21世紀生物制氫技術的研究進展及產業發展現狀

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對石油需求量的日益增加，全球石油儲量不斷減少。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境的污染，人們日益感覺到開發綠色可再生能源的急迫性，因此研究和開發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年內十大科技發展趨勢的預測，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石油能源，風能、太陽能、地熱、生物能和水力發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利用。我國“十五”國家重點開發技術項目中也將新型能源的開發利用放在極為重要的位置。目前，人們對風能、太陽能的開發已經有了相當的研究，并已到了進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傳統制氫工藝方法
　傳統的制氫工藝方法有：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展
　隨著氫氣用途的日益廣泛，其需求量也迅速增加。傳統的制氫方法均需消耗大量的不可再生能源，不適應社會的發展需求。生物制氫技術作為一種符合可持續發展戰略的課題，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。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展規劃，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商業化生產。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絡，以實現對可再生能源--氫的有效生產，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。生物質資源豐富，是重要的可再生能源。生物質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的光合生物；Rhodbacter8604，R.monas2613，R.capsulatusZ1，R.sphaeroides等光合生物的研究已經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酵產氫細菌。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酵法制氫技術，利用碳水化合物為原料的發酵法生物制氫技術。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，開創了利用非固定化菌種生產氫氣的新途徑，并首次實現了中試規模連續流長期生產持續產氫。在此基礎上，他們又先后發現了產氫能力很高的乙醇發酵類型發明了連續流生物制氫技術反應器，初步建立了生物產氫發酵理論，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：中試產氫能力達5.7m3H2/m3.d，制氫規模可達500-1000m3/m3，且生產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)有機化合物的發酵制氫；
　(4)光合細菌和發酵細菌的耦合法制氫；
　(5)酶催化法制氫。
　目前發酵細菌的產氫速率較高，而且對條件要求較低，具有直接應用前景。但PSB光合產氫的速率比藻類快，能量利用率比發酵細菌高，且能將產氫與光能利用、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)，氣體中可能混有CO2、O2和水蒸氣等。可以采用傳統的化工方法來除去，如50%(質量分數)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酵產氫細菌的研究。傳統的觀點認為，微生物體內的產氫系統(主要是氫化酶)很不穩定，只有進行細胞固定化才可能實現持續產氫。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部傳質阻力較大，使細胞代謝產物在顆粒內部積累而對生物產生反饋抑制和阻遏作用，從而使生物產氫能力降低；第三，包埋劑或其它基質的使用，勢必會占據大量的有效空間，使生物反應器的生物持有量受到限制，從而限制了產氫率和總產量的提高。現有的研究大多為實驗室內進行的小型試驗，采用批式培養的方法居多，利用連續流培養產氫的報道較少。試驗數據亦為短期的試驗結果，連續穩定運行期超過40天的研究實例少見報道。即便是瞬時產氫率較高，長期連續運行能否獲得較高產氫量尚待探討。因此，生物技術欲達到工業化生產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地進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，因此開發新的制氫工藝勢在必行，從氫能應用的長遠規劃來看開發生物制氫技術是歷史發展的必然趨勢。
　開發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化階段要進行減免稅等優惠政策；
　(3)借鑒國外經驗。充分調動地方和工業界的積極性八
　(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技術將會展現出它更大的開發潛力和應用價值。
　[此信息未經證實，僅供參考]