微生物制氢

• 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。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。
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
• 水气转换是CO与H2O转化为CO2和H2的反 应。以甲烷或水煤气为起点的制氢工业均 涉及CO的转换，因此水气转换是工业制氢 的一个基础反应。水气转换属放热反应， 高温不利于氢的生成，然而高温有利于动 力学速率提高。
• 过去是用化学的方法进行水气转化
• 现在出现了利用微生物进行水气转化的方 法
微生物暗发酵及CO-水气转换制 氢的总况
• 相对与光合微生物制氢，暗发酵体系和CO水气转换系统具有较强的实际运用前景
• 目前以葡萄糖，污水，纤维素为底物并不 断改进操作条件和工艺流程的研究较多。
• 我国也在暗发酵制氢上取得了一定的成果
• 采用细胞固定化技术，可以实现稳定的产 氢与储氢。
• 但为保证较高的产氢速率，实现工业规模 的生产，还必须进一步地完善固定化培养 技术，优化反应条件，如培养基的成份、 浓度、PH等。
这两种无色硫细菌的优点：
• 1.生长较快,在短时间内可达到较高的细胞 浓度
• 2.产氢速率快，转化率高。其中Rubrivivax gelatinosus能够100%转换气态的CO成H2
• 3.对生长条件要求不严格，可允许氧气和硫 化物的存在
• 缺点：
• 然而，穿质速率的限制、CO抑制及相对的 动力学速率较低使其在经济上还无法和工 业上的水气转换过程竞争。
C6H12O6 + 2H2O→ CH3CH2CH2COOH + 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
• 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%。
• 为提高氢气的产率，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
• 当蓝细菌处于厌氧黑暗环境中一段时间后， 开始合成产氢酶
• 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
固氮酶：催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生
可逆氢酶：能够氧化合成氢气 吸氢酶：氧化由固氮酶催化产生的氢气
光合微生物产氢
• 高细胞密度、更高压力的操作，且配备有 CO2的收集系统，有可能得到一定的应用。
微生物制氢的三大方法
• 1.光合微生物产氢 • 2.微生物水气转换制氢 • 3.暗发酵制氢
3.暗发酵制氢
• 投入：各种有机物
•
•
微生物(暗发酵)
• 产出：氢气
• 许多厌氧微生物在氮化酶或氢化酶的作用 下能将多种底物分解而得到氢气。
已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机 废水的实例
• 目前研究得比较多的光合产氢微生物还有 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、液泡外红 螺菌等。
光合微生物制氢的总况
• 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。
微生物制氢
总纲
• 1.氢能的利用历史 • 2.生物制氢研究发展历程及现状 • 3.三大微生物制氢法 • 4.结语
1.氢能利用的曲折史
重视－ 20世经70年代世界性的能源危机爆发，制 氢技的实用性及可行性得到高度的重视， 当时的能源界将氢气誉为“未来燃料”.80 年代能源危机结束之前，人们对各种氢源 及其应用技术己经进行了大量的研究。
• 许多研究还都集中在细菌和酶固定化技术 上，离工业化生产还有很大差距
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。
• 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
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 物质和有机废水的高效分解系统。
40L生物制氢及氢能－电能转化一体化系统
450L生物制氢反应器
• 世界首例发酵法生物制氢生产线在哈尔滨 启动
直接光解产氢 间接光解产氢 光发酵产氢
光发酵产氢
有机物 光能异养型微生物
光能原理
• 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 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。
例－无硫紫细菌
• 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。
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。
重油氧化制氢重整法
• 缺点：反应温度较高，制得的氢纯度低， 也不利于能源的综合利用。
• 随着氢气用途的日益广泛，其需求量也迅 速增加。传统的制氢方法均需消耗大量的 不可再生能源，不适应社会的发展需求。 生物制氢技术作为一种符合可持续发展战 略的课题，已在世界上引起了广泛的重视。
• 德国、以色列、日本、葡萄牙、俄罗斯、 瑞典、英国、美国等都投入了大量的人力 物力对该项技术进行研究开发
?德国以色列日本葡萄牙俄罗斯瑞典英国美国等都投入了大量的人力物力对该项技术进行研究开发?近几年美国每年由于生物制氢技术研究的费用平均为几百万美元而日本在这一方面研究领域的每年的投资则是美国的5倍左右而且在日本和美国等一些国家为此还成立了专门机构并建立了生物制氢发展规划以期通过对生物制氢技术的基础和应用的研究使在21世纪中叶使该技础和应用的研究使在21世纪中叶使该技术实现商业化生产
• 然而当绿藻缺少硫这种关键性的营养 成分，并且被置于无氧和光照环境中 时，绿藻就会回到另一种生存方式中 以便存活下来，在这种情况下，绿藻 就会产生氢气。
基本过程如图
光合微生物产氢
直接光解产氢 间接光解产氢 光发酵产氢
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)
• 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%，就可以同其他能源竞争。
微生物制氢的三大方法
• 1.光合微生物产氢 • 2.微生物水气转换制氢 • 3.暗发酵制氢
• 1949年，Gest等研究证明深红红螺菌在有 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
直到现在，各种生物制氢方法都还 不是很成熟
• 现有的研究大多为实验室内进行的小型试 验，采用批式培养的方法居多，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，连续稳定运行期超过40天 的研究实例少见报道。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
•
开发中国的生物制氢技术需要做到以下的政策和软 件支持：
•
(1)鼓励宣传。人是生物能源的生产主体和
• 近几年，美国每年由于生物制氢技术研究 的费用平均为几百万美元，而日本在这一 方面研究领域的每年的投资则是美国的5倍 左右，而且，在日本和美国等一些国家为 此还成立了专门机构，并建立了生物制氢 发展规划，以期通过对生物制氢技术的基 础和应用的研究，使在21世纪中叶使该技 术实现商业化生产。在日本，由能源部主 持的氢行动计划，确立的最终目标是建立 一个世界范围的能源网络，以实现对可再 生能源--氢的有效生产，运输和利用。该计 划从1993年到2020年横跨了28年
• 这些底物包括：甲酸、丙酮酸、CO和各种 短链脂肪酸等有机物、硫化物、淀粉纤维 素等糖类。
• 这些原料广泛地存在于工农业生产的高浓 度有机废水和人畜粪便中。利用这些废弃 物制取氢气，在得到能源的同时还起到保 护环境的作用。
例如
C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2
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 代表菌株为： Rhodospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of
culture/h; Rb.spheroides: 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h
• 6CO2+10H2O→C6H12O6+4H2↑+8O2↑
例－绿藻
• 绿藻属于人类已知的最古老植物之一，通过 进化形成了能生活在两个截然不同的环境中 的本领。
• 当绿藻生活在平常的空气和阳光中时，它像 其他植物一样具有光合作用。光合作用利用 阳光，水和二氧化碳生成氧气和植物维持生 命所需要的化学物质。
• 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，但电解水制氢能耗仍然很高。
烃类水蒸汽重整制氢
• CnH2n+2+nH2O→nCO↑+(2n+2)H2↑
• 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。
• 目前己发现两种无色硫细菌Rubrivivax gelatinosus和Rubrivivax rubrum能进行如 下反应 ：
• CO(g) + H2O(l) → CO2(g) + H2(g)
• 这提供了利用合成气转换制氢的新途径
• 微生物水气转换制氢
投入：CO与H2O
微生物
产出： CO2和H2
• 冷落－
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。
• 重新重视－
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。利用化石燃料不是长久之计。此时， 世界再次把目光“聚焦”在制氢技术上。
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
微生物制氢的三大方法
• 1.光合微生物产氢 • 2.微生物水气转换制氢 • 3.暗发酵制氢
光合微生物产氢
投入：光能 产出：氢气
光合微生物产氢
直接光解产氢 间接光解产氢 光发酵产氢
光能
直接光解产氢
光能自养型微生物
氢气
特点：直接利用光能产生氢气
• 至今对细菌光合产氢的具体步骤没有定论 • 设想反应机理以下式简单表示：
2.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。
• 1942年，Gaffron和Rubin发现海藻－栅藻 能通过光合作用放出氢气。
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 + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2 +6H2O 产氢反应
C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2 +6H2O
例－蓝细菌
• 蓝细菌主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、 蓝藻类