生物制氢
生物制氢技术现状及其研究进展
生物制氢技术现状及其研究进展生物制氢技术是利用一些微生物通过光合作用、化学合成等方式，将水分解产生氢气的一种新型制氢技术。
具有环保、节能、绿色等优点。
目前，生物制氢技术已经成为制氢领域新的研究热点。
下面将从现状和研究进展两个方面进行探讨。
一、生物制氢技术的现状1.发展历程生物制氢技术起源于上世纪60年代，首次使用绿藻进行实验，但由于生长速度慢及光合效率低等原因，并未得到广泛应用。
之后，通过多年的研究，找到了更适合生物制氢的菌株，如光合细菌、厌氧细菌等，这些菌株的生长速度大大提高，光合效率也有所增加，因此，生物制氢技术得以逐渐发展。
2.技术难点（1）菌株筛选：生物制氢的基础是选择一种适合的微生物，优选条件是在光或者厌氧环境下，能够利用水分子产生氢气，并且生长速度快，光/反应效率高。
（2）反应环境：光合作用需要光线作为驱动，厌氧反应需要无氧环境，这个需要研究员通过优化反应器系统，实现稳定的气体产出。
（3）菌群稳定性：要想实现大规模生产，需要菌株能够适应复杂环境，抵御重金属等各种污染物的影响，维持产气稳定。
二、研究进展1.基因工程技术通过基因工程技术，对生物制氢中关键的多种酶的基因进行改造，提高氢气的产量和生产稳定性。
比如，添加氢酶基因可以增强微生物利用水分解产生氢气的效率。
2.光热传导材料研究人员也尝试使用光热传导材料将光能转化为热能，提高生物细胞的温度以促进酶的活性，从而提高生产效率。
3.综合利用研究生物制氢技术的产气过程产生大量的废水，有研究完成了这些废水中营养物质的回收，用于微生物的繁殖和再生利用。
4.产气时间延长早期的研究表明，厌氧细菌在适宜的时候会进行快速的反应，但会产生毒性物质，对菌群生长不利。
因此，研究人员进行了实验，通过改变环境条件，让厌氧细菌产气时间更长，10天、20天，让废水降解更完备，维持系统平稳工作。
总之，随着绿色节能的趋势不断升温，生物制氢技术作为一种绿色环保的制氢新技术，吸引着人们广泛的关注和研究。
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。
有机废水发酵法生物制氢技术资料
2）系统运行PH的变化规律
氢离子浓度与微生物的生存有密切的关系,整个胞外酶和胞内 酶的稳定性均在一定程度上受到它的限制。反应器启动后,含 有大量溶解性碳水化合物的废水进人反应器,由于碳水化合物 发酵产生的有机酸(特别是乙酸)的积累,使系统内pH值在5d内 迅速下降到4.0以下,但是随着系统缓冲能力的增强,pH值出现 逐渐升高的趋势。在反应器运行到25d时，各格室的pH值均上 升到4.2以上,在此之后的30d运行过程中,系统表现出良好的稳 定性,尽管进水pH值在5.5~7.0之间频繁波动,但系统出水的pH 值始终维持在4.2~4.4这一有限范围内。
四、产酸发酵菌群的产氢机理
大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪 等） 1水解阶段 细菌胞外酶
水解的和溶解的有机物 2酸化阶段 有机酸、醇类、醛类等 产酸细菌 2酸化阶段 H2、CO2
3乙酸化阶段
4甲烷化阶段 乙酸 甲烷细菌
甲烷细菌
4甲烷化阶段 CH4
五、厌氧折流系统制氢的实验室研究
1982年,美国Stanford大学的教授针对传统有机废水厌氧生物处理
物,对此模型反应设备的启动、出水pH、碱度、氧化还原电位(ORP)、产
氢速率、液相末端发酵产物[如乙醇和挥发性脂肪酸VFAS等]的变化规律 作了研究,初步确定了此模型的最佳工程控制参数。
ABR各个隔室中微生物相是随流程逐渐递变的，递 变的规律与底物的降解过程协调一致，从而确保相应 的微生物拥有最佳的代谢环境和代谢活性。ABR的推流
一株发酵产氢细菌。
2、发酵法生物制氢的优势
发酵法生物制氢的产氢稳定性好
发酵产氢细菌的产氢能力高
制氢成本低
发酵细菌的生长速率快
微生物不同，其产能方式也不同。由于细菌种类的不同及生化反应体系 的生态位存在着很大的变化，导致形成不同特征性的末端产物。根据末 端发酵产物组成，可以将发酵类型分为三类: (1)丁酸型发酵产氢 (2)丙酸型发酵产氢 (3)乙醇型发酵产氢
有机废水发酵法生物制氢技术
制氢成本低
发酵细菌的生长速率快
微生物不同，其产能方式也不同。由于细菌种类的不同及生化反应体系 的生态位存在着很大的变化，导致形成不同特征性的末端产物。根据末 端发酵产物组成，可以将发酵类型分为三类:
(1)丁酸型发酵产氢
(2)丙酸型发酵产氢
(3)乙醇型发酵产氢
四、产酸发酵菌群的产氢机理
大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）
六、水力停留时间对制氢的影响
厌氧发酵制氢研究的影响因素有很多
HRT
温度
PH
碱度
有机负荷
HRT是重要的工程控制手段之一。HRT过高或过低的水流速度 都不利于厌氧发酵各方面效率达到最大化，一方面是单位时 间处理量造成的，另一方面是由于HRT不同导致反应器死区 容积不同造成的，而HRT反应器结构不设置搅拌器，故HRT对 ABR运行效果好坏起着至关重要的作用。
在分离到的细菌中肠杆菌和梭菌属的细菌较多，它们的产氢能力 也普遍较强，例如：Kumar等分离到的一株阴沟肠杆菌，其最大产氢能 力可达29.63mmolH2（g干细胞.h),是目前世界上报道的产氢能力最高的 一株发酵产氢细菌。
2、发酵法生物制氢的优势
发酵法生物制氢的产氢稳定性好
发酵产氢细菌的产氢能力高
污泥接种完成后,反应器开始启动.启动时控制的工程控制参数 为:HRT=13.5h,Q=48.8L/d,COD=5000mg/L, 模型反应器在启动后25d左右, 系统达到稳定状态。此时,虽然各个格室的液相末端发酵产物总量差别较 大,分别为1200mg/L,2000mg/L,2800mg/L左右,但它们的组分及含量极其相 近,乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的含量均分别在36%、35%、20%、8%和 1%左右,说明系统形成了典型的乙醇型发酵。
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。
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。
生物制氢
与藻类相似，蓝细菌在产氢的同时也会产生氧气， 而氧是固氮酶的抑制剂。
通过基因工程改变藻类的基因提高藻类的耐氧能力 是目前的主要研究内容，并已取得了一些进展。
厌氧细菌产氢由于不依赖光照，在黑暗条件下就可进行 产氢反应，容易实现产氢反应器的工程放大试验 厌氧细菌能利用多种有机物质作为制氢反应原料，可使 多种工农业有机污水得到洁净化处理，有效地治理了环 境污染，同时还产生洁净的氢气，使工农业有机废弃物 实现了资源化利用 厌氧细菌在发酵制氢过程中的产氢量和原料利用率均比 较低Fra bibliotek
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 1966年 刘易斯提出了生物制氢的概念 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 现有的研究大多为实验室内进行的小型试验，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
。。。
一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。 它包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为 食物的动物及其生产的废弃物。 有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、 木材废弃物和动物粪便等。 生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生 物化学转换等3种途径。
直接燃烧：农作物秸秆 柴 生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下， 使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气 态燃料、液态燃料和化学物质的技术。 生物质的生物化学转换 沼气转化：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发 酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即 沼气。 乙醇转换：是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发 酵制成乙醇。 其他转换
生物制氢技术
优点：清洁，节能，不消耗矿物资源，可再生等。 利用太阳能通过生物质制氢是最有前景的制氢途径。
生物质为可再生资源，通过光合作用进行能量和物质转换，在常温常压下通过酶的催 化作用得到氢气；太阳能可以作为产氢的一次能源，降低生物质制氢成本。
氢的储存
氢的储存比固态煤、液态石油、天然气更困难。 一般，氢可以以气体、液体、化合物等形式储存。
目前氢的储存方式主要有： 常压储氢、 高压储氢、 液态储氢、 金属氢化物储氢、 非金属氢化物储氢
氢的利用
(1)用做内燃机燃料
氢内燃机与汽油内燃机相比，系统效率高，发动机寿命长，环境 友好，使用经济。目前氢内燃机汽车还在示范阶段，困难在于没 有适宜的车载储氢技术； 氢内燃机飞机和氢燃料火箭前景更好。
热化学转化法制氢原理
生物质超临界转化制氢
生物质超临界转化制氢是将生物质原料与水按一定比例混 合，置于超临界条件下（压力22. 15 MPa，温度347℃） 发生热化学反应，生成氢气含量较高的气体和成分。
水在超临界状态下溶解性类似于非极性有机溶剂，临界温度下几乎所 有的有机物都可以溶解，无机盐等极性物质溶解度很低
(2)用做燃料电池
是氢能利用的最理想方式，是电解水制氢的逆反应。 用于燃料电池汽车，系统较简化且可提高燃料电池的效率。但氢 的储存量有限，目前正在研究合适的储氢方式。 燃料电池还可用在固定式电站，也可用作小型或微型便携电源。
(3)用于热核反应
氢的同位素氘和氚是核聚变反应最为常见的原料。
地球上海水中含有的氘超过4．0×1013 t。1L海水中的氘，经过核聚变产生的 能量，相当于300 L汽油燃烧后释放的能量。如果把自然界的氘和氚全部用于 核聚变，其产生的能足够让人类用100亿年。
生物质制氢——精选推荐
生物质制氢
通常的制氢方法如水电解法、水煤气转化法、甲烷裂解法都需大量的能耗，而生物法制氢相对成本低廉，克服了其他制氢方法高能耗的弊端，还能以污染物为原料进行生产，去除污染。
世界各国都对生物制氢研究有较大的投入，日本通产省和科技厅于1995年开始了一个长达28年的生物产氢计划；美国能源部于1997年开始资助微生物产氢的研究工作；欧洲共同体委员会和国际能源组织也分别于1999和1996年提出了生物产氢的大规模研究计划。
这些研究基本上都集中在利用光合细菌制取氢气，与光合细菌相比，厌氧发酵细菌将有机物转化为氢气、二氧化碳和有机酸，由于不需要光源和生长条件要求简单而使成本更低，但存在着产氢效率低、可控性差的缺点。
国外对利用厌氧发酵细菌产氢主要集中在纯种产氢细菌的固定化技术、纯种产氢细菌及包埋剂的选择，可是由于制氢原料（如废弃物）本身的复杂性，使用纯种细菌无法实现工业化规模的生物制氢。
另外需要考虑的是葡萄糖转化为氢的生物合成反应，目前1摩尔葡萄糖最多可产6摩尔氢气，但是如果按质量计算，160g葡萄糖仅产了12g氢，确实存在经济可行性问题。
生物产氢的重要发展方向是以生物质为原料制取氢气。
该项技术的应用将不仅局限于产生高浓度有机废水的食品加工、发酵等行业，而且还可以用城市污水处理厂的剩余污泥、生活垃圾等其他有机废弃物为原料生产氢气。
欧洲开发了生物质直接气化制氢技术，过程简单、产氢速度快，显示出巨大潜力，成本显著低于生物质发电再电解制氢、乙醇制氢，欧洲正在积极开发这项技术。
生物制氢的三种方法
生物制氢的三种方法
微生物法制氢包括化能营养微生物产氢、发酵型微生物放氢、光合产氢以及固定化细胞技术产氢等方式。
化能营养微生物产氢，属于化能营养微生物的是某些发酵类型的严格厌氧菌和兼性厌氧菌。
发酵型微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质、某些醇类以及有机酸等。
光合产氢，即光合细菌在黑暗厌氧条件下可分解有机物放出少量氢气,光照会明显增加产氢1。
与光合作用相关的产氢过程称为光和产氢。
可用各种工业、生活有机废水和农副产品废弃物为基质，进行光合细菌连续培养。
利用光合细菌产氢比其他生物制氢法更有优越性,如光合细菌的放氢速率比蓝细菌高2个数璜级，比异氧菌产氢的能量转化率髙，且氢气纯度高。
光合细胞产氢已进人应用开发阶段，主要集中于寻找产氢量高、产氢速率大的光合细菌菌种以及产氢工艺条件的探索。
仿照固定化酶技术而产生的固定化细胞技术为连续生物制氢提供了可能。
有人最先把一株芽孢杆菌属制成固定化细胞在滴滤床反应器中试验，结果表明，反应可在4-5min
内完成，二氧化碳转化率达86%,产氢率高达3.96mmo!/(L•min)。
第十章生物质制氢最全PPT
2、发酵产氢途径
发酵产氢过程实际上时生物氧化的一种方 式，由一系列的酶、辅酶和电子传递中间 体共同参与完成。微生物发酵产氢的途径 有两种：
① 丙酮酸脱羧产氢，在丙酮酸脱羧形成乙酰 的过程中，脱下的氢经铁氧还原蛋白的传 递作用形成氢分子；
② 辅酶I的氧化与还原平衡调节产氢。
（1）丙酮酸脱羧产氢
• 第一种是丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的作 用下脱羧，形成TPP-E的复合物，将电子转 移给还原态的铁氧还蛋白，然后在氢酶的 作用下被重新氧化成氧化态的铁氧还蛋白， 产生分子氢；
（三）其他产氢机理-产氢产乙酸细菌的产氢作用
产氢产乙酸细菌将产酸发酵第一阶段产酸 的乙酸、丁酸、戊酸、乳酸和乙醇等进一 步转化为乙酸，同时释放分子氢。
第二节 主要的生物制氢技术及其发展现状
根据转化利用方法的不同，可将生物制氢 分为： ➢生物（微生物）制氢 ➢热化学转化制氢
一、生物（微生物）制氢
• 第二种是通过甲酸裂解的途径产氢，丙酮 酸脱羧后形成的甲酸以及厌氧环境中CO2和 H+生成的甲酸，通过铁氧还蛋白和氢酶作 用分解为CO2和H2。
（2）辅酶I的氧化与还原平衡调节产氢
在碳水化合物发酵过程中，经EMP途径产生 （9）氢能适应储运及各种应用环境的不同要求。
生物制氢的现象在100多年前已被发现。 产氢产乙酸细菌将产酸发酵第一阶段产酸的乙酸、丁酸、戊酸、乳酸和乙醇等进一步转化为乙酸，同时释放分子氢。
的还原型辅酶I通过与丙酸、丁酸、乙酸和 终产物中氢气组成达95%以上；
（1）所有元素中，氢重量最轻。 （4）混合细菌发酵产氢过程中彼此之间的抑制、发酵末端产物对细菌的反馈抑制等。
乳酸等发酵过程相耦联经氧化为氧化型辅 光合微生物制氢是指利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能。
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。
生物制氢技术的发展及应用前景
生物制氢技术的发展及应用前景摘要：氢气作为环境友好的洁净能源和高能燃料，在国民经济的各个方面有着重要的应用，如何经济、高效制氢已经成为有待解决的重大问题。
与传统制氢技术相比，生物制氢技术以其低成本、可处理有机废弃物等优点受到了人们的重视。
本文对生物制氢技术及其发展历程进行了介绍，对生物制氢技术的应用前景进行了展望。
关键词：生物制氢技术发展应用前景随着社会的进步与发展，人们对能源的需求也日益提高。
目前我国的能源消费结构还是以煤、石油等化石能源为主，化石能源的短缺和大量燃烧所带来的环境污染已经成为面临的两大难题，开发新型清洁、高效、可再生的绿色能源势在必行。
氢气因其高热值、清洁、高效、可再生等优点，具有十分广阔的开发前景。
目前，氢气的制取有高温分解天然气、电解水、太阳能制氢、水煤气转化、甲烷裂解等方法，但是大都成本过高或者可操作性过低。
随着氢气用途的日益广泛，如何经济、高效制氢已经成为有待解决的重大问题。
一、生物制氢技术的概述1.生物制氢技术简介生物制氢是利用某些微生物的代谢过程，以工农业废水、废渣等为原材料，在常温常压的条件下以有机物为基质产生氢气的方法，把废弃物的处理与能源回收相结合，生产过程清洁、节能，不消耗矿物资源。
随着20世纪70年代石油危机，各国政府和科学界开始寻找替代能源，生物制氢技术受到了广泛的关注，并以此开展了研究，现代生物技术的应用，极大的促进了生物制氢技术的发展。
现有的研究表明，氢气与某些厌氧微生物的代谢过程密切相关。
例如，氢代谢在调节厌氧发酵的碳及电子流动中起着重要的作用，氢代谢伴随着各种有机物的分解及合成，为厌氧微生物的正常生长提供所必须的能量。
根据微生物的能量利用形式，可以将产氢微生物分为光能产氢微生物和厌氧发酵微生物，其中光能产氢微生物可进一步分为光能自养微生物和光能异养微生物。
光能自养微生物，例如蓝细菌和绿藻，在光照、厌氧的条件下通过分解水从而产生氢气；光能异养微生物，例如光合细菌，在光照、厌氧的条件下分解有机物产生氢气；厌氧发酵微生物，例如厌氧细菌，在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气。
生物制氢技术的研究与应用
生物制氢技术的研究与应用近年来，环保领域的发展日益壮大，一系列的环保技术也逐渐进入人们的视线，其中生物制氢技术就是一种备受关注的环保技术。
生物制氢技术是指利用生物学的方法，将生物质、废弃物等有机物质降解成氢气和二氧化碳等产物。
该技术具有绿色环保、节能减排等诸多优点，成为研究和应用的热点。
一、生物制氢技术的研究1. 生物制氢的原理生物制氢是通过固定生物体内的降解酶，将有机物质降解成H2和CO2产物，该程序在微生物的细胞质内进行。
生物制氢通常是在好氧条件下通过厌氧代谢产生的，同时还产生了大量的代谢废物和热能。
此外，生物制氢的反应通常是在低氧或者没有氧的条件下进行的。
2. 生物制氢的特点生物制氢技术具有以下特点：（1）低能耗，减少二氧化碳排放，且易于实现。
（2）生物体生长速度快，能源密度大。
（3）微生物生存环境容易调控，生物制氢反应的生产效率高。
（4）反应产物获得容易。
3. 生物制氢技术的研究进展生物制氢技术的研究波澜不断。
从最初的基础研究，到现在的工程化转化和应用，生物制氢技术已经成为生物质能的主要领域之一。
目前主要的研究方向有以下几个：（1）微生物资源的筛选和改良：微生物的特点是反应环境容易控制，因此研究生物制氢的重要方向是微生物资源的筛选和改良。
金属细菌和光合细菌是目前研究的热点。
（2）发酵条件的优化：作为生物制氢反应最重要的参数之一，发酵条件的优化是生物制氢研究的重要方向之一。
影响发酵条件的因素有氧量、温度、pH、废物浓度等。
（3）工程化转化：工程化转化是将科研成果应用到实际生产中的重要途径。
随着生物制氢技术的研究不断深入，在工程化转化方面也出现了新的构想和思路。
例如以光合细菌为基础的微型反应器。
二、生物制氢技术的应用1. 生物制氢技术在能源领域的应用（1）生物质能的转化：生物质能包括生物质固体、生物质液体和生物质气体三种形态，其中生物质液体和生物质气体的生物制氢技术技术成熟。
通过生物制氢技术将其转化成氢气，具有广泛的应用前景。
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
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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。
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生物质暗发酵与光发酵制氢系统
分 解 菌
生物质 预处理 秸杆粉 糖化 产 氢 菌 有机废水 预处理 暗发酵制氢 H2
H2
气体洗脱 储氢罐 光发酵制氢
光 合 菌
26
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
23
24
3. 生物制氢工艺
3.1 原料 水、淀粉类、纤维素、糖蜜、有机酸、工业废水、生 活污水 3.2 工艺 ① 光裂解：两步制氢法——正常光合/缺硫厌氧产氢 ② 光发酵：废水发酵产氢菌体利用（蛋白饲料、 提取高附加值的辅酶Q、类胡萝卜素）达标排放； key：控制成本----光反应器的设计、培养条件优化。 ③ 暗发酵：参考沼气发酵，排除甲烷菌。 ④ 暗-光发酵偶联：暗发酵产酸产氢、光发酵耗酸产 氢。 ⑤ 酶法制氢：利用体外酶系专一产氢，提高底物利气转化：有机物质在厌氧环境中，通过微生物发 酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即 沼气。 乙醇转换：是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发 酵制成乙醇。 其他转换
生物制氢
5
氢能的利用
6
氢能的利用
奔腾氢燃料电池车(奔腾B70 FCV),应用燃料电池动 力系统研制开发的环保型燃料电池轿车
14
光发酵作用—— 光合细菌产氢
典型代表： 紫色硫细菌 紫色非硫细菌
质子和电子源自呼吸链
固氮酶
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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。
16
例－紫色非硫细菌
无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生氢气 : Light energy C6H12O6 + 12H2O 12H2 + 6CO2
1
生物制氢研究意义 生物制氢基本原理
生物制氢工艺
2
太阳能 风能 水能 潮汐能 地热能 生物质能
。。。
3
一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。 它包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为 食物的动物及其生产的废弃物。 有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、 木材废弃物和动物粪便等。 生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生 物化学转换等3种途径。
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暗发酵法制氢
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。 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。
元素调控，如：硫、磷
PSII抑制剂，如：DCMU、CCCP、FCCP
代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii
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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
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氢气的优点： 清洁 能量密度高 制取方法多样 原料来源广 生物制氢指的是生物质通过气化和微生物催化脱氢 方法产生氢气，其实质是将生物质能转化为氢能。
8
9
二 生物制氢的基本原理
光裂解法
光发酵法
暗发酵法
10
光裂解产氢的原理
固氮酶 氢 酶
典型微生物：绿藻、蓝藻（蓝细菌）
ADP+Pi
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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
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暗发酵法制氢
葡萄糖
EMP
丙酮酸
丙酮酸脱氢途径
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暗发酵法制氢
甲酸裂解途径
辅酶Ⅰ的氧还平衡调节产氢
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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%。
？
H2
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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。
6CO2+10H2O→C6H12O6+4H2↑+8O2↑
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由于氧对氢酶的严重抑制，必须将光合放氧和光合放氢在 时间上或空间上分开，可以通过部分抑制PSII光化学活性来 实现：