一、生物產(chǎn)氫

氫氣是一種清潔燃料，同時(shí)也是最理想的未來(lái)能源。與煤、石油和CH₄不同，氫氣燃燒時(shí)僅產(chǎn)生水蒸氣，不產(chǎn)生污染物和溫室氣體。由于地球大氣中僅含有微量的氫氣(體積分?jǐn)?shù)為0.07%)，因而尋求一條高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的工藝制備氫氣，是開(kāi)發(fā)氫氣能源的關(guān)鍵。利用煤、石油和天然氣制氫要消耗大量的礦物資源，而且還會(huì)造成環(huán)境污染，因而終究會(huì)被淘汰。利用生物技術(shù)制氫具有清潔、節(jié)能和不消耗礦物資源等明顯優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景十分光明。

1.產(chǎn)氫的微生物

在新陳代謝過(guò)程中能產(chǎn)生氫氣的微生物主要為細(xì)菌和藻類。

產(chǎn)氫細(xì)菌包括光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌。光合細(xì)菌又包括紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌，這兩類細(xì)菌被認(rèn)為是光合作用進(jìn)化過(guò)程中的原始類型，它們不是以水作為氫供體，而是專性利用還原性更強(qiáng)的氫供體如H₂S、H₂或有機(jī)物等。例如，深紅紅螺菌(Rhodospirillum rubrum)在厭氧光照條件下，能利用有機(jī)酸(丙酮酸、乳酸、蘋(píng)果酸)進(jìn)行光照產(chǎn)氫。光合細(xì)菌是典型的水生單細(xì)胞，呈紅色、黃色或綠色，這些顏色取決于細(xì)菌葉綠素和類胡蘿卜素的含量。常見(jiàn)的產(chǎn)氫光合細(xì)菌包括深紅紅螺菌、液泡外硫紅螺菌、紅假單胞菌屬、紅假桿菌屬。

藍(lán)細(xì)菌利用水作為氫供體，在光照條件下釋放氧，即進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用。藍(lán)細(xì)菌分單細(xì)胞和多細(xì)胞兩類，在水中和土壤中均有分布。

發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌有兼性厭氧和專性厭氧兩種類型。常見(jiàn)的發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌包括梭狀芽孢桿菌、拜氏梭狀芽孢桿菌、大腸埃希氏桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、褐球固氮菌等。

藻類是能進(jìn)行光合作用的真核微生物，它們進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器為葉綠體。產(chǎn)氫的藻類包括滿江紅魚(yú)腥藻、柱胞魚(yú)腥藻、佛氏綠膠藻、層理鞭枝藻、灰色念珠藻、沼澤顫藻、層理席藻、紫色紫球藻、斜生柵藻、螺旋藻等。

2.微生物產(chǎn)氫的途徑

在兼性厭氧條件下，許多細(xì)菌和藻類可以利用有機(jī)物產(chǎn)生氫氣。光合細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和藻類在光照條件下，以有機(jī)酸如蘋(píng)果酸為電子受體，產(chǎn)生氫氣。微生物對(duì)水的生物光解作用也是生物產(chǎn)氫的一條途徑。

丁酸梭狀芽孢桿菌可以利用葡萄糖產(chǎn)氫。其途徑為:葡萄糖經(jīng)糖酵解(EMP)途徑轉(zhuǎn)化為兩分子丙酮酸，其反應(yīng)式為

C₆H₁₂O₆→2C₃H₄O₃+2ATP+2NADH₂

丙酮酸在鐵氧還蛋白的氧化還原酶催化下，生成乙酰CoA、CO₂和還原型鐵氧還蛋白。還原型鐵氧還蛋白在氫化酶作用下生成氫氣，其反應(yīng)如下:

2H⁺+2e^－+mATP→H₂+mADP+mPi

在理想條件下，每mol葡萄糖可生成4mol氫，其中有2mol H₂由EMP途徑產(chǎn)生的NADH₂轉(zhuǎn)化生成。

深紅紅螺菌和Rh.gelatinosa能通過(guò)下列反應(yīng)生成氫氣。

CO+H₂O→H₂+CO₂

ΔG=20.1kJ/mol

這兩種細(xì)菌生長(zhǎng)較快，對(duì)O₂和硫化物具有耐受性，CO轉(zhuǎn)化速率快，但深紅紅螺菌生長(zhǎng)需要光能。

該氫化酶是一種酶復(fù)合物，它可以在兩種不同的電子供體存在下分別催化甲酸轉(zhuǎn)化產(chǎn)H反應(yīng)和H₂與碳酸氫鹽的甲酸合成反應(yīng)。這樣，利用大腸桿菌不僅可以將甲酸轉(zhuǎn)化制H₂，同時(shí)還可以改變條件，將H₂以甲酸的形式儲(chǔ)存起來(lái)。

3.生物制氫工藝

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，微生物細(xì)胞內(nèi)的產(chǎn)氫系統(tǒng)(主要是氫化酶)很不穩(wěn)定，只有進(jìn)行細(xì)胞固定化，才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫。據(jù)此，已經(jīng)對(duì)固定化細(xì)胞產(chǎn)氫進(jìn)行了廣泛的研究。例如，以聚氨酯泡沫為載體，固定產(chǎn)氫腸桿菌E82005進(jìn)行連續(xù)產(chǎn)氫試驗(yàn)，其反應(yīng)器的持續(xù)產(chǎn)氫率和最大產(chǎn)氫率分別達(dá)到2.2mol H₂/mol糖和3.5mol H₂/mol糖，而其游離細(xì)胞產(chǎn)氫的相應(yīng)值為1.5mol H₂/mol糖和2.5mol H₂/mol糖。當(dāng)魚(yú)腥藻Anabaena variabilis ASI用角叉藻膠固定后，進(jìn)行了產(chǎn)氫試驗(yàn)，其最大產(chǎn)氫率達(dá)46ml/(h·g)干重細(xì)胞，并且能持續(xù)15d。同樣，當(dāng)丁酸梭狀芽孢桿菌用聚丙烯酰胺凝膠包埋固定后，其產(chǎn)氫的穩(wěn)定性增加，游離細(xì)胞在pH＜5時(shí)即停止產(chǎn)氫，而固定化細(xì)胞仍然保持產(chǎn)氫活性。此外，細(xì)胞經(jīng)固定化后，其氫化酶系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，對(duì)O₂的耐受性增強(qiáng)，因而在好氧條件下(37℃，溶解氧達(dá)到飽和)仍然保持產(chǎn)氫活性，而且產(chǎn)氫量與厭氧條件幾乎相等。

對(duì)利用有機(jī)物進(jìn)行生物制氫而言，降低原料成本是一個(gè)重要的研究課題。由于葡萄糖的成本高，無(wú)法用于實(shí)際生產(chǎn)。近年來(lái)，開(kāi)始利用工業(yè)廢水代替葡萄糖，這樣，既處理了廢水，又生產(chǎn)了能源。幾種不同廢水的生物制氫結(jié)果比較于表14-1。

表14-1　　不同廢水生物制氫的結(jié)果

從表中可知，酒精工業(yè)廢水的比產(chǎn)氫速率高于葡萄糖溶液，是生物制氫的一種潛在原料。

選擇適宜的生物反應(yīng)器和操作方式對(duì)提高產(chǎn)氫率也至關(guān)重要。一株芽孢桿菌菌株(Bacillus sp)能將CO和水轉(zhuǎn)化成H₂，為提高其產(chǎn)氫率，利用固定化技術(shù)將其細(xì)胞固定，并用不同的生物反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，結(jié)果如表14-2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在固定化細(xì)胞滴濾床反應(yīng)器(trickle bed reactor)中進(jìn)行順流(co-current)操作時(shí)，反應(yīng)可在5.4min內(nèi)完成，CO轉(zhuǎn)化率達(dá)86.0%，產(chǎn)氫率最高，達(dá)3.96m mol/(L·min)。

表14-2　　Bacillus sp.在不同生物反應(yīng)器中的產(chǎn)氫能力

我國(guó)學(xué)者提出了以厭氧活性污泥為制氫生產(chǎn)者，以高濃度廢水為原料的混合發(fā)酵生物制氫技術(shù)。這是一種全新的生物制氫技術(shù)，它突破了生物制氫必須采用純培養(yǎng)和人為固定技術(shù)的局限，開(kāi)拓了利用自固定混合菌種生物制氫的新途徑。該生物制氫技術(shù)已中試成功，這標(biāo)志我國(guó)的生物制氫技術(shù)的研究已躋于世界前列。