第1章 引言
能源短缺和环境污染是当前社会经济发展所面临的主要问题。自工业革命以来，以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源时代逐步取代了过去以木材、秸秆为主的木质能源时代。近年来，世界经济的快速发展带来了对世界能源需求量的飞速增加。来自BP公司最新的报告显示，1973年世界一次能源消费量仅为57.3亿t石油当量，2002、2003、2005年分别达到94.05、97.4、102.24亿t石油当量，而2006年同比增长了2.7%。BP公司预测，按照目前开采量计算，全世界石油储藏量只能开采40年，天然气为65年，煤炭162年。能源短缺成为限制世界经济发展的重要影响因素。尤其是20世纪70年代和80年代两次能源危机以来，解决能源短缺，确保国家能源供给安全已成为各国政府考虑的首要因素，由此带来的利益争夺也成为当今世界部分地区动荡的主要因素。
化石能源的使用在促进世界经济发展的同时也带来了严重的环境问题，由化石能源过度使用所带来的全球气候变化、酸雨、臭氧层破坏、荒漠化加剧、生物多样性减少已占据21世纪世界所面临十大主要问题中的5个。因此，寻求可再生的清洁能源成为各国政府的重要课题。氢能因其清洁、能量密度高、制取方法多样、原料来源广而成为关注的焦点，美国、加
拿大、欧盟、日本等将氢能技术置于社会和经济发展的优先地位，制定了有关氢能发展的国家计划，相继制定了有关氢能的“国家氢能路线图”，并由此提出了“氢能经济”、“氢能社会”的概念。为应对能源短缺和改善中国能源消费结构，中国政府也将氢能发展提到战略高度，在制定“氢能发展路线图”的同时提出“摆脱依赖石油的日子，创可持续发展的氢能未来”。
目前，氢气的生产主要有化学法和生物法两种途径。利用化学方法制取氢气是目前较为成熟的制氢技术，其中以天然气、石油为主要原料的高温裂解、催化重整等方式制取的氢气成为工业用氢的主要来源，该方法对化石能源依赖性较大，同时在生产过程中还会造成一定的环境污染；电解水制取氢气是目前获取高纯氢气的主要技术方法，虽然该技术摆脱了对化石能源的依赖，但其在生产过程中需要消耗大量的电能作为代价，同时该反应需要在高温、高压或强酸强碱的条件下进行，反应条件苛刻，电解电极昂贵，生产成本较高。目前商业用氢中96%来自于化石燃料进行催化重整，4%来自电解水[1]。
生物制氢是利用生物自身的代谢作用将有机质或水转化为氢气，实现能源产出。1931年，
斯蒂芬森等人首次报道了在细菌中含有氢酶的存在后，Nakamura在1937年观察到光合细菌在黑暗条件下的放氢现象；1949年Gest报道了深红螺菌在光照条件下的产氢和固氮现象；随后刘易斯于1966年提出了利用生物制氢的概念[1]。生物制氢作为生物自身新陈代谢的结果，生成氢气的反应可以在常温、常压的温和条件下进行，同时生物制氢可采用工农业废弃物和各种工业污水为原料，原料成本低，可以实现废物利用和能源供给与环境保护多重目标而倍受重视。 根据所用的微生物、产氢原料及产氢机理不同,生物制氢可以分为光解水制氢、厌氧细菌制氢、光合细菌制氢等3种类型，其特点：
2.1光解水制氢
光解水制氢是光合生物体在厌氧条件下，通过光合作用分解水，生成有机物，同时释放出氢气。其作用机理和绿植物光合作用机理相似，在某些藻类和真核生物（蓝细菌）体内拥有PSⅠ、PSⅡ等两个光合中心，PSⅠ产生还原剂用来固定CO2，PSⅡ接收太阳光能分解水产生H+、电子和O2； PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白携带，经由PSⅡ和PSⅠ到达氢酶，
H+在氢酶的催化作用下形成H2。其中，利用藻类光解水产氢的系统称为直接生物光解制氢系统，利用蓝细菌进行产氢的系统称为间接光解水产氢系统。藻类的产氢反应受氢酶催化，可以利用水作为电子和质子的原始供体，这是藻类产氢的主要优势。蓝细菌同时具有固氮酶和氢酶，其产氢过程主要受固氮酶作用，氢酶主要在吸氢方向上起作用。蓝细菌也能利用水作为最终电子供体，其产氢所需的电子和质子也来自于水的裂解[2]。
2.2厌氧细菌产氢
厌氧细菌产氢是利用厌氧产氢细菌在黑暗、厌氧条件下将有机物分解转化为氢气。目前认为厌氧细菌产氢过程可通过丙酮酸产氢途径、甲酸分解产氢途径、通过NADH/NAD+平衡调节产氢途径等三条途径实现，丙酮酸产氢途径和甲酸分解产氢途径有时也称为氢的直接产生途径，即葡萄糖首先通过EMP途径发酵形成丙酮酸、ATP和NADPH；丙酮酸通过丙酮酸铁氧化还原蛋白氧化还原酶被氧化成乙酰辅酶A、CO2和还原性铁氧还原蛋白，或者通过丙酮酸甲酸裂解酶而分解成乙酰辅酶A和甲酸，生成的甲酸再次被氧化成CO2，并使铁氧化还原蛋白还原；最后，还原性铁氧化还蛋白还原氢酶，所形成的还原性氢酶当质子存在时便使质子还原生成氢气。 2.3光合细菌制氢
光合细菌制氢是利用光合细菌在厌氧条件下通过光照将有机物分解转化为氢气。光合细菌是一类原始的古细菌，在光照条件下可以将有机酸转化为分子氢。自1949年美国生物学家Gest首次证明光合细菌在光照条件下的产氢现象后，大量的研究表明，光合细菌产氢是与光合磷酸化偶联的固氮酶的放氢作用下产生的。光合细菌只含有一个光合中心，且电子供体是有机物或还原态硫化物，所以光合磷酸化过程不放氧，且只产生ATP而不产生NAD(P)H。与绿藻和蓝细菌相比，这种只产氢不放氧的特性，可大大简化生产工艺，不存在产物氧气和氢气分离问题，也不会造成固氮酶的失活[3]。
第3章我国生物制氢工艺发展
从20世纪90年代我国开始了发酵法生物制氢工艺的研究。经过十几年努力，中国科学家已经建立了工艺流程、控制条件、细菌学、生态学的研究，完成了实验室试、中试，即将进行示范工厂的开工。目前，正在开展工厂现场调试、菌种改良和分子生物学等多学科的研究。我国发酵法生物制氢技术继续领先于世界。以下是对发酵法制氢工艺做的简单介绍：
3．1我国传统的发酵生物制氢工艺
3．1．1活性污泥法生物制氢
活性污泥法制氢是一项利用驯化的厌氧污泥发酵有机废水来制取氢气的工艺技术。发酵后的液相末端产物主要为乙醇和乙酸，其发酵类型为乙醇型。利用活性污泥法制氢具有工艺简单和成本低的优点。然而也具有产生的氢气很容易被污泥中耗氢菌消耗掉的缺点。李建政等以有机废水为底物，使用驯化的厌氧活性污泥作为产氢菌种，进行了中试规模的生物制氢试验研究。结果表明，将运行参数控制在温度35℃、pH值4.0～4.5、水力停留时间(HRT)4～6 h、氧化还原电位(ORP)100～125 mV、进水碱度300～7-aca500 g/m3(以CaCO3计)、容积负荷35～55 kg化学需氧量(COD)/(m3·d)等范围时，发酵法生物制氢反应器的最大持续产氢能力可达5．7 m3(H2)/(m3·d)。中试制氢反应器具有良好的抗负荷冲击能力和运行稳定性[4]。蔡木林等考察了原污泥和经碱处理的污泥在不同初始pH值(3．0～12．5)条件下的产氢效果，以及污泥性质和污泥浓度等对产氢效果的影响。结果表明，当初始pH值为11.0时，污泥发酵的产氢率达到最大值;在同样初始HISEQ2000pH值的条件下，经碱处理的污泥比原污泥的产氢率提高1倍左右，达到0.016 9 m3(H2)/kg－悬浮固体(SS消防演习);另外，污泥的挥发性悬浮固体(VSS)与SS的比值过低时会大大降低污泥的产氢率，而污泥浓度对产氢率无明显影响[5]。
3．1．2发酵细菌固定化制氢
发酵细菌固定化制氢是一项将发酵产氢细菌固定在木质纤维素、琼脂和海藻酸盐等载体上，采用分批或连续培养的方式，实施制取氢气的工艺技术。发酵细菌固定化制氢技术与非固定化制氢技术相比，具有产氢量和产氢速率高的优点，然而也有所用的载体机械强度和耐用度差，对微生物有毒性或成本高等缺点。Kuma等使用木质纤维素载体固定Enterobacter cloacae IIT-BT08进行连续培养产氢。结果表明:在使用的3种木质纤维素载体中，椰子外壳纤维是固定细胞的最佳载体;气体滞留是管状固定化细胞生物反应器的主要问题。圆锥形和菱形生物反应器在产氢速率和气体滞留方面有较好的性能;使用菱形的生物反应器与使用管状的生物反应器相比，气体滞留量被减少67%。在稀释速率为0．93 h－1和回流比为6．4时，最高产氢速率达到40．67 m3(H2)/(m3·d);在其他条件相同的情况下，有循环利用基质的系统与无循环利用基质的系统相比，基质的转化效率被提高了15%。当葡萄糖浓度高于1．0%时，基质既会抑制游离细胞产氢，也会抑制固定化细胞产氢;固定化细胞的最大比生长速率(μmax)和饱和常数(Ks)分别是1.25 h－1和9.31 kg/m3。连续式培养的最高产氢速率是分批式培养的2.1倍。采用填充床反应器的连续产氢过程比其他连续产氢过
程更有效率[6]。王相晶等用聚乙烯醇－海藻酸钙包埋固定化吸油烟机止回阀1株产氢菌进行发酵产氢研究，得出:固定化细胞对O2的存在不敏感，而且固定化细胞既增加了产氢速率又增加了产氢量;以葡萄糖浓度为10 kg/m3的培养基进行分批试验，证明了固定化细胞和游离细胞的产氢量分别是2．14 mol(H2)/mol(葡萄糖)和1．69 mol(H2)/mol(葡萄糖);在连续培养中，不仅产氢量和产氢速率被提高了，而且HRT被减少了;当HRT是2 h时，固定化细胞的产氢量和产氢速率分别是2．31mol(H2)/mo l(葡萄糖)定心支片和34．45 m3(H2)/(m3·d);当HRT是6 h时，游离细胞的产氢量和产氢速率分别仅仅是1．75 mol(H2)/mol(葡萄糖)和8．710m3(H2)/(m3·d)[7]。
3．2新型的发酵生物制氢工艺
3．2．1暗发酵和光发酵的组合
将暗发酵和光发酵组合，能有效提高总体的氢气产量。在第1阶段里，发酵细菌在厌氧和黑暗的条件下分解有机质为有机酸、CO2和H2;然后，在第2阶段里，光合细菌利用暗发酵阶段产生的有机酸进一步产氢。反应为:①第1阶段—暗发酵C6H12 O6+2H2 O→2C2H4O2+2
CO2+4H2;②第2阶段—光发酵2C2H4 O2+4H2 O→4CO2+8H2。原理上，这种组合被期望可能达到接近最大理论产量为12 mol(H2)/mol(葡萄糖)，其中，在暗发酵里乙酸不能被发酵，在光发酵里光合细菌借助外界提供能量(如光照)将乙酸转化为氢气。Yang等采用暗发酵和光发酵的组合培养方式提高了生物制氢的产量。在第1阶段中，以牛粪堆肥为天然产氢菌源，玉米芯为底物，通过厌氧发酵生产氢气，获得的最大产氢量和产氢速率分别是(0．120 3±0．005 2)m3(H2)/kg(玉米芯)和3．6 m3(H2)/(m3·d);在第2阶段中，以R．sphae-roides为光合细菌，暗发酵的消化污水为底物，通过光发酵生产氢气，获得了(0．713 6±0．044 1)m3(H2)/kg COD的H2产量，同时，COD的去除率达到了90%［28］。Su等采用暗发酵和光发酵的组合工艺，以水葫芦为底物进行了产氢试验。在暗发酵阶段，用混合产氢菌发酵预处理过的水葫芦进行氢气生产，在水葫芦的浓度为20 kg/m3时获得的最高产氢量是0．076 7 m3(H2)/kg总挥发性固体(TVS);然后暗发酵剩余的溶液(主要是乙酸和丁酸)被光发酵阶段中固定化的Rho-dopseudomonas palustris利用进一步产氢，在水葫芦的浓度为10 kg/m3时获得的最高产氢量为0．522 6 m3(H2)/kg-TVS。通过暗发酵和光发酵的组合过程，从水葫芦中获得的最高产氢量从0．076 7 m3(H2)/kg-TVS急剧提高到0．596 1 m3(H2)/kg-TVS[8]。
