生物质制氢研究概述

摘 要 近年来随着化石能源的短缺，新型清洁能源氢十分受到人们的关注，生物制氢被积极探索，具有良好的发展前景。本文介绍了生物制氢的方法和研究进展，并提出了存在的问题和将来的研究方向。

关键词 氢能；生物质气化制氢法；生物质微生物制氢法

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0004-02

化石能源的使用造成了诸多环境问题，氢气作为一种理想的新能源受到重视。氢气本身是可再生的，燃烧时只生成水，无任何污染物产生，实现真正的“零排放”。如今对氢能开发和利用技术的研究已取得相关进展但还需更深入的探索。

我们经常采用水电解法、水煤气转化法来制取氢气。国内外广泛采用的制氢方法是水解法，在标准状况下电解制取1 m3氢气消耗电能4.5 kW/h～6.0 kW/h另外在电解过程中还需配套纯水制备系统和碱液配制使用设备，这样会使氢气的生产成本较高。

生物质制氢是研究的热点，有两种类型的方法：方法一是生物质气化法；方法二是生物质微生物制氢法，包括发酵细菌产氢、光合生物产氢、光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。此文主要讲生物质制氢的方法和相关进展。

1 生物质热化学转化法制氢

1.1 生物质催化气化制氢

生物质催化气化法制氢是一种使加入的水蒸气发生一部分的氧化反应，产物是水煤气并混有氢和一氧化碳，然后继续进行反应使一氧化碳转变，最终获得氢气。Dernjrbas认为含水质量分数在35%以下的生物质可用气化制氢。

1.2 生物质热裂解制氢

生物质热裂解制氢是使生物质分解为可燃气体和烃类的一种制氢方法，我们可以对生物质进行间接加热使其裂解，裂解后我们还要让产物进行二次反应，这样可以获得更多的氢气，反应结束后我们得到的是混合气体需进行分离。

1.3 生物质超临界转换制氢

用超临界转换法制氢时生物质的含水质量分数应在35%以上，反应条件一般是在压力22 MPa～35 MPa，温度450℃～650℃的超临界条件下，反应的生物质原料与水要按一定的比例混合，反应完成后我们要对气体和残碳进行分离。超临界水气化制氢的反应条件较苛刻所以也很少采用。

2 微生物制氢法

2.1 厌氧发酵有机物制氢

通过厌氧微生物在多种底物如有机废水、粪便、秸秆等有机物存在的条件下并且在相应酶的催化下进行厌氧发酵制取氢气。此过程中有机物被分解为甲酸、丙酮酸等。在厌氧发酵过程中应用到的产氢厌氧和兼性厌氧微生物有丁馥棱状芽孢杆菌、揭球固氮菌等。

2.1.1 厌氧发酵制氢的原理

2.1.2 厌氧发酵制氢的影响因素

1）温度。

发酵法制氢在最佳温度时获得最大产氢量和最大产氢速率。因此在厌氧发酵制氢的过程中我们要严格控制发酵温度，温度过高或过低对厌氧发酵都不利，温度过高会使发酵细菌死亡或相关酶失活，温度过低会使与发酵有关的酶活性偏低，产氢能力下降。

2）气体压力。

在厌氧发酵制氢的过程中我们要严格控制发酵过程中的压力，因为在厌氧发酵时如果压力过大发酵设备就需更强的抗压能力这样不但不利于发酵细菌的生存也大大的增加了生产成本，同时反应设备内的压力也不能太小因为压力过小不利于反应的发生。

3）反应器内的pH。

在进行厌氧发酵制氢的过程中反应器内的pH会影响影响氢气的产量，在试验中我们发现pH为4-7之间时产氢量最多，过酸或碱性条件下都没有pH为4-7之间时产生的氢气多。

4）O2。

厌氧发酵制氢的过程中我们一定要注意保证厌氧的条件。因为如果有O2的存则会影响氢的产率甚至得不到氢气，因为氧气过多会使厌氧细菌死亡或影响相关酶的活性。

2.2 光合细菌和藻类制氢

在一定光照下光合细菌和藻类才能制氢，菌种和藻类分解有机物产生氢气。太阳能是取之不尽用之不竭的能源且无污染因此光合细菌利用光能在一定的条件下制氢符合绿色环保的要求也有较好的发展前景。

3 生物制氢存在的问题及展望

3.1 存在问题

3.1.1 怎样选择产氢率较高的菌株、设计好的产氢方法来提高产氢效率

提高关键菌株产氢效率是最重要的工作，但是在纯种和混菌培养的过程中仅仅依靠条件优化手段已不能很好的提高产氢效率，所以今后要重点研究运用分子生物学的手段对菌种进行改造，以达到高效产氢的目的。国内对分离产氢微生物的研究较多，但对其代谢机制研究不够深入。目前我们在积极的探究混合培养物产氢但是在这方面我们还有很多问题没有研究明白需要进一步探索。

3.1.2 开发高效的制氢过程

国内外对于反应器设计、高效制氢过程进行了大量的有成效的研究工作，但很多反应过程中的科学机理还没有进行极为细致的研究，现在我们只能靠水力停留时间、接种、pH来控制过程。所以以后要着重研究不同菌间的相互作用关系的机理，以达到对过程的智能、有效控制。

3.1.3 发酵细菌产氢的稳定性和连续性

在利用发酵型细菌产氢的过程中稳定性和连续性问题一直是产氢工业化进程中需要解决的问题。以后可以研究通过酶固定化、菌种固定化技术来解决。

3.2 发展前景

发酵制氢未来的研究方向有以下几个方面。

3.2.1 研发不同底物发酵制氢

现在我们在进行生物制氢研究时应用的发酵底物经常是麦芽糖、葡萄糖等的木制纤维。尽量开发利用各种基质来产氢是发展的研究热门。

3.2.2 通过基因工程技术研发高效发酵菌种

我们可以将能够高效表达产氢性状的DNA或RN段通过基因工程手段整合到相应菌种的体内的DNA上使其表现出高效产氢的性状或通过诱变育种进行高效产氢细菌改良。

项目基金

辽宁省教育厅项目2009S097、沈阳师范大学大学生创新项目资助项目编号：201210166056

参考文献

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