生物制氢技术的原理和发展现状
王德民
摘要：介绍了生物制氢的基本原理、三种生物制氢的基本方法，并对这三
种方法进行了比较；简要介绍了生物制氢技术的国内外发展历程；最后总结了生物制氢技术研究方向，指出了光合生物制氢是最具发展前景的生物制氢方法。
关键词：氢气、生物制氢、光合生物、发酵细菌 1．前言
随着能源短缺以及能源使用过程产生的环境污染问题的日益严重，人类面临着寻求绿色、新能源的巨大难题。氢能具有清洁、高效、可再生的特点，是一种最具发展潜力的化石燃料替代能源。与传统的热化学和电化学制氢技术相比，生物制氢具有低能耗、少污染等优势。生物制氢技术的发展在新能源的研究利用中日趋受到人们的关注。本文主要介绍了生物制氢的基本原理、生物制氢的三种方法和此技术的研究发展现状。
2．生物制氢技术的基本原理与方法
制氢的方法包括化石能源制氢、电解水制氢、 生物制氢、热解制氢等[1]。 其中，生物制氢具有节能、清洁、原料来源丰富、反应条件温和、能耗低和不消耗矿物资源等优点[2,3]。
广义地讲，生物制氢是指所有利用生物产生氢气的方法，包括微生物产氢和生物质气化热解产氢等[4,5]。狭义地讲，生物制氢仅指微生物产氢，包括光合细菌（或藻类）产氢和厌氧细菌发酵产氢等[2,6,7,8,9]。本文只讨论狭义上理解的生物制氢，这也是利用生物制氢的主要研究方向[3,6]。
迄今为止一般采用的方法有：光合生物产氢，发酵细菌产氢，光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。各种生物制氢方法有不同的特点[10]。 2.1下面简要介绍下生物制氢的三种方法
1）光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能[8,11]。目前研究 多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、夹膜红假单胞菌等[6,17]。
蓝藻与绿藻在厌氧条件下，通过光合作用分解水产生氧气和氢气，它们的作
用机理与绿色植物的光合作用机理相似。作用机理见图1[13]，这一光合系统中,具有两个独立但协调起作用的光合作用中心；接收太阳能分解水产生H+、电子和 O2的光合系统Ⅱ( PSⅡ)以及产生还原剂用来固定 CO2 的光合系统Ⅰ( PSⅠ)。PSⅡ产生的电子由铁氧化还原蛋白携带经由 PSⅡ和PSⅠ到达产氢酶，H+在产氢酶的催化作用下在一定的条件下形成H2[14]。产氢酶是所有生物产氢的关键因素，绿色植物由于没有产氢酶,所以不能产生氢气，这是藻类和绿色植物光合作用过程的重要区别所在，因此除氢气的形成外，绿色植物的光合作用规律和研究结论可以用于藻类新陈代谢过程分析。
图1 藻类光合产氨过程电子传递示意图
光合细菌产氢和蓝细菌、绿藻一样都是太阳能驱动下光合作用的结果, 但是光合细菌只有一个光合作用中心 (相当于蓝细菌、绿藻的光合系统Ⅰ)，由于缺少藻类中起光解水作用的光合系统Ⅱ，所以只进行以有机物作为电子供体的不产氧光合作用,光合细菌光合作用及电子传递的主要过程如图2[13]。光合细菌所固有的只有一个光合作用中心的特殊简单结构，决定了它所固有的相对较高的光转化效率, 具有提高光转化效率的巨大潜力。
图2 光合细菌光合产氢过程电子传递示意图
2）发酵细菌产氢利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢[8]。能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等[6,17] 。与光合细菌一样，发酵型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶的作用下将底物分解制取氢气，底物包括：甲酸、乳酸、丙酮酸及各种短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维素二糖，硫化物等。发酵气体中含H2 (40 %～49 %) 和CO2(51 %～60 %) 。CO2经碱液洗脱塔吸收后，可制取99. 5 %以上的纯H2 。产甲烷菌也可被用来制氢。这类菌在利用有机物产甲烷的过程中，首先生成中间物H2 、CO2 和乙酸，最终被产甲烷菌利用生成甲烷。有些产甲烷菌可利用这一反应的逆反应在氢酶的催化下生成H2[17]。
在这类异养微生物群体中，由于缺乏典型的细胞色素系统和氧化磷酸化途径， 厌氧生长环境中的细胞面临着产能氧化反应造成电子积累的特殊问题，当细胞生理活动所需要的还原力仅依赖于一种有机物的相对大量分解时, 电子积累的问题尤为严重。因此，需要特殊的调控机制来调节新陈代谢中的电子流动,通过产生氢气消耗多余的电子就是调节机制中的一种[15]。
3)光合生物与发酵细菌的混合培养产氢由于不同菌体利用底物的高度特异性，它们能分解的底物是不同的。要实现底物的彻底分解并制取大量H2，应考虑不同菌种的共同培养。Yokoi H.等采用丁酸梭菌( Clost ridiumbutylicm )、产气
肠杆菌( Enterobacter aerogenes) 和类红球菌( Rhobacter sphaerbdies)共同培养，从甜土豆淀粉残留物中制取H2，可连续稳定产氢30 天以上，平均产氢量为4.6molH2/mol葡萄糖，是单独利用C.butylicm产氢量的两倍。原因在于C.butylicm 产生的淀粉酶能降解淀粉成葡萄糖来产氢，E.aerogenes中不含淀粉酶，只能直接利用葡萄糖产氢。而在两者代谢的过程中，葡萄糖降解除了产生H2，还产生两者不能利用的小分子有机酸，使培养基的pH值下降，偏离了微生物的最适生长条件，从而使氢气产量下降。但当三者共同培养时，葡萄糖降解产生的有机酸能被R .sphaerbdies降解，从而使培养基pH值保持恒定，葡萄糖能够被充分利用，产氢量大大提高[17]。
厌氧发酵产氢和光合细菌产氢联合起来组成的产氢系统称为联合产氢工艺。图3给出了联合产氧系统中厌氧发酵细菌和光合细菌利用葡萄糖产氢的生物化学途径和自由能变化[16]。从图中所示自由能可能看出，由于反应只能向自由能降低的方向进行，在分解所得有机酸中，除甲酸可进一步分解出 H2 和 CO2 外，其它有机酸不能继续分解，这是发酵细菌产氢效率很低的原因所在，产氢效率低是发酵细菌产氢实际应用面临的主要障碍。然而光合细菌可能利用太阳能来克服有机酸进一步分解所面临的正自由能堡垒，使有机酸得以彻底分解，释放出有机酸中所含的全部氢。
图3 厌氧发酵细菌和光合细菌联合产氢生化途径
2.2生物制氢的方法比较
光合生物制氢的优势在于对蓝细菌( Cyanobacteria)的研究较早，已经积累了丰富的经验，且光合细菌的底物范围也较广[17]；光合细菌对光的转化效率高[18]。但光合生物制氢存在以下问题：1）蓝细菌和绿藻在产氢的同时伴随氧的释放，易使氢酶失活[1,19]。消除氧气的机械法和化学法[3]或者消耗大量惰性气体和能量，或者导致不可逆反应使细胞失活，都不可取。2）光合产氢微生物只对特定波长的光线有吸收作用[20]，而提供充分的波长合适的光能又会消耗大量的能源，光源的维护与管理变得复杂，使产业化制氢难度变大[7,11]。
发酵法生物制氢较光合法生物制氢具有以下几个优点：1）发酵产氢菌株的产氢能力要高于光合产氢菌株的产氢能力。2）在实际培养中，发酵细菌生长要快于光合细菌。3）无需光照，不但可以昼夜持续产氢，且产氢反应装置的设计简单，操作管理方便。4）可以使单台制氢设备的容积足够大，提高单台制氢设备的产氢能力，易于实现工业化生产规模。 5）可以广泛利用工业废料为底物， 实现废物处理的资源化。6）混合培养时，产氢细菌驯化和启动更容易[6,7,18,21，22,23]。
3 生物制氢技术的国内外发展现状
3.1 国内外现状
生物制氢早在早在100多年前就已经被发现[24]，科学家们就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[2,7]。1931年，Stephenson等人首次报道了再细菌中有氢酶的存在后，Nakamura在1937观察到光合细菌在黑暗条件下放氢现象[25]。1939年和1942年Gafforn及其合作者发现了一种已在地球上存在30亿之久的蓝绿海藻——栅藻(Scenedesmus obliquus)，它既能在厌氧的条件下吸收氢气固定CO2，也能在一定条件下通过光合作用产生氢气[26,27]。1949年Gest和Kamen报道了深红螺菌在光照条件下的产氢现象和固氮作用[28]。Spruit在1958年证实了藻类可以通过直接光解过程产氢，而不需要借助于二氧化碳的固定过程[29]。
生物制氢的想法最先是由Lewis于1966年提出的，其研究与开发主要围绕绿藻、蓝细菌和光合细菌的光解产氢及发酵产氢两大类展开的[11]。Benemann在1974年观察到柱孢鱼腥藻(Anabaena cylindrical)可光解水产生H2和O2[30]。1979年，Lamma发现钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)具有放氢的特性[31]。