暗发酵制氢

《暗发酵制氢》由会员分享，可在线阅读，更多相关《暗发酵制氢（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、生物质暗发酵产氢技术进展摘要： 人类面临能源枯竭的威胁。氢能具有清洁、高效、可再生的特点,是未来重要的新能源物质。 生物制氢暗发酵技术利用可再生资源 ,特别是可利用工 农业有机废弃物产氢，效率高，能耗低，污染少，成本低，具有巨大的发展潜 力。文章总结了生物质厌氧发酵生物产氢技术进展， 包括生物制氢暗发酵微生 物种类、产氢过程中的影响因素、产氢的生物质原料以及一些新近技术发展。 特别介绍了利用富含碳水化合物的有机废物，诸如淀粉加工废水、小麦秸秆、 食品垃圾等，作为原料厌氧发酵产氢的最新研究成果。 关键词：生物制氢；厌氧发酵；产氢微生物；生物质；目录第一章 前言 11.1 生物质制氢的意义 21.

2、2 主要制氢方法及物化法的缺点 21.3 生物制氢的特点及暗发酵的优势 3第二章 暗发酵制氢的微生物 4第三章 暗发酵产氢的影响因素 63.1 温度的影响 63.2 pH 值的影响 63.3 金属离子的影响 73.4 氧化还原电位（ ORP ）的影响 73.5 发酵基质的影响 73.6 反应产物的影响 83.7 耗氢微生物的影响 9第四章 暗发酵制氢的生物质基质 104.1 淀粉 104.2 纤维素 114.3 食品垃圾 13第五章 结论 15第一章 前言1.1 生物质制氢的意义随着全球工业化的发展和人口的快速增长，人类的能源需求在不断增加， 但是化石燃料资源的储量有限且日渐枯竭，同时其燃料所

3、造成的环境污染和温 室效应又在不断恶化。鉴于此情况，各国研究机构都致力于寻找并开发新的能 源。生物质能以其物质获得的范围广、开发技术要求不是很高、开发成本较低、 收益较大等一系列优点，在可再生资源的开发中占有非常重要的位置。据专家 估计，到本世纪中叶，生物质替代燃料将占全球总能耗的 40以上。生物质是 指通过光合作用而形成的各种有机体。其中包括薪柴，农林作物，农业和林业 残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生 植物等等。近年来，高产的能源作物作为现代生物质能资源已引起广泛关注， 如甜高粱、甘薯、木薯、芭蕉芋、绿玉树、巨藻等。生物质能是太阳能以化学 能形式储存在生物

4、质中的一种能量形式，它是以生物质为载体的能量。它直接 或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料， 取之不尽、用之不竭。生物质能的原始能量来源于太阳，是贮存的太阳能。所 以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。如何通过一定的途径将生 物质能高效转化为人类直接利用或者可储存的能量成为生物质能利用的关键问 题。氢气作为一种高能、清洁、可储存的理想能源载体，在生物质能转化和利 用方面受到全世界越来越多的关注。1.2 主要制氢方法及物化法的缺点氢能源是一种二次能源，要靠相应的生产来获得。氢能的制取目前有多种 方法，既可通过物理化学方法对化合物进行重整、分解、光解或水解等

5、方法获 得，也可通过电解水制氢，或是利用产氢微生物进行发酵或光合作用来制得氢 气。物理化学方法制氢包括：碳水化合物裂解、甲烷气化裂解、非催化部分氧 化石油、热化学循环制氢和等离子制氢等，裂解反应体系温度在 850 度以上，能 耗较高；矿物燃料制氢伴有 CO 排放，污染环境；矿物燃料制氢，水电解制氢和 热化学循环制氢的原料成本和设备投资高；等离子制氢则能耗过大1。1.3 生物制氢的特点及暗发酵的优势生物制氢由于具有反应过程无污染，利用的是废弃生物质等可再生资源， 能够在常温常压下进行高效率、低能耗制氢等优点而备受关注。生物制氢包括 光驱动和厌氧发酵两条路线。光发酵制氢过程主要由藻类等光合细菌实现

6、，利 用二氧化碳和水产生氢气；也可利用一些光合异养菌利用乙酸、丙酸、丁酸等 有机酸产生氢气与二氧化碳。厌氧发酵法生物制氢又称暗发酵制氢，在厌氧条 件下，利用厌氧化能异养菌将有机废物转化为有机酸进行甲烷发酵，氢作为副 产品获得 2 。相比光发酵产氢，暗发酵制氢有很多优点：暗发酵产氢菌株的产 氢速率高于光合产氢菌株，而且发酵产氢细菌的生长速率较快；发酵法生物制 氢不需光源，不但可以实现持续稳定产氢，而且反应装置的设计、操作及管理 方便简单；发酵生物制氢设备的反应容积可达到足够大，从而可以从规模上提 高单台设备的产氢量；可生物降解的工农业有机废料都可能成为发酵法生物制 氢的原料，来源广泛且成本低廉；

7、兼性的发酵产氢细菌更易于保存和运输 3 所以目前发酵法生物制氢技术比光合生物制氢技术发展更快，已经实现规模化 工业化生产，受到国内外广泛关注。本文针对生物制氢暗发酵微生物、产氢的影响因素、可作为基质的生物质 以及生物制氢方向加以论述。第二章 暗发酵制氢的微生物暗发酵制氢是异养型厌氧细菌利用碳水化合物等有机物 ,通过暗发酵作用 产生氢气，可利用有机物质产氢的厌氧微生物有较多种， 主要分为严格厌氧菌 和兼性厌氧菌两大类。严格厌氧菌主要包括梭菌属 (Clostfidium sp. )、脱硫 弧菌属(Desulfovibrio sp.)等菌属的细菌，而兼性厌氧菌主要包括肠杆菌属 ( Ent e r o

8、 bact e r s p . ) 、埃希氏杆菌属( E s ch e r i ch i a s p ) 、芽孢杆菌属( Bac i l l u s sp.)和克博雷氏菌属(Klebsiella sp.)等4。另外，其他主要的产氢菌有类 芽抱菌属(Paenibacillus sp. )、丁酸芽抱杆菌属 (Trdiurnbutyricum sp.)、 柠檬酸细菌属(Ci trobac ter sp.)、甲烷球菌属(Me thanococcus sp .)、巨型 球菌属(Megasphaera so.)、韦荣氏球菌属(Veillonella sp.)、互养球菌 (Syntrophococcus s

9、p.)、醋弧菌属(Acetivibrio sp.)、线形醋菌属 (Acetofilamentum sp.)、醋微球菌属(Acetomicrobium sp.)、拟杆菌属 (Bacteroides sp.)、闪烁杆菌属(Fervidobactrium sp.)、盐厌氧菌属 (Halomaerobacter sp.)、拟盐杆菌属(Halobacteroides sp.)、互营杆菌属 (Syntrophobcter sp.)、栖热袍菌属(Thermotoga sp.)、栖热粪杆菌属 (Coprothermobacter sp.)、盐胞菌属(Halocella sp.)、盐厌氧杆菌属 (Halonae

10、robiacter sp.)、嗜热盐丝菌属(Halothermothrix sp.)、嗜热产氢 菌属(Thermohydrogenium sp.)、科里氏杆菌属 (Coribacterium sp.)、真杆菌 属 (Eubacterium sp.)、毛螺菌属 (Lachnospira sp.)、热厌氧菌属 (Thermoanaerobium sp.)、粪球菌属(Coprococcus sp.)、瘤胃球菌属 (Ruminococcus sp.)等5。近年来，Ren等发现了新一类的发酵产氢细菌，命 名为 Biohydrogenbacterium genus sp .女口 Rennanqilyf l

11、、Rennanqilyf 3 和B49等菌种，这类细菌发酵产氢达到了 32.28 mol(H ) / kg(干细胞)h2的最大产氢速率和2.383 m 3(H )/ m3 (培养液)的氢气产量。根据世界最近的2 参考资料，它的产氢能力是水平最高的。 目前研究较多且产氢能力较为理想的 微生物是梭菌属、肠杆菌属、埃希氏肠杆菌属和杆菌属等四类，其中尤以梭菌 属和肠杆菌属研究得最多。暗发酵制氢的微生物大多隶属于厌氧菌中的梭状芽抱杆菌属， 如丁酸梭状 芽抱杆菌(C. buytricum)、嗜热乳酸梭菌(C. thermolacticum)、巴氏梭菌 (C. pasteurianum)、类腐败梭菌(C .

12、 paraputrificum M-21 )以及双酶梭 菌(C. bigermentan七$)等7。梭酸菌属产氢过程都是在其生长曲线中的指数 生长阶段进行。当梭酸菌批式生长过程一旦进入停滞期， 代谢途径将由产氢或 产酸相向产有机溶剂迁移。中温污泥产氢微生物多样性研究表明梭酸菌可占 64.6% 8 。可通过热处理生物污泥得到优势梭酸菌。其高温条件下产生的孢子 在特定产氢温度下恢复活性。最近，KAMALASKAR等利用Clostridium sp. DMHC 10作为菌种， 葡萄糖作为基质，在反应器温度37C, pH值为5.O的条件 下分批培养，同时鼓入N并且供应有机N源，得到的最大氢气产量为3.

13、352mol(H ) / mol(底物。2肠杆菌也是暗发酵制氢的常用菌种。 张露思，任南琪等运用连续流实验装 置 考察了 E.habinense YUAN-3的产氢条件，得出结论：在pH值在3.6-4.3 之间最有利于乙醇发酵和丁酸发酵产氢细菌的释氢发酵；在发酵时间为 44 h 时获得最大比产氢速率和单位体积产氢速率分别为5.29 mol(H ) /mol(底物)2和72.24mmol/L -ha。同时肠杆细菌某些种可通过混合酸或 2-3 丁醇发酵代 谢葡萄糖。这两种代谢过程除生成乙醇和 2-3丁醇外，还可进行甲酸裂解生成 二氧化碳和氢气。除了常规的发酵产氢菌以外， 对极端嗜热菌、耐酸菌的筛选

14、也受到足够重 视。Van Niel 等研究了极端嗜热菌 Caldicellulosiruptor saccharolyticus 和Thermo toga elfi，二者发酵六碳糖产氢得率分别达到3.3 mol和2 mol氢气，而且能够转化废纸浆等富含木质纤维素的生物质为氢气7。Shin报道热厌氧杆菌属T.thermosaccharolyticum以及地热脱硫肠状菌Desufotomaculum geotherrnicum菌株高温酸性条件下产氢过程。近年来， Kanai等从日本温泉中分离得到的一株产氢嗜热球菌Thermococcuskodakaraensis KOD1,其最适生长温度高达 85

15、C】i2。Collet等发现嗜热乳酸 梭菌Clostridium thermolacticum在58C下能利用乳糖生成氢气。第三章 暗发酵产氢的影响因素3.1 温度的影响温度是影响微生物生长和生理代谢的重要因素之一， 不同的微生物最适生 长和产氢温度不同。在合适的范围内，通过增加温度的方法可以提高产氢菌的 产氢能力。在最佳温度时获得最大产氢量和最大产氢速率。 暗发酵的反应温度 可分为中温（15C40C）,高温（40C65C）,以及超高温（80C）i4。 目前，文献中报道的绝大部分发酵细菌的产氢温度都在中温范围内，通常为 30-40 C。李永峰等从生物制氢反应器中分离到Rennanqilyfl和

16、Rennanqilyf6，其最适生长温度为3639 C，最佳生长温度为38C】i5。但是 近几年,研究者们发现高温条件下发酵细菌的代谢活动更快, 具有更高的产氢 量和产氢速率，如方汉平等对比了中温条件下（37 C ）和高温条件下（55 C） 活性污泥处理淀粉废水发酵产氢能力, 结果表明高温条件下具有更高的产氢量 16。O-Thong 等对 Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum PSU-2 的 研究表明，其最适的细胞生长和产氢温度为 60C17。3.2 pH 值的影响pH值对发酵细菌的产氢代谢活性和发酵产物组成均有重要影响，因此对 发酵细菌最适产氢p