探索生物质新能源之微生物制氢技术

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微生物课程论文
探索生物质新能源之微生物制氢技术
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摘要：
生物质能是指太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质 为载体的能量。生物质能源是重要的可再生能源，而其中的生物制氢是一种非常 理想的绿色能源途径。对生物制氢的机理、技术开发及进一步研究是非常有必要 的，而微生物在其中功不可没。文中将针对微生物制氢问题展开讨论。
微生物课程论文 探索生物质新能源之微生物制氢技术
姓名： 学院：华中农业大学生命科学技术学院 班级：应用生物技术 时间：2011.5
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探索生物质新能源之微生物制氢技术
目录
摘要…………………………………………………………………2 1.引言………………………………………………………………2 2. 关于生物质能源…………………………………………………2 3. 微生物在生物质能源产生过程的作用…………………………2 4. 微生物制氢技术……………………………………………… 3 4.1 微生物制氢机理阐述………………………………………… 4 4.1.1光合产氢机理……………………………………………… 4 4.1.2厌氧发酵产氢机理………………………………………… 4 4.2 微生物制氢影响因素………………………………………… 5 4.2.1 光合制氢影响因素………………………………………… 5 4.2.1.1 影响光合作用的因素……………………………………5 4.2.1.2 影响固氮酶和氢酶的因素……………………………… 5 4.2.1.3 其他影响因素…………………………………………… 6 4.2.2 厌氧发酵制氢影响因素…………………………………… 6 4.2.2.1 初始 pH 值……………………………………………… 6 4.2.2.2 温度………………………………………………………6 4.2.2.3有机负荷……………………………………………………6 4.3 产氢微生物种类………………………………………………7 4.4 微生物制氢技术现状…………………………………………7 4.5 微生物制氢技术瓶颈…………………………………………8 5. 前景展望…………………………………………………………9
烷细菌） （2）产酸阶段
（3）产甲烷阶段：产甲烷菌群，
利用以上以上两步所分解转化的
小分子化合物等生成甲烷。
乙醇
产 淀 粉 酶 1.利用产淀粉酶菌种和产纤维素 甘蔗、甜高粱、薯类、谷物、
菌 种 和 产 酶菌种合成多种酶类促进生物质 芦苇、秸秆、稻壳等
纤 维 素 酶 糖化；
菌种
2.多糖转化为乙醇
柴油 生物制氢
光合产氢微生物可以利用光能产生氢气，包括一些藻类和光合细菌。绿藻中 含有氢酶，在一定条件下能利用光能产生氢气，即水最终被多种酶分解为氢气和 氧气。整个途径包括水裂解和释放氧的光系统Ⅱ（PSⅡ）和生成还原剂还原二 氧化碳的光系统Ⅰ（PSⅠ），如下图：
而光合细菌能够在厌氧、光照条件下生长，在该条件下，光合细菌能够利用 发酵产生的有机酸和光能，通过 TCA 循环克服正向自由能，通过光和色素系统 和电子传递系统将电子传递给氢酶，催化氢气的形成。在光照厌氧条件下，光合 细菌通过自身复合体上的细菌叶绿素和类胡萝卜素捕获高能光子，并将能量传递 到光合反应中心，使高能光子发生电荷分离产生高能电子。高能电子经过环式磷 酸化将光能转化成 ATP，为产氢过程提供能量。产氢过程中所需要的还原力来自 有机物的氧化代谢，由细胞内还原性的铁氧蛋白水平所决定。固氮酶是光合细菌 光合产氢的关键酶，在细胞提供足够的 ATP 和还原力的前提下，固氮酶可以将 氮气转化成氨气，同时质子化生成氢气。
2 关于生物质能源
生物质指所有的动、植物和微生物，是通过光合作用而形成的各种生命有机 体。生物质能源，就是贮存在生物质中的以其为载体的能量。它直接或间接来源 于植物的光合作用，可转化为固态、液态 和气态燃料，取之不尽、用之不竭、 可再生。生物质能来源于太阳，所以， 从广义上讲，生物质能是太阳能的一种 存在形式。
4.2.1.3 其他影响因素 光合细菌的生长环境如 p H、温度、底物以及光合细菌的菌龄、接种量等也 会影响产氢率。 底物中的有机物和还原性物质可以为光合产氢提供质子或电子，在光照厌氧 条件下，不同的菌种对底物有一定的选择性。菌种的接种量和菌龄会直接影响光 合细菌的生理和生长状态，接种量超过一定范围不仅会引起细胞生长原料与产氢 原料供给不足，同时较高的细胞浓度还会引起光合细菌自我遮蔽现象。不同菌龄 的光合细菌的产氢酶系发育程度不同，因此产氢率也不相同。 4.2.2 厌氧发酵制氢影响因素 4.2.2.1 初始 pH 值 初始 pH 值在发酵法制氢中，在合适的范围内，通过增加初始 pH 值的方法 可以提高产氢菌的产氢能力。在最佳初始 pH 值时获得最大氢气产量。在低于最 佳初始 pH 值时，产氢潜力和产氢速率随着初始 pH 值的提高而增加，在高于最 佳初始 pH 值时，产氢潜力和产氢速率会下降。 4.2.2.2 温度 温度在发酵法制氢中．在合适的范围内，通过增加温度的方法也可以提高产 氢菌的产氢能力。在最佳温度时获得最大产氢量和最大产氢速率。在低于最佳温 度时，产氢量和产氢速率随着温度的升高而增加，在高于最佳温度时，产氢能力 下降。 4.2.2.3有机负荷 有机负荷在合适的范围内，通过增加有机负荷的方法可以显著地提高厌氧活 性污泥发酵产氢系统的产氢能力。在最佳有机负荷时获得最大产氢能力。在低于 最佳有机负荷时，产氢能力随着有机负荷的增加而增加，在高于最佳有机负荷时， 产氢能力出现下降趋势。
菌、真核藻 成氢气；
类、厌氧光 2.固氮酶作用：消耗 ATP，生成产
营养菌、蓝 物同氢酶。
细菌
总体来说，生物质能源是一种可再生循环利用的能源，因为它取自于生物， 最终燃烧后又以二氧化碳和水的形式排放，再次被生物利用。生物质能源是唯一 一种可再生能源，而微生物是“大功臣”。
4 微生物制氢技术
氢气相对乙醇、柴油、沼气而言，产物只有水，比较简单、洁净，是非常理 想的绿色能源。虽然微生物制氢与生物制乙醇、制柴油相比还处于实验室研究阶 段，然而成果客观，其作用机理和方法已经比较明朗。
生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，是人类赖以生存的能 源形式之一。人类对生物质的利用，包括直接作为燃料的，如农作物的秸秆、木 屑等，间接作为燃料的，有农林废物、动物排泄物等，他们通过微生物生成沼气 或气体燃料，或形成生物炭等，但由于技术问题，有些形式的能源利用效率低下。 据估计， 每年地球上仅通过光合作用生成的 1800 多亿吨生物质储藏的能量，约 相当于 20 世纪 90 年代初全世界总能耗的 3--8 倍。
关键词：生物质新能源；生物制氢；氢酶；微生物
1 引言
21 世纪是能源消耗巨大的时代，世界各国的发展以消耗大量能源为基础。 然而人类每天都在消耗着的煤炭、石油、天然气等，都具有不可再生性。能源的 巨大需求与供给的严重不足的矛盾成为社会发展的巨大障碍，因此寻找一类可以 代替不可再生能源的新能源对于人类的长远发展有着举足轻重的作用。新能源主 要指风能、太阳能、核能、生物质能等，而生物质能具有很大的发展潜力，具有 广阔的前景。
许多光合细菌在黑暗条件下可以通过厌氧发酵产氢。 4.1.2厌氧发酵产氢机理
发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气，包括梭菌属、固氮 菌属、肠杆菌属、鱼腥蓝细菌属、甲烷球菌属等。发酵产氢分为直接产氢的丙酮 酸脱羧产氢和辅酶Ⅰ的氧化与还原平衡调节产氢两类。
丙酮酸脱羧作用分为两种方式：第一种是丙酮酸首先在丙酮酸脱羧酶的作用 下脱羧形成硫胺素焦磷酸-酶的复合物，同时将电子转移给还原态的铁氧还原蛋 白然后在氢酶的作用下重新氧化成氧化态的铁氧还原蛋白，产生分子氢；第二种 是通过甲酸裂解的途径产氢，丙酮酸脱羧后的甲酸及厌氧环境中二氧化碳和氢离
产 生 柴 油 1.直接混合法
来源于菜籽油、大豆油、花
的 过 程 大 2.微乳液法
生油、玉米油等油料作物
都 为 物 理 3.酯交换法（酸碱催化法、酶催化
化学过程， 法、超临界法）
涉及到的
菌群很少
异 养 型 厌 1.氢酶作用：催化反应中不消耗Ａ 废水、有机物等
氧菌、固氮 ＴＰ，催化氢离子吸收２个电子生Fra bibliotek-3-
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4.1微生物制氢机理阐述
制氢技术有很多，如物理法、化学法、生物制法，但物理、化学方法终究有 各种成本、副反应等不足，相比之下，生物制氢即微生物制氢因其无污染、效率 高、成本低等优点而受到高度关注。
目前发现的产氢微生物有很多，按照产氢机理的不同可以大体上分为两大 类：光合产氢微生物和发酵产氢微生物。 4.1.1光合产氢机理
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铵盐是光合细菌生长的有效氮源，但铵盐的摩尔浓度大于1mol/L 时， 铵盐将抑 制固氮酶结构基因的转录，终止固氮酶的合成，对固氮酶的合成产生“瞬间关闭” 效应。因此，可以通过控制环境介质中铵盐的浓度来增强固氮酶活性。环境中的 氧气能够钝化固氮酶的合成，并且该抑制作用是不可逆的。培养基中的 N/C 是 固氮酶表达的决定性因素，N/C 超过极限值， 固氮酶活性就会消失。在有足够 的还原力时，光合细菌中的氢酶可以通过厌氧暗发酵实现产氢，但氢酶还能发生 吸氢反应回收能量。氧气能够使氢酶氧化失活，然而氢酶对氧气的耐受性却远高 于固氮酶。此外，CO、NaCl 都能抑制氢酶的吸氢活性。
3 微生物在生物质能源产生过程的作用
生物质能源目前被人们利用的形式有：沼气、生物乙醇、生物柴油、生物制 氢等。沼气是有机物在隔绝空气和一定的温度、湿度、酸碱度等的条件下，经过 沼气细菌的作用产生的一种可燃气体。生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生 物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。生 物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯。生物制氢则是指生物质 通过气化和微生物催化脱氢方法在生理代谢过程中产生分子氢过程。从介绍中不 难看出，微生物与生物质能源的产生息息相关，生物质能源在这些微生物生命活