能源短缺、环境污染是未来人类所面临的两大难题,随着社会的不断进步和工业化程度的提高,经济发展对能源的需求量日益增加"能源短缺以及能源生产、消费引起的环境污染问题已经成为21世纪人类面临的最严重的两大难题,开发可再生的绿色能源迫在眉睫"在所有的可替代能源中,氢气以其洁净燃烧,能量密度高,可再生而被能源界公开认为是最理想的矿石燃料的替代能源"在氢气的所有生产方法中,生物制氢以其来源于微生物自身的新陈代谢,产氢反应在常温、常压和接近中性的温和条件下即可进行,而且可利用工农业废弃物为制氢原料,既实现了废弃物资源化,又成本低廉,所以生物制氢技术是一种发展前景广阔的环境友好型制氢新方法"
1 生物制氢概述
根据所选用的微生物、产氢底物及其产氢机理,生物制氢可以分为蓝细菌和绿藻制氢、光合细菌制氢和厌氧发酵制氢等3种类型,即蓝细菌和绿藻(也称为蓝绿藻)在光照、厌氧条件下分解水产氢气,通常称为光解水产氢或蓝、绿藻产氢;光合细菌在光照、厌氧条件下分解有机物产生氢气,通常称为光解有机物产氢、光发酵产氢或光合细菌产氢;厌氧细菌在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气,通常称为厌氧发酵产氢或黑暗(暗)发酵产氢"由上述两种或多种生物制氢方法通过联合作用可以完成生物制氢过程"各种生物制氢方法有不同的特点[1]"
蓝细菌和绿藻产氢:又称光解水产氢,只需要水为原料,且有两个光合系统,光转化效率低,最大理论转化效率为10%,复杂的光合系统产氢需要克服的自由能较高(+242/,以2计)"但不能利用有机物,所以不能利用有机废弃物,且在光照的同时需要克服氧气的抑制效应"
光合细菌产氢:能利用多种小分子有机物,利用太阳光照的波谱范围较宽,且只有1个光合系统,光转化效率高(理论转化效率100%),光合产氢过程中不产氧,则不需要克服氧气的抑制效应而相对简单的光合系统使得产氢需要克服的自由能较小(乙酸光合细菌产氢的自由能只有+8./,以2计)"其缺点是需要光照"
厌氧发酵产氢:厌氧细菌的种类较多,产氢不受光照限制"但对底物的分解不彻底,需要进一步处理,否则污染环境,原料转化效率低"
1.1 光解水产氢
蓝细菌和绿藻的产氢属于这种类型,它们在厌氧条件下,通过光合作用分解水产生氢气和氧气,所以通常也称为光分解水产氢途径"其作用机理和绿色植物光合作用机理相似,光合作用路线见图1"这一光合系统中,具有两个独立但协调起作用的光合作用中心;接收太阳能分解水产生+、电子和2的光合系统()以及产生还原剂用来固定2的光合系统()"产生的电子由铁氧化还原蛋白携带经由和到达产氢酶,+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成2[2]"产氢酶是所有生物产氢的关键因素,后面对产氢酶做了专门论述"绿色植物由于没有产氢酶,所以不能产生氢气,这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在,因此除氢气的形成外,绿色植物的光合作用规律和研究结论可以用于藻类新陈代谢过程分析"
1.2 光合细菌产氢
光合细菌产氢和蓝细菌、绿藻一样都是太阳能驱动下光合作用的结果,但是光合细菌只有一个光合作用中心(相当于蓝细菌、绿藻的光合系统),由于缺少藻类中起光解水作用的光合系统,所以只进行以有机物作为电子供体的不产氧光合作用,光合细菌光合作用及电子传递的主要过程如图2所示"光合细菌所固有的只有一个光合作用中心的特殊简单结构,决定了它所固有的相对较高的光转化效率,具有提高光转化效率的巨大潜力"
1.3 厌氧发酵产氢
在这类异养微生物群体中,由于缺乏典型的细胞色素系统和氧化磷酸化途径,厌氧生长环境中的细胞面临着产能氧化反应造成电子积累的特殊问题,当细胞生理活动所需要的还原力仅依赖于一种有机物的相对大量分解时,电子积累的问题尤为严重,因此,需要特殊的调控机制来调节新陈代谢中的电子流动,通过产生氢气消耗多余的电子就是调节机制中的一种[3]"目前对于许多厌氧产氢细菌的生理学、还原剂产生途径、新陈代谢过程电子传递的分子生物学和生物化学等已经基本探明[3],但是对于厌氧细菌的产氢量还没有详细的研究"
1.4 厌氧与光合细菌联合产氢
黑暗厌氧发酵产氢和光合细菌产氢联合起来组成的产氢系统称为联合产氢工艺"图3给出了联合产氧系统中厌氧发酵细菌和光合细菌利用葡萄糖产氢的生物化学途径和自由能变化[4]"从图中所示自由能可能看出,由于反应只能向自由能降低的方向进行,在分解所得有机酸中,除甲酸可进一步分解出2和2外,其它有机酸不能继续分解,这是发酵细菌产氢效率很低的原因所在,产氢效率低是发酵细菌产氢实际应用面临的主要障碍"然而光合细菌可能利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的正自由能堡垒,使有机酸得以彻底分解,释放出有机酸中所含的全部氢"2 生物制氢技术及研究现状100多年前已经发现了生物产氢的现象[4],细菌产氢的基础性研究开始于20世纪20年代,光合产氢的基础性研究开始于20世纪40年代[5],由于受光转化效率、产氢酶对氧气敏感性以及生物产氢途径的复杂性等因素的制约,一直没有进行深入的研究"美国1973年的能源危机,使能源界认识到研究矿石燃料的替代能源迫在眉睫,20世纪70年代,世界上开始了生物制氢的应用性研究"经过30多年的研究,目前的生物制氢技术仍然没有突破性的成果,生物制氢技术仍处于研究和发展的起步阶段,应用于大规模的工业化生产还有很多的研究工作要做"生物制氢技术的研究首先开始于美国、日本等发达国家,近几年中国一些高校和科研单位也,开始了生物制氢的研究[6~7]"总结国内外的研究信息,生物制氢研究主要包括产氢机理、产氢工艺条件、产氢菌种、产氢酶、产氢工艺路线、产氢动力学、光转化效率和原料转化效率以及反应器等,下面对其中几个主要方面的研究现状加以叙述"
2.1 产氢机理
由于生物产氢是微生物新陈代谢的结果,而微生物新陈代谢途径极其复杂,所以截止目前,人们只是对生物产氢途径有了大概的认识,彻底探明氢气形成的具体过程还有很远的路要走"各种生物制氢产氢机理的研究现状已在生物制氢概述中做了详细介绍"
2.2 产氢原料
光解水产氢分别以水和蓝细菌、绿藻本身作为产氢的原料,光合细菌产氢和厌氧发酵细菌产氢能利用多种有机物做原料,其原料可分为合成原料和天然原料两大类"合成原料主要以葡萄糖、乳酸、乙酸、苹果酸等为主要原料配以其它产氢微生物生长所需的碳、氮等化合物组成的混合培养基[8~9];天然原料主要有各种农产品加工废弃物、农产品和果蔬等"为了降低原料成本,光合细菌利用各种农产品加工下脚料产氢的研究引起了国内外学者的广泛关注"研究过的下脚料包括:糖精厂的废水[10],乳酸发酵厂废水[11],城市污水[12],酒精厂废水[13],固体垃圾处理液[14],豆腐厂废水[15],牛奶加工厂废水[16]等"
2.3 产氢菌种
菌种是生物制氢的主角,菌种性能的优劣直接关系到生物制氢技术各种经济指标的水平,不同菌株的产氢能力差别很大,筛选优良菌种是提高生物制氢产量的最基本和直接的方法,由于菌种筛选工作量大,任务繁重,所以目前菌种系统筛选方面所做工作较少,只有少量的局部分离[17~19],通过基因工程改良目标菌株是目前国外的主要研究方向[20]"
2.4 工艺条件
产氢工艺条件的研究是生物制氢研究中研究最多的方面,工艺条件的研究主要集中为确定特定的菌种产氢的最佳环境参数,属于生物制氢的基础性研究"由于不同的菌种要求的生长条件各不相同,不同的研究者采用的菌种不同、使用的产氢基质不同,所以需要首先确定各自研究对象产氢的最佳工艺条件"工艺条件的研究是所有生物制氢研究者都要经历的阶级,因此这方面的资料最多,工艺条件的研究主要包括温度、光照度(光合生物制氢)、气液相成分及含量、氮源种类和添加量、培养基(产氢基质)成分和含量、值、接种量、菌龄等各方面的内容[21~23]"
2.5 光转化效率
生物制氢研究中对于光转化效率和原料转化效率的研究不多,目前,光转化效率和原料转化效率仍处于较低的水平,太阳能的分散性和由此形成的地球表面太阳能的低密度性,使得光驱动的生物制氢过程成本很高,目前光合生物制氢研究中对光转化效率的研究不多,少量报道的数据一般小于1%,所以要使光合生物制氢用于工业化生产,必须提高光合生物的光转化效率"
3 存在的问题及研究方向
虽然生物制氢研究在国外已有几十年的历史,但是几乎每个方面都没有固定的结论和标准,这有微生物多样性方面的原因,也有生物新陈代谢过程复杂方面的原因,生物制氢技术正处于探索和研究的初级阶级,研究方向主要集中在以下几个方面"
3.1 厌氧发酵产氢
原料转化效率偏低、产氢速率偏低以及气相产物成分复杂是厌氧发酵产氢的主要矛盾,筛选培育高效产氢菌株是该领域研究的一个基本方向"其次,研究有效的产物调控机制使厌氧产氢菌代谢途径最大限度向产氢方向进行,减少负产物的产生,从而便于获得纯净的氢气是其另一个研究内容"
3.2 光合细菌产氢
光转化效率偏低、原料成本太高是所有种类的光合细菌产氢所面临的共同问题"此外,光合细菌产氢机理还没有彻底探明,这从很大程度上制约了光合细菌产氢的研究进程"光合细菌产氢可利用的原料范围广泛,针对不同的原料筛选高效产氢菌株是提高光合细菌产氢效率的重要途径,此外利用物理、化学或基因工程手段培育高效产菌株也是光合细菌产氢研究的重要方向"
3.3 光解水产氢
除了存在与光合细菌产氢相同的问题之外,藻类光解水产氢还存在氧气对产氢酶的抑制作用以及光转化效率低两个方面的主要障碍"应主要集中在以下几个方面开展研究:利用基因工程改造、培育耐氧菌株,克服绿藻光合产氢的同时产生氧气的瓶颈问题;通过基因工程改进产氢菌株提高其光转化效率,同时研究开发新型光合生物反应器提高反应器的光传导效率,提高光转化效率"
4 结语
随着人类工业化进程的加快,能源短缺和环境污染的局势日益严重,系统地研究生物制氢技术所面临地各种问题,提高产氢速率和效率,大幅度降低生产成本,加快生物制氢的工业化进程,是解决能源和环境问题的重要途径"
