简谈生物发酵制氢法

1、会计学1简谈生物发酵制氢法简谈生物发酵制氢法第1页/共56页氢能源的应用背景01生物制氢相关机理02生物制氢研究现状03不同发酵类型产氢能力的比较04目 录 / contents第2页/共56页第一部分氢能源的应用背景Chapter 1第3页/共56页1化石能源属于不可再生能源，储量有限，日渐枯竭；使用过程中，化石能源对环境的污染较为严重。2第4页/共56页以石油为例，目前液体燃料(汽油、柴油等)主要来源于石油资源。第5页/共56页第6页/共56页第7页/共56页颗粒悬浮物化石燃料燃烧CO、SO2、氮氧化物等污染气体温室效应第8页/共56页第9页/共56页第10页/共56页第11页/共56页1

2、234它是宇宙间最简单同时也是最为丰富的元素,在地球上分布及其广泛;它的燃烧热值高,为118.4kJ/g,是甲烷的2.3倍;它的能量密度大,为普通汽油的3倍;它的热效率高,比常规化石能源高3060%,作为燃料电池的燃料,效率高出1倍;氢是一种清洁能源,燃烧时只生成水,没有任何其它污染物,不造成环境污染;氢适于管道运输;在各种能源中,氢的输送成本最低,损失最小,甚至优于输电。5第12页/共56页213作为燃料。由于氢气的高热值,低燃料自重。氢气作为燃料在航天、交通、运输等领域有着非常巨大的应用前景。氢气是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。用于石油和其他石化燃料的精炼,如烃的增氢、煤的

3、气化、重油的精炼等;化工生产中作为氨、甲醇的原料;还用来还原铁矿石等。用于发电。用氢制成燃料电池可直接发电,也可采用燃料电池和氢气-蒸汽联合循环发电,其能量转换效率大大高于现有的火力发电。第13页/共56页第14页/共56页第15页/共56页第2部分生物制氢相关机理Chapter 2第16页/共56页制氢技术理化法制氢生物法制氢水电解制氢矿物燃料制氢太阳能制氢光合细菌制氢发酵制氢热化学循环制氢第17页/共56页第18页/共56页第19页/共56页第20页/共56页废水或污泥中不溶态大分子有机物蛋白质多糖脂肪氨基酸葡萄糖甘油 脂肪酸一类产物：甲酸、甲醇甲胺、乙酸等二类产物：丙酸、丁醇、乳酸、乙醇

4、等二氧化碳、氢气、乙酸二氧化碳、甲烷发酵菌发酵菌产氢产乙酸菌产甲烷菌第21页/共56页第三部分生物制氢研究现状Chapter 3第22页/共56页0 0 1 1分离和筛选高效产氢菌种；0 0 2 2生态因子对产氢能力的影响；0 0 3 3细胞固定化与非固定化技术；0 0 4 4混合菌种产氢技术。目前,国内外发酵法生物制氢技术的主要研究成果主要集中在以下几个方面：第23页/共56页0 0 1 1 目前，国际上对生物制氢技术的研究仍处于实验室研究阶段，发酵产氢细菌的产氢能力不高成为限制生物发酵制氢技术发展的重要因素。 为了解决这一问题，国内外的研究者纷纷进行产氢细菌的分离和筛选工作，以期获得高效的

5、产氢菌种。第24页/共56页Jung等（2002）从厌氧消化污泥中分离出一株化能异养菌，最大产氢能力为27.1 mmolH2/gdrycell.h;Rachman等（1997）分离到的产气肠杆菌突变株A-1的产氢能力为27mmolH2/gdrycell.h;林明（2002）从生物制氢反应器的厌氧活性污泥中分离到了一株高效产氢细菌，其产氢能力为2528 mmolH2/gdrycell.h，是目前国际上所发现的具有最高产氢能力的细菌之一，邢德峰等对该菌株进行了生物化学和分子生物学鉴定，确认其为一种至今尚未报道过的新菌种;Kumar（2000）从树叶榨出物中分离到一株阴沟肠杆菌，在36和pH值6.0

6、条件下，最大产氢效率可达29.63 mmolH2/ gdrycell.h，这是目前资料报道的产氢能力最高的产氢发酵细菌。1234第25页/共56页0 0 2 2生态因子对产氢能力的影响；生态因子对产氢发酵细菌的生长和生理代谢有重要作用，也会影响细菌的产氢能力。目前对生态因子的研究主要集中在温度、pH值、氧化还原电位和金属离子等几个方面。第26页/共56页 温度对微生物的生长和生理代谢过程有重要影响,不同的微生物的最适生长和产氢温度不同。Jung等(2002)对ciortbacet: Sp.Y19的研究表明,其最适的细胞生长和产氢温度为3040。Kum等证明该菌种在36时具有最大的产氢速率。(1

7、)温度 pH值对发酵细菌的产氢代谢活性和发酵产物组成均有重要影响,因此对发酵细菌最适产氢pH值的研究也很多。Fbaaino等在研究中发现,产气肠杆菌NCMIB10102的最适pH值为6.16.0。(2) pH值第27页/共56页任南琪教授等人经过系统的研究提出,pH值和氧化还原电位对产氢发酵微生物的发酵产物组成有重要影响,是影响产酸发酵类型的限制性生态因子。(3)氧化还原电位金属离子能对氢酶的结构和功能产生影响,从而影响产氢发酵细菌的产氢能力。也是影响产酸发酵菌生长与发育的重要的生态因子。(4)金属离子第28页/共56页Grya等指出,在缺铁的培养基上生长的肠杆菌和梭菌不能产氢。但是,当金属离

8、子的浓度超过一定范围时,会引起细菌中毒。林明对多种金属离子的研究表明,适宜浓度的Fe2+、Ni2+、Mg2+对产氢菌株B49的生长和产氢发酵有促进作用,在其适宜浓度下,促进顺序为Fe2+ Ni2+ Mg2+ 。王勇的研究表明,Fe参与了产氢一产酸代谢中相关酶系的作用过程,可直接影响细菌的生物氧化及脱氢过程,并可诱导系统的发酵过程向平衡程度较高的乙醇型发酵类型转变。他还发现,单质Fe对产氢的促进作用要优于铁离子。123第29页/共56页0 0 3 3细胞固定化与非固定化技术； 为了达到持续高效的生物产氢目标,实现生物制氢技术的工业化生产,提高反应系统内的细胞持有量及其产氢速率是有效措施之一。为了

9、提高产氢细菌的生物量和产氢能力,人们利用一些微生物载体,对产氢细菌的细胞固定化技术进行了一系列的研究。研究目的第30页/共56页细胞固定化技术的使用,使反应系统的产氢速率和运行稳定性有了很大提高。但是,固定化技术的复杂性、巨大的工作量以及高昂的制氢成本决定了该技术的应用只能局限于小型的实验室研究,无法实现大规模的工业化生产,而且作为固定化载体的基质会占据反应器内大量的有效空间,反应器产氢率的进一步提高会由于生物持有量不足而受到限制。限制因素第31页/共56页实际应用中,利用具有自絮凝作用的细菌或厌氧活性污泥作为产氢菌种,既可以避免生物制氢反应器中游离微生物的流失,保证系统内保持较大的生物量,又

10、可以不必对细菌细胞进行复杂的固定化处理而达到高效产氢的目的。解决方案第32页/共56页0 0 4 4混合菌种产氢技术。目前对生物制氢技术的研究大多采用的是纯菌种,而利用混合菌种,特别是利用厌氧活性污泥制取氢气的研究较少。实际上,利用混合菌种具有一定的优越性。首先,它不存在纯菌种系统存在的杂菌污染问题。若利用的混合菌种为厌氧活性污泥,则可以通过它的培养形成沉降性能良好的絮体,避免菌体在连续流状态下的流失。另外,它在运行中操作简单,便于管理,提高了生物制氢工业化生产的可行性。研究背景第33页/共56页第四部分不同发酵类型产氢能力的比较Chapter 4第34页/共56页,发生微生物菌群的演替,并控

11、制达到特定的发酵类型。其它参数在不同的运行时期保持一致性,以便对不同发酵菌群的产氢能力进行比较研究。第35页/共56页实验装置：主体设备为生物制氢模型反应器，反应器的有效容积9.6L,沉淀区为5.4L，采用将电热丝缠绕在反应器外壁上的方式加热保温，温度控制在35左右，上下浮动不超过1 。实验用底物：采用甜菜制糖厂的废糖蜜，反应器进水配置中添加少量的N、P肥料，COD:N:P=500：5:1.第36页/共56页第37页/共56页该图是对乙醇型发酵菌群在稳定运行期的液相末端发酵产物分析情况。从图中可以看出,液相末端发酵产物以乙醇和乙酸为主,占总量的80%以上,其中乙醇含量平均达到40.19%,是典

12、型的乙醇型发酵。第38页/共56页该图是对乙醇型发酵菌群产气能力和产氢能力的测试结果。实验结果表明,在实验条件下,乙醇型发酵菌群的产气能力平均为5.78mol/kg vssd,最高产气能力为7.24 mol/kg vssd。而产氢能力平均为2.89 mol/kg vssd,最高产氢能力达到3.62 mol /kg vssd。第39页/共56页第40页/共56页该图是对丁酸型发酵菌群在稳定运行期的液相末端发酵产物分析情况。从图中可以看出,液相末端发酵产物以丁酸和乙酸为主,占总量的70%以上,其中丁酸含量平均达到48.94%,是典型的丁酸型发酵。第41页/共56页如图是对丁酸型发酵菌群产气能力和产

13、氢能力的测试结果。实验结果表明,在实验条件下,丁酸型发酵菌群的产气能力和产氢能力要比乙醇型发酵菌群低,平均为2.19 mol/kg vssd,最高产气能力为2.74 mol/kg vssd。而产氢能力平均为0.57mol/kg vssd,最高产氢能力达到0.77mol/kg vssd。第42页/共56页第43页/共56页如图是对丙酸型发酵菌群在稳定运行期的液相末端发酵产物分析情况。从图中可以看出,液相末端发酵产物中以丙酸和乙酸为主,占总量的88%以上,其中丙酸含量平均达到61.44%,是典型的丙酸型发酵。第44页/共56页如图是对丙酸型发酵菌群产气能力和产氢能力的测试结果。实验结果表明,在实验

14、条件下,丙酸型发酵菌群的产气能力很低,平均仅为358.42 mmol/kgvssd,最高产气能力为597.2l mmol/kgvssd。而产氢能力平均为21.95 mmol/kgvssd,最高产氢能力只有31.65 mmol/kgvssd。第45页/共56页不同发酵菌产氢能力的比较：第46页/共56页第47页/共56页谢谢观看第48页/共56页213目前氢气的主要应用方式（3种）不同发酵类型产氢能力比较的结果厌氧发酵产氢的发酵类型（3种）第49页/共56页氢能源的应用背景01生物制氢相关机理02生物制氢研究现状03不同发酵类型产氢能力的比较04目 录 / contents第50页/共56页以石油为例，目前液体燃料(汽油、柴油等)主要来源于石油资源。第51页/共56页第52页/共56页第53页/共56页 温度对微生物的生长和生理代谢过程有重要影响,不同的微生物的最适生长和产氢温度不同。Jung等(2002)对ciortbacet: Sp.Y19的研究表明,其最适的细胞生长和产氢温度为3040。Kum等证明该菌种在36时具有最大的产氢速