第十章 生物质制氢ppt课件.ppt

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1、基本理论主要的生物制氢技术及其发展现状生物制氢存在的问题及展望第十章生物质制氢第一节基本理论一、氢能的特点作为能源，氢有以下特点：（1）所有元素中，氢重量最轻。（2）氢是极好的传热载体。（3）存储量大。（4）氢的发热值高。（5）氢燃烧性能好。（6）氢本身无毒。（7）氢循环使用性好。（8）氢能利用形式多。（9）氢能适应储运及各种应用环境的不同要求。（10）氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具的有效荷载。（11）氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。二、生物制氢发展历程生物制氢的现象在100多年前已被发现。生物制氢的想法最先由Lewis于1966

2、年最早提出。20世纪70年代以来，随着人们对能源危机的认识和环境保护意识的增强，生物制氢技术逐渐受到人们的重视。三、产氢微生物及产氢机理（一）产氢微生物的生物学特性产氢微生物，按照产氢机制可以分为：光合产氢微生物发酵产氢微生物：真核藻类、蓝细菌、光合细菌和厌氧发酵细菌。1、光合产氢微生物光合产氢微生物可以利用光能产生氢气，包括一些藻类和光合细菌。2、发酵产氢微生物发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气，主要是兼性厌氧和转型厌氧的产氢发酵细菌。（二）产氢途径1、光合产氢途径光合细菌含有光合色素-细菌叶绿素，可以在厌氧、光照条件下生长，另

3、外光合细菌也能在厌氧、按条件下利用发酵产生的有机酸和光能，通过TCA循环克服正向自由能反应生成氢气。通常以H2S为电子供体，通过光合色素系统和电子传递系统，将电子传递给氢酶，催化氢气的产生。2、发酵产氢途径发酵产氢过程实际上时生物氧化的一种方式，由一系列的酶、辅酶和电子传递中间体共同参与完成。微生物发酵产氢的途径有两种：丙酮酸脱羧产氢，在丙酮酸脱羧形成乙酰的过程中，脱下的氢经铁氧还原蛋白的传递作用形成氢分子；辅酶I的氧化与还原平衡调节产氢。（1）丙酮酸脱羧产氢第一种是丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧，形成TPP-E的复合物，将电子转移给还原

4、态的铁氧还蛋白，然后在氢酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁氧还蛋白，产生分子氢；第二种是通过甲酸裂解的途径产氢，丙酮酸脱羧后形成的甲酸以及厌氧环境中CO2和H+生成的甲酸，通过铁氧还蛋白和氢酶作用分解为CO2和H2。（2）辅酶I的氧化与还原平衡调节产氢在碳水化合物发酵过程中，经EMP途径产生的还原型辅酶I通过与丙酸、丁酸、乙酸和乳酸等发酵过程相耦联经氧化为氧化型辅酶I。虽然在标准状况下NADH+H+转化为H2的过程不能自发进行，但在NADH铁氧还蛋白和铁氧还蛋白酶和铁氧还蛋白氢酶作用下，该反应能进行。可溶性碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、乳糖和淀粉等

5、）的发酵以丁酸型发酵为主。含氮有机化合物的酸性发酵，难降解碳水化物得厌氧发酵表现为丙酸型发酵途径。（三）其他产氢机理-产氢产乙酸细菌的产氢作用产氢产乙酸细菌将产酸发酵第一阶段产酸的乙酸、丁酸、戊酸、乳酸和乙醇等进一步转化为乙酸，同时释放分子氢。第二节主要的生物制氢技术及其发展现状根据转化利用方法的不同，可将生物制氢分为：生物（微生物）制氢热化学转化制氢一、生物（微生物）制氢（一）光合制氢技术1、原料特点光合微生物制氢是指利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能。光合细菌的优点：容易培养并且可以利用多种有机废弃物为产氢原料，具有较高的理论转化率；可利

6、用的太阳光谱范围较宽，比蓝细菌和绿藻的吸收光谱范围更广泛，具有较高的光合转化潜力产氢需要克服的自由能较小，乙酸光合细菌产氢的自由能只有+8.5KJ/mol；终产物中氢气组成达95%以上；产氢过程中不产生氧气，是一种最具发展潜力的生物制氢的方法。2、工艺技术目前对于光合制氢工艺技术的研究包括：（1）产氢菌种的培养（2）固定化技术的应用（3）光合生物反应器的研发（4）光转化效率的提高高速搅拌分散光合生物反应器表面的光培育叶绿素含量少的菌种，从而较少光子的过多吸收和浪费。（二）发酵制氢技术2、原料特点适合于生物发酵产氢的基质应具备：碳水化合物的含量高

7、；资源丰富且廉价；具有较高的能量转化效率等。目前生物发酵产氢的研究中所利用的基质主要包括：含有单糖、二糖、多糖等的有机废水固体废弃物。2、工艺技术（1）木质纤维素类生物制氢技术①预处理环节木质纤维素结构复杂，需要对原料进行预处理，以去除部分或全部木质素，溶解半纤维素，或破坏纤维素的晶体结构，从而减少聚合度，增加孔隙度和表面积等，以促进酶与底物相互接触并反应，提高酶解速率和糖得率。理想的预处理方法应满足：有利于酶水解过程的糖化；避免碳水化合物的降解或损失；避免生成对后续水解或发酵有害的副产品；经济可行。预处理方法包括：物理法：机械粉碎物理化学方法

8、：蒸汽爆破法、CO2爆破法、氨纤维爆破法。化学法：常采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等进行预处理。生物法：利用分解木质素的微生物降解木质素。②水解液发酵产氢