对微生物制氢工艺的改良与调控研究

张旖旎（中国石油大学山东青岛266580）

对微生物制氢工艺的改良与调控研究

张旖旎
（中国石油大学山东青岛266580）

氢作为一种清洁高效的可再生能源日益受到人们的重视。本文探析了微生物制氢工艺影响因素，着重从温度、PH值、基质、离子浓度等方面来分析其工艺方法，并就微生物制氢系统代谢调控展开探讨，阐述其应用进展。

微生物制氢；影响因素；代谢调控

引言

氢是一种高效清洁可再生能源，在当前矿物能源日益短缺、环境污染日益突出的今天，对制氢工艺技术的研究，为开发和利用清洁能源提供了契机。与传统理化法制氢方法相比，微生物制氢工艺主要利用废水、废渣来处理和回收能源，具有成本低、潜力大、应用前景广阔等优点。

1 微生物制氢工艺影响因素探析

从微生物制氢工艺条件来看，其影响因素较多，如温度、PH值、培养时间、发酵基质、金属离子浓度等等，现就主要因素进行归纳如下。

1.1 微生物菌种的改良

微生物制氢工艺分为厌氧光合制氢、厌氧发酵制氢两类，基因工程技术的广泛应用，对优势产氢菌种提出更高要求。Akihito Yoshida等人通过对大肠杆菌SR15进行转基因改良，结果发现1mol葡萄糖氢气产量由野生菌的1.08mol提升至1.82mol；Toshinari Maeda等人通过对大肠杆菌进行重组，使其产氢速度提升至4.6倍；Xiaoguang Lin等人利用代谢工程突变技术，对乙酸激酶基因进行删除，提升了丁酸产量，也让制氢产量比野生型梭菌提升了50%；Hongxin Zhao等人利用甲酸盐氢裂解酶基因组，对微生物菌种的染色体进行变异重组，使得突变体比野生型菌种产氢量大幅提升。

1.2 PH值的变化

采用发酵法制氢，如果PH值过高，则会降低产氢率；如果PH值过低，又会影响微生物细胞体内PH值偏离正常生理条件，降低产氢活性。因此，对于发酵法制氢工艺，其PH值往往需要控制在4.5-6.5之间，而对于光合细菌发酵环境，PH值可以高于7。有研究发现，对于微生物发酵环境PH值为5.5最适宜，而Samir Kumar Khanal等人认为PH值为4.5产氢潜力最大；Wen-Hsing Chen等人通过ASBR研究法对PH值的实验表明，PH值为4.9制氢效度最佳。

1.3 温度的变化

温度是发酵法制氢过程中需要考虑的条件之一，温度的变化直接关系到微生物制氢产量、活性和稳定性。通常情况下，微生物发酵制氢工艺可以在多种温度下进行，比如20℃、30℃、35℃、55℃等；任南琪等人通过对多种混合菌的制氢实验表明，温度调控在29℃~35℃之间，产氢量随温度提升而增加。BitaBaghchehsaraee等人利用活性淤泥、厌氧淤泥分别在60℃、80℃、95℃下进行预处理实验，其产氢量增加了15%，均高于未处理菌种。

1.4 基质的变化

对于发酵法制氢工艺中的基质，其理化特性决定了制氢的效率。通常情况下，常用的培养基有葡萄糖、淀粉、蔗糖、纤维素等，对于能源作物主要是食物残渣等固体废弃物、工业废水等。对于纯培养基制氢工艺，因成本高不能用于工业化生产；Ntaikou等人通过利用高粱秸秆中的纤维素来提取自由糖，并实现制氢。

1.5 金属离子浓度变化

在微生物制氢工艺中不同金属离子浓度也会影响制氢率。比如Fe、Mg、Ni等对制氢具有促进作用。在微生物菌种中，铁元素存在范围最广，而镁也是多种酶的辅助成分；镍也是一些酶的重要成分，但如果镍浓度偏高，反而具有毒性，不利于制氢。Heguang Zhua等人通过对亚铁离子的分析，得出对光合发酵产氢具有促进作用。

2 微生物制氢工艺的代谢调控

微生物制氢工艺需要在高效产氢菌种及相应配套的反应器中来完成，我们通过分子生物学理论，来阐述不同微生物菌种群落结构，以及产氢系统的调控方法。Jamila Obeid等人通过构建光合细菌产氢动力模型，得出微生物量及构成、底物利用率与产氢量有关，进而得出利用改变不同参数来获得最佳制氢量；JianlongWang等人通过对微生物制氢过程进行分析，得出发酵产氢最优设计方案；Xu Li等人通过改变光照强度、培养方式进行分析，发现光强控制在7000-8000流明、摇瓶方式比光强4000-5000流明，静置模式的产氢率分别提升了59%和56%；Shiue-Lin Lia等人利用厌氧发酵法，通过间歇-连续搅拌器对厨房废弃物进行制氢性能研究，发现第三周期比第二周期产氢率提升27mmol/L/d，而在第四周期达到最大值118mmol/L/d；ZhenPeng Zhang等人利用PH值、温度调控方式，分别对微生物膜污泥、粒状污泥进行制氢实验，结果发现，当Ph值为5.5，温度为37℃时，两种制氢反应器制氢量在0.4-1.7 mol/mol葡萄糖之间，而在相同的液压保留时间、葡萄糖浓度下，生物膜反应器产氢率为7.6，颗粒反应器的产氢率为6.6；Jianzheng Li等人利用厌氧隔板反应器实现了制氢稳定性控制；Dong-Hoon Kim等人通过改变持续发酵模式，改变批培养为连续培养，对第一阶段产氢量持续在12h，丙酸盐产量有所下降，第二阶段持续产氢10d，早期产氢波动主要是由微生物自解机制形成的。

总之，从开发与利用清洁能源视角来看，微生物制氢具有广阔的发展前景，也是制氢工业发展的主要方向。参考文献

[1]康铸慧,王磊,郑广宏,周琪.微生物产氢研究的进展[J];工业微生物;2005年02期

[2]蒋志城.生物发酵制氢技术的研究及进展[J];浙江化工;2008年02期