厌氧发酵制氢技术 李奕希15301020073 、技术原理 厌氧发酵制氢的原理 厌氧发酵底物利用范围很广泛(包括垃圾、废品),能更有效地制氢。此外 发酵制氢通常有较高的收益率且不依赖光源。利用的碳水化合物主要是葡萄糖, 是发酵过程首选的碳源,主要产生乙酸、丁酸与氢气,具体反应如式(1)、式(2) C6H12O6+ 2H2O-2CH3 COOH 2CO2+ 4H2 (1) C6H1206+ 2HO--CH3 CH2COOH+ 2 CO2+2H? (2) HSCoA 丙酮酸甲酸裂解酶 CH. COCOOH HCOOH 2Fe+ 2H* 氢化酶 CH COCOa H2 CO 图2甲酸裂解产H过程(梭状芽孢杆菌型 Fig. 2 Fragmentat ion offormi cacid toproducehy drogen 产氢细菌直接产氢过程均发生于丙酮酸脱羧作用中,可分为两种方式:一为 梭状芽孢杄菌型。该过程为丙酮酸经丙酮酸脱羧酶作用脱羧,形成硫胺素焦磷酸 一酶的复合物,并将此电子转移给铁氧还蛋白,还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋 白氢化酶重氧化,产生巸分子。二是肠道杆菌型该过程中丙酮酸脱羧后形成甲 酸,然后甲酸全部或部分裂解转化为H和C02 CH- COCOOH CH- COSCOA y fEl 2H+ 内酬酸脱氢酶 TPP-E 氢化酶 8FeFd HSCoA H, OH H C 图3丙酮酸脱羧作用中产H2过程(梭状芽孢杆菌型) Fig. 3 The oxidaitvedecarboxy lation ofketo-aceticaad to produce hydrogen
厌氧发酵制氢技术 李奕希 15301020073 一、技术原理 厌氧发酵制氢的原理 厌氧发酵底物利用范围很广泛(包括垃圾、废品)，能更有效地制氢。此外， 发酵制氢通常有较高的收益率且不依赖光源。利用的碳水化合物主要是葡萄糖， 是发酵过程首选的碳源，主要产生乙酸、丁酸与氢气，具体反应如式(1)、式(2)。 产氢细菌直接产氢过程均发生于丙酮酸脱羧作用中，可分为两种方式:一为 梭状芽孢杆菌型。该过程为丙酮酸经丙酮酸脱羧酶作用脱羧,形成硫胺素焦磷酸 ——酶的复合物，并将此电子转移给铁氧还蛋白，还原的铁氧还蛋白被铁氧还蛋 白氢化酶重氧化，产生 H2 分子。二是肠道杆菌型该过程中丙酮酸脱羧后形成甲 酸，然后甲酸全部或部分裂解转化为 H2 和 CO2
学者任南琪认为,丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢途径,而 NADH/ NAD+则是一种平衡调节途径。在微生物的新陈代谢过程中,经EMP途径产 生的NADH和H一般均可通过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相偶联而得以再 生,从而保证NADH/NAD+平衡。但当NADH和H的再生相对于其形成较慢时,必然 要产生NADH与H的积累。对此,生物有机体必须采取其他调控机制,如在氢化 酶的作用下,通过释放分子氢以使NADH与H+再生,反应方程式如(3)。 NADH+H一H2+NAD 常见发酵微生物菌种 通常筛选发酵菌种的标准是:宽的底物利用范围,髙的底物转化率,高的氢 气产率和宽的环境适应范围。多年来研究发现,产氢菌种主要包括肠杆菌属 ( Enterobacter)、梭菌属( Clostridium)、埃希氏肠杆菌属( Escherichia)和杆菌 属( Bacillus)4类。 技术的应用 1.如今已有的氢汽车,就是靠氢燃料、氢燃料电池运行的。目前,我国科学家已 获得了能高效产氢的微生物,可以小规模的进行生物制氢。 2.用于制氢的微生物含有大量的蛋白质,除了能放出氢气外,还可以用于制药和 生产维生素,以及用它作牧畜和家禽的饲料。人们正在设法培养能高效产氢的这 类微生物,以适应开发利用新能源的需要 技术的优缺点 优点:(1)原料来源丰富、价格低廉、低能耗,是目前硏究最快并有望进行规模 化生产的一种制氢技术。 (2)涉及的反应装置和主要的工艺比较简单,反应条件温和,并且产氢速 率相对较高,容易实现大规模化生产。 (3)制氢后所余下的生活垃圾呈糊状,无臭味,可进一步实现资源化,使 之成为农田有机肥料如堆肥。 (4)其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源,而且也要在生产过程中造 成环境污染,因此采用生物制氢技术可减少环境污染,节约不可再生能源
学者任南琪认为，丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢途径，而 NADH/NAD+则是一种平衡调节途径。在微生物的新陈代谢过程中，经 EMP 途径产 生的 NADH 和 H+一般均可通过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相偶联而得以再 生,从而保证 NADH/NAD+平衡。但当 NADH 和 H+的再生相对于其形成较慢时，必然 要产生 NADH 与 H+的积累。对此，生物有机体必须采取其他调控机制，如在氢化 酶的作用下，通过释放分子氢以使 NADH 与 H+再生，反应方程式如(3)。 常见发酵微生物菌种 通常筛选发酵菌种的标准是：宽的底物利用范围，高的底物转化率，高的氢 气产率和宽的环境适应范围。多年来研究发现，产氢菌种主要包括肠杆菌属 (Enterobacter)、梭菌属(Clostridium)、埃希氏肠杆菌属(Escherichia)和杆菌 属(Bacillus)4 类。 二、技术的应用 1.如今已有的氢汽车，就是靠氢燃料、氢燃料电池运行的。目前，我国科学家已 获得了能高效产氢的微生物，可以小规模的进行生物制氢。 2.用于制氢的微生物含有大量的蛋白质，除了能放出氢气外，还可以用于制药和 生产维生素，以及用它作牧畜和家禽的饲料。人们正在设法培养能高效产氢的这 类微生物，以适应开发利用新能源的需要。 三、技术的优缺点 优点：（1）原料来源丰富、价格低廉、低能耗，是目前研究最快并有望进行规模 化生产的一种制氢技术。 （2）涉及的反应装置和主要的工艺比较简单，反应条件温和，并且产氢速 率相对较高，容易实现大规模化生产。 （3）制氢后所余下的生活垃圾呈糊状，无臭味，可进一步实现资源化，使 之成为农田有机肥料如堆肥。 （4）其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源，而且也要在生产过程中造 成环境污染，因此采用生物制氢技术可减少环境污染，节约不可再生能源
(5)氢气热密度大、洁净燃烧、可再生,被能源界公认为最具潜力的新能 源之一。不仅可将氢气直接作洁净能源使用,而且可为燃料电池的开发提供优质 原料,更为经济实用,具有潜在的开发优势 缺点:(1)利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法,而纯菌种分离成本昂贵且发 酵条件要求严格 (2)小型实验易取得高产氢率,但较难达到长期运行并连续产氢。产氢的 稳定性和连续性问题一直是困扰产氢工业化的一个很大障碍。 (3)不同菌间的相互作用关系不明确,仅依靠pH、水力停留时间、接种等 来实现对过程的控制,还没有实现对过程的有效、智能控制 (4)混合细菌发酵产氢过程中彼此之间存在抑制、发酵末端产物对细菌有 反馈抑制
（5）氢气热密度大、洁净燃烧、可再生，被能源界公认为最具潜力的新能 源之一。不仅可将氢气直接作洁净能源使用，而且可为燃料电池的开发提供优质 原料，更为经济实用，具有潜在的开发优势。 缺点：（1）利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法，而纯菌种分离成本昂贵且发 酵条件要求严格； （2）小型实验易取得高产氢率 ,但较难达到长期运行并连续产氢。产氢的 稳定性和连续性问题一直是困扰产氢工业化的一个很大障碍。 （3）不同菌间的相互作用关系不明确，仅依靠 pH、水力停留时间、接种等 来实现对过程的控制，还没有实现对过程的有效、智能控制。 （4）混合细菌发酵产氢过程中彼此之间存在抑制、发酵末端产物对细菌有 反馈抑制