微生物制氢
微生物制氢
3.暗发酵制氢
• 投入:各种有机物
•
•
微生物(暗发酵)
• 产出：氢气
46
• 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。
35
光合微生物制氢的总况
36
• 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。
• 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。
47
例如
C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2 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
48
• 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%。
37
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
38
• 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。
微生物制氢的原理和应用
微生物制氢的原理和应用1. 引言微生物制氢是一种新型的可再生能源技术，通过利用特定微生物的代谢产物来产生氢气。
这种技术在能源转型和环境保护方面具有重要意义。
2. 微生物制氢的原理微生物制氢的原理是利用特定菌种的发酵作用，将有机物质转化为氢气和二氧化碳。
具体原理如下：•酶催化反应：微生物中特定酶的催化作用是实现微生物制氢的关键。
这些酶能够将有机物质中的水分子解离，产生氢气和电子。
•发酵过程：微生物在适宜的条件下进行发酵，将有机物质通过酶催化反应转化为氢气和二氧化碳。
发酵过程中产生的氢气可以通过收集和储存供人们使用。
3. 微生物制氢的应用微生物制氢技术在能源和环境领域有着广泛的应用前景。
以下是一些主要的应用领域：3.1 能源领域微生物制氢技术在能源领域的应用主要包括以下几个方面：•可再生能源：微生物制氢是一种可再生能源技术，能够通过利用有机废弃物等资源，产生清洁高效的能源。
这对于解决能源短缺和减少对化石燃料的依赖具有重要意义。
•氢燃料电池：微生物制氢产生的氢气可以作为氢燃料电池的供气源。
氢燃料电池具有高效、零排放的特点，是未来可持续发展的能源解决方案之一。
3.2 环境保护领域微生物制氢技术在环境保护领域的应用主要有以下几个方面：•资源回收利用：微生物制氢技术可以将有机废弃物转化为有价值的氢气资源，实现资源的回收利用，降低对自然资源的压力。
•减少污染物排放：微生物制氢过程中产生的二氧化碳可以被吸收和利用，从而减少二氧化碳等温室气体的排放，减轻对大气环境的污染。
3.3 生物工程领域微生物制氢技术在生物工程领域的应用主要包括以下几个方面：•菌种改良：生物工程技术可以通过改良微生物菌种的基因，提高其产氢能力和稳定性，从而提高微生物制氢技术的效率和可行性。
•产氢工艺优化：生物工程技术可以通过优化微生物制氢的发酵过程、调节菌种的生长环境等方式，提高产氢效率和减少不良产物的产生。
4. 发展与挑战微生物制氢技术在研究和应用过程中还面临一些挑战和问题：•菌种选择：发展微生物制氢技术需要选择适合的菌种，具有高效的氢气产生能力和稳定性。
微生物电解池制氢
微生物电解池制氢微生物电解池制氢的原理是利用微生物在电解质介质中的电化学活性，将底物分解产生的电子转移到阳极上，通过阳极的还原反应产生氢气。
这种制氢方式不仅节约了能源，还解决了废水处理和能源开发的难题，因此备受人们关注和研究。
微生物电解池制氢技术的发展历程微生物电解池制氢技术源于传统的电解制氢技术，传统的电解制氢是通过外加电压将水分解产生氢气和氧气。
然而，传统电解制氢的能源损耗较大，不够环保，而且成本高，限制了其在大规模应用方面的发展。
为了克服这些问题，研究者们开始将微生物的生物电化学活性引入到电解制氢中，逐步发展出了微生物电解池制氢技术。
1990年代初，美国科学家发现了一种能够在电解质介质中产生氢气的特殊微生物，这一发现引起了科学界的广泛关注。
随后，研究者们开始利用这种微生物的生物电化学活性，通过电解方式制氢的研究。
经过多年的努力，他们终于成功地搭建了微生物电解池制氢实验装置，并取得了令人瞩目的成果。
在此基础上，越来越多的研究者开始关注微生物电解池制氢技术，探索其在废水处理和能源生产方面的应用潜力。
逐渐地，微生物电解池制氢技术成为了研究领域的热点之一。
随着科技的不断进步，微生物电解池制氢技术也在不断得到完善，取得了越来越令人满意的成果。
微生物电解池制氢的原理和过程微生物电解池制氢是一种复杂的生物电化学过程，其原理和过程涉及到微生物代谢途径、电解化学反应、底物降解等多个方面。
下面，我们将从微生物代谢途径和电解化学反应两个方面来详细介绍微生物电解池制氢的原理和过程。
微生物代谢途径微生物对底物的代谢途径是微生物电解池制氢过程的关键环节。
通常情况下，微生物可以利用底物进行好氧代谢和厌氧代谢，产生不同的有机代谢产物。
其中，厌氧代谢过程产生的有机代谢产物被认为是微生物电解池制氢的主要底物源。
在微生物电解池中，一般采用产氢菌作为微生物菌种。
这类微生物具有良好的厌氧代谢能力，可以利用底物通过厌氧呼吸途径产生氢气。
生物质转化制氢技术的研究与发展
生物质转化制氢技术的研究与发展一、引言随着全球化进程和环保理念的普及，越来越多的国家开始关注能源问题。
传统的化石燃料资源日益枯竭，而新能源的研究和利用变得越来越重要。
作为一种新型能源，氢气具有化石燃料所没有的优点，如碳排放减少、高效利用、环保等，已经成为国际上极为重要的能源。
而生物质转化制氢技术则成为了制取氢气的一种重要途径，其不仅可以减少化石能源的使用，还可以有效地解决生物质资源的再利用问题。
因此，生物质转化制氢技术在未来的能源中发挥着重要作用。
二、生物质转化制氢技术的研究现状（一）生物质转化制氢技术的定义和分类生物质转化制氢技术指利用生物质资源，通过化学反应或生物反应，将生物质转化为氢气的过程。
其主要包括热化学法、生物化学法和生物发酵法三种分类。
其中，热化学法是将生物质通过高温加热分解产生气体，如各种有机废物、玉米秸秆、热力石油焦、木材等可以作为原料。
生物化学法以微生物为基础，通过微生物的代谢过程将生物质转化为氢气，如光合细菌、厌氧细菌、产氢菌、甲烷菌等可以用来制氢。
生物发酵法则是指利用生物质资源，通过发酵过程转化为氢气，例如各种有机碳水化合物、食品残渣、废水等。
（二）热化学法热化学法是将生物质物料通过高温加热分解产生气体。
其通过生物质的干馏、氧气气化、蒸汽气化等过程产生氢气，具有能量利用效率高、生产效益好等优点。
但是，该方法需要大量能源进行加热，对环境造成污染严重，需要继续改良提高其适用性。
（三）生物化学法生物化学法则是指利用微生物代谢过程将生物质转化为氢气。
其具有非常明显的环保优势，同时其原料来源广泛，可以充分利用各种农作物和生物质废弃物，有很大的发展前景。
但是，其效率较低，且微生物代谢容易受到环境因素影响，需要有很好的环境条件，才能得到良好的反应结果。
（四）生物发酵法生物发酵法是将生物质废弃物通过一定的条件和生物发酵菌种，转化为氢气的过程。
其除了生产氢气之外，还可以处理生物质的废弃物，具有双重效益。
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
生物质制氢技术
从表1可见，气化产物中，有相当一部分是CO。因此在生物质气化中，为了提 高氢气产出量，需在气化介质中加入水蒸气。通常认为，在蒸汽流态化条件下 发生下述反应：
上述反应导致床灰中的残炭含量减少，气体产物中的CO2和H2含量增多。生物质 炭与水蒸气的气化反应的反应式及平衡常数如表2所示。
从表2可见，只有在相当高的温度下，炭的气化反应才可能发生。因此，如何设计 催化剂降低炭的气化反应温度，促进炭的气化反应的发生是催化气化制氢的一个重 要研究内容。
用水制氢 化石能源制氢 生物质制氢 热化学转化技术：有生物 质热解制氢、气化制氢超 临界气化制氢等方法。产 氢率和经济性是选择工艺 的关键
水电解制氢：产品纯度高， 煤制氢：生产投资大，易 操作简便，但电能消耗高 排放温室气体，新型技术 正在研发
热化学制氢：能耗低，可 大规模工业化生产，可直 接利用反应堆的热能，效 率高，反应过程不易控制 高温热解水制氢：过程复 杂，成本高
• 研究进展 5.1 生物质气化技术 我国的生物质气化技术已达到工业示范 和应用阶段。中国科学院广州能源所多年 来进行了生物质气化技术的研究，其气化 产物中氢气约占10%,热值达11MJ/m3。在 国外，由于转化技术水平较高，生物质气 化已能大规模生产水煤气，且氢气含量也 较高。
• 水蒸气催化变换 国外对生物质的水蒸气催化气化进行了实验研究，其单 位kg生物质产氢率从30~80g不等。美国夏威夷大学和天 然气能源研究所合作建立的一套流化床气化制氢装置在水 蒸气和生物质的摩尔比为1.7的情况下，每千克生物质 （去湿、除灰）可产生128g氢气，达到该生物质最大理论 产氢量的78%. • 表3是以焦煤、橄榄壳以及向日葵杆为原料进行的水蒸 气催化气化实验结果。从表3可以看出，在催化剂作用下， 即使气化温度比较低（450度），也可得到较高的氢含量 （34.7％）。另外氢气的产出也随气化原料和催化剂的不 同而不同。
生物质制氢技术的研究现状与展望
一、引言在当前全球能源形势严峻的背景下，生物质制氢技术作为一种可持续发展的新型能源技术备受关注。
本文将对生物质制氢技术的研究现状和展望进行深入探讨，帮助读者全面了解这一领域的进展。
二、生物质制氢技术概述生物质是指植物在生长过程中固定的光能，可以通过热化学和生物化学方法转化为燃料、化学品等有机化合物。
生物质制氢技术是利用生物质资源生产氢燃料的技术，其优势在于可再生、低碳排放和资源广泛。
随着能源危机和环境污染问题的日益突出，生物质制氢技术受到了广泛关注。
三、生物质制氢技术的研究现状1. 生物质气化制氢技术生物质气化是将生物质物质在高温条件下进行分解，生成一氧化碳、氢气等气体。
通过气化反应，可将生物质转化为合成气，再通过水煤气变换反应制备氢气。
目前，生物质气化制氢技术在实验室和工业化生产中取得了一定进展。
2. 微生物发酵制氢技术生物质可通过微生物发酵产生氢气，这是一种相对环保的生产方法。
随着生物技术的发展，一些特殊菌株的应用使得生物质发酵制氢技术逐渐成熟。
生物质发酵制氢技术在实验室阶段已取得了较好的效果，但在工业化应用中还存在一定的技术难题。
3. 生物质光解制氢技术生物质光解制氢技术利用太阳能作为能源，将生物质中的水分子分解为氢气和氧气。
这是一种潜在的清洁能源制备方式，其研究目前处于实验室阶段，尚未进行工业化应用。
四、生物质制氢技术的展望生物质制氢技术具有巨大的发展潜力，但在实际应用中仍然存在许多挑战。
首先是生物质资源的可持续供应问题，需要建立可持续的生物质供应链；其次是高效的氢气生产技术，需要进一步提高生产效率和降低成本；最后是氢气的应用技术，需要配套发展氢燃料电池等技术。
个人观点与理解生物质制氢技术是未来能源发展的重要方向，具有可持续发展和环境友好的特点。
我认为，在今后的研究中，应当优先考虑改进氢气生产技术，并加大对生物质资源可持续利用和环境友好性的研究。
需要政府、企业和科研机构的共同努力，推动生物质制氢技术的实际应用和商业化。
微生物电解池制氢
微生物电解池制氢微生物电解池制氢是一种利用微生物在电化学反应中产生氢气的技术。
这种技术利用微生物代谢过程中产生的电子，通过电极传递到阳极，从而促使水分子发生水解反应，生成氢气。
微生物电解池制氢技术具有环境友好、低能耗、高效率等优点，因此受到了广泛关注。
工作原理：微生物电解池制氢的工作原理涉及微生物、电化学和化学反应等多个方面。
主要步骤如下：1.微生物代谢：在微生物的代谢过程中，有些微生物能够利用有机废物、废水等作为电子供体，通过代谢产生的电子，参与电极的电化学反应。
2.电化学反应：微生物通过代谢过程中产生的电子通过外部电路传递到阳极，而阳极上则发生水电解反应，将水分子分解为氢气和氧气。
3.氢气产生：在阳极处，水分子发生水解反应，生成氢气，同时在阴极处生成氧气。
4.电子循环：电子通过外部电路从阳极传递到阴极，从而使得阳极和阴极之间保持电子平衡，促使水分解反应持续进行。
应用和优势：1.环境友好：微生物电解池制氢过程中无需高温、高压和有毒催化剂，不会产生二氧化碳等温室气体，是一种环境友好的制氢技术。
2.低能耗：微生物电解池制氢过程中所需能量相对较低，主要来自微生物代谢产生的电子，因此能耗较低。
3.资源丰富：水是制氢的原料之一，而水是一种广泛存在且丰富的资源，因此微生物电解池制氢具有较好的资源可持续性。
4.高效率：由于微生物能够代谢产生电子，微生物电解池制氢具有较高的转化效率和产氢效率。
5.适用性广泛：微生物电解池制氢技术适用于不同类型的废水、有机废物等原料，具有较强的适用性和灵活性。
挑战和未来发展：尽管微生物电解池制氢技术具有诸多优点，但也面临着一些挑战，如微生物代谢途径的不完善、电化学反应速率的限制等。
未来，需要进一步深入研究微生物电解池制氢的机理，优化微生物和电解池系统的设计，提高制氢效率和稳定性。
同时，结合可再生能源等新能源技术，探索微生物电解池制氢技术在能源转换和储存领域的应用潜力，推动其向实际工程应用和商业化转化。
微生物电解制氢的研究现状及展望
［ 作者简介］ 姜薇 ，副教授 ，黑龙江农垦科技职业学院，计 算 机应 用技术专业，教师 。
ｆ Ｈ ｄ ｇｎＰｏ ｕｔ ｎｗｔ Ｍｉ ｏｉ Ｂｏａ ｏ ｅ ＥＮ ３ ｙ ｒ ｅ ｒｄ ｃｏ ｉ ａ ｃ ｂ ｌ ｉｃ ｄ． ］ ｏ ｉ ｈ ｒ ａ ｈ ｔ Ｒ Ｅ
养 目标 与社会的需要 相一致。 高职院校 学生的 毕业 设计工作 因受 到学生就业 等因素 的
３规范论文格式 ，让学生 自己动 手进 行论文 的排版，在开 ．
题时将论文规范进行公示 ， 要求 学生按照规范进行论文排版与 影 响，出现质量下 降趋 势。要想提高毕业设计的质量，从根本 设计 ， 要求学生定期将论文 的纸质打印稿提交给指导教师 ， 指 上 要提 高思想重视，加强制度保 证。只有 学院、教师 、学生都 导教师在不规范之处指 出问题所在 ，再返给学生 ，由学生 自己 加 以重 视， 能进 一步提高毕业 设计的效果， 高毕业 设计教 才 提 进行排版 的设计 ， 这样不仅使 学生熟悉论文的 内容 ， 有利于答 辩 ，同时论文排版也有利 于学生熟练使用文字处理软件 。 在答 辩前，还应要求学生制作课件 ，也有利于现场答辩 。
Ｍ ｉｒ ｂ ａ ｃｏ ｉ ｌ Ｅ ｅ ｔ ｌｓ ｌｃ ｏｙ ｉ ｒ ｓ Ｃｅｓ ｌ． ｌＤＯＵＧＬ ＡＳ
（ ）成 绩 的核 定 三 学 质量 。
参考文献：
［廖 志凌． １ Ｊ 高校本科毕业设计 中存在的 问 及对策０． 题 １ 江苏
大学学报（ 高教研 究版） ０４２８ — ５ ， ０ ，： ８ ２ ２ ［］ ． ２张春 本科毕业设计 （ 论文 ）中的问题及 管理 Ⅱ． ］ 理工高 ［ 何礼 富． ３ ］ 计算机 专业本科毕业设计 （ 论文 ）存在 的问题
利用生物质制氢的研究进展
利用生物质制氢的研究进展近年来，由于化石能源的不可持续性和对环境的危害，人类开始朝着更加环保和可持续的能源方向发展，其中氢能作为新一代清洁能源备受瞩目。
生物质制氢是氢能领域中的一种绿色途径，其具有低成本、高效益、环境友好等优点。
本文将重点讨论生物质制氢的研究进展。
一、生物质制氢原理生物质制氢是利用天然物质——生物质的含氢基团，采用生物学、化学、物理、计算机等多种科学技术手段，对生物质加热或微生物发酵过程中产生的氢气进行分离和纯化，从而获得高纯度氢气。
生物质制氢技术主要分为生物酶促和热化学两种方式。
（1）生物酶促方式该方式是利用生物酶促反应，将生物质经微生物凝聚和分解后，产生的氢气和二氧化碳、甲酸等物质分离出来。
生物酶促方式可以分为单一微生物种源和混合菌种方法两种。
目前，混合菌种方法得到了广泛的应用。
它可以使用不同的废弃物作为原料，如纸浆、农业废弃物、食品废弃物等，运用微生物新陈代谢作用，获得高效率氢气的制备。
（2）热化学分解法热化学反应是一种将生物质转化为氢气的方式，是通过热化学反应或热解反应技术，将生物质高温加热，使其分解出含氢原始芳香族化合物，采用气相色谱、质谱和核磁共振等方法对气体组分进行分析，从而可以获得高纯度的氢气，主要包括干式热化学反应、湿式热化学反应等几种不同类型。
其中，干式热化学反应技术成为实现生物质制氢技术的一项重要技术之一，其应用前景广阔。
二、生物质制氢技术的优点（1）低成本生物质制氢的原材料使用天然资源，成本相对较低，比传统的化石能源要低得多，其中，生物质余弦和能量植物又属于生命价值评价最高的物质，所以制氢成本会更低。
（2）可再生性和环境友好性生物质制氢技术途径可以使得能源的产生不依赖于非可再生的化石燃料。
因此，可以大大减少自然资源的消耗和损坏，同时生产过程中所排放的二氧化碳排放量极低，因此可以保护环境，减少碳排放，达到二氧化碳减排的目的。
（3）广泛适用性生物质制氢途径可以适用于很多种源。
第十章 生物质制氢PPT课件
1. 基本理论 2. 主要的生物制氢技术及其发展现状 3. 生物制氢存在的问题及展望
第一节 基本理论
一、氢能的特点 作为能源，氢有以下特点： （1）所有元素中，氢重量最轻。 （2）氢是极好的传热载体。 （3）存储量大。 （4）氢的发热值高。 （5）氢燃烧性能好。
（6）氢本身无毒。 （7）氢循环使用性好。 （8）氢能利用形式多。 （9）氢能适应储运及各种应用环境的不同要
• 虽然在标准状况下NADH+H+转化为H2的过 程不能自发进行，但在NADH铁氧还蛋白和 铁氧还蛋白酶和铁氧还蛋白氢酶作用下， 该反应能进行。
• 可溶性碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、乳 糖和淀粉等）的发酵以丁酸型发酵为主。
• 含氮有机化合物的酸性发酵，难降解碳水 化物得厌氧发酵表现为丙酸型发酵途径。
①预处理环节
木质纤维素结构复杂，需要对原料进行预 处理，以去除部分或全部木质素，溶解半 纤维素，或破坏纤维素的晶体结构，从而 减少聚合度，增加孔隙度和表面积等，以 促进酶与底物相互接触并反应，提高酶解 速率和糖得率。
理想的预处理方法应满足： ① 有利于酶水解过程的糖化； ② 避免碳水化合物的降解或损失； ③ 避免生成对后续水解或发酵有害的副产品； ④ 经济可行。
（一）光合制氢技术 1、原料特点
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。
光合细菌的优点：
① 容易培养并且可以利用多种有机废弃物为产氢 原料，具有较高的理论转化率；
② 可利用的太阳光谱范围较宽，比蓝细菌和绿藻 的吸收光谱范围更广泛，具有较高的光合转化 潜力
③ 产氢需要克服的自由能较小，乙酸光合细菌产 氢的自由能只有+8.5KJ/mol；
（二）产氢途径 1、光合产氢途径
生物制氢技术
光合细菌产氢原理
光合细菌光合作用及电子传递 的主要过程图： 光合细菌只有一个光合作用中 心（相当于蓝、绿藻的光合系 统I）。 由于缺少藻类中起光解水作用 的光合系统Ⅱ，所以只进行以 有机物作为电子供体的不产氧 光合作用。
光合细菌光分解有机物产生氢气的生化途径为： (CH2O)n → Fd → 氢酶 → H2 以乳酸为例，光合细菌产氢的化学方程式可以表示为： 光照 C3H6O3 + 3H2O ——→ 6H2 + 3CO2 此外，研究发现光合细菌还能够利用CO产生氢气，反应式为： 光照 CO + H2O ——→ H2 + CO2
于产氢，是提高发酵细菌产氢的主要途径。
（二）光合微生物法制氢工艺
光合微生物制氢是在一定光照条件下，通过光合微生物分 解底物产生氢气。 主要的研究集中于藻类和光合细菌。 微藻属于光合自养型微生物，包括： 蓝藻、绿藻、红藻和褐藻等， 目前研究较多的主要是绿藻。 光合细菌属于光合异养型微生物，目前研究较多的有： 深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、夹膜红 假单胞菌、球类红微菌和液泡外硫红螺菌等。
2H2O
O2
2H+
直接光解水产氢示意图
太阳
CO2
生物质 （蓝藻、绿藻）
H2
PSⅠ和PSⅡ
2e-
生物质 （蓝藻、绿藻）
Fd
发酵
2e -
氢酶
Fd
2H2O
O2 间接光解水产氢示意图
2H+
间接光解有机物产氢途径中，为了克服氧气对产氢酶的抑制效应，使蓝藻 和绿藻产氢连续进行，可使氢气和氧气在不同阶段或不同空间进行光分解 蓝藻和绿藻生物质产氢 。
金属氢化物储氢、 非金属氢化物储氢
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)。
生物制氢方法、运用及发展前景
光合异养微生物水气转化反应产生氢气
一些光合异养微生物在暗条件下能够利用CO作为单 一碳源，产生ATP的同时释放出H2、CO2
如Rubrivivax gelatinosus CBS，它不仅可以在暗条件 下进行CO-水-气转换反应，而且能利用光能固定
O2将CO同化为细胞质；即使在有其他有机底物的 情况下，它也能够很好利用CO并且能够100﹪转换 气态的CO成H2
其反应式如下：
CO + H2O → CO2 + H2
发酵制氢
氧细菌利用有机物进行暗发酵产生氢气，温度范围25℃，或超高温>80℃ （1）当乙酸为终产物时：
C6H12O6+2H2O→2CH3COOH+4H2+2CO2
细菌（藻）间接光解水制氢技术
1）筛选高活性氢酶或高异性细胞结构的菌（藻）株 2）基因工程水段消除吸氢酶，增加双向氢酶的活性 3）优化光生物反应器的设计
发酵系统
1）消除其他竞争性微生物，以减少对营养的消耗 2）共培养利用不同光能的微生物
4.暗发酵生物制氢技术
（1）研究气体快速分离技术，减少因氢、二氧化碳分压增加抑 产氢速率——膜技术的使用
元素调控，如:硫、磷
PSII抑制剂，如：DCMU、CCCP、 FCCP
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 如图：
它的总反应式为： 12H2O+6CO2 →C6H12O6+6O2
C6H12O6+12H2O →12H2+6CO2
发酵产氢（无硫紫细菌）
硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产 氢气：
微生物制氢2
3.光发酵产氢（无硫紫细菌） 无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底 Light energy 物产生氢气 : C6H12O6 + 12H2O 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 已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机 废水的实例
2.蓝细菌（藻）间接光解水制氢技术 （1）筛选高活性氢酶或高异性细胞结构的菌 （藻）株； （2）基因工程水段消除吸氢酶，增加双向氢酶 的活性； （3）优化光生物反应器的设计
3.光发酵系统 （1）消除其他竞争性微生物，以减少对营养的 消耗； （2）共培养利用不同光能的微生物 4.暗发酵生物制氢技术 （1）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； （2）防止因一氧化碳积累对PEMFC的毒害； （3）诱变高产氢能力的菌株； （4）优化反应器的设计—如固定床的使用
一些生物制氢过程具有较好的环境效益
二.生物制氢方法的介绍
1.直接光解技术（绿藻） 在厌氧条件下，绿藻既可以利用氢作为电 子供体用于二氧化碳的固定或释放氢气
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： 元素调控，如：硫、磷 PSII抑制剂，如：DCMU、CCCP、FCCP 代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii 产氢速率为：7.95mmol H2/L ,100h.
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
利用微生物和光能联合制氢技术
利用微生物和光能联合制氢技术济南大学医学与生命科学学院制药工程0902班邓小波众所周知，氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能的应用自200百年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛的开展了氢能的研究。
中国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪60年代初，中国科学家为了发展本国的航天事业单，对作为火箭燃料的液氢的生产、氢氧燃料电池的研究开发进行了大量而有效的工作。
到目前为止，氢能技术已经被列入《科学技术发展“十五”计划和2015年远景规划》。
目前利用可在生能源制氢的主要技术，包括电解水制氢，太阳能热化学循环制氢和利用生物质转化制氢。
电解水制氢技术是最早利用的制氢技术之一，它操作简单，可靠性很大，但是传统的电解水制氢的能耗特别高，以及矿物原料有限的特点。
然而生物质制氢技术能克服以上弊端，故成为当今科学研究制氢技术的主流。
生物质制氢又包括两个方面，分别是生物质气化制氢和微生物脱氢方法制氢。
由于生物质气化制氢与本文无关，这里也就不详细介绍了。
微生物脱氢方法制氢又有以下几种：微生物厌氧发酵制氢技术，光能微生物制氢技术，二次发酵制氢技术等。
本次我要提的利用微生物和光能联合制氢技术从本质上来说是属于微生物脱氢方法制氢的范畴。
但是利用微生物和光能联合制氢技术是把厌氧发酵跟光能发电技术实现了完美结合，从而又区别于普通发酵制氢技术。
生物制氢方法产氢效率转化底物类型转化底物效率环境友好程度光解水制氢慢水低需要光，对环境无污染光发酵制氢较快小分子有机酸、醇类物质较高可利用各种有机废水制氢，制氢过程需要光照暗发酵制氢快葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化合物高可利用各种工农业废弃物制氢，发酵废液在排放前需处理光发酵和暗发酵耦合制氢最快葡萄糖、淀粉、纤维素等碳水化合物最高可利用各种工农业废弃物制氢，在光发酵过程中需要氧气表1：几种生物制氢方法比较早在2006年，美国宾州州立大学环境工程学教授Bruce E. Logan 和Shaoan Cheng等人开发出一种新型微生物燃料电池，洛根就在自己所编写的《微生物燃料电池》中指出：在微生物燃料电池（简称M FC）外接一低压电源，就能在其阴极产生氢，在研究醋酸时发现，细菌会消耗醋酸并在溶液中产生0.3伏的电压。
生物质制氢原理、工艺和技术
氢的化学性质
➢ ①化学性质比较活泼，一般不存在单原子的氢，都是以双 原子构成气体氢分子或与其他元素结合的形式存在。
➢ ②分子能级较高，还原性强。
➢ ③易燃易爆。 氢气在氧气或空气中着火范围宽，燃烧时若不含杂质可产 生无色的火焰； 火焰的传播速度很快（2. 75 m/s）； 着火能很低（0.2MJ）。 常温常压下在大气中燃烧体积分数范围是4%～75%（以 体积计），爆炸极限为18%～65%。
液体原料制氢
甲醇制氢 乙醇制氢 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。
生物质制氢
生物质制氢方法
生物质热化学 转化制氢
生物质气化 生物质热裂解 生物质超临界转化 生物质热解油重整 其他热化学转化
生物质微生物 转化制氢
厌氧微生物发酵 光合微生物发酵
厌氧细菌和光合细菌联合 发酵
➢ 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。
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。
1.2 生物质制氢的基本原理
➢ 1.2.1热化学转化法制氢 ➢ 生物质气化制氢
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。
- 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)。
目录
CONTENTS
1 引言 2 制氢方法简介 3 生物制氢 4 制氢途径 5 存在问题与展望
1 引言
在目前所用的商品能源中95%是化石能源。在能量消耗
中比重最大的是石油，占能源总消耗总量的45%，煤炭占
30%，天然气占21%。一方面化石燃料的储量有
限，大规模的开采和消耗必将导致能源枯竭；
的产氢基因和产氢酶提炼出肠杆菌等受体细胞中进行表达。
在
问
（4）研究微生物产氢的代谢过程中的酶类，对代谢过程进
题
行控制，使代谢途径更好的向高效产氢的方向进行等。
与
展
望
[13] Ren N, Guo W, Liu B, et al. Biological hydrogen production by dark
物转化为电能的方法,在最近几年得到了飞速的发展。
微生物电解电池( microbial electrolysis cells，MEC) 则是在MFC 的基础上改进而
成的一种产氢装置，即MECs技术是一种利用微生物代谢活动将储存在废水有机
生
物
物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置。
制
氢
途
径
4 「MECs」原理
2
天然气转化制氢
生物制氢
制
甲醇水蒸气转化制氢
氢
方
法
煤焦化或煤气化法制氢
简
介
电解水制氢
[2] 倪萌, M.K .H .Leung , K .Sumathy. 电解水制氢技术进展[J].能源环境保护，2004,18（5）：5-9. [3] 刘晓丽.制氢工艺技术比较[J].工艺与设备，2016,5:78-79.
4 「暗发酵」（Dark fermentation ）」
所需条件：厌氧发酵细菌、黑暗条件、厌氧环境 两种途径： 途径一：甲酸分解产氢过程
生
物
途径二：通过 NADH+平衡调节产氢途径
制
氢
途
径
[8] 应燕玲.光合产氢细菌 PB-a 的分离鉴定、产氢特性和产氢系统群落分析[D].浙江大学生命科学学院,2008.
另一方面，化石燃料燃烧产生的COx、SOx、
引 言
NOx、CxHx 和煤烟、粉尘、液滴、焦油等 物质对环境造成严重的污染，并引起全球气
候改变。
氢气作为一种高效、清洁、可再生能源，在全
球能源系统的持续发展中将起到显著作用，并将对全球生
态环境产生巨大影响。
[1] 王瑞兴，钱春香，袁晓明. 发酵制氢微生物与高效发酵途径的研究进展[J]. 环境科学与技术，2013，36（12）： 90-99.
1、利用微藻将光能转化为氢气，在制氢过程中主要包括两种类型的光系统（PS Ⅰ和PS Ⅱ）和 两种途径。
途径一：:葡萄糖等有机供体经分解代谢产生电子供体
电子转移方向：电子供体 → PS Ⅰ →Fd →氢酶→H2 , 同时伴随产生CO2。
生
物
制
途径二:生物光水解产氢
氢 途
电子转移方向：H2O →PS Ⅱ →PS Ⅰ →Fd →氢酶→H2 , 同时伴随产生O2 。
生
物
制 氢
2H+ +4ATP+2e-
H2 +4ADP +4Pi (2)
途
径
[6] 周汝雁, 尤希凤, 张全国. 光合微生物制氢技术的研究进展[J]. 中国沼气 ,2006 , 24(2):31-35.
[7] Najafpour G D, Shahavi M H, Neshat S A. Assessment of biological Hydrogen production processes: A review[J]. 2016, 36(1):012068.
速度（常用催化剂铂）。
3、反应器结构的影响：根据外形可分为管式、瓶式、方形和圆形等；根据流动方式有流动性
生
和间歇性反应器；根据有无质子交换膜可分为双室和单室结构。
物 制
4、不同底物的影响:实验室通常以葡萄糖、醋酸钠等作为碳源，但也可以用生活污水或工业废
氢
水等作为MECs的底物。
途
径
5、产能微生物：附着于反应器阳极的产能微生物，是有机污染物降解的生物催化剂。（无需
5
光转化效率不高
存
在
问
题
与
氢气产生的不稳定
展 望
性
有机废水处理能力较低，产氢效率较 低，阴阳极材料成本较高。双室MECs 阴阳极室之间的膜成本高
大规模应用等
5
（1）开发新菌种，筛选高效产氢菌株
（2）进行菌株固定化技术的研究，提高产氢的效率，可以 研究不同固定化方式对产氢效果的提高。
（3）利用目前比较成熟的基因技术将已发现的高效产氢菌
MECs
[4] 孙立红，陶虎春. 生物制氢方法综述[N]. 中国农学通报,2014,30(36):161-167. [5] 王瑞兴， 钱春香， 袁晓明. 发酵制氢微生物与高效发酵途径的研究进展[J].环境科学与技术，2013，36（12）：90-93.
4 「光合微生物制氢技术」（Direct biophotolysis）
fermentation: challenges and prospects towards scaled-up production[J]. Current
Opinion in Biotechnology, 2011, 22(3):365-70.
[14] 广忠勇, 陈朋, 严晓娟,等. 微生物制氢工艺优化与生物反应的调控[J]. 现代生物医学进 展, 2012, 12(2):380-384.
4 生物制氢方法比较
生 物 制 氢 途 径
[9] 朱艳艳.光合生物制氢过程中微生物菌群生物研究[D].河南农业大学，2013.
4 生物制氢方法比较
生 物 制 氢 途 径
[4] 孙立红，陶虎春. 生物制氢方法综述[N]. 中国农学通报,2014,30(36):161-167
4 「MECs」
微生物燃料电池(microbial fuel cells，MFC) 提供了一种直接将生物可降解的有机
径
[6] 周汝雁, 尤希凤, 张全国. 光合微生物制氢技术的研究进展[J]. 中国沼气 ,2006 , 24(2):31-35.
4 「光合微生物制氢技术」
2、光合细菌分解有机物制氢（只有一个光合系统）
所需条件：光照、酶（:固氮酶、氢酶和可逆氢酶）
主要过程：
N2 +12ATP +6e-
2NH3 +12ADP +12Pi (1)
电子转移介体而可以将电子直接转移到阳极上。）
[11] 邸志珲, 张婧卓, 周启星,等. 基于生物电化学原理的生物制氢研究进展[J]. 化工进展, 2016, 35(s1). [12] Lee H S, Rittmann B E. Significance of biological hydrogen oxidation in a continuous single-chamber microbial electrolysis cell.[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(3):948-54.
3
What is Bio-hydrogen ?
利用微生物自身的生理作用，在一定的环境条件下， 通过新陈代谢获得氢气。
1、什么微生物？ 2、什么条件下？ 3、什么途径？
Bio-hydrogen
4
光水解产氢：蓝细菌和绿藻在光照和厌氧条件下分解水产氢。
微 生 物 制 氢
生 物 制 氢 途 径
发酵制氢
光合发酵：光合细菌在光照和厌氧条件下分解有机物产氢 暗发酵：细菌在黑暗和厌氧条件下分解有机物产氢
[15] 许洪章, 彭猛, 张光明,等. 固定化光合细菌技术及其运用的研究进展[J]. 环境科学与技 术, 2016(7).
THANK YOU FOR WATCHING
生 物 制 氢 途 径
[10] 郭坤, 张京京, 李浩然,等. 微生物电解电池制氢[J]. 化学进展, 2010(4):748-753.
4 「MECs」影响因素
1、阳极的影响：微生物阳极电极电势、阳极材料（附着面积大、高导电、不易腐蚀）。
2、阴极的影响：由支撑材料和催化剂组成，催化剂可降低反应的活化能，加快反应