微生物与能源2.ppt

微生物制氢,总纲,1.氢能的利用历史2.生物制氢研究发展历程及现状3.三大微生物制氢法4.结语,1.氢能利用的曲折史,重视－20世经70年代世界性的能源危机爆发，制氢技的实用性及可行性得到高度的重视，当时的能源界将氢气誉为“未来燃料”.80年代能源危机结束之前，人们对各种氢源及其应用技术己经进行了大量的研究。,冷落－石油价格回落以后，氢气及其它替代能源的技术研究一度不再出现在一些国家的议事日程中。重新重视－到了90年代，人们对由以化石燃料为基础的能源生产所带来的环境问题有了更为深入的认识。利用化石燃料不是长久之计。此时，世界再次把目光“聚焦”在制氢技术上。,氢能的优势,1.地球上的氢元素十分丰富2.氢气是最洁净的燃料3.氢能的高效率4.氢是可储存的二次能源,三种主要的传统制氢技术,1.电解水制氢2.烃类水蒸汽重整制氢3.重油氧化制氢重整法,电解水制氢,2H2O→2H2↑02↑电解水方法制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢工程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75％－85优点其中工艺过程简单，无污染，转化率高缺点消耗电量大。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进，但电解水制氢能耗仍然很高。,烃类水蒸汽重整制氢,CnH2n2nH2O→nCO↑2n2H2↑缺点烃类水蒸汽重整制氢反应是强吸热反应，反应时需外部供热。热效率较低，反应温度较高，反应过程中水大量过量，能耗较高，造成资源的浪费。,重油氧化制氢重整法,缺点反应温度较高，制得的氢纯度低，也不利于能源的综合利用。,随着氢气用途的日益广泛，其需求量也迅速增加。传统的制氢方法均需消耗大量的不可再生能源，不适应社会的发展需求。生物制氢技术作为一种符合可持续发展战略的课题，已在世界上引起了广泛的重视。德国、以色列、日本、葡萄牙、俄罗斯、瑞典、英国、美国等都投入了大量的人力物力对该项技术进行研究开发,近几年，美国每年由于生物制氢技术研究的费用平均为几百万美元，而日本在这一方面研究领域的每年的投资则是美国的5倍左右，而且，在日本和美国等一些国家为此还成立了专门机构，并建立了生物制氢发展规划，以期通过对生物制氢技术的基础和应用的研究，使在21世纪中叶使该技术实现商业化生产。在日本，由能源部主持的氢行动计划，确立的最终目标是建立一个世界范围的能源网络，以实现对可再生能源--氢的有效生产，运输和利用。该计划从1993年到2020年横跨了28年,2.生物制氢研究发展历程,100多年前科学家们发现在微生物作用下，通过蚁酸钙的发酵可以从水中制取氢气。1931年，Stephenson发现了细菌中的氢酶可以催化氢气与氢离子的可逆反应。1937年，Nakamura发现光合细菌能在黑暗中放氢。,1942年，Gaffron和Rubin发现海藻－栅藻能通过光合作用放出氢气。1949年，Gest等研究证明深红红螺菌在有机碳的存在下可以放出氢气1976年，孙国超等分离出了产氢量和产氢时间都较可观的产氢菌。1984年，日本的Miyake等筛选出了平均产氢率达18.4微升/h*mg的非硫光合细菌,直到现在，各种生物制氢方法都还不是很成熟,现有的研究大多为实验室内进行的小型试验，采用批式培养的方法居多，利用连续流培养产氢的报道较少。试验数据亦为短期的试验结果，连续稳定运行期超过40天的研究实例少见报道。即便是瞬时产氢率较高，长期连续运行能否获得较高产氢量尚待探讨许多研究还都集中在细菌和酶固定化技术上，离工业化生产还有很大差距,目前的主要问题,微生物制氢的反应机理没没有得到很好的研究（包括各种遗传机制、能量代谢与物质代谢过程的研究），没有建立起完善的理论体系，对科学研究的更快发展不利。,微生物为何能产生氢气,微生物产氢的关键因素－产氢酶,产氢过程中能够使质子还原为氢气的酶有固氮酶和氢酶两种。,固氮酶是由两种蛋白质分子构成的金属复合蛋白酶,能催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生。氢酶是微生物体内调节氢代谢的活性蛋白。氢酶又可以分为吸氢酶、可逆性氢酶。氢酶在微生物中主要功能是吸收固氮酶产生的氢气。可逆性氢酶的吸氢过程是可逆的，吸氢酶的吸氢过程是不可逆的。因此从产氢需求出发，常勾践吸氢酶基因缺陷的突变体以增加产氢的速率。,微生物制氢的三大方法,1.光合微生物产氢2.微生物水气转换制氢3.暗发酵制氢,光合微生物产氢,投入光能产出氢气,,直接光解产氢,光能光能自养型微生物氢气特点直接利用光能产生氢气,,,至今对细菌光合产氢的具体步骤没有定论设想反应机理以下式简单表示6CO210H2O→C6H12O64H2↑8O2↑,例－绿藻,绿藻属于人类已知的最古老植物之一，通过进化形成了能生活在两个截然不同的环境中的本领。当绿藻生活在平常的空气和阳光中时，它像其他植物一样具有光合作用。光合作用利用阳光，水和二氧化碳生成氧气和植物维持生命所需要的化学物质。,然而当绿藻缺少硫这种关键性的营养成分，并且被置于无氧和光照环境中时，绿藻就会回到另一种生存方式中以便存活下来，在这种情况下，绿藻就会产生氢气。,基本过程如图,间接光解产氢,光能光能自养型微生物光合作用有机物光能光能自养型微生物产氢过程氢气,,,,,,特点先利用光能生产有机物，再利用光能分解有机物而产生氢气总反应式为光合作用12H2O6CO2LightenergyC6H12O66O26H2O产氢反应C6H12O612H2OLightenergy12H26CO26H2O,,,例－蓝细菌,蓝细菌主要分为蓝绿藻、蓝藻纲类、蓝藻类当蓝细菌处于厌氧黑暗环境中一段时间后，开始合成产氢酶,当这种适应了厌氧条件的蓝细菌被放回光照且厌氧的环境中时，产氢速率可以大幅度提高它的光合作用正常后，则停止产氢,,,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,光发酵产氢,有机物光能光能异养型微生物氢气特点利用光能分解有机物，并产生氢气,,,,原理,此类微生物无PSII光合系统，无法利用水来产生氢离子。它们而是利用光能将有机物分解，产生氢离子和高能电子。产氢酶再利用这些中间产物和ATP来产生氢气。,例－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,,目前研究得比较多的光合产氢微生物还有颤藻属、深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、球形红微菌、液泡外红螺菌等。,光合微生物制氢的总况,优势明显以太阳能为能源、以水为原料，能量消耗小，生产过程清洁，受到各国生物制氢单位的关注。现况无奈目前光合微生物制氢离实用化还有相当距离，光能转化率低，要大量制氢，就需要很大的受光面积，还没有满意的产氢藻。仍有希望但普遍认为，光合生物制氢很有发展前景。据美国太阳能研究中心估算，如果光能转化率能达到10，就可以同其他能源竞争。,微生物制氢的三大方法,1.光合微生物产氢2.微生物水气转换制氢3.暗发酵制氢,水气转换是CO与H2O转化为CO2和H2的反应。以甲烷或水煤气为起点的制氢工业均涉及CO的转换，因此水气转换是工业制氢的一个基础反应。水气转换属放热反应，高温不利于氢的生成，然而高温有利于动力学速率提高。,过去是用化学的方法进行水气转化现在出现了利用微生物进行水气转化的方法,目前己发现两种无色硫细菌Rubrivivaxgelatinosus和Rubrivivaxrubrum能进行如下反应COgH2Ol→CO2gH2g这提供了利用合成气转换制氢的新途径,微生物水气转换制氢投入CO与H2O微生物产出CO2和H2,,,这两种无色硫细菌的优点,1.生长较快,在短时间内可达到较高的细胞浓度2.产氢速率快，转化率高。其中Rubrivivaxgelatinosus能够100转换气态的CO成H23.对生长条件要求不严格，可允许氧气和硫化物的存在,缺点然而，穿质速率的限制、CO抑制及相对的动力学速率较低使其在经济上还无法和工业上的水气转换过程竞争。高细胞密度、更高压力的操作，且配备有CO2的收集系统，有可能得到一定的应用。,微生物制氢的三大方法,1.光合微生物产氢2.微生物水气转换制氢3.暗发酵制氢,3.暗发酵制氢,投入各种有机物微生物暗发酵产出氢气,,,许多厌氧微生物在氮化酶或氢化酶的作用下能将多种底物分解而得到氢气。这些底物包括甲酸、丙酮酸、CO和各种短链脂肪酸等有机物、硫化物、淀粉纤维素等糖类。这些原料广泛地存在于工农业生产的高浓度有机废水和人畜粪便中。利用这些废弃物制取氢气，在得到能源的同时还起到保护环境的作用。,例如C6H12O62H2O→2CH3COOH4H22CO2C6H12O62H2O→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,厌氧发酵细菌生物制氢的产率一般较低，能量转化率一般只有33左右，但若考虑到将底物转化为CH4，能量转化率则可达85。为提高氢气的产率，除选育优良的耐氧且受底物成分影响较小的菌种外，还需开发先进的培育技术,微生物暗发酵及CO-水气转换制氢的总况,相对与光合微生物制氢，暗发酵体系和CO-水气转换系统具有较强的实际运用前景目前以葡萄糖，污水，纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。我国也在暗发酵制氢上取得了一定的成果,采用细胞固定化技术，可以实现稳定的产氢与储氢。但为保证较高的产氢速率，实现工业规模的生产，还必须进一步地完善固定化培养技术，优化反应条件，如培养基的成份、浓度、PH等。,这是一项集发酵法生物制氢和高浓度有机废水处理为一体的综合工艺技术,厦门大学承担着“十五”863计划中的高效微生物制氢系统与工艺课题，并己取得一定的成果，建立了针对农作物秸杆、淀粉类物质和有机废水的高效分解系统。,40L生物制氢及氢能－电能转化一体化系统,,450L生物制氢反应器,世界首例发酵法生物制氢生产线在哈尔滨启动由哈尔滨工业大学任南琪教授承担的国家“863”计划“有机废水发酵法生物制氢技术生产性示范工程”，己在哈尔滨国际科技城日产1200立方米氢气生产示范基地一次启动成功。,展望,由于氢是高效、洁净、可再生的二次能源，其用途越来越广泛，氢能的应用将势不可当地进人社会生活的各个领域。由于氢能的应用日益广泛，氢需求量日益增加，因此开发新的制氢工艺势在必行，从氢能应用的长远规划来看开发生物制氢技术是历史发展的必然趋势。,开发中国的生物制氢技术需要做到以下的政策和软件支持1鼓励宣传。人是生物能源的生产主体和消费主体，有必要通过舆论宣传加强人们对生物能源的认识；（2）加大政府投资和扶持。在新的生物能源初始商业化阶段要进行减免税等优惠政策；（3）借鉴国外经验。充分调动地方和工业界的积极性（4）加强高校对生物能源的教育及研究。随着人们对生物能源的认识不断加深，政府扶持力度的加大和研究的深人，生物制氢绿色能源生产技术将会展现出它更大的开发潜力和应用价值。,结语,生物制氢是世界各国发展氢能的一个重要项目，具有战略性的意义，虽然目前，其工艺还不完善，难以用于实际生产，但由于它有着其它能源所无法取代的优越性，相信不久的将来它将成为世界能源的一个重要支柱。,第五节其他微生物能源的开发和利用,,一般电池是由正极、负极、电解质三部分构成，燃料电池也是这样让燃料在负极的一头发生化学反应，失去电子；让氧化剂在正极的一头发生反应，得到从负极经过导线跑过来的电子。同普通电池一样，这时候导线里就有电流通过。燃料电池可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等作燃料，以氧气、空气、双氧水等为氧化剂。现在我们可以利用微生物的生命活动产生的所谓“电极活性物质”作为电池燃料，然后通过类似于燃料电池的办法，把化学能转换成电能，成为微生物电池。,发展历史,英国植物学家马克皮特1910年首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液中成功地制造出世界上第一个细菌电池。,,1984年，美国设计出一种供宇航使用的细菌电池，其电极的物质是宇航员的尿液和活细菌，不过放电率极低。直到上世纪80年代末，英国化学家彼得彭托在细菌发电研究方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组里分解电子，电流能持续数月之久。此后，各种细菌电池相继问世。,美国环境微生物学家德克拉乌雷发现了一种新的嗜糖微生物，可将糖转化成为适量而稳定的电流。实验证明，当这种细菌吃糖时，它把葡萄糖液转化为二氧化碳，同时产生电子。在这种细菌新陈代谢的过程中，能转换糖里80以上的有效电子，这与以前多数嗜糖微生物燃料电池10的能效形成鲜明对照。拉乌雷博士发现的微生物不仅靠在水果、甜菜和甘蔗里找到的蔗糖、果糖和葡萄糖等单糖来完成工作，也可以依靠木头和稻草里的木糖。,美国宾夕法尼亚州立大学环境工程教授BruceLogon领导的研究小组在2004年6月的“MechanicalEngineering”上发表论文指出，一种处于早期开发阶段的新型微生物燃料电池可以将废水中的高浓度有机污染物转变成能源，该燃料电池依靠有机物质的厌氧氧化产生电力。如果10万人产生的废水中所有的能量都能回收，则可以发电2300kw，可供1500户人家用电。迄今，宾夕法尼亚州立大学正在研究的燃料电池发出的电只可启动一台电扇。该研究的目标是开发一种可稳定发电500kw、供300户需要的燃料电池。,在密闭的宇宙飞船里，宇航员排出的尿怎么办,,美国宇航局设计了一种巧妙的方案用微生物中的芽孢杆菌来处理尿，生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了微生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能。一般在宇航条件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦电力。同样的道理，也可以让微生物从废水的有机物当中取得营养物质和能源，生产出电池所需要的燃料。,新闻英国研发“肉食”机器人依靠微生物电池满足能耗（2006）,在英国布里斯托尔机器人试验室里，目前研究人员正在设计一种“肉食”机器人EcobotIII.据了解，这种智能型机器人体内植入一组微生物燃料电池，可以通过吃昆虫和其他生物来补充能量。据英国媒体3日报道，近十年来，该研究小组已经发明了很多依靠糖、腐烂的苹果或者死苍蝇提供能量的机器人。实验室推出的第一个装置，名叫“斯拉宝”。这个人造的“肉食动物”，可以用来搜捕黏糊糊的菜园毛毛虫。可惜“斯拉宝”虽能觅食，却不会“消化”。,2004年，研究人员又推出了测温型EcobotII，这种外观像一个甜点盘子的小家伙，“吞下”八只苍蝇就可以维持12天的行走。但是，通过微生物燃料电池，机器人所获得的能量较低，尚不足大多数AA电池（5号电池）所释放的电量。目前为止，布里斯托尔研究小组仍然是人工抓捕苍蝇喂给机器人，如果研究人员想要实现机器人自动供能的话，那么，机器人就需要自己去寻找食物。研究中心主任梅尔惠什曾表示，一种新研制的苍蝇诱捕器可能在EcobotIII中得到应用,优点,微生物电池不仅比用化学材料的电池毒性低，而且操作简便。在转化过程中产生的热量远低于燃料电池，非常适用于那些需要与人接触的应用。准备这种电池的便携式设备不会发生火灾或爆炸的危险。,谢谢大家,