生物制氫過程的前景運(yùn)用與局限ppt課件

1、生物制氫過程的運(yùn)用、前景生物制氫過程的運(yùn)用、前景和發(fā)展方向和發(fā)展方向 學(xué)生：冉 春 秋導(dǎo)師：張衛(wèi) 研究員海洋產(chǎn)品與工程研究組Seminar I提提 綱綱制氫方法的簡介生物制氫方法的介紹生物制氫技術(shù)的運(yùn)用、前景生物制氫技術(shù)的發(fā)展方向一一. .制氫方法的介紹制氫方法的介紹1.基于化石燃料的方法基于化石燃料的方法天然氣的蒸氣重整；天然氣的蒸氣重整；天燃?xì)獾臒崃呀猓惶烊細(xì)獾臒崃呀?；石油碳?xì)浠衔镏亟M分的部分氧化；石油碳?xì)浠衔镏亟M分的部分氧化；煤的氣化；煤的氣化；熱裂解或氣化熱裂解或氣化占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的90%以上以上2.基于以水為原料的方法基于以水為原料的方法電解；光解；熱化學(xué)過程；直

2、接熱分解占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的4%左右3.基于生物技術(shù)的方法基于生物技術(shù)的方法藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水；光合細(xì)菌光分解有機(jī)物；有機(jī)物的發(fā)酵制氫；光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運(yùn)用生物質(zhì)制氫生物制氫的優(yōu)點(diǎn)生物制氫的優(yōu)點(diǎn)耗能低、效率高；清潔、節(jié)能和可再生；原料成本低，制氫過程不污染環(huán)境；一些生物制氫過程具有較好的環(huán)境效益二二. .生物制氫方法的介紹生物制氫方法的介紹1.1.直接光解技術(shù)綠藻）直接光解技術(shù)綠藻） 在厭氧條件下，綠藻既可以利用氫作為電在厭氧條件下，綠藻既可以利用氫作為電子供體用于二氧化碳的固定或釋放氫氣子供體用于二氧化碳的固定或釋放氫氣 由于氧對(duì)氫酶的嚴(yán)重抑制，必須將光合放氧和光合放氫在時(shí)間上或空

3、間上分開，可以通過部分抑制PSII光化學(xué)活性來實(shí)現(xiàn)：元素調(diào)控，如：硫、磷PSII抑制劑，如：DCMU、CCCP、FCCP代表性藻株有:Chlamydomonas reinhardtii產(chǎn)氫速率為：7.95mmol H2/L ,100h.2.間接光解產(chǎn)氫藍(lán)細(xì)菌）間接光解產(chǎn)氫藍(lán)細(xì)菌）藍(lán)細(xì)菌主要分為：藍(lán)綠藻、藍(lán)藻綱類、藍(lán)藻類固氮酶：催化還原氮?dú)獬砂?，氫氣作為副產(chǎn)物產(chǎn)生固氮酶：催化還原氮?dú)獬砂保瑲錃庾鳛楦碑a(chǎn)物產(chǎn)生吸氫酶：氧化由固氮酶催化產(chǎn)生的氫氣吸氫酶：氧化由固氮酶催化產(chǎn)生的氫氣可逆氫酶：能夠氧化合成氫氣可逆氫酶：能夠氧化合成氫氣總反應(yīng)式為：12H2O + 6CO2 Light energy C6H1

4、2O6 +6O2C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2代表性菌藻株：Anabaena variablilis 4.2 umol H2/mg chla/h3.光發(fā)酵產(chǎn)氫無硫紫細(xì)菌）光發(fā)酵產(chǎn)氫無硫紫細(xì)菌） 無硫紫細(xì)菌在缺氮條件下，用光能和還原性底物產(chǎn)生氫氣 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2代表菌株為：Rhodospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of culture/h; Rb.spheroides: 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h

5、已有將這類微生物光發(fā)酵產(chǎn)氫用于處理有機(jī)廢水的實(shí)例4.光合異養(yǎng)微生物水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣 一些光合異養(yǎng)微生物在暗條件下能夠利用CO做為單一碳源，產(chǎn)生ATP的同時(shí)釋放出H2、CO2 CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g) (1) Rubrivivax gelatinosus CBS 不僅可以在暗條件下進(jìn)行CO-水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，而且能利用光能固定CO2將CO同化為細(xì)胞質(zhì)；即使在有其他有機(jī)底物的情況下，其也能夠很好利用CO（2） Rubrivivax gelatinosus CBS 能夠100%轉(zhuǎn)換氣態(tài)的CO成H2；（3這類微生物的氫酶具有很強(qiáng)的耐氧性，在空氣中充分?jǐn)嚢钑r(shí)氫酶的半衰

6、期為21h.代表性菌株：Rubrivivax gelatinosus CBS 96mmol H2/mg cdw/h5.5.暗發(fā)酵制氫暗發(fā)酵制氫 厭氧細(xì)菌利用有機(jī)底物進(jìn)行暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣；溫度范圍25-80，或超高溫80 (1)當(dāng)乙酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2(2)當(dāng)丁酸為終產(chǎn)物時(shí)：C6H12O6 + 2H2O CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2 當(dāng)H2、CO2分壓增加，產(chǎn)氫速率明顯降低，合成更多與產(chǎn)氫競爭的底物 氫氣產(chǎn)生速率與：pH、水力停留時(shí)間、 氫分壓等有很大關(guān)系 利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分

7、子有機(jī)物，具有很強(qiáng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益三三. .生物制氫技術(shù)的運(yùn)用前景生物制氫技術(shù)的運(yùn)用前景BioH2 system H2 synthesis rate 1.0 kW (mmol H2 (l h) FC(l)Direct photolysis 0.07 3.41*105Indirect photolysis 0.355 6.73*104Photo-fermentation 0.16 1.49*105CO-oxidation 96.0 2.49*102Dark fermentationsMesophilic,undefined 121.0 1.98*102 暗發(fā)酵體系和CO-水氣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)

8、際運(yùn)用前景，其他生物制氫模式也值得深入研究，以增加產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量暗發(fā)酵體系： 500L 2.5 KW PEMFC 1000L 5.0 KW PEMFCCO-水氣轉(zhuǎn)換系統(tǒng): 624L 2.5 KW PEMFC 1250L 5.0 KW PEMFC 一個(gè)工程化問題：當(dāng)反應(yīng)器容積增大后，因一個(gè)工程化問題：當(dāng)反應(yīng)器容積增大后，因?yàn)閭髻|(zhì)、單位細(xì)胞容積負(fù)荷、光通路等變化為傳質(zhì)、單位細(xì)胞容積負(fù)荷、光通路等變化對(duì)產(chǎn)氫反應(yīng)速率的變化對(duì)產(chǎn)氫反應(yīng)速率的變化四.生物制氫技術(shù)的發(fā)展方向1.綠藻直接光解水制氫技術(shù)綠藻直接光解水制氫技術(shù)（1通過基因工程水段改變集光復(fù)合體尺寸，通過基因工程水段改變集光復(fù)合體尺寸，以增加太陽

9、能的轉(zhuǎn)換效率；以增加太陽能的轉(zhuǎn)換效率；（2改變氫酶基因的耐氧性，或是進(jìn)行定向改變氫酶基因的耐氧性，或是進(jìn)行定向克??；克隆；（3優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低光生物反應(yīng)器的成本；優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低光生物反應(yīng)器的成本；（4優(yōu)化調(diào)控方法、工藝條件，增加產(chǎn)氫速優(yōu)化調(diào)控方法、工藝條件，增加產(chǎn)氫速率、產(chǎn)氫量率、產(chǎn)氫量.2.藍(lán)細(xì)菌藻間接光解水制氫技術(shù)藍(lán)細(xì)菌藻間接光解水制氫技術(shù)（1篩選高活性氫酶或高異性細(xì)胞結(jié)構(gòu)的菌篩選高活性氫酶或高異性細(xì)胞結(jié)構(gòu)的菌藻株；藻株；（2基因工程水段消除吸氫酶，增加雙向氫基因工程水段消除吸氫酶，增加雙向氫酶的活性；酶的活性；（3優(yōu)化光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.3.光發(fā)酵系統(tǒng)光發(fā)酵系統(tǒng)（1

10、 1消除其他競爭性微生物，以減少對(duì)營養(yǎng)消除其他競爭性微生物，以減少對(duì)營養(yǎng)的消耗；的消耗；（2 2共培養(yǎng)利用不同光能的微生物共培養(yǎng)利用不同光能的微生物4.4.暗發(fā)酵生物制氫技術(shù)暗發(fā)酵生物制氫技術(shù)（1 1研究氣體快速分離技術(shù)，減少因氫、二研究氣體快速分離技術(shù)，減少因氫、二氧化碳分壓增加抑制產(chǎn)氫速率氧化碳分壓增加抑制產(chǎn)氫速率膜技術(shù)膜技術(shù)的使用；的使用；（2 2防止因一氧化碳積累對(duì)防止因一氧化碳積累對(duì)PEMFCPEMFC的毒害；的毒害；（3 3誘變高產(chǎn)氫能力的菌株；誘變高產(chǎn)氫能力的菌株；（4 4優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)如固定床的使用如固定床的使用總總 結(jié)結(jié) 生物制氫技術(shù)總體上還處在初步研究階段

11、，但其在原料來源、能源消耗、環(huán)境方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，所以仍是值得深入研究的領(lǐng)域.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)（1David B. Levina, Lawrence Pitt, Murray Love. Biohydrogen production: prospectsand limitations to practical application. International Journal of Hydrogen Energy 29 (2019) 173 185.（2Patrick C. Hallenbeck, John R. Benemann. Biological hydrogen production; fundamentals and limiting processes. International Journal of Hydrogen Energy 27 (2019) 1185 1193.（3K.Vijayaraghavan, Mohd Amin Mohd Soom. Trends in biological hydrogen productiona review. International Journal o