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厌氧发酵制氢技术原理及发展前景×××（华南理工大学环境科学与工程学院，广东省，广州市，510006）摘要：氢气作为一种清洁无污染的新型能源越来越受到人们的关注。与传统制氢方法相比，生物制氢技术的能耗低，对环境无害，其中的厌氧发酵生物制氢已经逐渐引起了人们的重视。该文章从厌氧发酵制氢的原理入手，介绍了传统和新型的发酵制氢工艺，分析了厌氧发酵制氢的影响因素，在此基础上，对厌氧发酵制氢的工艺发展进行了展望。可以肯定的是，厌氧发酵制氢工艺是极具潜力的一种新能源技术，虽然在应用方面存在着的诸多缺点，但是一定可以在不久的将来获得广阔的应用空间，其潜力巨大，必将会成为造福人类的一种极其重要的清洁能源。关键词：发酵；制氢；酶；影响因素；前景1 引言能源匮乏、环境污染是未来人类所面临的两大难题。氢气作为能源正日益受到人们的重视，从发展清洁能源的角度来看，氢气是最理想的载能体。氢气不仅作为一种化工原料被广泛应用在冶金、电子、玻璃等行业，更被看成是一种可替代传统化石能源的新能源—氢能。由于氢气的燃烧热值高，唯一燃烧产物为水，对环境无污染，而水又可被进行电解或分解生成氢气，因此氢能可真正被称为清洁、高效、可再生的绿色能源，同时氢气也以其热密度大、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。与其他含能物质相比，氢气还具有一系列突出的优点。氢气的能量密度高，是汽油的2.68倍[1]；用于贮电时，其技术经济性能目前已有可能超过其他各类贮电技术；将氢气转换为动力，其热效率比常规化石燃料高30 %～60 %，如氢气可作为燃料电池的燃料，与燃料电池相结合可提供一种高效、清洁、无传动部件、无噪声的发电技术，效率可高出1倍；氢气适于管道运输，可以和天然气共用输送系统；在各种能源中，氢气的输送成本最低，损失最小，优于输电。小型的低温固体离子交换膜燃料电池可用在汽车和火车机车上；氢气也能直接作为发动机的燃料，日本已开发了几种型号的氢能车[1]。氢能不是一次能源，氢气需要从含氢的化合物中制取。目前全世界大约 96％的氢来自化石燃料，其余为水电解制氢[2]。国际上的氢能制备工艺主要有电解制氢、热解制氢、光化制氢、放射能水解制氢、等离子电化学法制氢、矿石燃料制氢和生物制氢等[1]。不论哪种制氢方法都要直接或间接消耗大量的化石能源，显然不是理想的制氢途径 。自从1939年Gaffron发现绿藻具有产氢功能以来，生物制氢技术逐渐受到植物界、微生物界、能源界以及相关专业研究人员的广泛关注，人们在发酵原料、发酵条件、发酵动力学、产氢机制等方面做了大量研究。近二十年来，随着能源和环境问题日益突出，该领域的研究日趋活跃。生物制氢以其原料来源丰富、价格低廉、低能耗、反应条件温和等特点得到人们的关注，是目前研究最快，并有望进行规模化生产的一种制氢方法。除了生物制氢技术外，其他的制氢技术都要消耗大量的化石能源，而且也要在生产过程中造成环境污染，所以采用生物制氢技术可减少环境污染，节约不可再生能源。生物制氢技术将有可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。生物质是由光合作用产生的有机体总称。氢是组成水和生物有机物质的基本元素 。在有机质发酵降解过程中，在微生物利用太阳能光解水的过程中，氢是重要的中间产物及主产物。因此微生物具有产氢功能是自然界中较为常见的现象[3]。早在19世纪，人们就已经认识到细菌和藻类具有产生分子氢的特性。20 世纪70年代的石油危机使各国政府和科学家意识到急需寻求替代能源，生物制氢第一次被认为具有实用的可能。自此，人们才从获取氢能的角度开展各种生物氢来源和产氢技术的研究。图1 硫-氧化酶的生理功能Fig．1 Physiological function of sulfur-oxygen enzyme各种生物制氢方法有不同的特点[4]。根据所选用的微生物、产氢底物及其产氢机理，生物制氢可以分为蓝细菌和绿藻制氢、光合细菌制氢和厌氧发酵制氢等3种类型，即蓝细菌和绿藻（也称为蓝绿藻）在光照、厌氧条件下分解水产氢气，通常称为光解水产氢或蓝、绿藻产氢；光合细菌在光照、厌氧条件下分解有机物产生氢气，通常称为光解有机物产氢、光发酵产氢或光合细菌产氢；厌氧细菌在黑暗、厌氧条件下分解有机物产生氢气，通常称为厌氧发酵产氢或黑暗（暗）发酵产氢。由上述两种或多种生物制氢方法通过联合作用可以完成生物制氢过程。其中，厌氧发酵制氢采用的是产氢菌厌氧发酵，它的优点是产氢速度快，反应器设计简单，且能够利用可再生资源和废弃有机物进行生产，相对于其他两种方法更容易在短期内实现。本文主要介绍厌氧发酵制氢的相关情况，力图对该领域的研究发展状况进行全面的总结，为后续研究做好铺垫和指导。2 厌氧发酵制氢厌氧发酵制氢的基本原理一直以来是人们研究的热点，因为只有从发酵制氢的原理出发才有可能有新的思路和创造出现。而