第8章生物制氢技术剖析.ppt

第8章 生物制氢技术 2、生物制氢的方法 3、生物制氢研究发展历程 100多年前科学家们发现在微生物作用下，通过蚁酸钙的发酵可以从水中制取氢气。 1931年，Stephenson发现了细菌中的氢酶可以催化氢气与氢离子的可逆反应。 1937年，Nakamura发现光合细菌能在黑暗中放氢。 1942年，Gaffron和Rubin发现海藻－栅藻能通过光合作用放出氢气。 1949年，Gest等研究证明深红红螺菌在有机碳的存在下可以放出氢气 1976年，孙国超等分离出了产氢量和产氢时间都较可观的产氢菌。 1984年，日本的Miyake等筛选出了平均产氢率达18.4微升/h*mg的非硫光合细菌 现有的研究大多为实验室内进行的小型试验，采用批式培养的方法居多，利用连续培养产氢的报道较少。试验数据亦为短期的试验结果，连续稳定运行期超过40天的研究实例少见报道。即便是瞬时产氢率较高，长期连续运行能否获得较高产氢量尚待探讨 许多研究还都集中在细菌和酶固定化技术上，离工业化生产还有很大差距 4、目前的主要问题 微生物制氢的反应机理没有得到很好的研究（包括各种遗传机制、能量代谢与物质代谢过程的研究），没有建立起完善的理论体系，对科学研究的更快发展不利。 微生物为何能产生氢气？？ 二、微生物产氢的关键因素－产氢酶 产氢过程中能够使质子还原为氢气的酶有固氮酶和氢酶两种。 固氮酶是由两种蛋白质分子构成的金属复合蛋白酶,能催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生。 氢酶是微生物体内调节氢代谢的活性蛋白。氢酶又可以分为吸氢酶、可逆性氢酶。氢酶在微生物中主要功能是吸收固氮酶产生的氢气。可逆性氢酶的吸氢过程是可逆的，吸氢酶的吸氢过程是不可逆的。因此从产氢需求出发，常构建吸氢酶基因缺陷的突变体以增加产氢的速率。 三、微生物制氢的三大方法： 1.光合微生物产氢 2.微生物水气转换制氢 3.暗发酵制氢 1、光合微生物产氢 投入：光能 产出：氢气 （1）直接光解产氢 光能 光能自养型微生物 氢气 特点：直接利用光能产生氢气 例－绿藻 绿藻属于人类已知的最古老植物之一，通过进化形成了能生活在两个截然不同的环境中的本领。 当绿藻生活在平常的空气和阳光中时，它像其他植物一样具有光合作用。光合作用利用阳光，水和二氧化碳生成氧气和植物维持生命所需要的化学物质。 然而当绿藻缺少硫这种关键性的营养成分，并且被置于无氧和光照环境中时，绿藻就会回到另一种生存方式中以便存活下来，在这种情况下，绿藻就会产生氢气。 （2）间接光解产氢 光能 光能自养型微生物(光合作用) 有机物 光能 光能自养型微生物(产氢过程) 氢气 特点：先利用光能生产有机物，再利用光能分解 有机物而产生氢气 总反应式为： 光合作用 12H2O + 6CO2 Light energy C6H12O6 +6O2 +6H2O 产氢反应 C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 +6CO2 +6H2O 例－蓝细菌 蓝细菌主要分为：蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类 当蓝细菌处于厌氧黑暗环境中一段时间后，开始合成产氢酶 当这种适应了厌氧条件的蓝细菌被放回光照且厌氧的环境中时，产氢速率可以大幅度提高 它的光合作用正常后，则停止产氢 （3）光发酵产氢 有机物 光能 光能异养型微生物 氢气 特点：利用光能分解有机物，并产生氢气 原 理 此类微生物无PSII光合系统，无法利用水来产生氢离子。 它们而是利用光能将有机物分解，产生氢离子和高能电子。产氢酶再利用这些中间产物和ATP来产生氢气。 例－无硫紫细菌 无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生氢气 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2 代表菌株为： Rhodospirillum rubrumL: 1