微生物产氢技术研究进展

固定化细菌产氢
在厌氧菌发酵研究中, 人们为了提高反应器内的生物量, 在厌氧菌发酵研究中 人们为了提高反应器内的生物量 普 遍利用生物细胞固定化, 即微生物载体或包埋剂的方法, 遍利用生物细胞固定化 即微生物载体或包埋剂的方法 用以 提高发酵系统单位体积的产氢能力。 提高发酵系统单位体积的产氢能力。
改良细菌产氢
微生物产氢技术研究进展
07051222 韩智慧
前言
随着经济的发展, 能源问题越来越引起人们的关注 和重视。氢能作为一种无污染、可再生的理想燃料, 被认为是最有吸引力的替代能源。制氢的方法很多, 包括物理化学法和生物法, 物理化学法主要有太阳 能制氢、水分解法制氢、水电解制氢、水煤气转化 制氢及甲烷裂解制氢等。这些方法存在着生产工艺 复杂, 需要大量基础能源, 以及制氢成本高等特点。 而生物法制氢通过微生物的作用, 将有机物分解, 获 得氢气。可以利用诸如高浓度有机废水、固体生物 质等一系列可再生资源来生产氢气, 达到除废和产 能的双重目的, 具有广泛的应用前景。
除了传统的微生物筛选方法, 除了传统的微生物筛选方法 现代生物信息学和基因工程的 手段也被用来获取产氢菌株。这些新尝试, 手段也被用来获取产氢菌株。这些新尝试 将会大大推动目标 菌株的获取效率, 是一个值得重视的研究方向。 菌株的获取效率 是一个值得重视的研究方向。
利用纯菌发酵制氢的主要优点
(1) 采用具有高效产氢能力的纯细菌,底 物的降解速度快, 产氢速度快。反应器 可以在较高的负荷下运行。 (2) 细菌可利用的底物比较广泛。 (3) 通过对细菌固定化, 可以利用通常 的厌氧反应器来进行连续流 产氢实验。 (4) 可供选择的固定材料比较多。
利用纯菌产氢的研究方向
(1) 高效产氢能力细菌的分离和鉴定及 相关果, 在分子水平上进行纯 菌的分离和鉴别。 (2) 采用不同种类的产氢细菌联合产氢。 (3) 开发高效的生物制氢反应器的研究。
混合菌产氢研究进展
主要表现在三个方面 利用单纯糖类发酵产氢的研究 利用有机废水发酵产氢的研究 利用固体废弃物发酵产氢的研究
3) 没有对发酵细菌厌氧发酵产氢的液相产物 分布作深入和系统的研究, 尤其是液相产物 和气相产物间分布的关系, 以及发酵类型与 反应器结构工艺条件的系。 4) 有关混合细菌产氢中微生物方面的研究比 较少, 特别是连续流生物制氢反应器内部, 从 接种培养到高效产氢过程中, 微生物种群的 变化及培养条件对微生物变化的影响。 5) 发酵产氢速度慢。有机废弃物发酵产氢时, 由于废弃物自身的原因往往发酵速度缓慢, 严重影响了发酵产氢的经济成本, 必须设法 提高其发酵速度。
目前存在的问题
1) 目前发酵法产氢技术存在的主要问题是氢 气产率低, 只有理论氢转化率的20%～ 30% , 而这一转化率只有达到60%～ 80% 的情况 下才算是一种经济可行的生物产氢技术。此 外, 经过发酵产氢处理后的污水或固体废弃 物还需要相应的后处理才能够不对环境造成 二次污染。 2) 从目前有关厌氧发酵细菌产氢的报道来看, 大部分研究仅侧重于厌氧发酵细菌产氢工艺 方面的研究。有关厌氧产氢的理论研究不够 完善, 特别是有关发酵产氢过程相关的动力 学、热力学的研究和理论分析非常缺乏。
微生物产氢的研究方向
针对以上在微生物产氢技术上存在的 问题， 问题，我们现在主要的研究方向就是 解决这些问题。主要为以下几个方面： 解决这些问题。主要为以下几个方面 1) 无论是纯种还是混菌培养, 提高关键菌 株产氢效率都是最重要的工作。运用 代谢工程手段等现代生物技术手段对 产氢细菌进行改造的研究目前在生物 制氢领域还没有展开, 是很值得深入研 究的方向。
利用混合菌系进行生物制氢的主要 优点
(1) 厌氧产氢微生物来源广泛, 除了城市污水处理厂 的活性污泥和厌氧消化污泥外, 各种土壤里也含有 大量的产氢微生物。 (2) 混合菌具有很高的产氢能力, 在底物的降解速度、 比产氢速度和底物的氢气转化率等方面可以同纯菌 相比。反应器可以在较高的负荷下运行。 (3) 混合细菌可利用的底物比较广泛[15], 除了常用 的葡萄糖、蔗糖外, 甚至还利用固体废弃物和有机 废水如制糖厂废水、淀粉加工废水等。 (4) 通常的厌氧反应器都可以用作混合细菌的产氢反 应器。因此, 现有的废 水处理工艺都可以通过改进用作生物制氢的工艺。 (5)与利用纯菌制氢相比, 不需要大量的灭菌操作, 连 续生产工艺比较简单, 生产成本可以大大地降低。
混合培养
混合培养主要是利用厌氧活性污泥, 在 酸性条件下抑制产甲烷阶段的进行转 为发酵产氢。国内外研究者利用混合 微生物发酵不同种类的基质进行产氢 作了大量的研究。目前研究结果表明: 与利用纯菌产氢相比, 利用混合菌系进 行厌氧生物制氢具有明显的优势。
国内外利用纯种菌及混合菌产氢的 研究进展
纯种菌产氢研究进展
菌种的改良
诱变育种 为了突破野生型细菌的产氢能力, 通过诱 变育种进行高效产氢细菌的改良是一个突破口。目 前,研究者作了大量关于发酵产氢细菌诱变选育的研 究,如: 紫外诱变、化学诱变、激光诱变等。 基因改良 通过基因工程手段进行高效产氢细菌的遗 传改良, 是突破野生型细菌的产氢能力的另一个突 破口。目前, 国内外关于产氢发酵细菌遗传改良的 研究还处于设想阶段。
2) 厌氧产氢技术研究的最终目的是将其运用到 规模化工业生产中去。厌氧产氢的工业化应 用研究亟待加强。 3) 运用现代数学、生化知识和计算机技术, 结 合实验数据, 可以建立厌氧发酵产氢数学模 式, 为将来厌氧产氢工业化生产和自控运行 提供科学的指导。 4) 在提高氢气转化率的同时研究其它有用副产 品的回收和利用是降低成本、实现工业化生 产的有效途径。
菌种的培养
纯培养 纯培养主要是利用单一的产氢细菌, 纯培养主要是利用单一的产氢细菌 发 酵基质产氢。就目前来看, 酵基质产氢。就目前来看 纯培养主要 是进行发酵产氢的理论研究, 是进行发酵产氢的理论研究 包括产氢 菌的鉴定分类、适应的环境、 菌的鉴定分类、适应的环境、代谢功 酶学性质以及产氢能力等, 能、酶学性质以及产氢能力等 在实际 应用中难以实现。 应用中难以实现。
天然厌氧发酵产氢细菌分类及其产氢能力
发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物 产生氢气, 研究表明, 能够进行发酵产氢的微生物有 许多,其中研究比较多的是梭菌属、脱硫弧菌属和肠 杆菌属, 前两个属中都有氢酶晶体结构, 目前的研究 主要集中在这两个属。不同种类的微生物对同一有 机底物的产氢能力不同, 通常严格厌氧菌高于兼性 厌氧菌
厌氧产氢微生物的种类
厌氧发酵产氢微生物 1、严格厌氧产氢微生物 严格厌氧产氢微生物 1）中温厌氧产氢微生物 2）嗜热厌氧产氢微生物 2 、兼性厌氧产氢微生物 兼性厌氧产氢微生物 3、光合产氢微生物 光合产氢微生物
提高微生物产氢的关键
提高微生物产氢的关键有两点：一是 菌种选育一是菌种的培养
菌种的选育
生物制氢的种类
光合生物制氢 光合生物制氢所利用 的是光合生物,包括某些藻类和光合细 菌 厌氧发酵制氢 厌氧发酵制氢利用的 则为厌氧化能异养菌。
发酵法生物制氢技术具有的优越性
发酵产氢细菌的产氢能力较高, 光合细菌和 发酵细菌产氢能力的综合比较表明, 迄今为 止, 发酵产氢菌种的产氢能力要高于光合细 菌, 而且发酵产氢细菌的生长速率一般比光 合细菌快。 发酵法生物制氢利用有机底物分解制取氢气, 它不需要光能源, 不但可以实现持续稳定产 氢, 而且反应装置的设计、操作及管理简单 方便。 可利用的有机物范围广且成本低廉, 可利用 有机废水, 有机固体废物、植物等。 兼性的发酵产氢细菌更易于保存和运输。
结语
随着全球气候峰会的举行，节能减排 已经成为一种趋势，开发利用无污染 的能源将一直会是人类研究的重点， 并且我们一定会在这方面取得优越进 展。
谢谢！！！