生物制氢过程的运用、前景和发展方向ppt生物制氢过程的
合集下载
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。
生物制氢技术的发展及应用前景
1
暗发酵生物制氢技术
暗发酵生物制氢是利用厌氧发酵产氢细菌在厌 此过程不需要 氧条件下将有机物分解转化为氢气， 光能供应. 能够进行暗发酵产氢的微生物种类繁多，
· 856·
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
第 42 卷
包括一些专性厌氧细菌、 兼性厌氧细菌及少量好氧 ［ 1］ 细菌 ， 例 如 梭 菌 属 （ Clostridium ） 、 类芽孢菌属 （ Paenibacillus） 、 肠杆菌科（ Enterobacteriaceae） 等. 目前， 已知的暗发酵产氢过程主要包括甲酸 分解产氢、 丙酮酸脱羧产氢以及 NADH / NAD 平 衡调节产氢 3 种途径. 以葡萄糖为例， 其暗发酵产 氢过程为： 首先， 葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮 ATP 和 NADH；然后， 丙酮酸被丙酮酸铁氧化 酸、 CO2 和还原性铁 还原蛋白酶氧化成乙酰辅酶 A、 氧化还原蛋白（ 丙酮酸脱羧过程 ） ； 或者经丙酮酸 甲酸裂解酶而分解成乙酰辅酶 A 和甲酸， 生成的 甲酸再次被氧化为二氧化碳， 并使铁氧化还原蛋 白还原（ 甲酸裂解过程 ） ； 最后， 还原性铁氧化还 原蛋白在氢化酶和质子的作用下生成氢气 . 在产 氢代谢过程中， 不同的生态环境和不同的生物类 群导致代谢的末端产物也不尽相同. 根据末端代 谢产物的不同， 可以产生不同的发酵类型. 传统的 暗发酵生物制氢可以分为丁酸型发酵和丙酸型发 ［ 2］ 任南琪等通过对糖蜜废水的 酵 . 1990 年以来， 连续流制氢研究， 发现并提出了新的乙醇型发酵 ［ 3 － 5］ . 研究表明， 当末端产物为乙醇时， 产氢途径 氢气产量较高 . 特别指出的是 E. harbinense sp. 7］ 8］ B49 ［ 、 E. harbinense sp. Y3 ［ 及 E. harbinense sp.
《制氢学习》课件
3 化石燃料重整法
利用化石燃料进行重整反应产生氢气。
4 生物制氢法
利用微生物或酶的作用产生氢气。
制氢的应用
加氢制氢
将氢气与其他物质反应，如加 氢裂解重油。
催化制氢
利用催化剂加速制氢反应速率， 提高氢气产量。
燃料电池等领域中的 应用
介绍燃料电池、氢能源汽车等 领域中氢气的应用。
制氢的发展前景
1
国内外制氢的现状和发展趋势
分析国内外制氢技术的现状和未来发展趋势。
2
制氢技术的市场前景及产业化
探讨制氢技术在市场上的潜力和产业化的可能性。
3
结语
总结制氢技术的应用前景，并展望未来制氢技术的发展。
《制氢学习》PPT课件
# 制氢学习
制氢的概述
制氢的意义和现状
探索制氢技术的重要性及全球现状，解决能源和环境问题。
制氢的分类和原理
介绍制氢方法的分类和基本原理，如热分解法、电解法等。
制氢的方法
1 热分解法
通过高温加热将物质分解产生氢气，适用于 可性材料。
2 电解法
利用电流将水分解成氢气和氧气，是最常用 的制氢方法。
第十章 生物质制氢PPT课件
④ 终产物中氢气组成达95%以上；
⑤ 产氢过程中不产生氧气，是一种最具发展潜力 的生物制氢的方法。
2、工艺技术
目前对于光合制氢工艺技术的研究包括： （1）产氢菌种的培养 （2）固定化技术的应用 （3）光合生物反应器的研发 （4）光转化效率的提高 ① 高速搅拌 ② 分散光合生物反应器表面的光 ③ 培育叶绿素含量少的菌种，从而较少光子的过多
二、生物制氢技术展望
未来的研究应注重以下方面： ① 充分重视对发酵产氢微生物的研究。 ② 为了降低运行及管理费用，利用能自固定、产氢
能力较高的厌氧活性污泥混合菌种，并寻求菌种 培养容易、启动快的方法。 ③ 利用高浓度有机废水制取氢气，并注重耐酸菌种 的选育。 ④ 研制可以达到工业化生产规模的生物制氢反应设 备。
• 胥凯等对生物质在超临界水环境下汽化制 氢过程提出简化的两相物理化学模型。
（四）等离子体热解汽化制氢
等离子体热解汽化制氢是利用等离子产生的 极光束、闪光管、微波等离子和电弧等离 子等通过电场电弧能将生物质热解，合成 气中主要成分是H2和CO，且不含焦油。
第三节 生物制氢存在的问题及展望
一、生物制氢存在的问题 （1）如何筛选产氢率相对高的菌株、设计合
工具的有效荷载。 （11）氢取代化石燃料能最大限度地减弱温
室效应。
二、生物制氢发展历程
➢生物制氢的现象在100多年前已被发现。 ➢生物制氢的想法最先由Lewis于1966年最
早提出。 ➢20世纪70年代以来，随着人们对能源危机
的认识和环境保护意识的增强，生物制氢 技术逐渐受到人们的重视。
三、产氢微生物及产氢机理
预处理方法包括： ➢物理法：机械粉碎 ➢物理化学方法：蒸汽爆破法、CO2爆破法、
氨纤维爆破法。 ➢化学法：常采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧
⑤ 产氢过程中不产生氧气，是一种最具发展潜力 的生物制氢的方法。
2、工艺技术
目前对于光合制氢工艺技术的研究包括： （1）产氢菌种的培养 （2）固定化技术的应用 （3）光合生物反应器的研发 （4）光转化效率的提高 ① 高速搅拌 ② 分散光合生物反应器表面的光 ③ 培育叶绿素含量少的菌种，从而较少光子的过多
二、生物制氢技术展望
未来的研究应注重以下方面： ① 充分重视对发酵产氢微生物的研究。 ② 为了降低运行及管理费用，利用能自固定、产氢
能力较高的厌氧活性污泥混合菌种，并寻求菌种 培养容易、启动快的方法。 ③ 利用高浓度有机废水制取氢气，并注重耐酸菌种 的选育。 ④ 研制可以达到工业化生产规模的生物制氢反应设 备。
• 胥凯等对生物质在超临界水环境下汽化制 氢过程提出简化的两相物理化学模型。
（四）等离子体热解汽化制氢
等离子体热解汽化制氢是利用等离子产生的 极光束、闪光管、微波等离子和电弧等离 子等通过电场电弧能将生物质热解，合成 气中主要成分是H2和CO，且不含焦油。
第三节 生物制氢存在的问题及展望
一、生物制氢存在的问题 （1）如何筛选产氢率相对高的菌株、设计合
工具的有效荷载。 （11）氢取代化石燃料能最大限度地减弱温
室效应。
二、生物制氢发展历程
➢生物制氢的现象在100多年前已被发现。 ➢生物制氢的想法最先由Lewis于1966年最
早提出。 ➢20世纪70年代以来，随着人们对能源危机
的认识和环境保护意识的增强，生物制氢 技术逐渐受到人们的重视。
三、产氢微生物及产氢机理
预处理方法包括： ➢物理法：机械粉碎 ➢物理化学方法：蒸汽爆破法、CO2爆破法、
氨纤维爆破法。 ➢化学法：常采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧
《生物质制氢技术》课件
宣传推广
加强对生物质制氢技术的宣传和推广，提高社会认知度和接受度 ，促进技术的普及和应用。
技术创新与突破
研发支持
加大对生物质制氢技术研发的投入，鼓励科研机构和企业进行技 术创新，提高技术水平和竞争力。
技术交流与合作
加强国际间的技术交流与合作，引进先进技术，推动技术进步和产 业升级。
人才培养
重视人才培养，加强生物质制氢领域的人才队伍建设，为技术创新 提供人才支撑。
降低成本是生物质制氢技术推广 应用的关键，需要加强副产物的 资源化利用和降低能耗等方面的 研究。
开发新型生物质资源是解决生物 质资源多样化问题的有效途径， 可以探索利用木质纤维素等新型 生物质资源进行制氢。
04
生物质制氢的环保与经济性 分析
环保性分析
减少温室气体排放
01
生物质制氢过程中产生的二氧化碳与生物质生长过程中吸收的
生物质来源
生物质主要来源于农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、城 市垃圾和废水等。
生物质转化
生物质通过热解、气化、发酵等过程转化为氢气和其他有用 物质。
生物质气化制氢
原理
生物质在高温条件下，经过气化反应将有机物转化为合成气，其中含有氢气、 一氧化碳、二氧化碳等。
工艺流程
生物质经过干燥、粉碎后，进入气化炉进行气化反应，生成的气体经过冷却、 净化后得到氢气。
二氧化碳达到平衡，从而减少温室气体排放。
废弃物资源化利用
02
生物质废弃物如农业废弃物、林业废弃物等可用于制氢，实现
废弃物的资源化利用，降低环境污染。
替代化石燃料
03
生物质制氢可以替代传统的化石燃料，减少对化石燃料的依赖
，降低空气污染和碳排放。
经济性分析
加强对生物质制氢技术的宣传和推广，提高社会认知度和接受度 ，促进技术的普及和应用。
技术创新与突破
研发支持
加大对生物质制氢技术研发的投入，鼓励科研机构和企业进行技 术创新，提高技术水平和竞争力。
技术交流与合作
加强国际间的技术交流与合作，引进先进技术，推动技术进步和产 业升级。
人才培养
重视人才培养，加强生物质制氢领域的人才队伍建设，为技术创新 提供人才支撑。
降低成本是生物质制氢技术推广 应用的关键，需要加强副产物的 资源化利用和降低能耗等方面的 研究。
开发新型生物质资源是解决生物 质资源多样化问题的有效途径， 可以探索利用木质纤维素等新型 生物质资源进行制氢。
04
生物质制氢的环保与经济性 分析
环保性分析
减少温室气体排放
01
生物质制氢过程中产生的二氧化碳与生物质生长过程中吸收的
生物质来源
生物质主要来源于农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、城 市垃圾和废水等。
生物质转化
生物质通过热解、气化、发酵等过程转化为氢气和其他有用 物质。
生物质气化制氢
原理
生物质在高温条件下，经过气化反应将有机物转化为合成气，其中含有氢气、 一氧化碳、二氧化碳等。
工艺流程
生物质经过干燥、粉碎后，进入气化炉进行气化反应，生成的气体经过冷却、 净化后得到氢气。
二氧化碳达到平衡，从而减少温室气体排放。
废弃物资源化利用
02
生物质废弃物如农业废弃物、林业废弃物等可用于制氢，实现
废弃物的资源化利用，降低环境污染。
替代化石燃料
03
生物质制氢可以替代传统的化石燃料，减少对化石燃料的依赖
，降低空气污染和碳排放。
经济性分析
制氢技术ppt课件
2.5 其他制氢方法
烃类分解生成氢气和炭黑
生成的炭黑可以用于橡胶工业、着色剂、抗静电剂、复 印色粉及黑色染料等。 ❖ 热裂解法
CnHm----n C + m/2 H2 ❖ 等离子体法 a. 采用氢气为等离子体气。 b. 原料的适应性强，几乎所有的烃都可作制氢原料。 c. 过程的热量可回收发电，能耗有所降低。
床气化炉和Texaco加压气流床气化炉。制得的氢主要 用于合成氨工业。 2）煤炭地下气化生产原料气 将地下的煤直接进行有控制地燃烧，通过对煤的热作用及 化学作用而产生可燃气体。集建井、采煤、地面气化 三大工艺为一体，省去庞大的工艺设备。“第二代采 煤方法”
气体原料制氢
❖ 天然气水蒸气重整制氢 CH4+H2O----CO+3H2-206KJ CO+H2O----CO2+H2+41KJ 需要吸收大量的热，反应温度为650~850度，反应管出口
第二章 制氢
L/O/G/O
目前的制氢方法有哪些？
热化学 制氢
化石能 源制氢
电解水制 氢
氢气
其它制氢 方法
生物质 制氢
2.1 氢气的实验室制法
2.1 氢气的实验室制法
2.2 用水制氢
❖ 水电解制氢目前占总产量的４％，工艺过程简单，无污染，但 消耗电量大，每立方米氢气电耗为4.5—5.5 kWh，电解水制氢 主要用于工业生产中要求纯度高，用氢量不多的工业企业。
1）开发新的热源---热化学制氢过程需要消耗水和热，热 源是关键。核能是今后最有希望的热源；太阳能亦可 产生600-800℃ 的高压过热蒸汽。
2）热化学制氢面临的技术挑战 反应过程的控制，以及中间产物的分离。 3）热化学制氢的材料难题——耐酸以及高温材料的研究
生物质制氢技术的发展历史、现状及其前景
生物质制氢技术的发展历史、现状及其前景作者：祁晓东摘要：氢能以其清洁, 来源及用途广泛等优点成为最有希望的替代能源之一, 用可再生能源制氢是氢能发展的必然趋势。
由于生物质制氢具有一系列独特的优点, 它已成为发展氢经济颇具前景的研究领域之一。
生物质制氢技术可以分为两类, 一类是以生物质为原料利用热物理化学方法制取氢气, 如生物质气化制氢, 超临界转化制氢, 高温分解制氢等热化学法制氢, 以及基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇的化学重整转化制氢等; 另一类是利用生物转化途径转换制氢, 包括直接生物光解, 间接生物光解, 光发酵, 光合异养细菌水气转移反应合成氢气, 暗发酵和微生物燃料电池等技术。
本文综述了目前主要的生物质制氢技术的特点和发展概况,介绍了国内外发展生物制氢技术的现状，并做出了21世纪发展的展望。
关键词：生物质制氢历史现状前景1、绪论氢气具有热值高( 每千克氢143MJ) 、污染物零排放的特点, 是未来大规模利用的能源形式之一。
氢能不是一次能源( 燃料) , 自然界中不存在纯氢, 只能通过其他化学物质中转化、分解、分离得到,但该过程需要耗费大量的能源。
制氢技术有很多种, 其中生物质制氢技术显得有吸引力, 它不仅可提供氢燃料, 改善燃料利用结构, 实现大气污染状况的根本好转; 且能有效利用生物质这种丰富的、经济的可再生资源, 真正实现CO2 “零排放”。
1.1、生物质制氢的概念生物质制氢，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。
生物质制氢是当前最有发展前景的清洁的生物质能转换技术之一，且由于生物质是廉价的可再生制氢原料，每千克生物质可生产0.672m3的氢气，占生物质总能量的40%以上，已成为世界各国可再生能源科学技术领域的研究发展开发热点之一。
1.2、几种制氢技术的特点比较不同的国家或地区的制氢原料存在着很大的区别, 这决定了制氢工艺的不同。
制氢技术主要有以下几种方式。
第十章 生物质制氢PPT课件
第十章 生物质制氢
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
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PPT课件
6.1.2 生物制氢
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
生物制氢的方法
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。
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
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
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。
• 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
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
生物制氢的方法
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。
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
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
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。
• 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
生物制氢方法、运用及发展前景
C6H12O6+12H2O →12H2+6CO2 有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机废水的实例
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：
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：
《生物质制氢技术》PPT课件
生物能源
第四章 生物质制氢技术
完整版课件ppt
1
第四章 生物质制氢技术
• §4.1 概述 • §4.2 生物质热化学转换法制氢 • §4.3 微生物法制氢
完整版课件ppt
2
§4.1 概述
以值量计在宇宙中最普通的10种元素
• 氢的性质 • 含量为最丰富的元素
元素 氢
百万分比 750,000
• 最环保、洁净的能源
完整版课件ppt
4
氢的存在形式及制取途径
• 地球上的氢主要以其化合物，如水和碳氢化合物、ห้องสมุดไป่ตู้油、天然气 等形式存在
用水制氢
化石能源制氢
生物质制氢
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
液体石化能源制氢：甲醇、 的培养技术有待开发
乙醇、轻质油及重油制氢
过程各完有整利版弊课件ppt
5
• 氢是一种理想的新能源，具有资源丰富，燃烧热值高，清洁无污染， 适用范围广的特点。
• 制氢的方法有很多，电解水是大规模生产氢的一种途径，然而，水分 子中的氢原子结合得十分紧密，电解时要耗用大量电力，比燃烧氢气 本身所产生的热量还要多，因此若直接利用火电厂供应的电力来电解 水，在经济上是不可取的。
3、氢气分离、净化
• （1）金属氢化物分离法 氢同金属反应生成金属氢化物的反应是可逆反
述分析可知，CFBG的热解反应处于高温区，并且CFBG的传热条件好，加热速率高，可操作性强，
产品气的质量也较高，其中H2的含量也较高。
第四章 生物质制氢技术
完整版课件ppt
1
第四章 生物质制氢技术
• §4.1 概述 • §4.2 生物质热化学转换法制氢 • §4.3 微生物法制氢
完整版课件ppt
2
§4.1 概述
以值量计在宇宙中最普通的10种元素
• 氢的性质 • 含量为最丰富的元素
元素 氢
百万分比 750,000
• 最环保、洁净的能源
完整版课件ppt
4
氢的存在形式及制取途径
• 地球上的氢主要以其化合物，如水和碳氢化合物、ห้องสมุดไป่ตู้油、天然气 等形式存在
用水制氢
化石能源制氢
生物质制氢
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
液体石化能源制氢：甲醇、 的培养技术有待开发
乙醇、轻质油及重油制氢
过程各完有整利版弊课件ppt
5
• 氢是一种理想的新能源，具有资源丰富，燃烧热值高，清洁无污染， 适用范围广的特点。
• 制氢的方法有很多，电解水是大规模生产氢的一种途径，然而，水分 子中的氢原子结合得十分紧密，电解时要耗用大量电力，比燃烧氢气 本身所产生的热量还要多，因此若直接利用火电厂供应的电力来电解 水，在经济上是不可取的。
3、氢气分离、净化
• （1）金属氢化物分离法 氢同金属反应生成金属氢化物的反应是可逆反
述分析可知，CFBG的热解反应处于高温区，并且CFBG的传热条件好，加热速率高，可操作性强，
产品气的质量也较高，其中H2的含量也较高。
- 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)。
Seminar I 生物制氢过程的运用、前景 和发展方向
学生：冉 春 秋 导师：张卫 研究员 海洋产品与工程研究组
提纲
制氢方法的简介 生物制氢方法的介绍 生物制氢技术的运用、前景 生物制氢技术的发展方向
一.制氢方法的介绍
1.基于化石燃料的方法 天然气的蒸气重整； 天燃气的热裂解； 石油碳氢化合物重组分的部分氧化； 煤的气化； 热裂解或气化
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：
Photo-fermentation 0.16
CO-oxidation
96.0
Dark fermentations
Mesophilic,undefined 121.0
1.0 kW FC(l) 3.41*105 6.73*104 1.49*105
2.49*102
1.98*102
暗发酵体系和CO-水气转换系统具有较强的 实际运用前景，其他生物制氢模式也值得深 入研究，以增加产氢速率和产氢量
(1) Rubrivivax gelatinosus CBS 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CO2将CO同化为细胞质；即使 在有其他有机底物的情况下，其也能够很好 利用CO
（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能够100% 转换气态的CO成H2；
Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h
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 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;
（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；
（3）这类微生物的氢酶具有很强的耐氧性，在 空气中充分搅拌时氢酶的半衰期为21h.
代表性菌株：
Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h
5.暗发酵制氢
厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气； 温度范围25-80℃，或超高温80 ℃ (1)当乙酸为终产物时：
以增加太阳能的转换效率； （2）改变氢酶基因的耐氧性，或是进行定向克
隆； （3）优化设计，降低光生物反应器的成本； （4）优化调控方法、工艺条件，增加产氢速率、
产氢量.
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；
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.
（4）优化反应器的设计—如固定床的使用
总结
生物制氢技术总体上还处在初步研 究阶段，但其在原料来源、能源消 耗、环境方面具有较强的优势，所 以仍是值得深入研究的领域.
利用厌氧细菌发酵纤维素、半纤维素、木质 素降解后的小分子有机物，具有很强的环境、 经济效益
三.生物制氢技术的运用前景
BioH2 system
H2 synthesis rate
(mmol H2 (l × h))
Direct photolysis 0.07
Indirect photolysis 0.355
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
4.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 做为单一碳源，产生ATP的同时释放出H2、 CO2
CO(g) + H2O(l) → CO2(g) + H2(g)
占整个氢气产量的90%以上
2.基于以水为原料的方法
电解； 光解； 热化学过程； 直接热分解
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
C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2
(2)当丁酸为终产物时：
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
氢气产生速率与：pH、水力停留时间、 氢分压等有很大关系
ห้องสมุดไป่ตู้
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，
学生：冉 春 秋 导师：张卫 研究员 海洋产品与工程研究组
提纲
制氢方法的简介 生物制氢方法的介绍 生物制氢技术的运用、前景 生物制氢技术的发展方向
一.制氢方法的介绍
1.基于化石燃料的方法 天然气的蒸气重整； 天燃气的热裂解； 石油碳氢化合物重组分的部分氧化； 煤的气化； 热裂解或气化
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：
Photo-fermentation 0.16
CO-oxidation
96.0
Dark fermentations
Mesophilic,undefined 121.0
1.0 kW FC(l) 3.41*105 6.73*104 1.49*105
2.49*102
1.98*102
暗发酵体系和CO-水气转换系统具有较强的 实际运用前景，其他生物制氢模式也值得深 入研究，以增加产氢速率和产氢量
(1) Rubrivivax gelatinosus CBS 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CO2将CO同化为细胞质；即使 在有其他有机底物的情况下，其也能够很好 利用CO
（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能够100% 转换气态的CO成H2；
Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h
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 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;
（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；
（3）这类微生物的氢酶具有很强的耐氧性，在 空气中充分搅拌时氢酶的半衰期为21h.
代表性菌株：
Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h
5.暗发酵制氢
厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气； 温度范围25-80℃，或超高温80 ℃ (1)当乙酸为终产物时：
以增加太阳能的转换效率； （2）改变氢酶基因的耐氧性，或是进行定向克
隆； （3）优化设计，降低光生物反应器的成本； （4）优化调控方法、工艺条件，增加产氢速率、
产氢量.
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；
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.
（4）优化反应器的设计—如固定床的使用
总结
生物制氢技术总体上还处在初步研 究阶段，但其在原料来源、能源消 耗、环境方面具有较强的优势，所 以仍是值得深入研究的领域.
利用厌氧细菌发酵纤维素、半纤维素、木质 素降解后的小分子有机物，具有很强的环境、 经济效益
三.生物制氢技术的运用前景
BioH2 system
H2 synthesis rate
(mmol H2 (l × h))
Direct photolysis 0.07
Indirect photolysis 0.355
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
4.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 做为单一碳源，产生ATP的同时释放出H2、 CO2
CO(g) + H2O(l) → CO2(g) + H2(g)
占整个氢气产量的90%以上
2.基于以水为原料的方法
电解； 光解； 热化学过程； 直接热分解
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
C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2
(2)当丁酸为终产物时：
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
氢气产生速率与：pH、水力停留时间、 氢分压等有很大关系
ห้องสมุดไป่ตู้
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，