生物制氢技术的原理和发展现状重点.doc

可再生能源实验设计论文 题目 生物制氢技术的原理和发展现状 学 院 机电工程学院 专 业 农业生物环境与能源工程 学生姓名 × × 学 号 ××××× 指导老师 ×××× 撰写时间： 20××年×月×日 生物制氢技术的原理和发展现状 摘 要：介绍了生物制氢的基本原理、三种生物制氢的基本方法，并对这三种方法进行了比较；简要介绍了生物制氢技术的国内外发展历程；最后总结了生物制氢技术研究方向，指出了光合生物制氢是最具发展前景的生物制氢方法。 关键词：氢气、生物制氢、光合生物、实验设计1．前言 随着能源短缺以及能源使用过程产生的环境污染问题的日益严重，人类面临着寻求绿色、新能源的巨大难题。氢能具有清洁、高效、可再生的特点，是一种最具发展潜力的化石燃料替代能源。与传统的热化学和电化学制氢技术相比，生物制氢具有低能耗、少污染等优势。生物制氢技术的发展在新能源的研究利用中日趋受到人们的关注。本文主要介绍了生物制氢的基本原理、生物制氢的三种方法和此技术的研究发展现状及实验设计。 2．生物制氢技术的基本原理与方法 制氢的方法包括化石能源制氢、电解水制氢、 生物制氢、热解制氢等[1]。 其中，生物制氢具有节能、清洁、原料来源丰富、反应条件温和、能耗低和不消耗矿物资源等优点[2,3]。 广义地讲，生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括微生物产氢和生物质气化热解产氢等[4,5]。狭义地讲，生物制氢仅指微生物产氢，包括光合细菌（或藻类）产氢和厌氧细菌发酵产氢等[2,6,7,8,9]。本文只讨论狭义上理解的生物制氢，这也是利用生物制氢的主要研究方向[3,6]。 迄今为止一般采用的方法有光合生物产氢，发酵细菌产氢，光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。各种生物制氢方法有不同的特点[10]。 2.1下面简要介绍下生物制氢的三种方法 1）光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能[8,11]。目前研究 多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等[6,17]。 蓝藻与绿藻在厌氧条件下，通过光合作用分解水产生氧气和氢气，它们的作用机理与绿色植物的光合作用机理相似。作用机理见图1[13]，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H+、电子和 O2的光合系统Ⅱ( PSⅡ)以及产生还原剂用来固定 CO2 的光合系统Ⅰ( PSⅠ)。PSⅡ产生的电子由铁氧化还原蛋白携带经由 PSⅡ和PSⅠ到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成H2[14]。产氢酶是所有生物产氢的关键因素，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。 图1 藻类光合产氨过程电子传递示意图 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Ⅰ)，由于缺少藻类中起光解水作用的光合系统Ⅱ，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[13]。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。 图2 光合细菌光合产氢过程电子传递示意图 2）发酵细菌产氢利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢[8]。能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等[6,17] 。与光合细菌一样，发酵型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶的作用下将底物分解制取氢气，底物包括：甲酸、乳酸、丙酮酸及各种短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维素二糖，硫化物等。发酵气体中含H2 (40 %～49 %) 和CO2(51 %～60 %) 。CO2经碱液洗脱塔吸收后，可制取99. 5 %以上的纯H2 。产甲烷菌也可被用来制氢。这类菌在利用有机物产甲烷的过程中，首先生成中间物H2 、CO2 和乙酸，最终被产甲烷菌利用生成甲烷。有些产甲烷菌可利用这一反应的逆反应在氢酶的催化下生成H2[17]。 在这类异养微生物群体中，由于缺乏典型的细胞色素系