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。

而生物制氢法是通过发酵微生物或光合微生物的作用,在适当的工程条件下

将大分子有机物分解成小分子有机酸以及氢气的过程【2】。生物质制氢具有以下优点：生物质的使用减少了二氧化碳的排放；用可持续的生物质染料替代了化石燃料；一些作物的生物转化增加了农业产品的价值等。但是，目前生物质制氢还存在很多缺陷，如操作成本很高，并且腐蚀、压力阻碍和氢老化等问题仍是制氢过程中的限制因素【3】。生物制氢是把自然界储存于有机化合物（如植物中的碳水化合物、蛋白质等）中的能量通过高效产氢细菌的作用，转化为氢气，是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术【4】。由于所用原料可以是有机废水，城市垃圾或者生物质，来源丰富，价格低廉。其生产过程清洁、节能，且不消耗矿物资源，具有很高的研究价值。

生物制氢的机理和研究现状

现如今的生物制氢的方法主要有光合细菌制氢和微生物发酵制氢两种。

这些微生物之所以能够制氢，是由于其存在特殊的氢代谢系统，其中固氮酶和氢酶发挥了重要作用。

固氮酶

固氮酶是一种多功能的氧化还原酶,主要成分是钼铁蛋白和铁蛋白,存在于能够发生固氮作用的原核生物(如固氮菌,光合细菌和藻类等)中,能够把空气中的N2转化生成NH4+或氨基酸,反应方程式为N2+8e-+8H++16ATP→2NH4++H2+16ADP+16Pi。固氮酶催化的还原反应至少需要4个条件:钼铁蛋白,铁蛋白,ATP和Mg2+;电子供体和厌氧条件。固氮反应的电子转移方向是:电子供体→铁蛋白→钼铁蛋白→可还原底物。在可还原底物只有H+时,固氮酶中所有电子都参与还原H+生成H2。

固氮酶的活性可由乙炔→乙烯还原法测定。O2对固氮酶活性有抑制作用,Ashok K.等发现,在振荡培养条件下,当O2浓度大于0.25%时,固氮酶的活性急剧降低,而当O2浓度达20%时,则完全失活。Isamu M.等采用三段式培养光合细菌Rhodovulum sulfidophium来消除这种抑制作用,即细胞生长→固氮酶去抑制→产氢,使底物的转化率达60.8%,而不去抑制时仅为29.4%。在发酵过程中,产H2一般被视为一种释放多余电子的方法,另外,由于要消耗大量的ATP,放H2被视为一种能量的浪费,但也正是这一特性能够被用来进行生物制氢的研究和应用[5]。

固氮酶利用其还原性，通过氧化还原反应，在可还原底物只有H+时，将H+氧化为H2。

目前鉴定出的固氮酶共有 3 种, 它们产氢的机制如下:

Mo-Nitrogenase:N2+ 8H++ 8e-→2NH3+H2;

V-Nitrogenase:N2 +12H- +12e-→2NH3+3H2;

Fe-Nitrogenase:N2 +21H- +21e-→2NH3+7.5H2。

固氮酶催化产氢是不可逆过程, 而且每产生1 mol 氢气需要消耗 4 mol ATP (2H++4ATP+2e-→H2+4ADP+4Pi)，使得该过程效率较低[6]。

氢酶

氢酶是一种多酶复合物,存在于原核和真核生物中,其主要成分是铁硫蛋白,分为放氢酶和吸氢酶两种,分别催化反应2H++2e-<=>H2的正反应和逆反应。有些微生物含有两种酶，有的微生物这只有一种酶。氢酶活性可用亚甲基蓝法测定。同样,O2对氢酶活性也有抑制作用。

在原核生物中,菌体产H2主要是由固氮酶催化进行的,氢酶主要发挥吸氢酶的作用而在真核生物(如藻类)中H2代谢主要由氢酶起催化作用。Ooshima H.等利用氢酶缺陷型菌株Rhodobacter capsulatusST410进行发酵产氢,缺失氢酶后产生的H2不再被分解,H2产率由野生型的25%提高到了68%。另一菌株Rhodopseudomonas capsulatus的氢酶的分解H2的能力比产H2的能力大200倍。有人对Rp.palustrisA菌株进行诱变处理,使其缺失固氮酶,只含有氢酶,结果不产H2或产生很少的H2。而在真核生物(如藻类)中H2代谢主要由氢酶起催化作用。氢酶活性可用亚甲基蓝法测定[5]。

在氢酶的催化作用下，质子与电子结合形成分子态的氢，从而达到产氢的目的。

氢酶和固氮酶是催化产氢反应的两个关键性酶,然而这两个酶均不是专一性产氢酶。氢酶除了在有足够还原力时催化产氢外,还催化作为一种能量回收机制的吸氢反应。固氮酶的主要功能是催化固氮反应,即将分子氮还原为氨"只有当缺乏基质(分子氮)的时候才催化产氢反应。这两种酶不仅在不同的微生物中具有不同的功能,即使在同一种微生物中不同的氧化还原条件下也起不同的作用[7]。

光分解产氢

微生物光合作用分解水产氢，其作用机理和植物光合作用相似，目前研究的比较多的是光合细菌和蓝绿藻。以藻类为例，藻类首先将水分解为氢离子和氧气，产生的氢离子在氢化酶的作用下转化为氢气。