生物制氫可以分為光解水制氫、厭氧細(xì)菌制氫、光合細(xì)菌制氫

根據(jù)所用的微生物、產(chǎn)氫原料及產(chǎn)氫機(jī)理不同,生物制氫可以分為光解水制氫、厭氧細(xì)菌制氫、光合細(xì)菌制氫等3種類型，其特點(diǎn)如表1所示。

　　綠 藻 以水為原料，太陽能轉(zhuǎn)化率較高 產(chǎn)氫過程需要光照，光強(qiáng)度的影響較大，系統(tǒng)產(chǎn)氫不穩(wěn)定，同時產(chǎn)生的氧對反應(yīng)有抑制作用。

　　藍(lán)細(xì)菌 以水為原料， 產(chǎn)氫主要由固氮酶完成，可以將大氣中的N2固定 產(chǎn)氫過程需要光照， 產(chǎn)氫速率低，產(chǎn)生的氧對固氮酶有抑制作用

　　厭氧

　　細(xì)菌 不需要光照，可連續(xù)產(chǎn)氫，可利用多種有機(jī)質(zhì)做底物，產(chǎn)氫過程為厭氧過程，無氧氣限制問題，系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)放大試驗(yàn) 反應(yīng)需控制pH值在酸性范圍內(nèi)，原料利用率低，產(chǎn)物的抑制作用明顯

　　光合

　　細(xì)菌 產(chǎn)氫效率高，可利用多種有機(jī)廢棄物作原料，可利用光譜范圍較寬，不存在氧的抑制作用 產(chǎn)氫過程需要光照，不易進(jìn)行放大試驗(yàn)

　　（1）光解水制氫是光合生物體在厭氧條件下，通過光合作用分解水，生成有機(jī)物，同時釋放出氫氣。其作用機(jī)理和綠色植物光合作用機(jī)理相似，在某些藻類和真核生物（藍(lán)細(xì)菌）體內(nèi)擁有PSⅠ、PSⅡ等兩個光合中心，PSⅠ產(chǎn)生還原劑用來固定CO2，PSⅡ接收太陽光能分解水產(chǎn)生H+、 電子 和O2； PSⅡ產(chǎn)生的電子，由鐵氧化還原蛋白攜帶，經(jīng)由PSⅡ和PSⅠ到達(dá)氫酶，H+在氫酶的催化作用下形成H2。其中，利用藻類光解水產(chǎn)氫的系統(tǒng)稱為直接生物光解制氫系統(tǒng)，利用藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行產(chǎn)氫的系統(tǒng)稱為間接光解水產(chǎn)氫系統(tǒng)。藻類的產(chǎn)氫反應(yīng)受氫酶催化，可以利用水作為電子和質(zhì)子的原始供體，這是藻類產(chǎn)氫的主要優(yōu)勢。藍(lán)細(xì)菌同時具有固氮酶和氫酶，其產(chǎn)氫過程主要受固氮酶作用，氫酶主要在吸氫方向上起作用。藍(lán)細(xì)菌也能利用水作為zui終電子供體，其產(chǎn)氫所需的電子和質(zhì)子也來自于水的裂解[10]。

　?。?）厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫是利用厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌在黑暗、厭氧條件下將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為氫氣。目前認(rèn)為厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫過程可通過丙酮酸產(chǎn)氫途徑、甲酸分解產(chǎn)氫途徑、通過NADH/NAD+平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫途徑等三條途徑實(shí)現(xiàn)，丙酮酸產(chǎn)氫途徑和甲酸分解產(chǎn)氫途徑有時也稱為氫的直接產(chǎn)生途徑[11]，即葡萄糖首先通過EMP途徑發(fā)酵形成丙酮酸、ATP和NADPH；丙酮酸通過丙酮酸鐵氧化還原蛋白氧化還原酶被氧化成乙酰輔酶A、CO2和還原性鐵氧還原蛋白，或者通過丙酮酸甲酸裂解酶而分解成乙酰輔酶A和甲酸，生成的甲酸再次被氧化成CO2，并使鐵氧化還原蛋白還原；zui后，還原性鐵氧化還蛋白還原氫酶，所形成的還原性氫酶當(dāng)質(zhì)子存在時便使質(zhì)子還原生成氫氣。

　　（3）光合細(xì)菌制氫是利用光合細(xì)菌在厭氧條件下通過光照將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為氫氣。光合細(xì)菌是一類原始的古細(xì)菌，在光照條件下可以將有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為分子氫。自1949年美國生物學(xué)家Gest證明光合細(xì)菌（Rhodospirillum? rubrum）在光照條件下的產(chǎn)氫現(xiàn)象后，大量的 研究 表明，光合細(xì)菌產(chǎn)氫是與光合磷酸化偶聯(lián)的固氮酶的放氫作用下產(chǎn)生的。光合細(xì)菌只含有一個光合中心，且電子供體是有機(jī)物或還原態(tài)硫化物，所以光合磷酸化過程不放氧，且只產(chǎn)生ATP而不產(chǎn)生NAD（P）H。與綠藻和藍(lán)細(xì)菌相比，這種只產(chǎn)氫不放氧的特性，可大大簡化生產(chǎn)工藝，不存在產(chǎn)物氧氣和氫氣分離問題，也不會造成固氮酶的失活[11]。

　　2 生物制氫技術(shù)現(xiàn)狀及其障礙

　　氫能已成為兩次能源危機(jī)后各國政府能源政策的支持重點(diǎn)，而生物制氫技術(shù)被*為未來替代能源中zui有 應(yīng)用 前景的主要技術(shù)，成為目前世界能源 科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，促進(jìn)了生物制氫技術(shù)的諸多進(jìn)展。

　　作為生物制氫技術(shù)中研究zui早的制氫途徑，藻類（藍(lán)細(xì)菌）能直接利用水和太陽光進(jìn)行產(chǎn)氫，被認(rèn)為有前途的制氫途徑，也是目前生物制氫中研究zui多的技術(shù)。目前，美國、日本、歐盟、中國等在藻類分子生物學(xué)、耐氧藻類開發(fā)、促進(jìn)劑等技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，并開發(fā)了各式生物反應(yīng)器，完成了藻類制氫從實(shí)驗(yàn)室逐步走向?qū)嵱玫霓D(zhuǎn)化[13～16]。但在藻類的產(chǎn)氫過程中同時伴隨著氧的產(chǎn)生，反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣除了能與生成的氫氣反應(yīng)外，還是氫酶活性的抑制劑，從而影響系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率；同時當(dāng)光強(qiáng)較大時，其主要進(jìn)行CO2的吸收并合成所需的有機(jī)物質(zhì)。因此，藻類產(chǎn)氫不穩(wěn)定且易被其副產(chǎn)品氧氣所抑制[17],[18]。與藻類相似，藍(lán)細(xì)菌在產(chǎn)氫的同時也會產(chǎn)生氧氣，而氧是固氮酶的抑制劑。通過基因工程改變藻類的基因提高藻類的耐氧能力是目前的主要研究 內(nèi)容 ，并已取得了一些進(jìn)展[19]。

　　厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫由于不依賴光照，在黑暗條件下就可進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫反應(yīng)器的工程放大試驗(yàn)，加之厭氧細(xì)菌能利用多種有機(jī)物質(zhì)作為制氫反應(yīng)原料，可使多種工農(nóng)業(yè)有機(jī)污水得到潔凈化處理，有效地治理了環(huán)境污染，同時還產(chǎn)生潔凈的氫氣，使工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物實(shí)現(xiàn)了資源化利用，也被認(rèn)為是較為理想的產(chǎn)氫途徑，引起了國內(nèi)外氫能 科技 工作者的青睞，尤其是中國在厭氧產(chǎn)氫細(xì)菌選育、產(chǎn)氫機(jī)理和工程技術(shù)等方面取得了令人矚目的研究進(jìn)展。但在研究中發(fā)現(xiàn)，該途徑存在厭氧細(xì)菌在發(fā)酵制氫過程中的產(chǎn)氫量和原料利用率均比較低等問題。其主要原因是：從厭氧產(chǎn)氫菌細(xì)胞生存的角度看，丙酮酸酵解主要用以合成細(xì)胞自身物質(zhì)，而不是用于形成氫氣，這是 自然 進(jìn)化的結(jié)果；其次，反應(yīng)過程中所產(chǎn)生氫氣的一部分在氫酶的催化下被重新分解利用，降低了氫的產(chǎn)出率。同時在厭氧細(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)氫過程中pH 值必須在酸性范圍以抑制產(chǎn)甲烷菌等氫營養(yǎng)菌的生長，但當(dāng)pH＜4時，產(chǎn)氫菌的生長及產(chǎn)氫過程都受到明顯的抑制。對厭氧細(xì)菌連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氫工藝系統(tǒng)而言，產(chǎn)氫代謝途徑對氫分壓敏感且易受末端產(chǎn)物抑制，當(dāng)氫分壓升高時，產(chǎn)氫量減少，代謝途徑向還原態(tài)產(chǎn)物的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。CO2 的濃度也會影響厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量，同時在連續(xù)的厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫過程中，產(chǎn)氫細(xì)菌不能利用乙酸、丙酸、丁酸等小分子有機(jī)酸，造成有機(jī)酸的積累而對產(chǎn)氫細(xì)菌形成抑制作用。雖然乙酸對產(chǎn)氫細(xì)菌沒有毒害作用，但大量乙酸積累會限制能源轉(zhuǎn)化率的提高，制約了厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫工程技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展[18]。

　　光合細(xì)菌作為一類古細(xì)菌產(chǎn)氫現(xiàn)象廣泛存在于自然界，可以使用自然界中各種有機(jī)物質(zhì)作為生長底物，曾被廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢水的降解處理。產(chǎn)氫現(xiàn)象作為光合細(xì)菌的一種*生理特征，近幾年才被能源科學(xué)界所關(guān)注， 并逐漸成為能源科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。但光合細(xì)菌在產(chǎn)氫過程中對光照的高度依賴性限制了光合細(xì)菌制氫技術(shù)的發(fā)展。一般根據(jù)光合細(xì)菌產(chǎn)氫穩(wěn)定性對光照強(qiáng)度和光照連續(xù)性的要求，常常光合細(xì)菌制氫工藝中采用消耗電能或其它化石能源的人工光源技術(shù)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)均不合理，市場應(yīng)用前景黯淡，同時還由于光合細(xì)菌在生長過程中色素的分泌以及反應(yīng)溶液本身的色濁度影響了光在反應(yīng)溶液的均勻分布，降低了光能的利用效率，增加了光合細(xì)菌制氫工藝的能耗和制氫成本。

　　3生物制氫技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?/p>

　　產(chǎn)氫細(xì)菌（藻）的產(chǎn)氫能力是生物制氫技術(shù)向?qū)嶋H工程技術(shù)轉(zhuǎn)化的重要評價指標(biāo)常見有機(jī)物生物制氫工藝的方程及其反應(yīng)的吉布斯自由能變化（△G）表示為[17,20]：

　　厭氧細(xì)菌產(chǎn)氫工藝：

　　葡萄糖? C6H12O6+2H2O→2CH3COOH+2CO2+4H2? △G=-184 kJ

　　C6H12O6→CH3（CH2）2COOH+2CO2+2H2??? △G= -257 kJ

　　光合細(xì)菌產(chǎn)氫工藝：

　　葡萄糖 C6H12O6+2H2O→6CO2+8H2 ??? △G = -34 kJ

　　乙酸 CH3COOH+2H2O→2CO2+4H2??? △G = 75 kJ

　　光解水產(chǎn)氫工藝：

　　4H2O＋光能→2O2＋4H2??? △G = 1498 kJ

　　雖然從產(chǎn)氫反應(yīng)的吉布斯自由能變化 規(guī)律 上 可以看到厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫十分有利，它們能從產(chǎn)氫反應(yīng)中獲得比光合細(xì)菌產(chǎn)氫更多的自由能，然而厭氧細(xì)菌分解有機(jī)物的速率緩慢及不*，顯著降低了產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量，1mol葡萄糖 理論 上只能產(chǎn)生2～4mol的氫氣。

在產(chǎn)氫反應(yīng)的吉布斯自由能變化 規(guī)律 上，光解水藻類產(chǎn)氫大致與厭氧細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫相似，能從產(chǎn)氫反應(yīng)中獲得比光合細(xì)菌產(chǎn)氫更多的自由能。但由于藻類的光解水產(chǎn)氫在原理上受氫酶中介以及氧的抑制效應(yīng)，其產(chǎn)氫體系很不穩(wěn)定，不利于有效提高光解水工藝的產(chǎn)氫速率和產(chǎn)氫量。

　　在光合細(xì)菌產(chǎn)氫反應(yīng)中，從產(chǎn)氫反應(yīng)的吉布斯自由能變化規(guī)律上可以看到，雖然只能獲得少量的自由能，甚至要付出大量自由能，但光合細(xì)菌可以通過光合磷酸化獲得足夠的ATP使反應(yīng)能有效地進(jìn)行， 理論 上光合細(xì)菌可以將1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為12mol的氫氣[21]。顯而易見， 發(fā)展 光合細(xì)菌制氫技術(shù)的關(guān)鍵是光照技術(shù) 問題 ，而合適的光源選擇和降低光照能耗成為解決光合細(xì)菌制氫工藝中的兩大關(guān)鍵技術(shù)，利用太陽能作為光源的光合細(xì)菌制氫技術(shù)因能從根本上解決光照能耗和制氫成本等問題引起了能源界的特別關(guān)注，具有較強(qiáng)的技術(shù)可行性和潛在的發(fā)展前景。

　　4光合生物制氫技術(shù) 研究 進(jìn)展

　　國內(nèi)外近幾年已開始從提高光合細(xì)菌的光轉(zhuǎn)化效率方面著手對光合生物制氫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 其中以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)*可再生能源重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室的研究進(jìn)展代表性。在國家 自然 科學(xué) 基金、國家863計(jì)劃、 教育 部博士點(diǎn)基金和合作等項(xiàng)目資助下， 對利用糞便污水作為原料的光合產(chǎn)氫菌群的篩選與培養(yǎng)、產(chǎn)氫工藝條件、固定化 方法 、太陽自動跟蹤采光及光導(dǎo)纖維導(dǎo)光系統(tǒng)、太陽能光合產(chǎn)氫細(xì)菌光譜耦合特性等關(guān)鍵理論與技術(shù)問題進(jìn)行了較系統(tǒng)的深入研究，并取得了一些重要進(jìn)展[22～27]。

　?。?）在選育以畜禽糞便為原料的光合產(chǎn)氫菌種方面取得了重要進(jìn)展。從具有代表性的6個地點(diǎn)獲得24個典型樣品，按照各類光合細(xì)菌的生長條件和營養(yǎng)需求，從培養(yǎng)基組成、pH值、光照時間和周期、培養(yǎng)溫度、厭氧狀態(tài)幾個方面設(shè)計(jì)出相應(yīng)的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件 ，對光合細(xì)菌進(jìn)行了廣泛地富集和分離，獲得33株光合細(xì)菌，并按照豬糞的成分特點(diǎn)，對其進(jìn)行了豬糞、相關(guān)小分子有機(jī)酸和產(chǎn)氫能力研究，篩選出7株具有*的原料轉(zhuǎn)化效率的光合產(chǎn)氫菌株。

　　（2）研制成功帶有自動跟蹤太陽且可調(diào)濾光的太陽能聚焦采集系統(tǒng)，并開展了該系統(tǒng)的光傳輸與光譜耦合性能優(yōu)化研究。為了提高太陽能利用率，已研制出菲涅耳透鏡聚光型的太陽能光導(dǎo)采光系統(tǒng)，采用菲涅耳透鏡聚光方式把太陽光聚集在焦點(diǎn)上，并把光導(dǎo)纖維置于焦點(diǎn)上，經(jīng)由可調(diào)濾光器可選擇性濾波后，通過光導(dǎo)纖維輸入光合生物反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)太陽光的傳輸。同時，分別對篩選出的7株光合細(xì)菌進(jìn)行了太陽光吸收光譜實(shí)驗(yàn)研究，提出不同太陽光波段下的生長特性和以豬糞污水為底物的產(chǎn)氫特性的相關(guān)關(guān)系，探索了太陽能光合生物制氫過程的光傳輸與光譜耦合性能以及進(jìn)一步提高太陽能光合生物制氫效率的途徑。

　?。?）研制成功具有較高表面積和體積比的新型環(huán)流罐式光合生物制氫反應(yīng)器，并系統(tǒng)地研究了光在反應(yīng)器中傳輸過程的衰減特性。依據(jù)光合產(chǎn)氫細(xì)菌的生長和代謝特性，研制的環(huán)流罐式光合生物制氫反應(yīng)器具有能夠利用較高的光照表面積與體積比而減弱光合細(xì)菌細(xì)胞和畜禽糞便污水的相互遮光效應(yīng)、通過控制反應(yīng)液的循環(huán)流量使細(xì)菌周圍產(chǎn)生“閃爍效應(yīng)”、有效改善光的傳播途徑和質(zhì)量等特性，并能對光合制氫反應(yīng)條件進(jìn)行自動控制，使光合細(xì)菌處于*的生長條件和代謝條件下，通過溫度、光照度、pH值、底物濃度、不同接種量、溶氧水平等等的優(yōu)化控制，使光轉(zhuǎn)化效率和氫氣產(chǎn)率都能達(dá)到*。

　　（4）較系統(tǒng)地研究了太陽能光合生物制氫過程的熱動力學(xué)特性，揭示生物制氫過程的熱動力學(xué)特性對光合細(xì)菌產(chǎn)氫酶活性和產(chǎn)氫速率的 影響 規(guī)律，用熱動力學(xué)的方法對光合產(chǎn)氫菌生長代謝過程中產(chǎn)熱規(guī)律進(jìn)行 分析 ，獲得太陽能光合產(chǎn)氫菌生長代謝的熱動力學(xué)信息，研究光合生物制氫體系的溫度場分布，建立表征太陽能光合生物制氫過程熱動力學(xué)特征的模型，優(yōu)化光合產(chǎn)氫菌的*生長代謝溫度和能流工藝條件，為進(jìn)一步開展光合生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和規(guī)?；a(chǎn)運(yùn)行試驗(yàn)研究提供了科學(xué) 參考 和理論依據(jù)。