21世紀生物制氫技術的研究進展及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

首屆全球替代能源氫能大會2000年9月11日至15日在德國慕尼黑舉行，與會代表們強烈呼吁各國政府和公民從現(xiàn)在開始真正認識到替代能源的重要性和緊迫性，使氫成為21世紀的新能源之隨著全球?qū)κ托枨罅康娜找嬖黾樱蚴蛢α坎粩鄿p少。最新研究表明：如果按目前全球的消費趨勢，地球上可采集的石油資源最多能使用到21世紀末。石化、燃煤能源的使用，還帶來嚴重的大氣環(huán)境的污染，人們?nèi)找娓杏X到開發(fā)綠色可再生能源的急迫性，因此研究和開發(fā)新能源被提到緊迫的議事日程。2000年7—8月的美國《未來學家》雜志刊登了美國喬治·華盛頓大學專家對21世紀前10年內(nèi)十大科技發(fā)展趨勢的預測，其中第二條是燃料電池汽車問世，福特和豐田公司的實驗性燃料電池汽車將在2004年上市。第九條是替代能源挑戰(zhàn)石油能源，風能、太陽能、地熱、生物能和水力發(fā)電將占到全部能源需求的30%。這兩條實際上都是新型能源的開發(fā)利用。我國“十五”國家重點開發(fā)技術項目中也將新型能源的開發(fā)利用放在極為重要的位置。目前，人們對風能、太陽能的開發(fā)已經(jīng)有了相當?shù)难芯浚⒁训搅诉M行加以直接使用的階段，生物能的研究也取得了重要的進展，但是如何將所獲得的能量儲存起來，如何將能量轉(zhuǎn)化為交通工具可利用的清潔高效能源，是一亟待解決的重要課題。
　2生物制氮技術的研究進展
　2.1傳統(tǒng)制氫工藝方法
　傳統(tǒng)的制氫工藝方法有：電解水；烴類水蒸汽重整制氫方法及重油(或渣油)部分氧化重整制氫方法。電解水方法制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料制氫工程是氫與氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量，則可使水分解成氫氣和氧氣。提供電能使水分解制得的氫氣的效率一般在75%-85%。其中工藝過程簡單，無污染，但消耗電量大，因此其應用受到一定的限制。目前電解水的工藝、設備均在不斷的改進，但電解水制氫能耗仍然很高。烴類水蒸汽重整制氫反應是強吸熱反應，反應時需外部供熱。熱效率較低，反應溫度較高，反應過程中水大量過量，能耗較高，造成資源的浪費。重油氧化制氫重整方法，反應溫度較高，制得的氫純度低，也不利于能源的綜合利用。
　2.2新型生物制氫工藝的發(fā)展
　隨著氫氣用途的日益廣泛，其需求量也迅速增加。傳統(tǒng)的制氫方法均需消耗大量的不可再生能源，不適應社會的發(fā)展需求。生物制氫技術作為一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的課題，已在世界上引起了廣泛的重視。如德國、以色列、日本、葡萄牙、俄羅斯、瑞典、英國、美國都投入了大量的人力物力對該項技術進行研究開發(fā)。近幾年，美國每年由于生物制氫技術研究的費用平均為幾百萬美元，而日本在這一方面研究領域的每年的投資則是美國的5倍左右，而且，在日本和美國等一些國家為此還成立了專門機構，并建立了生物制氫發(fā)展規(guī)劃，以期通過對生物制氫技術的基礎和應用的研究，使在21世紀中葉使該技術實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。在日本，由能源部主持的氫行動計劃，確立的最終目標是建立一個世界范圍的能源網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對可再生能源--氫的有效生產(chǎn)，運輸和利用。該計劃從1993年到2020年橫跨了28年。
　生物制氫課題最先由Lewis于1966年提出，20世紀70年代能源危機引起了人們對生物制氫的廣泛關注，并開始進行研究。生物質(zhì)資源豐富，是重要的可再生能源。生物質(zhì)可通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫。在生理代謝過程中產(chǎn)生分子氫，可分為兩個主要類群：
　l、包括藻類和光合細菌在內(nèi)的光合生物；Rhodbacter8604，R.monas2613，R.capsulatusZ1，R.sphaeroides等光合生物的研究已經(jīng)開展并取得了一定的成果。
　2、諸如兼性厭氧和專性厭氧的發(fā)酵產(chǎn)氫細菌。目前以葡萄糖，污水，纖維素為底物并不斷改進操作條件和工藝流程的研究較多。中國在此方面研究也取得了一些進展，任南形琪等1990年就開始開展生物制氫技術的研究，并于1994年提出了以厭氧活性污泥為氫氣原料的有機廢水發(fā)酵法制氫技術，利用碳水化合物為原料的發(fā)酵法生物制氫技術。該技術突破了生物制氫技術必須采用純菌種和固定技術的局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣的新途徑，并首次實現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)流長期生產(chǎn)持續(xù)產(chǎn)氫。在此基礎上，他們又先后發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氫能力很高的乙醇發(fā)酵類型發(fā)明了連續(xù)流生物制氫技術反應器，初步建立了生物產(chǎn)氫發(fā)酵理論，提出了最佳工程控制對策。該項技術和理論成果在中試研究中得到了充分的驗證：中試產(chǎn)氫能力達5.7m3H2/m3.d，制氫規(guī)模可達500-1000m3/m3，且生產(chǎn)成本明顯低于目前廣泛采用的水電解法制氫成本。
　生物制氫過程可以分為5類：
　(1)利用藻類或者青藍菌的生物光解水法；
　(2)有機化合物的光合細菌(PSB)光分解法；
　(3)有機化合物的發(fā)酵制氫；
　(4)光合細菌和發(fā)酵細菌的耦合法制氫；
　(5)酶催化法制氫。
　目前發(fā)酵細菌的產(chǎn)氫速率較高，而且對條件要求較低，具有直接應用前景。但PSB光合產(chǎn)氫的速率比藻類快，能量利用率比發(fā)酵細菌高，且能將產(chǎn)氫與光能利用、有機物的去除有機地耦合在一起，因而相關研究也最多，也是最具有潛在應用前景的方法之一。在生物制氫的全過程中，氫氣的純化與儲存也是一個很關鍵的問題。生物法制得的氫氣含量通常為60%-90%(體積分數(shù))，氣體中可能混有CO2、O2和水蒸氣等。可以采用傳統(tǒng)的化工方法來除去，如50%(質(zhì)量分數(shù))的KOH溶液、苯三酚的堿溶液和干燥器或冷卻器。在氫氣的幾種儲存方法(壓縮、液化、金屬氫化物和吸附)中，納米材料吸附儲氫是目前被認為最有前景的。
　2.3目前研究中存在的問題縱觀生物技術研究的各階段，比較而言，對藻類及光合細菌的研究要遠多于對發(fā)酵產(chǎn)氫細菌的研究。傳統(tǒng)的觀點認為，微生物體內(nèi)的產(chǎn)氫系統(tǒng)(主要是氫化酶)很不穩(wěn)定，只有進行細胞固定化才可能實現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫。因此，迄今為止，生物制氫研究中大多采用純菌種的固定化技術。
　然而，該技術中也有不可忽視的不足。首先，細菌的包埋技術是一種很復雜的工藝，且要求有與之相適應的菌種生產(chǎn)及菌體固定化材料的加工工藝，這使得制氫成本大幅度增加；第二，細胞固定化形成的顆粒內(nèi)部傳質(zhì)阻力較大，使細胞代謝產(chǎn)物在顆粒內(nèi)部積累而對生物產(chǎn)生反饋抑制和阻遏作用，從而使生物產(chǎn)氫能力降低；第三，包埋劑或其它基質(zhì)的使用，勢必會占據(jù)大量的有效空間，使生物反應器的生物持有量受到限制，從而限制了產(chǎn)氫率和總產(chǎn)量的提高。現(xiàn)有的研究大多為實驗室內(nèi)進行的小型試驗，采用批式培養(yǎng)的方法居多，利用連續(xù)流培養(yǎng)產(chǎn)氫的報道較少。試驗數(shù)據(jù)亦為短期的試驗結果，連續(xù)穩(wěn)定運行期超過40天的研究實例少見報道。即便是瞬時產(chǎn)氫率較高，長期連續(xù)運行能否獲得較高產(chǎn)氫量尚待探討。因此，生物技術欲達到工業(yè)化生產(chǎn)水平尚需多年的努力。
　3、展望由于氫是高效、潔凈、可再生的二次能源，其用途越來越廣泛，氫能的應用將勢不可當?shù)剡M人社會生活的各個領域。由于氫能的應用日益廣泛，氫需求量日益增加，因此開發(fā)新的制氫工藝勢在必行，從氫能應用的長遠規(guī)劃來看開發(fā)生物制氫技術是歷史發(fā)展的必然趨勢。
　開發(fā)中國的生物制氫技術需要做到以下的政策和軟件支持：
　(1)勵大宣傳。人是生物能源的生產(chǎn)主體和消費主體，有必要通過輿論宣傳加強人們對生物能源的認識；
　(2)加大政府投資和扶持。在新的生物能源初始商業(yè)化階段要進行減免稅等優(yōu)惠政策；
　(3)借鑒國外經(jīng)驗。充分調(diào)動地方和工業(yè)界的積極性八
　(4)加強高校對生物能源的教育及研究。隨著人們對生物能源的認識不斷加深，政府扶持力度的加大和研究的深人，生物制氫綠色能源生產(chǎn)技術將會展現(xiàn)出它更大的開發(fā)潛力和應用價值。
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