生物制氢技术 姓名:李旭峰学号:17300680057 前言 目前,人们的经济和生活方式在很大程度上取决于化石燃料的利用。然而,过度依靠化石燃 料已经对人类造成了严重的问题:持续升高的成本,不可靠的可持续性以及对全球变暖和环 境污染产生的影响。因此,能够稳定、连续的产岀化石燃料替代品的技术日益受到重视。氢 气因其清洁、高效而被视为将来理想的能源载体。氢气本身是可再生的,在燃烧时只生成水 不产生任何污染物,实现真正的“零排放”。与其它含能物质相比,氢气还具有能量密度高 的优点,是汽油的2.68倍。因此,氢气被视为目前最理想的能源载体,生物制氢技术日也 逐渐成为研究热点。 技术原理 ■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PS‖光化学活性来实现:元素调控,如:硫、磷PS‖抑制剂,如:DCMU、CcCP、 FCCP ADP+ PI Chloroplast stroma ATP Thylakoid membrane Thylakoid lumen H Mitochondrium Red NAD(PH NADHIITCA Starch Chloroplast Proteins, lipids ■间接光解产氢(蓝细菌) 总反应式为: 12H2O+6CO2rey.C6H12O6+602 C6H12O6+12H2O Light energ 12H2+6CO2
生物制氢技术 姓名：李旭峰 学号：17300680057 前言： 目前，人们的经济和生活方式在很大程度上取决于化石燃料的利用。然而，过度依靠化石燃 料已经对人类造成了严重的问题：持续升高的成本，不可靠的可持续性以及对全球变暖和环 境污染产生的影响。因此，能够稳定、连续的产出化石燃料替代品的技术日益受到重视。氢 气因其清洁、高效而被视为将来理想的能源载体。氢气本身是可再生的，在燃烧时只生成水， 不产生任何污染物，实现真正的“零排放”。与其它含能物质相比，氢气还具有能量密度高 的优点，是汽油的 2.68 倍。因此，氢气被视为目前最理想的能源载体，生物制氢技术日也 逐渐成为研究热点。 技术原理： 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） 间接光解产氢（蓝细菌） 总反应式为：
过程: 固氮酶:催化还原氮气成氨,氢气作为副产物产生 Photosynthesi organic-C genise idirectional 可逆氢酶:能够氧化合成莓气 ADP+Pi 2 NH4 吸氢酶:氧化由固氮酶催化产生的氢气 2 2 光发酵产氢(无硫紫细菌 光发酵及产氢流程主要是:光和细菌在有机物提供电子并且有机物经碳代谢提供质子的 条件下,其菌体内的固氮酶能在光能的带动下,利用激发态的电子经光合磷酸化作用产 出的ATP,将质子还原成氢。光合细菌含有的光合系统PS吸收光能后,电子供体将电 子传递到电子传递体系,经光合反应中心,生成一些激发态的电子,一部分经还原型铁 氧还蛋白传递给固氮酶,一部分经光合磷酸化产生ATP和NAPH,通过一些醌类、铁硫 蛋白等产生稳定的电子流动,使胞外和胞内质子氢离子产生质子梯度,驱动ATP合成酶 合成ATP。当电子经由铁氧还蛋白运送给固氮酶的铁蛋白后,又进一步通过铁蛋白传递 到钼铁蛋白,有机物或还原性物质被氧化,质子被还原成氢气。 (以无硫紫细菌为例)无硫紫细菌在缺氮条件下,用光能和还原性底物产生氢气: C6H120s+12H2O Light ener 12H2+6C0 光合异养微生物水气转化反应产生氢气 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 CO (g)+ HO (1) cO. 2(g) 如 Rubrivivax gelatinosus CBS(胶状红长命菌)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 ■暗发酵制氢 厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气
过程： 光发酵产氢（无硫紫细菌） 光发酵及产氢流程主要是：光和细菌在有机物提供电子并且有机物经碳代谢提供质子的 条件下，其菌体内的固氮酶能在光能的带动下，利用激发态的电子经光合磷酸化作用产 出的 ATP，将质子还原成氢。光合细菌含有的光合系统 PSI 吸收光能后，电子供体将电 子传递到电子传递体系，经光合反应中心，生成一些激发态的电子，一部分经还原型铁 氧还蛋白传递给固氮酶，一部分经光合磷酸化产生 ATP 和 NAPH，通过一些醌类、铁硫 蛋白等产生稳定的电子流动，使胞外和胞内质子氢离子产生质子梯度，驱动 ATP 合成酶 合成 ATP。当电子经由铁氧还蛋白运送给固氮酶的铁蛋白后，又进一步通过铁蛋白传递 到钼铁蛋白，有机物或还原性物质被氧化，质子被还原成氢气。 （以无硫紫细菌为例）无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生氢气 : 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 做为单一碳源，产生 ATP 的同时释放出 H2、 CO2 如 Rubrivivax gelatinosus CBS（胶状红长命菌） 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 暗发酵制氢 厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气 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
(1)当乙酸为终产物时 C6H12O6+ 2H20- 2CH3COOH 4H2 2C0 (2)当丁酸为终产物时: C6H12O6+ 2H,0- CH3CH,CH2COOH 2H2 2CO2 技术应用 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:可作为航天飞机、火箭、 城市交通工具的清洁燃料,在电子工业和金属高温加工 过程中作为保护气体,在炼油工业用于加氢精制,在有 机合成、合成氨以及食品工业方面也有着广泛应用。氢 气的应用己经深入到社会生活的各个方面,以氢为燃料 的燃料电池将代替以热机原理工作的发电机,氢燃料汽 车将从根本上解决尾气污染等环境问题 ◆技术发展方向 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,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; (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一—一膜技术的 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)优化反应器的设计一如固定床的使用
技术应用： 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：可作为航天飞机、火箭、 城市交通工具的清洁燃料，在电子工业和金属高温加工 过程中作为保护气体，在炼油工业用于加氢精制，在有 机合成、合成氨以及食品工业方面也有着广泛应用。氢 气的应用已经深入到社会生活的各个方面，以氢为燃料 的燃料电池将代替以热机原理工作的发电机，氢燃料汽 车将从根本上解决尾气污染等环境问题。 技术发展方向: 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，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； （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
技术优缺点 优点:1耗能低、效率高 2清洁、节能和可再生; 3原料成本低,制氢过程不污染环境 4一些生物制氢过程具有较好的环境效益 斗缺点:1生物制氢技术总体上还处在初步研究阶段,还未实现大规模工业生产应用 2光转化效率偏低、原料成本太高是所有种类的光合细菌产氢所面临的共同问题 3原料转化效率偏低、产氢速率偏低以及气相产物成分复杂是厌氧发酵产氢的主要矛 盾 4光合细菌产氢机理还没有彻底探明,这从很大程度上制约了光合细菌产氢的研究进 程 5制氢设备的小型化 总结与展望: 核能,0,8% 水电,7.1% 生物制氢技术是制氢技术中起步较晚但发 可再生能源,1.2% 展迅速的技术,无论是光解制氢还是发酵制氢, 都在近年来得到了突飞猛进的发展。氢能是解决 能源短缺和环境问题的清洁能源,制氢技术的发原,、 原油,17.7% 展对于能源和环境问题具有深刻的意义。相信在 不远的将来,生物制氢将被大规模应用与生产实 践,我国的能源结构将进一步优化,环境将进 天然气,4.7% 步改善 参考资料:1吴梦佳,隋红,张瑞玲—一生物发酵制氢技术的最新研究进展 2李雯,宋倩雯,张念慈,曹逸坤,许享,郭贝贝,潘欣语,李永峰-—光 发酵制氢的研究现状与发展 崔寒,邢德峰一一光发酵及微生物电解池制氢研究进展 《生物制氢过程的运用、前景和发展方向》 5黄宇一一浅谈生物制氢的现状与发展趋势
技术优缺点： 优点：1 耗能低、效率高； 2 清洁、节能和可再生； 3 原料成本低，制氢过程不污染环境； 4 一些生物制氢过程具有较好的环境效益。 缺点：1 生物制氢技术总体上还处在初步研究阶段，还未实现大规模工业生产应用； 2 光转化效率偏低、原料成本太高是所有种类的光合细菌产氢所面临的共同问题； 3 原料转化效率偏低、产氢速率偏低以及气相产物成分复杂是厌氧发酵产氢的主要矛 盾； 4 光合细菌产氢机理还没有彻底探明，这从很大程度上制约了光合细菌产氢的研究进 程； 5 制氢设备的小型化。 总结与展望： 生物制氢技术是制氢技术中起步较晚但发 展迅速的技术，无论是光解制氢还是发酵制氢， 都在近年来得到了突飞猛进的发展。氢能是解决 能源短缺和环境问题的清洁能源，制氢技术的发 展对于能源和环境问题具有深刻的意义。相信在 不远的将来，生物制氢将被大规模应用与生产实 践，我国的能源结构将进一步优化，环境将进一 步改善。 参考资料：1 吴梦佳，隋 红，张瑞玲——生物发酵制氢技术的最新研究进展 2 李 雯，宋倩雯，张念慈，曹逸坤，许 享， 郭贝贝， 潘欣语，李永峰——光 发酵制氢的研究现状与发展 3 崔寒，邢德峰——光发酵及微生物电解池制氢研究进展 4《生物制氢过程的运用、前景和发展方向》 5 黄宇——浅谈生物制氢的现状与发展趋势