生物产氢的基础知识

一、生物产氢

氢气是一种清洁燃料，同时也是最理想的未来能源。与煤、石油和CH₄不同，氢气燃烧时仅产生水蒸气，不产生污染物和温室气体。由于地球大气中仅含有微量的氢气(体积分数为0.07%)，因而寻求一条高效、经济和环境友好的工艺制备氢气，是开发氢气能源的关键。利用煤、石油和天然气制氢要消耗大量的矿物资源，而且还会造成环境污染，因而终究会被淘汰。利用生物技术制氢具有清洁、节能和不消耗矿物资源等明显优势，其发展前景十分光明。

1.产氢的微生物

在新陈代谢过程中能产生氢气的微生物主要为细菌和藻类。

产氢细菌包括光合细菌、蓝细菌和发酵产氢细菌。光合细菌又包括紫色细菌和绿色细菌，这两类细菌被认为是光合作用进化过程中的原始类型，它们不是以水作为氢供体，而是专性利用还原性更强的氢供体如H₂S、H₂或有机物等。例如，深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)在厌氧光照条件下，能利用有机酸(丙酮酸、乳酸、苹果酸)进行光照产氢。光合细菌是典型的水生单细胞，呈红色、黄色或绿色，这些颜色取决于细菌叶绿素和类胡萝卜素的含量。常见的产氢光合细菌包括深红红螺菌、液泡外硫红螺菌、红假单胞菌属、红假杆菌属。

蓝细菌利用水作为氢供体，在光照条件下释放氧，即进行产氧光合作用。蓝细菌分单细胞和多细胞两类，在水中和土壤中均有分布。

发酵产氢细菌有兼性厌氧和专性厌氧两种类型。常见的发酵产氢细菌包括梭状芽孢杆菌、拜氏梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等。

藻类是能进行光合作用的真核微生物，它们进行光合作用的细胞器为叶绿体。产氢的藻类包括满江红鱼腥藻、柱胞鱼腥藻、佛氏绿胶藻、层理鞭枝藻、灰色念珠藻、沼泽颤藻、层理席藻、紫色紫球藻、斜生栅藻、螺旋藻等。

2.微生物产氢的途径

在兼性厌氧条件下，许多细菌和藻类可以利用有机物产生氢气。光合细菌、蓝细菌和藻类在光照条件下，以有机酸如苹果酸为电子受体，产生氢气。微生物对水的生物光解作用也是生物产氢的一条途径。

丁酸梭状芽孢杆菌可以利用葡萄糖产氢。其途径为:葡萄糖经糖酵解(EMP)途径转化为两分子丙酮酸，其反应式为

C₆H₁₂O₆→2C₃H₄O₃+2ATP+2NADH₂

丙酮酸在铁氧还蛋白的氧化还原酶催化下，生成乙酰CoA、CO₂和还原型铁氧还蛋白。还原型铁氧还蛋白在氢化酶作用下生成氢气，其反应如下:

2H⁺+2e^－+mATP→H₂+mADP+mPi

在理想条件下，每mol葡萄糖可生成4mol氢，其中有2mol H₂由EMP途径产生的NADH₂转化生成。

深红红螺菌和Rh.gelatinosa能通过下列反应生成氢气。

CO+H₂O→H₂+CO₂

ΔG=20.1kJ/mol

这两种细菌生长较快，对O₂和硫化物具有耐受性，CO转化速率快，但深红红螺菌生长需要光能。

该氢化酶是一种酶复合物，它可以在两种不同的电子供体存在下分别催化甲酸转化产H反应和H₂与碳酸氢盐的甲酸合成反应。这样，利用大肠杆菌不仅可以将甲酸转化制H₂，同时还可以改变条件，将H₂以甲酸的形式储存起来。

3.生物制氢工艺

传统观念认为，微生物细胞内的产氢系统(主要是氢化酶)很不稳定，只有进行细胞固定化，才能实现持续产氢。据此，已经对固定化细胞产氢进行了广泛的研究。例如，以聚氨酯泡沫为载体，固定产氢肠杆菌E82005进行连续产氢试验，其反应器的持续产氢率和最大产氢率分别达到2.2mol H₂/mol糖和3.5mol H₂/mol糖，而其游离细胞产氢的相应值为1.5mol H₂/mol糖和2.5mol H₂/mol糖。当鱼腥藻Anabaena variabilis ASI用角叉藻胶固定后，进行了产氢试验，其最大产氢率达46ml/(h·g)干重细胞，并且能持续15d。同样，当丁酸梭状芽孢杆菌用聚丙烯酰胺凝胶包埋固定后，其产氢的稳定性增加，游离细胞在pH＜5时即停止产氢，而固定化细胞仍然保持产氢活性。此外，细胞经固定化后，其氢化酶系统稳定性提高，对O₂的耐受性增强，因而在好氧条件下(37℃，溶解氧达到饱和)仍然保持产氢活性，而且产氢量与厌氧条件几乎相等。

对利用有机物进行生物制氢而言，降低原料成本是一个重要的研究课题。由于葡萄糖的成本高，无法用于实际生产。近年来，开始利用工业废水代替葡萄糖，这样，既处理了废水，又生产了能源。几种不同废水的生物制氢结果比较于表14-1。

表14-1　　不同废水生物制氢的结果

从表中可知，酒精工业废水的比产氢速率高于葡萄糖溶液，是生物制氢的一种潜在原料。

选择适宜的生物反应器和操作方式对提高产氢率也至关重要。一株芽孢杆菌菌株(Bacillus sp)能将CO和水转化成H₂，为提高其产氢率，利用固定化技术将其细胞固定，并用不同的生物反应器进行连续反应，结果如表14-2所示。

实验结果显示，在固定化细胞滴滤床反应器(trickle bed reactor)中进行顺流(co-current)操作时，反应可在5.4min内完成，CO转化率达86.0%，产氢率最高，达3.96m mol/(L·min)。

表14-2　　Bacillus sp.在不同生物反应器中的产氢能力

我国学者提出了以厌氧活性污泥为制氢生产者，以高浓度废水为原料的混合发酵生物制氢技术。这是一种全新的生物制氢技术，它突破了生物制氢必须采用纯培养和人为固定技术的局限，开拓了利用自固定混合菌种生物制氢的新途径。该生物制氢技术已中试成功，这标志我国的生物制氢技术的研究已跻于世界前列。