第23卷第12期2007年12月农业工程学报T ransactio ns o f the CSAE V o l.23 No.12Dec. 2007微生物发酵法制氢与产氢微生物的研究进展汤桂兰,孙振钧※,李玉英(中国农业大学资源与环境学院,北京100094)摘 要:氢是一种理想的清洁能源,在未来的新能源中将占有重要的位置。
该文综述了微生物发酵法制氢和发酵产氢微生物的最新研究进展。
比较了国内外利用纯菌产氢和混合菌产氢的优缺点,纯菌产氢速度快,但纯菌发酵条件要求严格,成本高。
混合菌来源广泛,利用底物广泛,无需灭菌,成本低。
文中还分析了当前微生物发酵制氢技术存在的问题,展望了厌氧发酵制氢的发展前景。
关键词:生物产氢;发酵法产氢;厌氧产氢细菌中图分类号:X 24 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2007)12-0285-06汤桂兰,孙振钧,李玉英.微生物发酵法制氢与产氢微生物的研究进展[J].农业工程学报,2007,23(12):285-290.T ang G uilan ,Sun Zhenjun ,L i Y uy ing .P ro gr ess in m icro bial ferm enta tiv e hydro gen pr oduct ion a nd hy dr og en -pro ducing micr oo rg anisms[J].T r ansactions of the CSA E,2007,23(12):285-290.(in Chinese w ith English abstract )收稿日期:2006-11-30 修订日期:2007-08-15基金项目教育部科学技术研究重点项目(107117)作者简介:汤桂兰(1981-),女,安徽全椒人,博士研究生,从事生物质能的研究。
北京 中国农业大学资源与环境学院,100094。
Email:t-angguilan@※通讯作者:孙振钧,男,教授,博士生导师,从事有机畜牧与农业废弃物的生物处理的研究。
北京 中国农业大学资源与环境学院,100094。
Email:su n108@0 引 言能源匮乏、环境污染是未来人类所面临的两大难题。
氢气以其热密度大、洁净燃烧、可再生而被能源界公认为最具潜力的新能源之一。
目前研究发现有几种制氢方法包括热化学制氢、光催化作用制氢、生物制氢等方法。
对于热化学制氢目前正处在实验室试验阶段,而光催化作用制氢,科学家们正努力寻找合适的光催化剂。
生物制氢是目前研究进展最快并很有希望进行规模化生产的一种制氢方法[1]。
由于其使用的原料低廉,生产过程清洁、节能且不消耗矿物资源,正越来越受到人们的关注。
生物制氢的方法可分为细菌发酵法和光合生物法。
细菌发酵法利用碳水化合物作为能量来源,并将其转化成氢气,无需光照条件,同时实现产能和除废的双重目的。
因此,在生物制氢方法中,细菌发酵制氢法更具有潜力。
为了提高发酵产氢能力,许多研究集中在选育高产氢的优势菌种和菌群。
本文主要综述国内外发酵制氢微生物的研究进展和产氢机制,并提出今后的研究方向。
1 国内外利用纯菌产氢进展大自然中能够通过厌氧发酵方式产氢的细菌种类很多。
Gray 等人[2]将所有的产氢微生物分为4类:(1)专性厌氧的异养微生物,它们不具有细胞色素体系,通过产生丙酮酸或丙酮酸的代谢途径来产氢。
包括梭菌属(Clostr idium )、甲基营养菌(M ethy lotrop hs )、产甲烷菌(M ethanogenic bacteria ),瘤胃细菌(R umen bacteria )以及一些古细菌(A r chaea )等,脱硫菌(Desulf ovibrio desulf uricans )是唯一一种具有细胞色素体系的专性厌氧菌。
(2)兼性厌氧菌,含有细胞色素体系,能够通过分解甲酸的代谢途径产氢。
包括大肠杆菌(E scher ichia coli )和肠道细菌(E nterobacter )等。
(3)需氧菌(A er obes ),包括产碱杆菌属(A lcaligenes )和一些杆状菌(B acillus )等。
(4)光合细菌(P hotosy nthetic bacteria )。
厌氧发酵产氢微生物主要包括前2类微生物。
目前发酵法产氢研究得最多的产氢细菌种类主要包括梭状芽孢杆菌属和肠杆菌属。
Oh 等分离的柠檬酸杆菌属(Citrobacter sp.)Y19最大产氢速率达到了32.3mm ol /(g 干细胞・h )[3]。
Chen 等研究pH 值、底物浓度、不同基质组成对厌氧菌Clostr idium buty ricum CGS5产氢的影响,当底物COD 为浓度20g /L,pH 6.0时,最大氢气产率达到209m L/(h ・L)[4]。
哈尔滨工业大学研究人员以消化污泥为菌种来源,分离出高效产氢细菌B 49之后又发现9个发酵产氢菌种。
中试规模的产氢能力达到每天5.7m 3/m 3,其产氢率比国外同类的小试结果高出几十倍,生产成本低于目前广泛采用的水电解法的成本,有望实现生物氢能工业化生产[5]。
1.1 固定化细菌产氢在厌氧菌发酵研究中,人们为了提高反应器内的生物量,普遍利用生物细胞固定化,即微生物载体或包埋285剂的方法,用以提高发酵系统单位体积的产氢能力。
Tanisho等利用聚氨基甲酸乙酯泡沫对Enter obacter aer ogenes E.82005进行了固定化培养,比产氢率从1.5提高到2.2m ol/mo l葡萄糖[6,7]。
黄锦丽等报道了一种适用于连续流产氢过程中产氢菌截留的新方法,以曲霉(A sp er gillus sp.XF101)XF101所形成的菌丝球吸附并固定产氢细菌克雷伯氏菌(K lebsiella ox y toca HP1)进行连续流产氢[8]。
Husen(2006)等以Clostr idium acetobuty licum ATCC824为产氢微生物,用玻璃珠填充的柱状反应器进行连续流试验,产氢速率在89～220 mL/(h・L)[9]。
上述研究成果表明:固定化细胞与非固定化细胞相比具有耐低pH值,持续产氢时间长,抑制氧气扩散速率等优点,提高了反应器内的生物持有量,使单位体积反应器的比产氢速率和运行稳定性均有很大提高。
但作为载体的物质占据反应器内有效空间的比例大,反应器比产氢速率的进一步提高也因此受到一定的限制。
另外,载体对产氢细菌的毒性及对产氢和二氧化碳扩散的阻碍,也影响生物制氢反应器的产氢效能。
同时由于固定化技术中采用的是纯菌种,也为生物制氢技术工业化的操作和管理带来了困难。
1.2 改良细菌产氢除了传统的微生物筛选方法,现代生物信息学和基因工程的手段也被用来获取产氢菌株。
2003年,Kalia VC等通过基因组数据库搜索的方式,筛选出多株可能的产氢细菌。
如极端嗜热菌A quif ex aeolicus,能够降解高氯酸盐的W olinella succinogenes等13株细菌[10]。
Liu诱变Clostridium ty r obutyr icum,使pta基因失活,通过编码pta酶、ack基因和ak酶提高丁酸产量。
结果表明,诱变改变了代谢途径和基因表达,提高了丁酸产量和产氢量[11]。
Chittibatu等采用重组E scher ichia coli BL21为产氢微生物,皮革厂废水为底物,试验中最大产氢率是66mm ol/(L・h),和野生型Enter obacter cloacae IIT-BT-08相比,重组型E.coli BL21的产氢率高于野生型[12]。
这些新尝试,将会大大推动目标菌株的获取效率,是一个值得重视的研究方向。
从利用纯菌发酵制氢的研究结果来看,纯菌的厌氧发酵制氢技术还处于起步阶段,最具有产氢潜力的一类细菌是梭状芽孢杆菌和产氢肠杆菌,其它细菌由于其产氢能力有限,故文献报道的不多(见表1)。
实验方式主要是小型的间歇的分批实验,还有一部分是采用细菌固定化的方式进行连续产氢实验。
因此,利用纯菌发酵制氢的主要优点有:(1)采用具有高效产氢能力的纯细菌,底物的降解速度快,产氢速度快。
反应器可以在较高的负荷下运行。
(2)细菌可利用的底物比较广泛。
(3)通过对细菌固定化,可以利用通常的厌氧反应器来进行连续流(co ntinuous-flow stirred tank)产氢实验。
(4)可供选择的固定材料比较多。
表1 产氢菌的产氢能力T able1 Hy dr og en-pr o ducing abilit y o f hy dr og en-pro ducing bacter ia菌 类基质产氢率(mol/mol葡萄糖)文献E nter obacter cloacae DM11葡萄糖 3.8Kumar,2001[13]Citrobacter s p.Y19葡萄糖 2.49Oh,2003[3]E nterobacter aerogenes玉米淀粉的水解产物 1.36～3.02Palazz i,2000[14]C.p arap utrif ic um M-21乙酰氨基葡萄糖 1.9Evvyernie,2000[15]C.buty ric um CGS5蔗糖 2.78Chen,2005[4]E nterobacter aerogenes HU-101丙三醇 3.69Nakas himada,2002[16]重组E scherichia coli BL21皮革厂废水66mmol/(L・h)Chittibab u,2006[12] Clostridium ty robutyr icum葡萄糖 2.61Liu,2005[11] Clostrid ium acetobuty lic um AT CC824葡萄糖89～220mL/(h・L)Hus en,2006[9] 利用纯菌发酵制氧的主要缺点有:(1)利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法,发酵条件要求严格,纯菌种分离成本昂贵,所以只适合于实验室研究。
(2)以连续流(co ntinuous-flow stirred tank)产氢,为了保证反应器内较高的细菌浓度,通常采用纯菌固定化的方式、需要大量的载体和固定剂;并且,固定化技术复杂,且不易选择合适的包埋剂,固定化后的细菌传质阻力增大,对产氢有一定的影响。
(3)文献报道的实验结果多为短期的、小型的研究结果,小型试验易取得瞬间最高产氢率,要长期运行并连续生物产氢、保持较高的产氢量和氢浓度,技术难度高,还有待继续研究。
为了降低纯菌制氢的成本,提高利用纯菌的产氢效率和氢气产量,今后利用纯菌制氢的研究方向将集中在以下几个方面:(1)高效产氢能力细菌的分离和鉴定及相关的包埋技术的研究,利用现有的分子生物学的成果,在分子水平上进行纯菌的分离和鉴别。