4.生物制氢
生物制氢技术
厌氧微生物发酵产 氢主要有甲酸分解 产氢和通过NADH 的再氧化产氢等两 条途径。
葡萄糖到丙酮酸的途径 是所有发酵的通用途径。
NADH－－氢化还原酶 （烟酰胺腺嘌呤二核苷 酸） Fd－－铁氧还蛋白
厌氧微生物法制氢原理
厌氧发酵微生物为异养微生物。在这类微生物群体中，由 于缺乏典型的细胞色素系统和氧化磷酸化途径，厌氧生长 环境中的细胞面临着产能氧化反应造成电子积累的特殊问 题。
热化学转化法制氢原理
生物质热裂解制氢
生物质热裂解是在隔绝空气或供给少量空气的条件下使生 物质受热而发生分解的过程。 一般生物质热解产物有可燃气体、生物油和木炭。根据工 艺的控制不同可得到不同的目标产物。
生物质热裂解制氢就是对生物质进行加热使其分解为可燃 气体和烃类。 为增加气体中的氢含量，需要对热解产物再进行催化裂解， 使烃类物质继续裂解，对热解气体进行重整，将甲烷和一 氧化碳也转化为氢气。 最后采用变压吸附或膜分离的方式分离出氢气。
混合产氢系统中发酵细菌和光合 细菌利用葡萄糖产氢的生物化学 途径和自由能变化如右图：
从图中所示自由能可以看出，由于反应只能向自由能降低的方向进行，在分解所得有机酸 中，除甲酸可进一步分解出H2和CO2外，其他有机酸不能继续分解。 这是厌氧细菌产氢效率很低的原因所在，产氢效率低是厌氧细菌产氢实际应用面临的主要 障碍。 然而光合细菌可以利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的正自由能堡垒，使有机酸 得以彻底分解，释放出有机酸中所含的全部氢。 另一方面由于光合细菌不能直接利用淀粉和纤维素等复杂的有机物，只能利用葡萄糖和小 分子有机酸，所以光合细菌直接利用废弃的有机资源产氢效醇制氢 石油制氢等
生产成本主要取决于原料价格，制气成本高，应用受到限制。
生物制氢
生物制氢环工1402 2014011315许江东摘要：基于2H2+O2＝2H2O，氢气燃烧不产生CO2这种温室气体，所以氢气被称为清洁能源，具有广大的应用前景，导致制氢技术具有很高的研究价值。
简要概述了生物制氢的几种方法，包括光发酵、暗发酵、两步发酵、光解水等技术，并在此基础上，探讨可能的突破方向。
关键字：生物制氢；光解水；光发酵；暗发酵；两步发酵引言如果把社会比作一台机器，那么能源就是这台机器必不可少的能量来源。
现如今全球大部分的能源来自于化石燃料的燃烧，这不仅产生了大量的CO2等温室气体，还浪费了这种不可再生能源。
氢气燃烧仅产生水，而且放热远大于碳水化合物。
氢气燃烧的最高热值是122 kJ/g，比碳水化合物燃料高2.75倍【1】。
在生物制氢之前，已经有了一些制氢技术。
①水电解法:以铁为阴极面,镍为阳极面的串联电解槽(外形似压滤机)来电解苛性钾或苛性钠的水溶液,阳极产生02,阴极产生H2。
该方法成本较高,在电解过程只有15%的电能最终被转化为氢能,高达85 %的电能得不到合理利用被白白地浪费掉。
但产品纯度大,可直接生产99.7%以上纯度的氢气。
目前工业用氢总量的4%来源于水电解法。
②热化学法:这种方法采用高温热解进行制氢,水在3000 °C条件下会发生热化学反应,生成H2和02。
该方法对温度的要求较高,因此设备和能源的要求和花费较大,虽然经过研究人员的不懈努力,现在已经将热解温度降低到1000°C,但是与其他方法相比依然成本过高消耗过大。
③等离子化学法:以石油、煤、天然气与水蒸气等物质为原料进行一系列反应生成水煤气,然后将水煤气和水蒸气一起通过灼热的Fe203(氧化剂)后就会产生C02和H2,经过简单的气体分离和干燥技术即可得到氢气。
④光电化学法:这是一种比较新的方法,主要原理就是利用一些半导体材料和电解质溶液使其组成光电化学电池,在阳光照射下通过电化学方法生产出H2的过程。
生物制氢技术现状及其发展潜力
生物制氢技术现状及其发展潜力引言：随着人类对清洁能源需求的不断增加，生物制氢技术作为一种潜在的可再生能源解决方案，备受关注。
本文将探讨生物制氢技术的现状以及其未来的发展潜力。
一、生物制氢技术的现状1. 生物制氢技术的基本原理生物制氢技术是利用微生物通过发酵过程产生氢气。
这些微生物可以利用有机物质，如葡萄糖或纤维素等，通过酶的作用将其转化为氢气和二氧化碳。
这一过程被称为发酵产氢。
2. 目前已知的发酵产氢微生物目前已知有多种微生物可以用于发酵产氢，包括厌氧菌类、光合菌类和产氢细菌等。
这些微生物具有不同的特性和适应环境的能力，可以在不同的条件下产生氢气。
3. 生物制氢技术的优势和挑战生物制氢技术相比传统的化学制氢方法具有以下优势：可再生、清洁、低碳排放。
然而，生物制氢技术也面临一些挑战，如微生物的培养和维持、产氢效率的提高以及废水处理等问题。
二、生物制氢技术的发展潜力1. 生物制氢技术在能源领域的应用前景生物制氢技术可以用于替代传统的化石燃料，成为未来能源的重要来源之一。
利用生物制氢技术产生的氢气可以用于发电、交通运输等领域，实现能源的清洁和可持续发展。
2. 生物制氢技术的创新和改进随着科学技术的不断进步，生物制氢技术也在不断创新和改进。
研究人员正在开发新的微生物菌株，改进发酵产氢的效率和稳定性。
此外，一些新的方法和技术，如基因工程、微生物群落工程等，也被应用于生物制氢技术的改进中。
3. 生物制氢技术与其他能源技术的结合生物制氢技术可以与其他能源技术相结合，形成多能源系统。
例如，将生物制氢技术与太阳能、风能等可再生能源相结合，可以实现能源的互补和稳定供应。
4. 生物制氢技术在环保领域的意义生物制氢技术的发展不仅可以解决能源问题，还可以减少环境污染和温室气体排放。
生物制氢技术可以将废弃物和废水转化为有用的能源，从而实现废物资源化和环境保护的双重目标。
结论：生物制氢技术作为一种可持续发展的能源解决方案，具有巨大的发展潜力。
生物制氢
阻碍氢气成为新能源的原因
一是在自然界中氢气含量低； 二是目前人工获得氢气需以耗费大量能源为代价。 由于全球对氢气需求量的增加, 找到一种高效 率、低能耗的产氢方法已迫在眉睫。
生物制氢及其优势
生物制氢是一项“绿色技术”, 它是通过微 生物发酵或者光合微生物的作用, 将有机废弃物进 行分解, 获得氢气的一种技术。
生物制氢
微生物资源学
资环074班 王建涛 06107116
矿物能源的利用现状
生物制氢的机理及展方向
矿物能源的利用现状
矿物能源即将枯竭 矿物能源利用造成严重的环境污染 人类期待着替代化石燃料的清洁能源出现
寻找清洁的能源已成为一项迫切的课题
清洁能源—氢能
氢能作为一个较新的研究项目，虽然在生物 制氢领域取得了一些成果，但对于要达到实用化 大规模工业生产的要求还有一定的差距，所以单 单从生物自身的角度去解决放氢问题，还存在着 巨大的障碍，需要从其它角度进行思考。
研究方向
开阔思路,走多学科交叉的路子； 提高光能转化效率,合理利用光能； 研究可以达到工业化生产规模的生物制氢反应设备； 尽量利用废水来培养,同时节约了经费,还可以改善环境； 尽量利用藻类的副产品,许多藻类自身就是有用的产品。
对产氢菌进行基因改造
基因工程的发展和应用为生物制氢技术开 辟了新途径,通过对产氢菌进行基因改造,提高 其耐氧能力和底物转化率,可以提高产氢量。 从长远来看,利用生物制氢将会是制氢工 业新的发展方向。也许某天生物制氢可以取得 革命性的突破,那它将会为人类的生活带来巨 大的改变。
结束语
随着对能源需求量的日益增加,对氢气的需求 量也不断加大,改进旧的和开发新的制氢工艺势在 必行。 我们相信, 随着科学技术的进一步发展, 会有 更为有效的生物制氢处理工艺被发明并应用于实 践，从而真正实现由“废物”变“财富”的梦想。
第四章 生物氢气
4.1.2 氢的特性
• 在大自然中，氢主要以化合态的形式存在于水、石油、煤 炭、天然气、各种生命有机体及其有机产物中。 • 地球表面约71%为水所覆盖，储水量很大，其中海洋的总 体积约为13.7亿km3，因此，水是氢的大“仓库”，以原子百
分比表示，水中含有11%的氢。
• 生物体及其所产生的各种有机物中也含有大量的氢，而地球 上有机物归根结底来源于光合作用，其中蕴藏的氢来源于水。 • 由于氢气燃烧后仍然形成水，所以，水和有机物是氢气 “取之不尽、用之不竭”的源泉，关键是用什么样的方法从水
机酸对环境危害的隐患，暗、光发酵偶联制氢技术有望成
为由废弃物或废水制氢的清洁生产工艺； 蓝细菌和绿藻进行裂解水制氢，尽管目前生物裂解水制 氢技术在效率上仍处于劣势，但其以水为制氢底物，在原 料上具有优势。 虽然，许多固氮菌也具有产氢能力，但是因为这类微生 物产氢时需要的ATP来源于氧化有机物，而这些微生物氧 化有机物产生ATP的效率非常低，所以，相对于以上其他
大大加快。
4.2 生物制氢原理
• 自Nakamura于1937年首次发现微生物的产氢现象，到 目前为止已报道有20多个属的细菌种类及真核生物绿藻具 有产氢能力。其中，产氢细菌分属兼性厌氧或厌氧发酵细 菌、光合细菌、固氮菌和蓝细菌四大类。 • 依据产氢能力，目前备受关注的微生物产氢代谢途径主 要有三种：来自4.1 氢气的燃料特性
4.1.1 氢气的性质
• 在各种气体中（包括空气等混合气体），氢气的相对密
度最小。标准状况下（常压与0℃时），H2以无色、无味无 臭的气体存在，1L氢气的质量是0.0899g；在常压下，温
度为-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；温度为259.1℃时，变成雪状固体。 • 由于氢键键能大，燃烧1g氢能释放出142kJ的热能，是 汽油发热量的3倍。与汽油、天然气、煤油相比，氢的质 量特别轻，携带、运送方便，因而是航天、航空等高速飞
生物制氢技术.、看
4 . 暗发酵生物制氢技术
3 研究气体快速分离技术，减少因氢、二氧化 碳分压增加抑制产氢速率———膜技术的使 用；
4 防止因一氧化碳积累对PEMFC的毒害；
5 诱变高产氢能力的菌株；
6 优化反应器的设计—如固定床的使用
结语
• 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。
4、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。
• 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
• 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
（3）光发酵产氢
有机物 光能异养型微生物
光能
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 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。
探索生物质新能源之微生物制氢技术
微生物课程论文
探索生物质新能源之微生物制氢技术
子产生的甲酸可以通过铁氧还原蛋白和氢酶生成二氧化碳和氢气。
而辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢则是在碳水化合物发酵过程中，经ＥＭ Ｐ途径产生的 NADPH 和氢离子可以通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇和乳酸 等发酵过程相偶联而氧化为 NADPˉ，以保证代谢过程中的 NADPH/NADP+的 平衡，因而可以分为丁酸型发酵和乙醇型发酵。发酵细菌可以通过释放氢气的形 式实现 NADPH 与 NADP+之间转化，这种转化在标准状况下不会自发进行，但 在ＮＡＤＰ－铁氧还原蛋白及铁氧还原蛋白酶作用下能够进行，反应式是： NADPH+H+→H2+NADP+。
许多光合细菌在黑暗条件下可以通过厌氧发酵产氢。 4.1.2厌氧发酵产氢机理
发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气，包括梭菌属、固氮 菌属、肠杆菌属、鱼腥蓝细菌属、甲烷球菌属等。发酵产氢分为直接产氢的丙酮 酸脱羧产氢和辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢两类。
丙酮酸脱羧作用分为两种方式：第一种是丙酮酸首先在丙酮酸脱羧酶的作用 下脱羧形成硫胺素焦磷酸-酶的复合物，同时将电子转移给还原态的铁氧还原蛋 白然后在氢酶的作用下重新氧化成氧化态的铁氧还原蛋白，产生分子氢；第二种 是通过甲酸裂解的途径产氢，丙酮酸脱羧后的甲酸及厌氧环境中二氧化碳和氢离
2 关于生物质能源
生物质指所有的动、植物和微生物，是通过光合作用而形成的各种生命有机 体。生物质能源，就是贮存在生物质中的以其为载体的能量。它直接或间接来源 于植物的光合作用，可转化为固态、液态 和气态燃料，取之不尽、用之不竭、 可再生。生物质能来源于太阳，所以， 从广义上讲，生物质能是太阳能的一种 存在形式。
生物制氢气
可再生生物质资源共同热分解制备富氢气体的研究现状摘要：生物质资源丰富，对环境的友好性以及可再生性受到了越来越广泛的重视。
氢，清洁无污染，高效，可存储和运输，被视为最理想的能源载体和将来矿物燃料的可替代能源。
生物质热化学转化制取富氢气体的技术路线也为氢能源系统的发展提供了广阔的前景，同时热解产生的大量副产物活性C可以应用于多个方面。
本文主要介绍了生物质热化学转换制氢的一些方法，当前存在的问题，研究进展以及解决的方法，并对未来的发展和应用前景做出了一定的预测,以及副产物活性C在土壤重金属污染防治中的一些应用。
关键词：生物质；氢；热解；活性炭；土壤重金属Abstract: Biomass is an abundant resource in nature, because of its’ environmental friendly and renewable characters, it has aroused more and more concerns about its’ value nowadays. The hydrogen ,which is clean and pollution-free、high-efficiency、easy to storage and transport ,having been regarded as the most ideal energy carrier and the best alternative energy of fossil fuel. The research about Pyrolysis of biomass to make hydrogen-rich gas has provided us the wider prospect of the use of hydrogen energy system, at the same time the by-products of the pyrolysis: carbon can be used in many fields. This essay mainly introduces different methods about pyrolysis of biomass to produce hydrogen-rich gas, the issue in those researches, researching progress and ways to solve these problems and make some predictions about future progress and application, meanwhile the use of by-products: active carbon in the fields of prevention management of heavy metals.Key words：biomass; hydrogen; pyrolysis; active carbon; heavy metals in soil前言：能源战略的需要：能源是人类生存和发展的重要物质基础，是人类从事各种经济活动的原动力，也是人类社会经济发展水平的重要标志。
生物制氢展望
生物制氢展望1 生物制氢原理广义地讲，生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括微生物产氢和生物质气化热解产氢等[4，5]。
狭义地讲，生物制氢仅指微生物产氢，包括光合细菌（或藻类）产氢和厌氧细菌发酵产氢等[2，6，7，8，9]。
本文只讨论狭义上理解的生物制氢，这也是利用生物制氢的主要研究方向[3，6]。
迄今为止一般采用的方法有:光合生物产氢，发酵细菌产氢，光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。
1.1生物制氢的三种方法1）光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能[8，10]。
目前研究较多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等[6，11]。
2）发酵细菌产氢利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢[8]。
能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等[6，11]。
与光合细菌一样，发酵型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶的作用下将底物分解制取氢气，底物包括：甲酸、乳酸、丙酮酸及各种短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维素二糖，硫化物等。
发酵气体中含H2 (40 %～49 %) 和CO2(51 %～60 %) 。
CO2经碱液洗脱塔吸收后，可制取99. 5 %以上的纯H2 。
产甲烷菌也可被用来制氢。
这类菌在利用有机物产甲烷的过程中，首先生成中间物H2 、CO2 和乙酸，最终被产甲烷菌利用生成甲烷。
有些产甲烷菌可利用这一反应的逆反应在氢酶的催化下生成H2[11]。
3)光合生物与发酵细菌的混合培养产氢由于不同菌体利用底物的高度特异性，它们能分解的底物是不同的。
要实现底物的彻底分解并制取大量H2，应考虑不同菌种的共同培养。
Yokoi H.等采用丁酸梭菌( Clost ridiumbutylicm )、产气肠杆菌( Enterobacter aerogenes) 和类红球菌( Rhobacter sphaerbdies)共同培养，从甜土豆淀粉残留物中制取H2 ，可连续稳定产氢30 天以上，平均产氢量为4.6molH2/mol葡萄糖，是单独利用C.butylicm产氢量的两倍。
生物电解制氢技术
生物电解制氢技术随着全球能源危机的日益加重，传统石油、煤炭等化石能源的迅速枯竭，人类对清洁、可再生能源的需求也日益增加。
其中，氢能作为一种非常理想的清洁能源备受关注，并逐渐成为国际上发展清洁能源的重点之一。
而生物电解制氢技术作为一种新兴的制氢技术，其在氢能领域中的应用前景备受关注，下面让我们一起来了解一下。
一. 生物电解制氢技术生物电解制氢技术是利用微生物的代谢特性，实现水分子的分解，从而产生氢气的一种新型制氢技术。
具体来说，该技术是将一些特殊菌群放置在电极表面，当这些菌群遇到电子时，就会发生代谢反应，将水分解为氢气和氧气。
这种技术的最大特点就在于利用了微生物的生命特性，将其转化为能量储存单位之一，实现了总和反应的可逆性。
二. 技术的优势相比其他制氢技术，生物电解制氢技术具有明显的优势。
首先，该技术产生的氢气是极为纯净的，可以避免环境污染。
其次，生物电解制氢具有很高的能量利用效率，比如纯种光合作用微生物产氢气的能量转化利用率高达22%左右，比其他制氢技术的效率要高很多。
此外，在生产压力方面，生物电解制氢技术也具有很大的优势，它可以在常压下进行制氢反应，从而实现低成本制氢。
三. 技术的应用前景生物电解制氢技术因其优越的性能，已经在很多领域得到了应用。
目前，该技术主要应用于氢能、环保、能源等领域，可以广泛应用于氢能源供应等领域。
同时，生物电解制氢技术还可以发挥很好的环保作用，可广泛应用于废水处理、环境污染防治领域。
在能源领域，生物制氢技术还可以用于生产燃料电池，将其与燃料电池相结合发电，这样可以得到更加高效的能源利用效果。
四. 技术的发展现状尽管生物电解制氢技术已经在实验室阶段取得了很多进展，但目前该技术在实际应用中仍然存在技术难题。
例如，如何扩大生产规模、如何提高产气率和使用寿命等问题亟待解决。
同时，生物电解制氢技术在高纯氢气的生产方面仍然需要更多研究。
在这方面，我国相关领域的科学家和技术专家正在积极地进行研究探索，希望能通过技术创新，解决当前生物电解制氢技术面临的难题。
生物氢气的制备与应用研究
生物氢气的制备与应用研究在可再生能源的发展中，生物能源食品链被认为是一种有前途的新型能源，其中生物氢气作为一种新兴能源，具有可再生、无污染等特点，备受关注。
本篇文章将介绍生物氢气的制备方法及其应用研究进展。
一、生物氢气的制备方法1. 光生物制氢法光生物制氢法是通过采用微生物进行光合作用或发酵，利用生物体内光合作用或发酵过程中产生的氢气来制备生物氢气。
该方法适用于绿藻、蓝绿藻、细菌、真菌等各种生物体。
2. 快速厌氧发酵法快速厌氧发酵法是利用厌氧细菌进行快速发酵，通过厌氧菌的代谢过程中产生氢气来制备生物氢气。
该方法适用于豆类、谷物、水果等食物垃圾。
3. 生物电化学制氢法生物电化学制氢法是通过微生物的电子传递过程，利用外加电势的作用，促进微生物在电极表面运动并代谢产生氢气，从而实现生物氢气的制备。
二、生物氢气的应用研究进展1. 生物氢气在能源领域的应用研究生物氢气作为可再生能源，已经成为氢燃料电池的理想能源来源。
生物氢气可以直接用于燃烧发电，也可以用于氢燃料电池发电。
在需要高纯度氢气的场合，可以采用分离技术将生物氢气提取出来，得到高纯度氢气后进行储存和利用。
2. 生物氢气在环保领域的应用研究生物氢气的制备过程中不会产生有害物质，不会对环境产生污染。
同时，生物氢气作为一种清洁能源，能够有效减少空气污染和温室气体排放，因此在环保领域有着广泛的应用前景。
3. 生物氢气在农业领域的应用研究生物氢气可以作为肥料使用，可以促进农作物的生长，提高农作物的产量和品质，同时可以减少农药的使用，保证农作物的生态环境。
此外，生物氢气可以用于畜牧业的粪便处理，将动物粪便中的有机物分解，生产氢气，减少有机物的污染和对环境的危害。
结语生物氢气作为一种新型能源，有着广泛的应用前景，在能源、环保、农业等领域的应用中都有着重要的作用。
随着技术的不断进步和应用场景的不断扩大，相信生物氢气在未来的发展中会有着更加广阔的空间和更加深刻的影响。
生物制氢过程的运用前景和发展方向课件
暗发酵体系：
500L
2.5 KW PEMFC
1000L
5.0 KW PEMFC
CO-水气转换系统:
624L
2.5 KW PEMFC
1250L
5.0 KW PEMFC
一个工程化问题：当反应器容积 增大后，因为传质、单位细胞容 积负荷、光通路等变化对产氢反 应速率的变化
四.生物制氢技术的发展方向
1.绿藻直接光解水制氢技术 （1）通过基因工程水段改变集光复合体尺寸，
占整个氢气产量的4%左右
3.基于生物技术的方法
藻类和蓝细菌光解水； 光合细菌光分解有机物； 有机物的发酵制氢； 光合微生物和发酵性微生物的联合运用 生物质制氢
生物制氢的优点
耗能低、效率高； 清洁、节能和可再生； 原料成本低，制氢过程不污染环境； 一些生物制氢过程具有较好的环境效益
2.间接光解产氢（蓝细菌） 蓝细菌主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类
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
总反应式为：
12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2 C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2 代表性菌（藻）株：
（2）Patrick C. Hallenbeck, John R. Benemann. Biological hydrogen production; fundamentals and limiting processes. International Journal of Hydrogen Energy 27 (2002) 1185 – 1193.
生物制氢 综述
生物制氢综述
生物制氢是指利用生物体代谢产生的氢气作为能源的一种生产方式。
生物制氢技术具有环保、可持续、低成本等优点，因此备受关注。
本文将从以下几个方面进行综述。
一、生物制氢的原理
生物制氢的原理是利用微生物代谢产生氢气。
微生物可以利用有机物进行发酵代谢，产生氢气。
常见的微生物有厌氧菌、光合菌、嗜热菌等。
其中，厌氧菌是生物制氢中最常用的微生物。
厌氧菌能够将有机物分解成简单的有机酸，然后通过酸化反应产生氢气。
二、生物制氢的优点
1. 环保：生物制氢不会产生二氧化碳等有害气体，对环境没有污染。
2. 可持续：生物制氢利用的是生物体代谢产生的氢气，是一种可持续的能源。
3. 低成本：生物制氢的原料是廉价的有机物，生产成本较低。
三、生物制氢的方法
1. 厌氧发酵法：利用厌氧菌进行发酵代谢，产生氢气。
2. 光合制氢法：利用光合菌进行光合作用，产生氢气。
3. 生物电化学法：利用微生物在电极上进行代谢反应，产生氢气。
四、生物制氢的应用
生物制氢技术可以应用于许多领域，如能源、环保、农业等。
其中，生物制氢可以作为一种清洁能源，用于替代传统的化石能源。
此外，生物制氢还可以用于污水处理、农业生产等领域。
五、生物制氢的挑战
生物制氢技术还存在一些挑战，如微生物的选择、发酵条件的优化、氢气的分离等。
此外，生物制氢的产氢效率还需要进一步提高。
综上所述，生物制氢是一种具有潜力的清洁能源技术。
虽然还存在一些挑战，但随着技术的不断发展，相信生物制氢技术将会得到进一步的发展和应用。
第四章生物质制氢技术
• （3） 循环流化床气化炉（CFBG）
物料被加进高温流化床后，发生快速热分解，生成气体、焦炭和焦油，焦炭随上升气流与CO2和 水蒸气进行还原反应，焦油则在高温环境下继续裂解，未反应完的炭粒在出口处被分离出来，经循
环管送入流化床底部，与从底部进入的空气发生燃烧反应，放出热量，为整个气化过程供热。由上
• 另一类是厌氧菌，利用碳水化合物、蛋白质等，产生H2、CO2和有机 酸。目前，利用厌氧进行微生物制氢的研究大体上可分为三种类型。 一是采用纯菌种和固定技术进行微生物制氢，但因其发酵条件要求严 格，目前还处于实验室研究阶段。二是利用厌氧活性污泥进行有机废 水发酵法生物制氢；三是利用连续非固定化高效产氢细菌使含有碳水 化合物、蛋白质等的物质分解产氢，其氢气转化率可达30%左右。
气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可以燃 烧的部分转化为可燃气的过程 • 产物的有效成分有：H2、CO、CH4、CO2等→需进行气体 分离以得到纯氢
1、生物质催化气化制氢技术
• 生物质催化气化制氢的主要流程如下，三个过程决定最终 氢气的产量和质量，即生物质气化过程、合成气催化变换 过程和氢气分离、净化过程。
• （4）钯合金薄膜扩散法 是根据氢气在通过钯合金薄膜时进行选择性扩散而纯化氢的一种方
法。此法可用于处理含氢量低的原料气，且氢气纯 度不受原料气质量 的影响。 （5）聚合物薄膜扩散法
这是利用差分扩散速率原理纯化氢的方法，输出的氢气纯度受原料 气含氢量和输入气流中的其他成分的影响。
利用各种氢气纯化法使氢气纯化，所得的氢气回收率有很大差别。 金属氢化物分离法、变压吸附法和聚合物薄膜扩散法的回收率一般在 70％－85％；低温分离法回收率达到95％；钯合金薄膜扩散法采用富 氢原料气时，回收率可达99％。
生物能源生物制氢与生物燃料
生物能源生物制氢与生物燃料随着全球对可再生能源的需求不断增加，生物能源作为一种环境友好、可持续发展的能源形式越来越受到重视。
生物制氢和生物燃料作为生物能源的两个重要形式，在能源领域具有广阔的应用前景。
本文将对生物制氢和生物燃料进行介绍，并探讨其在能源产业中的潜力。
一、生物制氢生物制氢是指利用微生物通过发酵过程产生氢气。
微生物通过代谢活动产生氢气，而不像传统的燃烧过程产生二氧化碳等有害气体。
生物制氢的过程可以通过两种方式实现：光合作用和厌氧发酵。
光合作用是指植物或藻类通过利用阳光能将二氧化碳和水转化为有机物时，产生氧气和氢气。
这种方式下，通过调节光合作用过程中相关酶的表达，可以提高氢气产量。
厌氧发酵是指微生物在无氧环境下分解有机物产生氢气。
厌氧发酵的生物制氢技术主要有：暗发酵法、厌氧消化法和微生物电解法。
这些方法可以利用生活垃圾、农业废弃物和生物质等有机物资源进行生产，为可再生能源的开发提供了新的途径。
生物制氢具有以下优点：可再生性、无污染、高能量密度和广泛的原料来源。
然而，生物制氢技术仍面临着挑战，如生产成本高、氢气产量低、反应过程中产生的副产物难以处理等问题。
因此，有效解决这些问题是推动生物制氢技术发展的关键。
二、生物燃料生物燃料是指利用生物质资源通过化学、物理或生物转化过程得到的可替代传统石油燃料的能源形式。
生物燃料主要包括生物乙醇、生物柴油和生物天然气等。
1. 生物乙醇生物乙醇是指通过发酵法将植物纤维素或蔗糖等糖类物质转化为乙醇。
生物乙醇作为一种可再生能源，在交通运输和工业领域具有广泛的应用前景。
与传统燃料相比，生物乙醇燃烧产生的二氧化碳排放量较低，对减少温室气体排放和缓解能源危机具有重要意义。
2. 生物柴油生物柴油是指利用植物油、动物油或废弃食用油等原料通过酯化或裂解等反应得到的燃料。
生物柴油具有高的可再生性和环境友好性，可以直接替代传统柴油使用，并且可以与传统柴油混合使用，减少对传统能源的依赖。
生物制氢
相关种类
光解水
光解水制氢是微藻及蓝细菌以太阳能为能源，以水为原料，通过光合作用及其特有的产氢酶系，将水分解为 氢气和氧气。此制氢过程不产生CO2。蓝细菌和绿藻均可光裂解水产生氢气，但它们的产氢机制却不相同。蓝细 菌的产氢分为两类：一类是固氮酶催化产氢和氢酶催化产氢；另一类是绿藻在光照和厌氧条件下的产氢则由氢酶 催化。
生物制氢
在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称
01 制备方法
03 相关种类 05 专利分析
目录
02 方法比较 04 已研类群 06 存在问题
生物制氢，生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称。
制备方法
生物制氢的方法： 1、生物发酵制氢装置 2、高效发酵法生物制氢膨胀床设备 3、高效微生物制氢及氢能-电能转化一体化装置 4、利用农作物生物质制氢及氢能发电装置 5、从生物质制取富氢气体的方法和装置 6、利用再生资源制备乙炔气体的方法 7、串行流化床生物质气化制氢装置及方法 8、折流发酵制氢反应设备 9、一种利用污水厂剩余污泥厌氧发酵制氢的方法与装置 10、有机固态物质的连续式超临界水气化制氢方法与装置
谢谢观看
方法比较
总体上，生物制氢技术尚未完全成熟，在大规模应用之前尚需深入研究。研究大多集中在纯细菌和细胞固定 化技术上，如产氢菌种的筛选及包埋剂的选择等。在上述生物制氢方法中，发酵细菌的产氢速率最高，而且对条 件要求最低，具有直接应用前景；而光合细菌产氢的速率比藻类快，能量利用率比发酵细菌高，且能将产氢与光 能利用、有机物的去除有机地耦合在一起，因而相关研究也最多，也是具有潜在应用前景的一种方法。非光合生 物可降解大分子物质产氢，光合细菌可利用多种低分子有机物光合产氢，而蓝细菌和绿藻可光裂解水产氢，依据 生态学规律将之有机结合的共产氢技术已引起人们的研究兴趣。混合培养技术和新生物技术的应用，将使生物制 氢技术更具有开发潜力。几种生物制氢方法的比较见下。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
24
25
原初反应——光化学反应
原初反应的光化学反应实际就是由光引起的反应中心色素分子与原 初电子受体间的氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程： P· A
基态反应中心
hv
P*· A
激发态反应中心
P+· － A
电荷分离的反应中心
反应中心出现了电荷分离(P+) (A-) ，到这里原初反应也就完成了。
36
光系统Ⅰ（PSⅠ）
PSⅠ由反应中心和
LHCⅠ等组成。反应中心内 含有11～12个多肽，其中 在A和B两个多肽上结合着 P700及A0、A1、FX、FA、 FB等电子传递体。每一个 PSⅠ复合体中含有两个 LHCⅠ，LHCⅠ吸收的光能 能传给PSⅠ的反应中心。
37
PSⅠ的电子传递
两个主要的蛋白质亚基psaA和 psaB的分布状况。 电子从P700传递到叶绿素分子A0， 然后到电子受体A1。 电子传递穿过一系列的被命名为 FX，FA，FB的Fe-S中心，最后到达 可溶性铁硫蛋白（Fdx）。 P700+从还原态的质蓝素（PC）中
26
PSⅠ和PSⅡ的光化学反应
次级 电子供体 PSⅠ PC
反应中心色素分子 （原初电子供体） P700
原初 电子受体 叶绿素分 子(A0)
次级 电子受体 铁硫中心
PSⅡ
YZ
P680
去镁叶绿 素分子 (Pheo)
醌分子 (QA)
27
2.1.2 电子与质子传递
28
29
光系统Ⅱ（Photosystem Ⅱ ，PSⅡ ）
(4) 燃烧稳定性好。容易做到比较完善的燃烧，燃烧效率很高。 (5) 存在形式多。氢可以以气态、液态或者固态金属氢化物出现， 能适应储运及各种应用环境的要求。 (6) 氢是“和平”的能源。化石能源分布极不均匀，常常引起激烈 的资源争夺。而氢即可再生来源又广，每个国家都有着丰富的氢资源，
因此可以说是“和平”的能源。
ห้องสมุดไป่ตู้
2Fd还原+NADP＋+ H＋
FNR
2Fd氧化 + NADPH
39
光反应的电子与质子传递
光合磷酸化
40
图中经非环式电子传递途径传递4个e-产生2个NADPH和3个ATP是根据光合作 用总方程式推算出的。在光反应中吸收8个光量子(PSⅠ与PSⅡ各吸收4个)，传 递4个e－能分解2个H2O，释放1 个O2，同时使类囊体膜腔增加8个H＋，又因为吸 收8个光量子能同化1个CO2，而在暗反应中同化1个CO2需消耗3个ATP和2个NADPH， 也即传递4个e-， 可还原2个NADPH，经ATP酶流出8个H+要合成3个ATP。
4
氢能的特点
(1) 来源广。自然界存在的氕，其丰度约为氢总量的99.98%。地球 上的水储量为21018万t，是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。 (2) 燃烧热值高。氢气的热值为121061kJ/kg，是甲烷的2.4倍，汽 油的2.4倍，乙醇的4.5倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。
(3) 清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水；
7
氢能——永恒的能源
电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。
核聚变：氘 + 氚 → 氦；氢弹、太阳能。 受控核聚变：① 高温（几千万-几亿摄氏度）② 低气体密度（常温
常压下的几万分之一）③ 能量约束时间超过1s。
资源丰富： 氘——海水中含有的氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年；
氚——没有；
锂——锂 + 中子 → 氚，锂可用1~2万年。 分数氢：常规氢与核聚变的中间层。
中酪氨酸残基还原。 Mn聚集体(MSP)对水的氧化。 CP43和CP47是叶绿素结合蛋白。
30
PSⅡ反应中心的核心部分是分子 量分别为32 000和34 000的D1和D2两条
多肽。
反应中心的次级电子供体Z、中 心色素P680、原初电子受体Pheo、次 级电子受体QA、QB等都结合在D1和D2 上。其中与D1结合的质体醌定名为QB ， 与D2 结合的质体醌定名为QA 。这里的 Q，醌(Quinone)的字首。
组成中心天线的CP47和CP43是指分子量分别为47 000、43 000并与叶绿素 结合的聚光色素蛋白复合体，它们围绕P680，比LHCⅡ更快地把吸收的光能传 至PSⅡ反应中心，所以被称为中心天线或“近侧天线”。
31
醌的电子传递
QA 是单电子体传递体，每次反应 只接受一个电子生成半醌 ，它的电子 再传递至QB，QB 是双电子传递体，QB 可两次从QA 接受电子以及从周围介质 中接受2个H+而还原成氢醌(QH2 ) 。这 样生成的氢醌可以与醌库的PQ交换， 生成PQH2。
2. 与温度无关，(77K，液氮温度)(2K，液氦温度)；
3. 量子效率接近1。
16
天 线 色 素
特殊色素
17
18
19
光的吸收与传递
色素分子的能态 激发态的命运
1.放热 2.发射荧光与磷光 3. 色 素 分 子 间的 能 量 传递 4.光化学反应
20
色素分子间的能量传递
激子传递 激子通常是指非金属晶体中由电子激发的量子，它能转移能量但不 能转移电荷。 这种在相同分子间依靠激子传递来转移能量的方式称为激子传递。
11
12
2.1 光合作用
13
光反应
暗反应
电子传递和 光合磷酸化
原初反应
14
舞台
光反应的主要蛋白
主演
配角
15
2.1.1 原初反应
是指从光合色素分子被光激发，到引起第一个光化学反应为止的过
程。 物理过程：光的吸收、传递
化学过程：电子传递
特点 1.速度非常快，10－12 s ~ 10－9 s内完成；
33
质体醌
质醌(PQ)也叫质体醌，是PSⅡ反应中心 的末端电子受体，也是介于PSⅡ复合体与 Cyt b６/f复合体间的电子传递体。 质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分
子数的5%～10%，故有“PQ库”之称。
质体醌是双电子、双质子传递体，氧化 态的质体醌可在膜的外侧接收由PSⅡ(也可
是PSⅠ)传来的电子，同时与H ＋ 结合；还原
5
氢能的发展是历史的必然？
能源利用的趋势：高碳 → 低碳； 低氢 → 高氢；固态 → 气态
能源
氢/碳
碳/氢
柴薪
煤炭 石油 天然气 氢
0.01
0.7 1.8 3.5 ∞
100
1.43 0.56 0.29 0
6
氢能发展概况
1974年，国际氢能源协会（International Association for Hydrogen Energy，IAHE）创办，并于2000年开始举办两年一届的国 际氢能论坛（Hyforum）。 2003年11月在美国首都华盛顿欧米尼· 西海姆大酒店举行氢能国际 经济合作伙伴（IPHE）会议，共有15个国家和欧盟政府代表团以及各国 工商界代表参加，中国是成员国之一。其目标是，到2020年，制氢的成 本费用降低到能使其称为交通运输燃料的选择之一。
41
电子传递过程的能态变化
42
电子传递的类型
根据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型：非环式、 环式和假环式。
接受电子。
psaF，psaD和psaE 几个PSI亚基 参与可溶性电子传递底物与PSI复合 体的结合。
38
铁氧化还原蛋白
铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白-NADP＋还原酶(FNR)都是存在类囊 体膜表面的蛋白质。 FNR中含1分子的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依靠核黄素的氧化 还原来传递H+。因其与Fd结合在一起，所以称Fd-NADP＋还原酶。 FNR是光合电子传递链的末端氧化酶，接收Fd传来的电子和基质中的 H＋，还原NADP＋为NADPH，反应式可用下式表示：
原初电子供体失去电子，有了“空穴”，成为“陷阱” ，便可从 次级电子供体那里争夺电子；而原初电子受体得到电子，使电位值升高， 供电子的能力增强，可将电子传给次级电子受体。供电子给P+的还原剂 叫做次级电子供体(D)，从A－接收电子的氧化剂叫做次级电子受体(A1)， 那么电荷分离后反应中心的更新反应式可写为： D· +· －〕· → D+· A〕· － 〔P A A1 〔P· A1 这一过程在光合作用中不断反复地进行，从而推动电子在电子传递 体中传递。
32
水的裂解与氧的生成
放氧复合体(OEC)又称锰聚合 体(M,MSP)，在PSⅡ靠近类囊体腔 的一侧，参与水的裂解和氧的释放。 每释放1个O２需要从2个H2O中
移去 4 个 e-，同时形成 4 个 H＋。
PSⅡ的生理功能是吸收光能，进行光化学反应，产 生强的氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中的电 子传至质体醌。
些粗陋的杯子。 教授这时微笑着说:“你们瞧,所有细致、古朴、玲珑、美丽的杯子都
被拿走了,剩下的,全是让人瞧不上眼的塑胶杯。
2
生物制氢与燃料电池
1.
2. 3.
氢与氢能
生物制氢 氢的存储及运输
4.
氢的利用——燃料电池
3
1.氢与氢能
元素周期表第一个元素 原子结构最简单 氢气密度最小，无色无味 常压下，-252.87℃时可变为无色液体 常压下，-259.1℃时可变成雪状固体 氢气燃烧产生大量的热（氢能）：142 kJ/g，是汽油发热量的3倍 燃烧速度快，易爆 在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物的形 式存在 最理想的能源
21
共振传递 在色素系统中，一个色素分子吸收光能被激发后，其中高能电子的 振动会引起附近另一个分子中某个电子的振动(共振)，当第二个分子电 子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量的传递。这种依靠电子振动