生物質(zhì)制氫研究進(jìn)展

　　摘 要：生物質(zhì)制氫是一項(xiàng)利用微生物的生理代謝作用分解有機(jī)物從而產(chǎn)生氫氣的生物工程技術(shù)，具有產(chǎn)氫穩(wěn)定性好、產(chǎn)氫能力高等優(yōu)點(diǎn)，是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的可再生能源。本文介紹了生物質(zhì)制氫的方法及研究進(jìn)展。
　　關(guān)鍵詞：生物質(zhì) 制氫 進(jìn)展
　　中圖分類號(hào):TQ116.29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　氫氣作為一種極為理想的“綠色能源”，其發(fā)展前景是十分光明的，人們對(duì)氫能開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)的研究一直進(jìn)行著不懈的努力。常規(guī)的制氫方法主要有水電解法、水煤氣轉(zhuǎn)化法、甲烷裂化法等，這些方法均需耗費(fèi)大量能量。水電解法是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的制氫方法，電解槽在標(biāo)準(zhǔn)狀況下制取1立方米氫氣（純度為99.5%）實(shí)際電能消耗是4.5-6.0kw/h。電解法制氫還需配套純水制備系統(tǒng)和堿液配制使用設(shè)備，使氫氣生產(chǎn)成本較高。隨著氫氣用途的日益廣泛，其需求量亦迅速增加，常規(guī)的制氫方法已不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，研究開(kāi)發(fā)更為經(jīng)濟(jì)的、有良好環(huán)保性能的、可再生的制氫技術(shù)成為當(dāng)今世界的熱門(mén)課題之一，也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。
　　生物制氫技術(shù)作為一種無(wú)污染的清潔生產(chǎn)技術(shù)，已在世界上引起廣泛重視，越來(lái)越多的科學(xué)家投身并致力于生物制氫技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，日本、美國(guó)等一些國(guó)家為此成立了專門(mén)機(jī)構(gòu)，并建立了生物制氫的發(fā)展規(guī)劃，以期通過(guò)對(duì)生物制氫技術(shù)的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究，使該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。我國(guó)生物制氫的研究有很大進(jìn)展，國(guó)家863項(xiàng)目也給予支持。
　　生物質(zhì)制氫包括兩種方法：一種是生物質(zhì)氣化法，即通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方式將處理過(guò)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃?xì)饣蚝铣蓺猓涣硪环N是生物質(zhì)微生物制氫法，包括光合生物產(chǎn)氫、發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫、光合生物與發(fā)酵細(xì)菌的混合培養(yǎng)產(chǎn)氫。生物質(zhì)氣化法制氫需消耗大量能量，副產(chǎn)物多，很少采用；與光合法生物制氫技術(shù)相比，發(fā)酵法生物制氫技術(shù)在許多方面表現(xiàn)出優(yōu)越性：目前的研究表明，發(fā)酵產(chǎn)氫菌種的產(chǎn)氫能力要高于光合產(chǎn)氫菌種，發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌的生長(zhǎng)速率比光合產(chǎn)氫生物快；發(fā)酵法生物制氫無(wú)需光源，不但可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫，而且反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)、操作及管理簡(jiǎn)單方便；可生物降解的工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢料都可作為發(fā)酵法生物制氫的原料，原料來(lái)源廣且成本低廉；兼性的發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌更易于保存和運(yùn)輸。所以，發(fā)酵法生物制氫技術(shù)較光合法生物制氫技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)性生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外發(fā)酵法生物制氫技術(shù)的主要研究方向可以概括為以下幾方面：①分離和篩選高效產(chǎn)氫菌種，Kumar 2000年分離得到一株陰溝腸桿菌，最大產(chǎn)氫速率可達(dá)29.63 mmolH2/(g干細(xì)胞·h)；我國(guó)的王勇從產(chǎn)氫活性污泥中分離得到幾株產(chǎn)氫細(xì)菌。②不同基質(zhì)生物產(chǎn)氫的可行性，Yokoi等人研究表明葡萄糖和麥芽糖是產(chǎn)氣腸桿菌適宜的產(chǎn)氫基質(zhì)；Roychowdhury等人對(duì)甘蔗汁、玉米漿的降解研究表明，混合培養(yǎng)污泥比兩株Coli型細(xì)菌更易利用底物，從而獲得更大的氫氣產(chǎn)量。③混合菌種產(chǎn)氫技術(shù)，Majizat等人以葡萄糖為底物，利用接種厭氧活性污泥的反應(yīng)器進(jìn)行了連續(xù)流產(chǎn)氫研究，產(chǎn)氫速率為7.1 L/d；日本仙臺(tái)Tohoku大學(xué)將餐廳剩菜與糞便污泥混合配成培養(yǎng)基料，利用煮沸15分鐘的厭氧活性污泥和大豆粉倉(cāng)中富含的產(chǎn)氫菌進(jìn)行發(fā)酵制氫，發(fā)現(xiàn)底料的產(chǎn)氫潛力分別高達(dá)140 ml/g和180 ml/g，而厭氧活性污泥的接種產(chǎn)氫速率可達(dá)45 L/(gVSS·h)；方漢平利用混合發(fā)酵菌進(jìn)行葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)氫，獲得了4.6 L/(gVSS·d)產(chǎn)氫速率。④生態(tài)因子對(duì)有機(jī)廢水發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響，生態(tài)因子主要集中在溫度、pH、氧化還原電位等。
　　目前研究的微生物發(fā)酵制氫的原料包括有機(jī)廢水、糞便等，國(guó)內(nèi)外對(duì)秸稈類生物質(zhì)發(fā)酵制氫的研究剛剛起步，少數(shù)學(xué)者曾對(duì)秸稈類生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫的可行性進(jìn)行了初步研究。云南師范大學(xué)關(guān)于稻草微生物發(fā)酵制氫的研究中，指出稻草的產(chǎn)氫潛力為53.5 ml/g·TS和63.65 ml/g·TS。中科院大連化學(xué)物理研究所也報(bào)道了利用氣相色譜法跟蹤測(cè)定秸稈微生物發(fā)酵液的產(chǎn)氫含量，指出產(chǎn)氣腸桿菌、麥芽糖假絲酵母菌、以及兩者與丁酸梭菌的混合菌是較好的產(chǎn)氫菌種，所產(chǎn)氫氣的體積分?jǐn)?shù)分別為產(chǎn)氣腸桿菌60.04%，麥芽糖假絲酵母菌59.41%，混合菌11.27%。2006年鄭州大學(xué)樊耀亭教授研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)HCl預(yù)處理的麥稈的最大氫氣產(chǎn)氣速率為68.1 ml/g·TS，這也是國(guó)際上首次發(fā)表的關(guān)于麥稈牛糞堆肥發(fā)酵產(chǎn)氫的論文。
　　當(dāng)前和今后一段時(shí)期，我國(guó)將把優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)作為保障能源供應(yīng)的中心任務(wù)，到2020年使可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中比重，從目前的7％左右提高到15％左右。我國(guó)生物質(zhì)能資源豐富，其中農(nóng)作物播種面積約15億畝，年產(chǎn)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)約7億噸，除部分作為造紙?jiān)虾托竽溜暳贤?，大部分作為燃料使用或丟棄。預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)每年可獲得生物質(zhì)量約20億噸。然而目前我國(guó)主要采取傳統(tǒng)低效的生物質(zhì)能利用方式，利用技術(shù)水平低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，并產(chǎn)生一系列的環(huán)境問(wèn)題。生物制氫是以微生物自身的代謝產(chǎn)氫，反應(yīng)在常溫、常壓和接近中性的溫和條件下即可進(jìn)行，而且可利用工農(nóng)業(yè)廢棄物為制氫原料，既實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用，又降低了成本。以氫氣作為能源正日益受到人們的重視，氫本身是可再生的，燃燒時(shí)只生成水，不產(chǎn)生任何污染物，甚至也不產(chǎn)生CO2，實(shí)現(xiàn)真正的“零排放”。所以，生物質(zhì)制氫技術(shù)是一種發(fā)展前景廣闊的環(huán)境友好型制氫新方法。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] C.G. Ba