生物制氢技术现状及其发展潜力论文

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1、生物制氢技术现状及其发展潜力论文摘要：清洁的氢能是最有发展前景的替代能源之一，利用生物质资源的生物制氢成为氢能发展的必然趋势。文章介绍了生物制氢技术原理、特征、现状、障碍以及发展潜力，综述了目前主要的生物制氢技术进展概况，指出了光合细菌生物制氢技术具有显著优势，产氢潜力明显超过藻类制氢和厌氧发酵制氢等技术，是未来生物制氢技术发展的主导方向之一。关键词：氢能；生物制氢；光合细菌；厌氧细菌；光解水；现状Abstract：Cleanhydrogenenergyisoneofthemostperspectiverepla

2、ceableenergyresources,andhydrogengenerationbyusingbiomassresourcesbeesaninexorabletrendforhydrogenenergydevelopment.Thetechnologicalprinciple,characteristics,presentsituation,obstacleanddevelopingpotentialforgeneratinghydrogenenergyfrombiomassresourcesainbiol

3、ogicalhydrogengeneratingtechnologiesarkablyadvantageousinhydrogengeneratingproductivityoverothertechnologiesincludinghydrogenproductionfromaquaticplants,hydrogenproductionthroughanaerobicfermentation.Thehydrogengeneratingtechnologyusingphotosyntheticbacteriai

4、natingdevelopmenttechnologiesforhydrogengenerationinthefuture.Keyura在1937年观察到光合细菌在黑暗条件下的放氢现象；1949年Gest报道了深红螺菌在光照条件下的产氢和固氮现象；随后刘易斯于1966年提出了利用生物制氢的概念7。生物制氢作为生物自身新陈代谢的结果，生成氢气的反应可以在常温、常压的温和条件下进行，同时生物制氢可采用工农业废弃物和各种工业污水为原料，原料成本低，可以实现废物利用和能源供给与环境保护多重目标而倍受重视8,9。根据所用的

5、微生物、产氢原料及产氢机理不同,生物制氢可以分为光解水制氢、厌氧细菌制氢、光合细菌制氢等3种类型，其特点如表1所示。表1不同生物制氢工艺的特点项目优点缺点绿藻以水为原料，太阳能转化率较高产氢过程需要光照，光强度的影响较大，系统产氢不稳定，同时产生的氧对反应有抑制作用。蓝细菌以水为原料，产氢主要由固氮酶完成，可以将大气中的N2固定产氢过程需要光照，产氢速率低，产生的氧对固氮酶有抑制作用厌氧细菌不需要光照，可连续产氢，可利用多种有机质做底物，产氢过程为厌氧过程，无氧气限制问题，系统易于实现放大试验反应需控制pH值在酸

6、性范围内，原料利用率低，产物的抑制作用明显光合细菌产氢效率高，可利用多种有机废弃物作原料，可利用光谱范围较宽，不存在氧的抑制作用产氢过程需要光照，不易进行放大试验（1）光解水制氢是光合生物体在厌氧条件下，通过光合作用分解水，生成有机物，同时释放出氢气。其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，在某些藻类和真核生物（蓝细菌）体内拥有PSⅠ、PSⅡ等两个光合中心，PSⅠ产生还原剂用来固定CO2，PSⅡ接收太阳光能分解水产生H+、电子和O2；PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白携带，经由PSⅡ和PSⅠ到达氢酶，H+在氢酶的催

7、化作用下形成H2。其中，利用藻类光解水产氢的系统称为直接生物光解制氢系统，利用蓝细菌进行产氢的系统称为间接光解水产氢系统。藻类的产氢反应受氢酶催化，可以利用水作为电子和质子的原始供体，这是藻类产氢的主要优势。蓝细菌同时具有固氮酶和氢酶，其产氢过程主要受固氮酶作用，氢酶主要在吸氢方向上起作用。蓝细菌也能利用水作为最终电子供体，其产氢所需的电子和质子也来自于水的裂解10。（2）厌氧细菌产氢是利用厌氧产氢细菌在黑暗、厌氧条件下将有机物分解转化为氢气。目前认为厌氧细菌产氢过程可通过丙酮酸产氢途径、甲酸分解产氢途径、通过N

8、ADH/NAD+平衡调节产氢途径等三条途径实现，丙酮酸产氢途径和甲酸分解产氢途径有时也称为氢的直接产生途径11，即葡萄糖首先通过EMP途径发酵形成丙酮酸、ATP和NADPH；丙酮酸通过丙酮酸铁氧化还原蛋白氧化还原酶被氧化成乙酰辅酶A、CO2和还原性铁氧还原蛋白，或者通过丙酮酸甲酸裂解酶而分解成乙酰辅酶A和甲酸，生成的甲酸再次被氧化成CO2，并使铁氧化还原蛋白还原；最后，还