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1、 组员 王秀芝杨海燕达吾然任芳芳杜栋梁陈晓雨陈平禹梦娟 微生物制氢 氢能的优势 1 地球上的氢元素十分丰富2 氢气是最洁净的燃料3 氢能的高效率4 氢是可储存的二次能源 三种主要的传统制氢技术 1 电解水制氢2 烃类水蒸汽重整制氢3 重油氧化制氢重整法 电解水制氢 2H2O 2H2 02 电解水方法制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一 水为原料制氢工程是氢与氧燃烧生成水的逆过程 因此只要提供一定形式一定的能量 则可使水分解成氢气和氧气 提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75 85优点 其中工艺过程简单 无污染 转化率高缺点 消耗电量大 目前电解水的工艺 设备均在不断的改进 但电解水制氢能
2、耗仍然很高 烃类水蒸汽重整制氢 缺点 烃类水蒸汽重整制氢反应是强吸热反应 反应时需外部供热 热效率较低 反应温度较高 反应过程中水大量过量 能耗较高 造成资源的浪费 CnH2n 2 nH2O nCO 2n 2 H2 生物制氢研究发展历程 100多年前科学家们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 1931年 Stephenson发现了细菌中的氢酶可以催化氢气与氢离子的可逆反应 1937年 Nakamura发现光合细菌能在黑暗中放氢 氢能源专随时间变化的变化趋势 1942年 Gaffron和Rubin发现海藻 栅藻能通过光合作用放出氢气 1949年 Gest等研究证明深红红螺菌在
3、有机碳的存在下可以放出氢气1976年 孙国超等分离出了产氢量和产氢时间都较可观的产氢菌 1984年 日本的Miyake等筛选出了平均产氢率达18 4微升 h mg的非硫光合细菌 目前的主要问题 微生物制氢的反应机理没没有得到很好的研究 包括各种遗传机制 能量代谢与物质代谢过程的研究 没有建立起完善的理论体系 对科学研究的更快发展不利 微生物为何能产生氢气 微生物产氢的关键因素 产氢酶 产氢过程中能够使质子还原为氢气的酶有固氮酶和氢酶两种 固氮酶是由两种蛋白质分子构成的金属复合蛋白酶 能催化还原氮气成氨 氢气作为副产物产生 氢酶是微生物体内调节氢代谢的活性蛋白 氢酶又可以分为吸氢酶 可逆性氢酶
4、氢酶在微生物中主要功能是吸收固氮酶产生的氢气 可逆性氢酶的吸氢过程是可逆的 吸氢酶的吸氢过程是不可逆的 因此从产氢需求出发 常勾践吸氢酶基因缺陷的突变体以增加产氢的速率 微生物制氢的三大方法 1 光合微生物产氢 蓝细菌产氢 光合细菌产氢 2 微生物水气转换制氢3 暗发酵制氢 优势明显 以太阳能为能源 以水为原料 能量消耗小 生产过程清洁 受到各国生物制氢单位的关注 现况无奈 目前光合微生物制氢离实用化还有相当距离 光能转化率低 要大量制氢 就需要很大的受光面积 还没有满意的产氢藻 仍有希望 但普遍认为 光合生物制氢很有发展前景 据美国太阳能研究中心估算 如果光能转化率能达到10 就可以同其他能
5、源竞争 光合微生物产氢的现状 直接光解产氢 光能光能自养型微生物氢气特点 直接利用光能产生氢气 间接光解产氢 光能光能自养型微生物 光合作用 有机物光能光能自养型微生物 产氢过程 氢气 特点 先利用光能生产有机物 再利用光能分解有机物而产生氢气总反应式为 光合作用12H2O 6CO2LightenergyC6H12O6 6O2 6H2O产氢反应C6H12O6 12H2OLightenergy12H2 6CO2 6H2O 例 蓝细菌 蓝细菌主要分为 蓝绿藻 蓝藻纲类 蓝藻类特征 能直接光解水放氢 将太阳能转化为氢能 生长营养要求低 只需空气 水 无机盐当蓝细菌处于厌氧黑暗环境中一段时间后 开始合
6、成产氢酶 当这种适应了厌氧条件的蓝细菌被放回光照且厌氧的环境中时 产氢速率可以大幅度提高它的光合作用正常后 则停止产氢 蓝细菌产氢分为两类 固氮酶催化产氢和氢酶催化产氢 目前 蓝细菌的产氢率尚未达到实际应用的要求 光能转化效率小于1 蓝细菌产氢需要适宜的外界环境 包括光强 气相组成 培养基营养组成 温度和盐度等 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 光发酵产氢 有机物光能光能异养型微生物氢气特点 利用光能分解有机物 并产生氢气 原理 此类微生物无PSII光合系统 无法利用水来产生氢离子 它们而是利用光能将有机物分解 产生氢
7、离子和高能电子 产氢酶再利用这些中间产物和ATP来产生氢气 原理 厌氧发酵产氢四种基本途径 混合酸发酵丁酸型发酵乙醇性发酵NADH途径 厌氧发酵细菌生物制氢的产率一般较低 能量转化率一般只有33 左右 但若考虑到将底物转化为CH4 能量转化率则可达85 若想提高氢气的产率 除选育优良的耐氧且受底物成分影响较小的菌种外 还需开发先进的培育技术微生物暗发酵及CO 水气转换制氢的总况 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 40L生物制氢及氢能 电能转化一体化系统 厦门大学承担着 十五 863计划中的高效微生物制氢系统与工艺课题 并己取得一定的成果 建立了针对农作物秸杆 淀粉类物质
8、和有机废水的高效分解系统 世界首例发酵法生物制氢生产线在哈尔滨启动由哈尔滨工业大学任南琪教授承担的国家 863 计划 有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程 己在哈尔滨国际科技城 日产1200立方米氢气生产示范基地一次启动成功 450L生物制氢反应器 展望 由于氢是高效 洁净 可再生的二次能源 其用途越来越广泛 氢能的应用将势不可当地进人社会生活的各个领域 由于氢能的应用日益广泛 氢需求量日益增加 因此开发新的制氢工艺势在必行 从氢能应用的长远规划来看开发生物制氢技术是历史发展的必然趋势 生物制氢是世界各国发展氢能的一个重要项目 具有战略性的意义 虽然目前 其工艺还不完善 难以用于实际生产 但由于它有着其它能源所无法取代的优越性 相信不久的将来它将成为世界能源的一个重要支柱 谢谢大家
