生物制氢技术的历史与现状

生物制氢技术的历史与现状

由于有限储量的减少和能源需求的不断增加，以及石化燃料燃烧造成的污染和室内效应，21世纪的能源面临着巨大的挑战。可再生能源将成为未来可持续发展能源系统的主体。氢能清洁可再生,燃烧只产生水和巨大能量,有可能成为21世纪重要燃料之一。氢燃料或燃料电池汽车的纷纷推出,标志着氢燃料时代的到来。生物制氢技术反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源与环境的矛盾,促进经济与环境的协调发展,已再次成为国际上热衷探索和研究的课题。1产氢生物研究的兴起早在19世纪,人们就已经认识到细菌和藻类具有产生分子氢的特性。20世纪70年代的石油危机使各国政府和科学家意识到急需寻求替代能源,生物制氢第一次被认为具有实用的可能,自此,人们才从获取氢能的角度进行各种生物氢来源和产氢技术的研究。当今世界所面临的能源与环境的双重压力,使生物制氢研究再度兴起。各种现代生物技术在生物产氢领域的应用,大大推进了生物制氢技术的发展。迄今为止,已研究报道的产氢生物类群包括了光合生物(厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻)、非光合生物(严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌)和古细菌类群(见表1)。因产氢机制不同,对其潜在应用价值也说法不一。1.1光裂解水产氢该类生物可利用体内巧妙的光合机构转化太阳能为氢能,故其产氢研究远较非光合生物深入。二者均可光裂解水产生氢气,但放氢机制却不相同(见2)。Gaffron就报道了珊藻(Scenedesmus)可光裂解水产氢。1974年,Benemann观察到柱孢鱼腥藻(Anabaenacylindrica,异形胞种类)可光解水产生H2和O2,氢释放量在氩气相中最高。光裂解水产氢是理想制氢途径,但蓝细菌和绿藻作为产氢来源似乎并不合适,因为在光合放氢同时,伴随氧的释放,除产氢效率较低外,如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。采用连续不断地提供氩气以维持较低氧分压和光照黑暗交替循环方法用于实验研究尚可,但较难实用化。日本Miyamoto曾利用A.cylindrina的氮饥饿细胞在不断提供氩气的条件下进行了户外产氢研究,但平均转化效率仅为0.2%。Asada也曾报道了Anabaenasp.吸氢酶缺陷株在好氧条件下的固氮产氢,但气相中H2:O2仅为1∶7。美国Melis等通过“剥夺”莱因绿藻(Chlamydomonasreinhardtii)培养物中的硫以使这种藻类的CO2固定和放氧过程与碳消耗和产氢过程分离开来,这样细胞在光下就可以进行光呼吸好氧造成厌氧环境以使氢酶产氢顺利进行,但改造后的这种绿藻产氢量只达到理论值的15%。1.2生理生化研究太阳能制氢是理想途径。与蓝细菌和绿藻相比,其厌氧光合放氢过程不产氧,故工艺简单。再者,产氢纯度和产氢效率高。自从Gest(1949)首次证明光合细菌可利用有机物光合放氢以来,大量的生理生化研究主要用于揭示这种光合放氢机制。从获取氢能角度进行产氢研究则是近15年的事。日本、美国、欧洲等国家对之进行了大量研究,但鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性,研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和控制环境条件以提高产氢量,研究水平和规模还基本处于实验室水平。1.3发酵生物制氢反应器8-t-u-d该类微生物可降解大分子有机物产氢的特性,使其在生物转化可再生能源物质(纤维素及其降解产物和淀粉等)生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。该类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代,其中Suzuki和任南琪的产氢研究最具有代表性。Suzuki琼脂固定化C.butyrium菌株对糖蜜酒精废液进行的产氢试验表明,随搅拌速率的提高,产氢速率也由7ml/min增加到10ml/min,但固定化细胞颗粒遭到明显破坏而导致产氢速率下降;另外,副产物有机酸的积累也是导致产氢下降的主要原因。任南琪对碳水化合物废水研究表明,在良好运行条件下,生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7m3H2/m3反应器·d。生物转化可再生能源物质生产氢能意义深远而重大。但如何解决低pH下细胞产氢与生长的矛盾是该技术应着重解决的问题之一。2氢释放机制2.1蓝细菌氢释放蓝细菌的产氢分为两类,一类是固氮酶催化的产氢,另一类是氢酶催化的产氢。2.1.1光解质系统的还原性物质固氮酶遇氧失活,对于产氢同时放氧的蓝细菌来说,固氮放氢机制因种而异。A.cylindrina是一种丝状好氧固氮菌,细胞具有营养细胞和异形胞两种类型。营养细胞含光系统I和II,可进行H2O的光解和CO2的还原,产生O2和还原性物质。产生的还原性物质可通过厚壁孔道运输到异形胞作为氢供体用于异形胞的固氮和产氢。异形胞只含有光合系统I和具有较厚细胞壁的特性,为异形胞提供了一个局部厌氧或低氧分压环境,从而使固氮放氢过程顺利进行(图1)。无异形胞单细胞好氧固氮菌,其产氢也由固氮酶催化。由于没有防氧保护机构,产氢只能发生在光照与黑暗交替情况下。光照条件下,细胞固定CO2储存多糖并释放氧气,黑暗厌氧条件下,储存的多糖被降解为固氮产氢所需电子供体。2.1.2氧固氮植物糖原氧基对其产氢研究相对较少。沼泽颤藻(Oscillatorialimnetica)是一类无异形胞兼性好氧固氮丝状蓝细菌,其光照产氢过程由氢酶催化,白天光合作用积累的糖原在光照通氩气或厌氧条件下水解产氢。钝顶螺旋藻(Spirulinaplatensis)可在黑暗厌氧条件下通过氢酶产氢。研究还报道了一种可逆氢酶(Reversiblehydrogenase),但对于该类酶,目前仍存在争议。2.2氢酶还原力绿藻在光照和厌氧条件下的产氢是由氢酶介导。现研究表明,光照条件下,氢酶所需还原力除水以外,内源性有机物(淀粉)也可作产氢还原力。绿藻白天进行光合作用积累的有机物在黑暗条件下也可通过氢酶发酵产氢,但产氢效率较低。2.3固氮酶还原酶系统光合细菌的光合放氢几乎存在于所有被研究的紫色非硫细菌中。该过程由固氮酶催化。需要提供能量和还原力。与蓝细菌和绿藻不同,光合细菌的光合作用仅提供ATP,并不提供还原力(图2)。其还原力在某些种类中是有机物经反向电子传递产生。在限氮或提供产氢条件下,有机物光氧化产生的电子传递给Fd使之还原,固氮酶的铁蛋白(固氮酶还原酶)在接受还原型Fd传来电子的同时将之氧化再生。在ATP和Mg2+的作用下,铁蛋白活化形成还原型的固氮酶还原酶-ATP.Mg2+复合物。该复合物再将电子转移给固氮酶的铁钼蛋白使之成为有活性的固氮酶,这时,固氮酶在没有合适底物之时,将H+作为最终电子受体使其还原产生分子H2:2H++4ATP+2e-→H2+4(ADP+Pi)在黑暗条件下,光合细菌可利用葡萄糖和有机酸包括甲酸厌氧发酵产生H2+CO2,吴永强等的结果表明,黑暗发酵休止细胞在暗处有较高的放氢活性,光照时放氢活性下降25%左右,而且CO抑制发酵休止细胞的放氢,20%CO几乎完全抑制放氢,这种现象说明黑暗条件下的产氢可能与固氮酶无关而是由氢酶催化。2.4非晶态生物氢制造机制2.4.1细胞释放h的形式该类群中以梭菌属(Clostridium)的产氢研究最为典型。有机物氧化产生的NADH+H+一般可通过与乙酸、丁酸和乙醇发酵等过程相连而使NAD再生,但当NADH+H+的氧化过程慢于形成过程时,为避免NADH+H+的积累,细胞则以释H2的形式保持体内氧化还原的平衡。丙酮酸经丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶作用后,当环境中无合适的电子受体时,氢化酶将接受铁氧还蛋白(Fd)传递的电子以H+作最终电子受体而产生分子氢(图3)。2.4.2甲醛脱氢酶和加氢酶E.coil可厌氧分解甲酸产生H2和CO2,该过程由甲酸氢解酶(FHL)系统催化进行。FHL系统含有甲酸脱氢酶(FDH)和氢化酶(HD)组分。与产氢有关的FDH,催化非产能反应,受O2、NO-3和MB的阻遏。另外一种不分解甲酸产H2的FDH,推测是一种以FAD或FMN为辅基的黄素蛋白需氧脱氢酶类,与产能代谢有关。它可能与不同的厌氧还原酶系统(NO3→NO-2,延胡索酸→琥珀酸)相连。2.4.3酸、醇、二氢化反应这种产氢机制是为了除去终产物甲酸,提高产能氧化代谢。丙酮酸在缺乏合适电子受体或缺氧的情况下经丙酮酸:甲酸裂解酶的作用下脱羧形成甲酸和乙酰辅酶A,甲酸在甲酸氢解酶的作用下分解产生CO2和H2。降解产物除产生H2外,还有酸、醇和CO2等(图4中的Ⅱ分支途径)。如果有NO-3或延胡索酸等合适电子受体时,甲酸也可能通过电子传递链将之还原为NO-2或琥珀酸,所以在该类群细菌的甲酸产氢过程中,应设法阻断Ⅲ途径的发生。2.5硫氢酶pad极端嗜热古细菌是性质很特殊的细菌类群。它可利用性质完全不同的有机物例如糖类、肽类、醛类、丙酮酸及α-酮戊二酸等在100℃高温条件下进行异养生长并产氢。该菌含有性质独特的氢酶,活性中心含有金属Ni却具有可溶性,电子供体不是NADH而是NADPH。该酶不仅能够催化碳水化合物和肽产氢,也能使元素S还原为H2S。所以该酶是一种双功能酶,又称为硫氢酶(sulhydrogenaseorferredoxin:NADP氧化还原酶)。Ma研究了丙酮酸的产氢机理,丙酮酸在丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶参与下,电子从还原性的Fd传递给NADP使其被还原为NADPH,硫氢酶在接受来自NADPH的电子的同时将NADPH氧化而产生分子氢。3其他有机废水的处理氢酶是氢代谢研究中一个至关重要的酶。作为一种有机金属酶类,其空间结构、催化中心、基因结构的阐明、电子载体种类和传递顺序以及H+和e是如何传递到催化中心等机制的研究现已吸引了许多物理、化学和生物学家的研究兴趣。其深入研究在地球早期生命起源和高效生物催化剂研究中具有重要的意义。Woodward研究小组利用葡萄糖脱氢酶和氢酶在体外进行了酶法转化葡萄糖产H2研究,旨在酶法转化可再生能源物质(纤维素、淀粉和乳糖等)生产氢能,但受到酶源,尤其是氢酶和电子供体等因素的严格限制。Miyake等通过电穿孔方法将梭菌氢酶蛋白导入蓝细菌中,以期通过Fd将蓝细菌的放氧的光合作用和氢酶偶联进行水光解产氢。有机废水废弃物生产氢能,既有利于环境整治,又可回收能源,降低成本,是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型环保产业,是值得提倡的研究与开发方向。近年来,混合培养