途径来考虑，认为这是发展洁净能源最佳
16、选择；我国也在加强生物氢能的研究开发。国内外高度重视氢能的研发，并采取多途径索取氢能，这是大势所趋。据报道，全球大约 99%的氢源于石油，而石油又是一类用量最大的非再生能源，争夺石油也异常激烈。当然，也可考虑其它氢能来源，如可用电力电解水制氢；也可利用太阳能生产氢气（主要是日本）等等。与此同时，在考虑氢能发展时，还要考虑如何使用氢能更方便。美国在这方面有所准备，在其国内已建立第一个氢气站，为氢气使用者带来便利。 厌氧发酵生物产氢的试验研究（四） 除了上面提到获取氢能的某些途径之外，微生物制氢技术的研究与开发是未来发展洁净能源的一个重要途径。有几项研究成果尽管还未完全进入产业化，或还处于试验或“
17、中试”阶段，但对生物氢能的发展值得进一步关注，介绍如下几方面： 1.1 异养细菌发酵制氢 美国宾夕法尼亚州大学研究人员利用源于土壤的产氢细菌（菌种不详） ，以制糖工业废水为原料发酵生产氢气，并采用细胞固定化技术保持该菌株产氢的连续性，提高产氢效率。其实，通过发酵途径生产氢气的异养细菌很多，如梭菌（Clostridium） 、肠杆菌（Enterobacter） 、埃希氏杆菌（Escherichia ） 、柠檬杆菌（Citrobacter ） 、芽孢杆菌（Bacillus） 、脱硫弧菌（Desulfovibrio ）和产甲烷菌（Methanobacter）等，不论是严格厌氧菌或是兼性厌氧菌，对同样
18、有机底物的利用和产氢能力各不一样，各菌种不同，其功能各异，前者多用它的纯培物，后者多为混合培养的优势菌，但必须防止氢营养菌的入侵（污染） ，可采用降低 pH 值来抑制或杀死氢营养菌，因此，选育合适的优势产氢菌种是研究产氢效能的基础，也是一个关键。 1.2 厌氧梭菌发酵制氢 日本北里大学研究人员以各种生活垃圾，如剩菜、肉骨等经处理后作为生产氢的原料，借助一种梭菌（Clostridium）AM21B 菌株，于 37，发酵生产氢气，1 公斤垃圾有效分解代谢，并获得 49 毫升氢气，有望实现规模生产。也有采用固定化细胞（酶）技术用于梭菌生产氢气，如一种丁酸梭菌（Cl. butyricum）利用葡萄糖作
19、为供氢体，包埋于聚丙烯酰胺载体中，在 37条件下可连续产氢 20 天，最大产氢量达到 1.83.2 L/L.d；同时还必须优化产氢条件，如铁、磷无机营养的满足，铁是氢化酶的重要组成成分，而氢化酶的活性随铁的消耗而下降；铁也是氧化还原酶的重要组成部分。该菌以甘油发酵产氢，铁-磷不足会导致该菌代谢途径的改变。在我国，中科院微生物研究所研究人员从垃圾处理场污泥中获得一种新的产氢梭菌（Clostridium defluvii） ，在最适营养、温度、pH 值条件下有效产氢。因此，对产氢细胞不论是游离细胞或是固定化细胞，发酵生产氢所需要复杂的生态条件因素时时不可忽视。 1.3 混合微生物发酵制氢 我国大连
20、化物所研究人员利用 3 种微生物，如丁酸梭菌（Cl. butylicum） 、产气肠杆菌（Enterobact. aerogenes）和麦芽糖假丝酵母（Candida maltose）于 36混合发酵废弃有机物 48 小时，产氢量达到每升 22.2 ml/h，平均产氢为 15.45 ml/h.L，这 3 种菌有协同产氢效应，即产气肠杆菌起主导作用，另两种菌同时协同作用，使代谢产物不易积累，为彼此之间创造生存环境，使 3 种菌株代谢活性充分发挥起来，从而提高产氢能力，增加产氢量。由此可见，选择混合菌制氢，利用其互补性，创造互为有利的生态条件，是一条可取的微生物制氢途径。 1.4 光合细菌利用有机
21、废水生产氢 这是制氢的一条重要途径。光合细菌不仅产氢，而且具有多种功能得以利用；它的产氢速率大大高于其它类型的微生物，每克菌体每小时可获得最大产氢量（51 ml/ h.g） 。这类光合细菌是行使不放氧的光合作用，产生的氢没有氧的混合，纯度高。在我国，已有利用豆腐制品废水为原料，通过光合细菌固定化技术，可连续产气达 260 小时以上，平均产气率 146.8351.4 ml/ L.d，气体中氢的含量为 60%以上，若维持产气 93 小时，平均产气率为 120.7140 ml/ L.d，而气体中含氢量 75%以上。这些光合细菌包括具有固氮作用的荚膜红假单胞菌（Rhodopseudomonas cap
22、sulatus） ，它能持续产氢 10 天以上（45 ml/L.h） ，而其中有的光合细菌产氢量为 260 ml/g.h，达到最大的产氢率。然而，光照对该菌的光合作用是必需的；光不是对其行固氮作用的固氮酶活性是个限制因素；就深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）而言，一种突变株固氮酶活性不受氨存在的影响，也就是说，氨态氮存在下该菌照样继续固氮产氢。日本、美国等国研究人员用基因工程技术建构高效产氢光合细菌用于氢能生产，达到较高的产氢率，可用于实际氢能生产水平。另据报道，有的国家建立“光合细菌工厂”，每天可生产 10 吨液态氢，作为飞机燃料，试飞取得成功。 1.5 微型藻制氢 藻
23、类如同光合细菌一样行光合作用产氢，如蓝藻（又称蓝细菌）中的柱状鱼腥藻（Anabaena cylindria） ，属于异形胞种类，光水解产氢和氧，也是好氧固氮蓝细菌之一，固氮放氢；聚球藻（Synechococcus） ，颤藻（Oscillatoria）等这些微型蓝藻都具有产氢能力，每小时每克底物产氢 20 毫升；有些藻类（原核生物）产氢量达 30 ml/L.h，氨氮对其产氢有抑制作用；除原核藻类之外，真核绿藻，如莱因哈德衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）等均具有产氢能力，其产氢量只达到理论值的 15%，它们均可实行大规模生产获得氢能。在德国建立了“藻类农场” ，为未来开发
24、无污染的洁净氢能源开辟一条重要途径。 厌氧发酵生物产氢的试验研究（五） 1.6 甲醇用来生产氢气 甲醇本身是一种可替代能源之一，也是微生物的代谢产物。日本研究人员发现一种发孢甲烷菌，也叫丝孢甲烷弯菌（Methylosinus trichosporium） ，于 30培养条件下使甲烷转化成甲醇，并表现其稳定性，用生物反应器细胞固定化技术可连续生产甲醇。然而，用甲醇转化成氢或许有更大的优越性，不论源于生物或非生物生产的甲醇，都有可能利用它气化水蒸汽反应产生氢气。在日本，已完成了工艺流程生产氢，将其作为燃料驱动燃气轮机带动发电机组发电，已进入实用化，显示其优越性，对环境不造成大的污染，而成本又低于石
25、油、天然气。但有一点值得注意，就是燃烧甲醇时会产生大量甲醛（一种致癌物质、有毒刺激眼睛） ，比石油燃烧多几倍，有害人体健康，必须考虑解决。也就是说，甲醇气化产生氢时如何同时使甲醇降解或转化（氧化） ，变有害为无害，或者能有效回收，这需做进一步研究解决。1.7 活性污泥发酵制氢 实质上也是一种混合菌制取氢的方法。在我国，哈尔滨建筑大学研究人员以有机废水（含糖类、纤维素等）为原料借助厌养发酵污泥（含厌养菌等）接种与 50 m3 反应器中进行发酵，并产生氢气，每天可获取 250285 m3 氢气，纯度可达 99%以上，已完成了中试，有望实现工业化生产，并在哈尔滨建立小规模“生物制氢产业化基地” ，生
26、产氢气可达600 m3/d。但这项制氢技术涉及活性污泥接种剂，其所含微生物群落及其各自功能作用、优势菌群种类及其生态关系以及它们产氢的持续性、稳定性仍值得进一步探究。在国外，研究厌氧污泥用于产氢及其过程，涉及氢的纯度问题，研究从降低 pH 值来抑制不相干细菌的生长和繁衍，如甲烷菌是不相干者，它所需最适 pH 值为 7，而在静态罐培养时pH 值降到 45，从而可阻断该菌产生甲烷，这样为活性污泥含菌在降解有机物产生氢和有机酸方面创造良好条件，增加了发酵气体中氢的浓度。显示活性污泥用于处理有机废水制造氢气所具有的特色；对比活性污泥法与纯菌种法生产氢的能力确有不同之处，实验结果表明，前者可获得氢气 6
27、6 ml/g.h，而后者只有氢 51 ml/g.h，从此也可以看出，前者确实优于后者。这表明的充分利用不同产氢菌及其互生菌的混合培养、发酵制取氢气的优势，从而可达到利用活性污泥或混合培养之间的协同作用，以达到最佳的产氢效果。要不断地总结经验，有所发现，有所创新和前进。 2 厌氧发酵生物制氢的原理2.1 厌氧发酵生物制氢的原理在厌氧环境条件下, 有机底物氧化还原过程中, 受氢体辅酶 NAD+ 或 NADP+ 接受被脱氢酶作用脱去的氢质子而生成NADH 或 NADPH。在无氧外源氢受体条件下, 厌氧细菌体内, 底物脱氢后产生的还原力H 未经呼吸链传递而直接交给内源性中间代谢产物接受, 此过程中产生
28、的 NADH 或 NADPH,通过厌氧脱氢酶脱去 NADH 或 NADPH 上的氢使其氧化, 产生氢气 9, 10 。在厌氧产酸细菌体内, 要保证 NADH 或 NADPH 的平衡, 如果 NADH 或 NADPH 循环不再生, 则有机物生化反应停止, 生物代谢过程被抑制。所以,NADH 循环再生是有机体代谢过程的重要控制因素。发酵细菌这一循环再生作用, 必须借助包括丙酮酸或由丙酮酸产生的其他化合物的氧化 2 还原机制来完成。由于细菌种类不同及生化反应体系存在着不同, 导致形成多种特征性的末端产物。从微观角度来看, 末端产物组成是受产能过程及 NADHN AD+ 的氧化 2 还原偶联过程支配。
29、复杂有机物经水解, 通过 EM P、HM P、ED 途径或 St ick land 反应后形成不同发酵类型: 乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵和混合酸发酵 10, 11 。在污水厌氧生物处理中, 根据末端发酵主要产物组成, 将发酵类型分为: 丁酸型发酵、丙酸型发酵 12 和乙醇型发酵 11 。文献13, 14 利用自行研制的高效产酸发酵反应器对碳水化合物废水的产酸发酵过程进行了实验观察, 发现乙醇型发酵类型是产酸相最佳发酵类型。2.2 厌氧发酵产氢途径2.2.1 多余电子(e- ) 平衡调节途径该途径是某些微生物为解决氧化还原中产生的多余电子(e- ) 所采取的一种调节 13 , 其中产
30、氢与氢化酶中的电子载体铁氧化还原蛋白(Fd) 存在着密切关系。厌氧产氢细菌直接产氢过程均发生在丙酮酸脱羧作用中, 丙酮酸经丙酮酸脱氢酶脱羧后, 形成硫胺素焦磷酸酶的复合物, 并且将电子转移给铁氧化还原蛋白 , 还原的铁氧化还原蛋白被铁氧化还原蛋白氢化酶重新氧化, 产生分子氢 10, 15 。2.2.2 NADHN AD+ 平衡调节途径厌氧细菌在产酸过程中通过不同发酵类型的偶联, 存在 NADH + H+ 的再生和消耗, 从而保证 NADHN AD+ 平衡 15 。如果此消耗过程相对快于 NADH + H+ 形成过程时, 会产生 NADH + H+ 的积累。对此, 有机体需要采取其他调节机制再生
31、 NADH+ H+ , 使发酵过程顺利进行。过多 NADH+ H+ 的反馈抑制或阻遏作用可以减缓糖酵解速率, 减少乙酸、丙酸、丙酮、丁酸、丁醇或乳酸的产率以减少 NADH+ H+ 的再生量, 或通过增加甲酸、琥珀酸的产率以增加 NADH+ H+ 的消耗量 15 ; 在厌氧氢化酶的作用下 , 过多的 NADH+ H+ 可通过释放分子氢以使 NADH+ H+ 再生, 即 NADH + H+ NAD+ +H2。微生物内的调节机制往往受环境条件的影响而自行调节。保持 NADHN AD+ 的平衡, 可连续生成氢气, 这是厌氧发酵产氢技术的理论依据 15 。3.生物制氢的发展进程31 生物制氢技术的发展过
32、程早在 18 世纪,有关藻类和微生物产氢的研究已经开始,但直到本世纪 70 年代世界性的能源危机爆发,生物制氢的实用性及可行性才得到高度的重视,氢气被当时的能源界誉为“未来燃料”。80 年代能源危机结束之前,人们对各种氢源及其应用技术已进行了大量开发研究。石油价格回落以后,氢气及其它替代能源的技术研究一度不再出现在一些国家的议事日程中。到了 90 年代,人们对由以化石燃料为基础的能源生产所带来的环境问题有了更为深入的认识,清醒地认识到由化石燃料造成的大气污染,其危害不仅是区域性的,而且对全球气候的变化也会产生显著影响。此时,世界再次把目光“聚焦”在生物制氢技术上。3.2 现阶段研究成果简介在生
33、理代谢过程中能够产生分子氢的微生物可分为两个主要类群: (1) 包括藻类和光合细菌在内的光合生物。目前研究较多的主要有颤藻属、深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、球形红微菌、液泡外硫红螺菌等等。(2) 诸如兼性厌氧的和专性厌氧的发酵产氢细菌。如丁酸梭状芽孢杆菌、拜氏梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等。 厌氧发酵生物产氢的试验研究（六） 3.2.1 光合细菌目前研究较多的是蓝藻类细菌( Cyanolacteri2a) 或蓝绿藻 ( blue2green algae) 。如,将鱼腥藻属的一个变异株( Anabaena variabilis AS1) 纯化后,用角叉藻胶固
34、定,进行了培养试验。最大产氢率达 46mL/ g(干重) h ,但是这种高产氢率只维系了15 天。对有固氮作用的念珠藻( Nostoc flagelliforme)进行了产氢性能的研究表明:分批培养(反应器容积 250mL) 中,获得了约为 12molH2/ mg(叶绿素 a)h 的最大产氢率。连续培养试验(500mL) 证明,N. flaglliforme 在最佳条件下( D = 0. 022h - 1 ,34 ,5. 1kPaN2) 的最大产氢率为 7184molH2/mg(叶绿素) h ,即 3835mLH2/ g(干重) h。据查证,通过连续培养,利用自养型蓝绿细菌进行生物制氢的系统性
35、研究很少, 而 Lichtl 和 Bazin 等人的研究在该领域最有代表性,其关键是通过控制和优化恒化器的各种影响因素,极大地提高了生物的产氢能力。20 多年来,关于利用光合细菌进行生物制氢的研究,各国的研究者们一直进行着不懈的努力。然而,氢生产率和对太阳能的转化效率仍然较低,诸如氢产率低和产氢代谢过程的稳定性差等问题,始终是制约光合生物产氢技术发展的主要障碍,有待于进一步研究解决。3.2.2 发酵细菌发酵细菌是另一类在代谢过程中可以产生分子氢的微生物。为了实现生物反应器的实际运行,有较高细胞持有量是基本要求。为达此目的,人们用一些微生物载体或包埋剂,对细胞固定化的一系列反应器系统进行了研究。
36、对产气肠杆菌E.82005 菌株进行的连续流非固定化游离细胞产氢试验表明:整个连续产氢试验持续了 42 天, 获得的可持续产氢率为115molH2/ mol (糖) ,最大产氢率可达 215molH2/ mol(糖) 。另外, 采用聚氨基甲酸乙酯泡沫(Polyurethane foam) 对 E. 82005 菌株进行的试验表明,反应器的持续产氢率和最大产氢率分别提高到了 212molH2/ mol (糖) 和 315molH2/ mol (糖) 。对产气肠杆菌 HO239 菌株进行的非固定化试验中,获得了 120mLH2/ Lh 的产氢率。当采用多孔玻璃做附载体对菌体进行固定化试验(反应器有
37、效容积为 100mL) 时,产氢率提高到 850mLH2/Lh(HRT = 1h) ,较非固定化细胞产氢率提高了 7 倍。细胞固定化技术的使用,提高了反应器内的生物量,使单位反应器的比产氢率和运行稳定性有了很大提高。但是,作为载体的基质都会占据反应器内相当大的有效空间,反应器比产氢率的进一步提高也因生物持有量不足而受到限制。另外,采用填充床式反应器,对产气肠杆菌 HU2101 的变异株 AY22 进行为期 18 天的产氢测试中,获得了31mmol/ Lh 平均产氢率。研究表明,可以利用两相厌氧生物处理工艺的产酸相对有机废水进行发酵产氢,产酸相产生的有机挥发酸,经产甲烷相微生物的作用可进一步产生
38、甲烷。这是一项集发酵法生物制氢和高浓度有机废水处理为一体的综合工艺技术,该技术采用连续流运行,以非固定化的混合菌种(厌氧活性污泥) 作为氢气生产者,在处理高浓度有机废水的同时回收大量的清洁能源氢和甲烷,其中试研究成果达到了国际领先水平。在这项技术中,反应器中的厌氧活性污泥来源广泛,不需固定,系统启动时只需对所接种污泥进行一定时间的驯化,就能达到连续产氢的目的。该技术的研究成功,为治理污染和废物综合利用开创了一条新路。3.3 研究现状纵观生物技术研究的各阶段,比较而言,对藻类及光合细菌的研究要远多于对发酵产氢细菌的研究。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
39、固定化,才可能实现持续产氢。因此,迄今为止,生物制氢研究中大多采用纯菌种的固定化技术。然而,该技术也有不可忽视的不足。首先,细菌的包埋技术是一种很复杂的工艺,且要求有与之相适应的菌种生产及菌体固定化材料的加工工艺,使制氢成本大幅度增加。另外,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。再者,包埋剂或其它基质的使用,势必会占居大量有效空间,使生物反应器的生物持有量受到限制,从而限制了产氢率和总产量的提高。现有试验大多为实验室内进行的小型试验,采用批式培养方法居多,利用连续流培养产氢的报道较少。试验数据亦为短期的试验结果
40、,连续稳定运行期超过 40 天的研究实例就少见报道。即便是瞬时产氢率较高,长期连续运行能否获得较高产氢量尚待探讨。因此,生物技术欲达到工业化生产水平尚需多年的努力。欲使生物制氢技术尽快达到工业化生产水平,未来的研究应注重以下 4 个方面:应充分重视对发酵产氢微生物的研究。从实现工业化生产的可能性来看,发酵微生物比光合生物具有更大的优越性,而目前的研究主要倾向于光合生物产氢。为了降低运行及管理费用,利用能自固定的、产氢能力较高的厌氧活性污泥混合菌种,并寻求菌种培养容易、启动快的方法,将是未来的主攻方向之一。利用高浓度有机废水制取氢气,并注重耐酸菌种的选育。生物技术的特征之一是可利用廉价的有机物替代“石油 ”等矿物原料,因而探讨包括有机废水在内的不同有机质的生物制氢可行性及其控制对策,意义是重大的。再者,由于有机废水发酵制氢过程中,将有大量有机挥发酸相伴而生,导致生物介质的 pH 值降低,选育和使用耐酸的产氢发酵菌种,可节约甚至完全节省因 pH 值调节对碱的大量需求 ,从而使制氢成本降低。研制可以达到工业化生产规模的生物制氢反应设备。现有国外研究成果均为试管内或三角瓶中进行的实验室试验,这些成果转化为工业化生产尚有许多工程实际问题需要解决。
