浅谈生物制氢的现状与发展趋势黄宇（江苏大学环境与安全工程系，镇江 212000）摘要: 氢是一种理想的能源，具有清洁、可再生的优点。
由于生物制氢技术具有无污染、可再生、成本低等优点，受到国内外广泛的关注，在新能源的研究利用中占有日趋重要的位置。
本文综述了国内外各种生物制氢技术的产生背景、制氢原理和应用现状，总结了该技术的研究现状和存在的障碍，探讨生物制氢技术的发展前景。
关键词 : 生物制氢制氢原理研究进展发展前景Abstract: Hydrogen is an ideal energy, which has the advantages of clean,renewable. Due to the biological hydrogen production technology has the advantages of no pollution, renewable, low cost, it has been widely concerned both at home and abroad, and becoming more and more important position the research of new energy utilization. This paper reviewed the biological hydrogen production technology of the background, principle and application status of hydrogen production at home and abroad, summarizes the research progress of the technology and the obstacles, and discusses the prospect of hydrogen production by biological technology.Key words :Biological hydrogen production;The principle of hydrogen production;Research status; Prospects引言随着人类社会的不断进步和工业化程度的加深，经济发展对能源的需求量日益增加。
作为主要能源的化石燃料，如石油、煤炭、天然气贮存量不断减少，化石燃料消耗必然面临危机。
从目前探明的石油储量来看,世界石油开采乐观的看有100多年, 悲观地讲只有 30～5０年左右[1] ,而且，由于化石燃料的大量使用，造成了一系列的环境问题，如：温室效应、厄尔尼诺效应、雾霾等。
因此，开发清洁能源的开发与应用是大势所趋。
氢能作为一种可再生的能源，取之不尽、用之不竭，完全符合可持续发展战略。
氢气在燃烧时只生成水, 水又可以参与自然循环, 而且氢气的热值高,最高达3042cals/ m3[2] ,目前研究表明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。
生物制氢是目前研究最快和最热门的一种制氢方法。
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［3］。
本文对生物制氢的机理和研究进展进行了综述,并对其前景进行了展望。
1.生物制氢的概述1.1生物制氢的发展过程早在100多年前，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[4,5]。
但直到本世纪70年代世界性的能源危机爆发，生物制氢的实用性及可行性才得到高度的重视[6]，氢气被当时的能源界誉为“未来燃料”。
80年代能源危机结束之前，人们对各种氢能源及其应用技术已进行了大量研究。
石油价格回落以后，氢气及其它替代能源的技术研究一度不再出现在一些国家的议事日程中。
到了90年代，人们对由以化石燃料为基础的能源生产所带来的环境问题有了更为深入的认识，此时，世界再次把目光“聚焦”在生物制氢技术上。
1.2 国内外生物制氢研究现状1.2.1 国外制氢技术研究现状生物制氢想法最先是由 Lewis于1966年提出的[7]，在 20 世纪30年代，Gafron发现绿藻具有产生氢气的功能以来，生物制氢技术逐渐受到研究人员的广泛关注。
20 世纪 40 年代，Gest等发现了深红红螺菌利用谷氨酸或天冬氨酸为氮源，以丙酮酸、乳酸、苹果酸等有机酸为底物进行光照产氢；90 年代Sesikala K等利用球形红杆菌在厌氧环境下对乳酸厂废水的试验研究，提高制氢速率[8]。
1.2.2 国内制氢技术研究现状生物制氢技术研究在我国发展较晚，起始于20世纪90年代，但进展迅速。
发酵法生物制氢技术的研究已达到世界水平，从而使我国在生物制氢技术在前沿性技术领域占有了一席之地。
如中国科学院微生物研究所、上海植物生理研究所、上海交通大学、华东师范大学、等对光解生物制氢技术都有研究，技术主要来源于日本。
而发酵法生物制氢技术的研究则以哈尔滨工业大学最具代表性。
发酵法生物制氢技术通过十几年的研究，在理论探讨和技术开发等方面取得了重大的突破与进步。
具有我国自主知识产权的成果主要如下：（1）建立了产氢－产酸细菌生理生态学理论，打破了产酸发酵类型不可预见和不可控制的约束；（2）发现了具有很强产氢能力的新菌种；（3）发现了产氢能力很高的乙醇型发酵类型，产氢能力比国外利用丁酸型发酵高 2－5倍；（4）利用自固定化的混合菌种活性污泥力为氢气生产者；2. 生物制氢的原理根据生物制氢技术所利用的产氢微生物,可分为光合生物制氢和发酵制氢。
2.1光合生物产氢能够产氢的光合生物包括光合细菌和藻类。
光合细菌属于原核生物, 催化光合细菌氢的酶主要是固氮酶。
光合细菌只含有光合系统PSI,一般认为光合细菌产氢的机制是光子被捕获到光合作用单位后, 其能量被送到光合反应中心, 进行电荷分离,产生高能电子,并造成质子梯度,从而合成ATP。
产生的高能电子从Fd通过Fd-NADP+ ,还原酶传至NADP+形成NADPH,固氮酶利用ATP和NADPH进行H+还原,生成H2。
失去电子的光合反应中心必须得到电子以回到基态,继续进行光合作用。
光合细菌以还原型硫化物或有机物作为电子供体,并且在光合成过程中不产生O2。
一般而言,光合细菌产氢需要充足的光照和严格的厌氧条件[9,10]。
2.2 发酵产氢目前在发酵制氢方面主要包括丁酸型发酵制氢、丙酸型发酵制氢和乙醇型发酵制氢和混合酸发酵。
这里主要介绍丁酸型发酵制氢、丙酸型发酵制氢。
2.2.1丁酸型发酵制氢[11,12]许多可溶性碳水化合物(如葡萄糖、蔗糖、淀粉等) 主要是以丁酸型发酵为主。
这些物质在严格的厌氧细菌或兼性厌氧菌的作用下,经过三羧酸循环形成丙酮酸, 丙酮酸在丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶催化作用下脱酸, 羟乙基结合到酶的TPP( 焦磷酸硫胺素)上,生成乙酰辅酶A, 脱下的氢使铁氧还蛋白还原, 而还原型铁氧还蛋白在氢化酶的作用下被还原的同时释放出H2。
2.2.2 丙酸型发酵制氢在发酵程中,经EMP途径产生的NADH+ H +通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇和乳酸等发酵过程相耦联而氧化为NAD+,来保证代谢过程中的NADH/NAD+的平衡。
为了避免:NADH+ H +的积累而保证代谢的正常进行,发酵细菌可以通过释放H2的方式将过量的NADH+H +氧化:NADH+ H + NAD+ + H2该反应是在NADH-铁氧还蛋白氧化还原酶、铁氧还蛋白氢化酶作用下完成的。
其末端产物是丙酸和乙酸,气体产物非常少,一些学者把这种发酵制氢称作为丙酸型发酵制氢[13]。
3．生物制氢存在的问题和发展前景生物制氢技术还正在处于探索和研究的初级阶段，其存在的问题主要在于以下方面：（1）光转化效率偏低、原料成本太高是所有种类的光合细菌产氢所面临的共同问题；（2）原料转化效率偏低、产氢速率偏低以及气相产物成分复杂是厌氧发酵产氢的主要矛盾；（3）光合细菌产氢机理还没有彻底探明，这从很大程度上制约了光合细菌产氢的研究进程；（4）制氢设备的小型化。
生物制氢技术的推广应用必将带来显著的经济效益、环境效应和社会效应。
就产氢的原料而言,从长远来看利用廉价的有机基质产氢, 是解决能源危机, 实现废物利用,改善环境的有效手段, 是制氢工业新的发展方向。
4. 结论随着人类工业化进程的加快，能源短缺和环境污染的局势日益严重生物制氢技术的前景是十分可观的，生物制氢的产业化生产在不远的将来也将会成为现实，它将给人类带来更大的经济效益、环境效益以及社会效益。
参考文献：[1] Mel is A. Green alga hydrogen product ion: progress, challenges and prospects[ J].International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27:1217- 1228.[2] 杨艳,卢滇楠,李春,等.面向21世纪的生物能源[ J] .化工进展,2002, 21(5):299-302.[3] 左宜,左剑恶,张薇.利用有机厌氧发酵生物制氢的研究进展[ J] .环境科学与技术,2004,27(1):97-99.[4] 任南琪,林明,马汐平,王爱杰,李建政.厌氧高效产氢细菌的筛选及其耐酸性研究[J].太阳能学报,2003,2:80-84.[5] 刘少文,吾广义.制氢技术现状及展望[J].贵州化工,2003,28(5):4-9.[6] 任南琪,李建政.生物制氢技术[J].太阳能, 2003, 2:4-6.[7] 李冬敏,陈洪章,李佐虎.生物制氢技术的研究进展[ J] .生物技术通报,2003,4: 1-5.[8] 任南琪，王爱杰，马放产.酸发酵微生物生理生态学［M］.北京: 科学出版社，2005，248－252．[9] 杨素萍,，赵春贵,曲音波,等.光合细菌产氢研究进展[J] .水生生物学报,2003,27( 1):98-104.[10] 张蕊,李永峰,包红旭,等.甜菜废蜜生物制氢的微生物学基础[J].中国甜菜糖业2004（1）8-11.[11] 秦智,任南琪,李建政.丁酸型发酵产氢的运行稳定性[J].太阳能学报,2004,25(1):46-50.[12] 丁杰,任南琪,刘敏,等.Fe和 Fe2+对混合细菌产氢发酵的影响[J].环境科学学报，2004，25（1）:46-50.[13] 阎桂焕,孙立,许敏,等.生物质热化学转化制氢技术[J].可再生能源,2004,4:33-36.。