微生物产氢技术研究进展

微生物产氢技术研究进展07051222韩智慧前言随着经济的发展,能源问题越来越引起人们的关注和重视。氢能作为一种无污染、可再生的理想燃料,被认为是最有吸引力的替代能源。制氢的方法很多,包括物理化学法和生物法,物理化学法主要有太阳能制氢、水分解法制氢、水电解制氢、水煤气转化制氢及甲烷裂解制氢等。这些方法存在着生产工艺复杂,需要大量基础能源,以及制氢成本高等特点。而生物法制氢通过微生物的作用,将有机物分解,获得氢气。可以利用诸如高浓度有机废水、固体生物质等一系列可再生资源来生产氢气,达到除废和产能的双重目的,具有广泛的应用前景。生物制氢的种类光合生物制氢光合生物制氢所利用的是光合生物,包括某些藻类和光合细菌厌氧发酵制氢厌氧发酵制氢利用的则为厌氧化能异养菌。发酵法生物制氢技术具有的优越性发酵产氢细菌的产氢能力较高,光合细菌和发酵细菌产氢能力的综合比较表明,迄今为止,发酵产氢菌种的产氢能力要高于光合细菌,而且发酵产氢细菌的生长速率一般比光合细菌快。发酵法生物制氢利用有机底物分解制取氢气,它不需要光能源,不但可以实现持续稳定产氢,而且反应装置的设计、操作及管理简单方便。可利用的有机物范围广且成本低廉,可利用有机废水,有机固体废物、植物等。兼性的发酵产氢细菌更易于保存和运输。厌氧产氢微生物的种类厌氧发酵产氢微生物1、严格厌氧产氢微生物1）中温厌氧产氢微生物2）嗜热厌氧产氢微生物2、兼性厌氧产氢微生物3、光合产氢微生物提高微生物产氢的关键提高微生物产氢的关键有两点：一是菌种选育一是菌种的培养菌种的选育天然厌氧发酵产氢细菌分类及其产氢能力发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气,研究表明,能够进行发酵产氢的微生物有许多,其中研究比较多的是梭菌属、脱硫弧菌属和肠杆菌属,前两个属中都有氢酶晶体结构,目前的研究主要集中在这两个属。不同种类的微生物对同一有机底物的产氢能力不同,通常严格厌氧菌高于兼性厌氧菌菌种的改良诱变育种为了突破野生型细菌的产氢能力,通过诱变育种进行高效产氢细菌的改良是一个突破口。目前,研究者作了大量关于发酵产氢细菌诱变选育的研究,如:紫外诱变、化学诱变、激光诱变等。基因改良通过基因工程手段进行高效产氢细菌的遗传改良,是突破野生型细菌的产氢能力的另一个突破口。目前,国内外关于产氢发酵细菌遗传改良的研究还处于设想阶段。菌种的培养纯培养纯培养主要是利用单一的产氢细菌,发酵基质产氢。就目前来看,纯培养主要是进行发酵产氢的理论研究,包括产氢菌的鉴定分类、适应的环境、代谢功能、酶学性质以及产氢能力等,在实际应用中难以实现。混合培养混合培养主要是利用厌氧活性污泥,在酸性条件下抑制产甲烷阶段的进行转为发酵产氢。国内外研究者利用混合微生物发酵不同种类的基质进行产氢作了大量的研究。目前研究结果表明:与利用纯菌产氢相比,利用混合菌系进行厌氧生物制氢具有明显的优势。国内外利用纯种菌及混合菌产氢的研究进展纯种菌产氢研究进展固定化细菌产氢在厌氧菌发酵研究中,人们为了提高反应器内的生物量,普遍利用生物细胞固定化,即微生物载体或包埋剂的方法,用以提高发酵系统单位体积的产氢能力。改良细菌产氢除了传统的微生物筛选方法,现代生物信息学和基因工程的手段也被用来获取产氢菌株。这些新尝试,将会大大推动目标菌株的获取效率,是一个值得重视的研究方向。利用纯菌发酵制氢的主要优点(1)采用具有高效产氢能力的纯细菌,底物的降解速度快,产氢速度快。反应器可以在较高的负荷下运行。(2)细菌可利用的底物比较广泛。(3)通过对细菌固定化,可以利用通常的厌氧反应器来进行连续流产氢实验。(4)可供选择的固定材料比较多。利用纯菌产氢的研究方向(1)高效产氢能力细菌的分离和鉴定及相关的包埋技术的研究,利用现有的分子生物学的成果,在分子水平上进行纯菌的分离和鉴别。(2)采用不同种类的产氢细菌联合产氢。(3)开发高效的生物制氢反应器的研究。混合菌产氢研究进展主要表现在三个方面利用单纯糖类发酵产氢的研究利用有机废水发酵产氢的研究利用固体废弃物发酵产氢的研究利用混合菌系进行生物制氢的主要优点(1)厌氧产氢微生物来源广泛,除了城市污水处理厂的活性污泥和厌氧消化污泥外,各种土壤里也含有大量的产氢微生物。(2)混合菌具有很高的产氢能力,在底物的降解速度、比产氢速度和底物的氢气转化率等方面可以同纯菌相比。反应器可以在较高的负荷下运行。(3)混合细菌可利用的底物比较广泛[15],除了常用的葡萄糖、蔗糖外,甚至还利用固体废弃物和有机废水如制糖厂废水、淀粉加工废水等。(4)通常的厌氧反应器都可以用作混合细菌的产氢反应器。因此,现有的废水处理工艺都可以通过改进用作生物制氢的工艺。(5)与利用纯菌制氢相比,不需要大量的灭菌操作,连续生产工艺比较简单,生产成本可以大大地降低。目前存在的问题1)目前发酵法产氢技术存在的主要问题是氢气产率低,只有理论氢转化率的20%～30%,而这一转化率只有达到60%～80%的情况下才算是一种经济可行的生物产氢技术。此外,经过发酵产氢处理后的污水或固体废弃物还需要相应的后处理才能够不对环境造成二次污染。2)从目前有关厌氧发酵细菌产氢的报道来看,大部分研究仅侧重于厌氧发酵细菌产氢工艺方面的研究。有关厌氧产氢的理论研究不够完善,特别是有关发酵产氢过程相关的动力学、热力学的研究和理论分析非常缺乏。3)没有对发酵细菌厌氧发酵产氢的液相产物分布作深入和系统的研究,尤其是液相产物和气相产物间分布的关系,以及发酵类型与反应器结构工艺条件的系。4)有关混合细菌产氢中微生物方面的研究比较少,特别是连续流生物制氢反应器内部,从接种培养到高效产氢过程中,微生物种群的变化及培养条件对微生物变化的影响。5)发酵产氢速度慢。有机废弃物发酵产氢时,由于废弃物自身的原因往往发酵速度缓慢,严重影响了发酵产氢的经济成本,必须设法提高其发酵速度。微生物产氢的研究方向针对以上在微生物产氢技术上存在的问题，我们现在主要的研究方向就是解决这些问题。主要为以下几个方面：1)无论是纯种还是混菌培养,提高关键菌株产氢效率都是最重要的工作。运用代谢工程手段等现代生物技术手段对产氢细菌进行改造的研究目前在生物制氢领域还没有展开,是很值得深入研究的方向。2)厌氧产氢技术研究的最终目的是将其运用到规模化工业生产中去。厌氧产氢的工业化应用研究亟待加强。3)运用现代数学、生化知识和计算机技术,结合实验数据,可以建立厌氧发酵产氢数学模式,为将来厌氧产氢工业化生产和自控运行提供科学的指导。4)在提高氢气转化率的同时研究其它有用副产品的回收和利用是降低成本、实现工业化生产的有效途径。结语随着全球气候峰会的举行，节能减排已经成为一种趋势，开发利用无污染的能源将一直会是人类研究的重点，并且我们一定会在这方面取得优越进展。谢谢！！！