微生物光解水制氢技术的最新进展
微生物光解水制氢技术的最新进展
高平
(长江大学化学与环境工程学院434025)
【摘要】氢能可作为汽车清洁能源替代石油等碳基能源,但目前以石我国近几年国冢自然科学基金陆续资助了一些生物制氢方面
油,煤炭,天然气为原料生产氢气是不可持续的.通过热解,电解,光解的研究,如20052007年厦门大学龙敏南太阳能生物光解水制氢
和生物质化学分解等途径可以由太阳能制取可再生氢气.本文重点介系统的研究,2007--2009年河南农业大学张全国光合生物制氢体
绍其中的光生物法生产可再生氢能的国内外研究现状和发展趋势.系的热效应及其产氢机理研究,2006--2009年重庆大学廖强光生
【关键词】光生物法制氢;光能转化效率物制氢中光生化转化与传输机理的研究,2o09_-20l1年青岛生物
能源与过程研究所范晓蕾基于基因改组技术的绿藻[FeFe]氢化酶 目前太阳能生产可再生氢的主要路径主要可分为热解,电解,改良的研究,中国科学院大连化学物理研究所的陈兆安基于微藻
生物质化学生物转化,光生物分解4类途径.其中生物质转化是生物燃料电池技术的绿藻光解水制氢机理的研究.
正常条件下,绿色高等植物吸收CO2,利用光合作用把光能转化为除了生化工程改良优选微生物以外,工艺技术方面也不断取得
化学能储存在生物质中,然后通过生物化学法制氢.进展.如采用分光系统减少
表
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面光照强度,提高深层细胞入射光
1制氢原理强.反应器选用高透光率,高耐候性,低氢渗透率和一定机械强度 研究表明,高等生物叶绿体的光合系统包括PS?和PS--的材料制造.早期的工艺
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
把藻类露天培养和密闭反应器产氢
I,PS?利用光能分解水产生氧气和电子,PS--I利用光能和电过程分开,采用间歇法产氢.2009年,Di--rectedTechnologies公司的
子同化CO2和H20为有机物.有些原核和真核微藻(如蓝藻和绿James等在DOE,UC--Berkeley分校,NREL,Princeton大学等科研机
藻),在光合作用无法正常进行时,例如在缺氧,缺硫环境下培养的构技术支持下,总结了较有前途的5种微生物(耐氧氢化酶绿藻,耐
莱茵绿藻,生成碳水化合物途径受阻,可以在PS—I中合成酶并氧氢化酶蓝藻,硫酸盐通透酶改良绿藻,固定化缺硫绿藻,PNS紫色
利用这些酶催化H+和电子结合生成氢气.还有一类紫细菌仅有无硫细菌)和4种反应工艺(生长和产氢时间相当的单个反应床,生
光合系统PS,能力不足以分解水,在无氧条件下这类细菌可以分长和产氢分开的2个间歇反应床,生长和产氢分开的2个连续式
解简单有机酸(醋酸)产氢.近些年的分子生物学研究发现,不同Chemostat反应床,产氢时间远大于生长阶段的单个ChemostatlIt~ 种类生物体,酶,化学环境下,产氢机理和历程有所不同:床,对每种微生物给出lt/d规模的工厂设计方案,并提出光生物产
(1)根据微生物光解产氢利用的底物不同,可以分为微藻光解氢与生产废弃物发酵产氢相结合的制氢模式,有利于降低成本.
水产氢,异氧型光合细菌光解有机物产氢.分解水和醋酸的化学总之,经过几十年的发展,光生物转化技术目前还限于实验室规
反应式如下:模,制氢成本仍较高,工业化面临的主要技术难题是:?改良优化微生 H20(1)+光能一H2(+/202((1);C2H402(1)+2H~O(1)+物,提高太阳能利用率.?改良提高产氢微生物对氧的耐受力,保持
光能一2CO2(+4Hz((2j稳定和持久产氢.
?用遗传工程技术提高电子传输速率,以便提高产
从热力学角度看,水分解产氢以及醋酸分解产氢的标准状态氢率. ?高效生物反应器的设计和与之相应的廉价制造材料.
吉氏自由能(?rGo)分别为237?1,75?4kJ/mol,都大于零,因此上3对比讨论 述分解反应如果没有额外的能量输入无法自发进行,微生物需要太阳能光电解水
制氢技术发展很快,目前太ISH能光伏电池能
利用光能在特定酶催化下,经过一系列的生理代谢产生分子氢.量利用率为10%,电解水按效率77%,总效率7.7%计算,2015年直
(2)酶系不同,产氢过程中的光能利用率和氢气生成速率有较接光电水分解制氢目标价格为5美元瓜g,但是光电转化使用的硅
大差别,按不同酶系可分为氢化酶或固氮酶.?蓝藻和光合细菌固材料价格较高,并且在材料生产中需要排放更多的GHG,适合在
氮酶,酶的活性中心含钼,矾,铁,在把N2转化为氨的同时生成氢缺水地区推广.根据现在发展趋势,光生物制氢技术有望很快建
气,如果环境中没有氮气,固氮酶利用ATP和还原剂产氢,但产氢立示范装置,并达到2015年制氢目标价格10美元瓜g.光生物法
的光子利用率不高,还原H+需要过量的ATP和电子参与,另外酶温室气体排放量较少,适合建立在水资源较丰富的地区,并可结合
催化的反应速率小于10s一1,整个产氢系统对氧敏感.?蓝藻和许微生物发酵,污水处理等技术,实现社会效益最大化.
多绿藻含有氢化酶,能催化H+和电子生成H2.但是氢化酶还原H +不需要ATP,光子理论转化效率和转化速率高于固氮酶.【参考文献】 (3)fJ用光生物法制氢的工艺
流程
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可分为直接光解水法,间接光[1_陈俊武,李春年,陈香生石油替代综论[M].北京:中国石化出版社,2009.
解水法和固氮酶利用水(微藻)或有机物(光合细菌)提供的电子在[2]潘丽霞,杨登峰,梁智群.
绿藻光合生物制氢技术进展,工业微生物,2007.
ATP参与下还原H+为H23种方法.由于氢氧混合气体的安全性以[3]陈兆安.海洋绿藻光解海水制氢新技术,中国科技成果,2010.
及氢化酶对氧气的敏感性,第1种直接光解水的工艺工业化面临的困E43朱毅.微藻光合放氢的生理生化调控及生物技术研究[D].中国科学
难较大.第3种固氮酶制氢由于需要ATP参与,能量转化效率较低.院研究生院(植物研究所),2006.
2光生物转化技术科研进展[5]于洁,肖宏.生物质制氢技术研究进展[J]冲国生物工
程杂志,2006.
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