生物制氢过程的运用.ppt

生物制氢过程的运用、前景和发展方向,学生冉春秋导师张卫研究员海洋产品与工程研究组,SeminarI,提纲,制氢方法的简介生物制氢方法的介绍生物制氢技术的运用、前景生物制氢技术的发展方向,一.制氢方法的介绍,1.基于化石燃料的方法天然气的蒸气重整；天燃气的热裂解；石油碳氢化合物重组分的部分氧化；煤的气化；热裂解或气化占整个氢气产量的90以上,2.基于以水为原料的方法,电解；光解；热化学过程；直接热分解占整个氢气产量的4左右,3.基于生物技术的方法,藻类和蓝细菌光解水；光合细菌光分解有机物；有机物的发酵制氢；光合微生物和发酵性微生物的联合运用生物质制氢,生物制氢的优点,耗能低、效率高；清洁、节能和可再生；原料成本低，制氢过程不污染环境；一些生物制氢过程具有较好的环境效益,二.生物制氢方法的介绍,1.直接光解技术（绿藻）在厌氧条件下，绿藻既可以利用氢作为电子供体用于二氧化碳的固定或释放氢气,由于氧对氢酶的严重抑制，必须将光合放氧和光合放氢在时间上或空间上分开，可以通过部分抑制PSII光化学活性来实现元素调控，如硫、磷PSII抑制剂，如DCMU、CCCP、FCCP代表性藻株有Chlamydomonasreinhardtii产氢速率为7.95mmolH2/L,100h.,2.间接光解产氢（蓝细菌）,蓝细菌主要分为蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类,,固氮酶催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生,,吸氢酶氧化由固氮酶催化产生的氢气,,可逆氢酶能够氧化合成氢气,总反应式为12H2O6CO2LightenergyC6H12O66O2C6H12O612H2OLightenergy12H26CO2代表性菌（藻）株Anabaenavariablilis4.2umolH2/mgchla/h,,,3.光发酵产氢（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C6H12O612H2OLightenergy12H26CO2代表菌株为RhodospirillumrubrumL180mlH2/Lofculture/h;Rb.spheroides3.6-4.0LH2/Lorimmobilizedculture/h已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机废水的实例,,4.光合异养微生物水气转化反应产生氢气,一些光合异养微生物在暗条件下能够利用CO做为单一碳源，产生ATP的同时释放出H2、CO2COgH2Ol→CO2gH2g1RubrivivaxgelatinosusCBS不仅可以在暗条件下进行CO-水-气转换反应，而且能利用光能固定CO2将CO同化为细胞质；即使在有其他有机底物的情况下，其也能够很好利用CO,（2）RubrivivaxgelatinosusCBS能够100转换气态的CO成H2；（3）这类微生物的氢酶具有很强的耐氧性，在空气中充分搅拌时氢酶的半衰期为21h.代表性菌株RubrivivaxgelatinosusCBS96mmolH2/mgcdw/h,5.暗发酵制氢,厌氧细菌利用有机底物进行暗发酵产生氢气；温度范围25-80℃，或超高温80℃1当乙酸为终产物时C6H12O62H2O→2CH3COOH4H22CO22当丁酸为终产物时C6H12O62H2O→CH3CH2CH2COOH2H22CO2当H2、CO2分压增加，产氢速率明显降低，合成更多与产氢竞争的底物,氢气产生速率与pH、水力停留时间、氢分压等有很大关系利用厌氧细菌发酵纤维素、半纤维素、木质素降解后的小分子有机物，具有很强的环境、经济效益,三.生物制氢技术的运用前景,BioH2systemH2synthesisrate1.0kWmmolH2lhFClDirectphotolysis0.073.41*105Indirectphotolysis0.3556.73*104Photo-fermentation0.161.49*105CO-oxidation96.02.49*102DarkfermentationsMesophilic,undefined121.01.98*102,暗发酵体系和CO-水气转换系统具有较强的实际运用前景，其他生物制氢模式也值得深入研究，以增加产氢速率和产氢量暗发酵体系500L2.5KWPEMFC1000L5.0KWPEMFCCO-水气转换系统624L2.5KWPEMFC1250L5.0KWPEMFC,,,,,一个工程化问题当反应器容积增大后，因为传质、单位细胞容积负荷、光通路等变化对产氢反应速率的变化,四.生物制氢技术的发展方向,1.绿藻直接光解水制氢技术（1）通过基因工程水段改变集光复合体尺寸，以增加太阳能的转换效率；（2）改变氢酶基因的耐氧性，或是进行定向克隆；（3）优化设计，降低光生物反应器的成本；（4）优化调控方法、工艺条件，增加产氢速率、产氢量.,2.蓝细菌（藻）间接光解水制氢技术（1）筛选高活性氢酶或高异性细胞结构的菌（藻）株；（2）基因工程水段消除吸氢酶，增加双向氢酶的活性；（3）优化光生物反应器的设计,3.光发酵系统（1）消除其他竞争性微生物，以减少对营养的消耗；（2）共培养利用不同光能的微生物4.暗发酵生物制氢技术（1）研究气体快速分离技术，减少因氢、二氧化碳分压增加抑制产氢速率膜技术的使用；（2）防止因一氧化碳积累对PEMFC的毒害；（3）诱变高产氢能力的菌株；（4）优化反应器的设计如固定床的使用,总结,生物制氢技术总体上还处在初步研究阶段，但其在原料来源、能源消耗、环境方面具有较强的优势，所以仍是值得深入研究的领域.,参考文献,（1）DavidB.Levina,LawrencePitt,MurrayLove.Biohydrogenproductionprospectsandlimitationstopracticalapplication.InternationalJournalofHydrogenEnergy292004173–185.（2）PatrickC.Hallenbeck,JohnR.Benemann.Biologicalhydrogenproduction;fundamentalsandlimitingprocesses.InternationalJournalofHydrogenEnergy2720021185–1193.（3）K.Vijayaraghavan,MohdAminMohdSoom.Trendsinbiologicalhydrogenproductionareview.InternationalJournalofHydrogenEnergy.（4）HerbertH.P.Fang,HongLiu,TongZhang.Phototrophichydrogenproductionfromacetateandbutyrateinwastewater.InternationalJournalofHydrogenEnergy,谢谢大家,