張旖旎（中國石油大學(xué)山東青島266580）

對微生物制氫工藝的改良與調(diào)控研究

張旖旎
（中國石油大學(xué)山東青島266580）

氫作為一種清潔高效的可再生能源日益受到人們的重視。本文探析了微生物制氫工藝影響因素，著重從溫度、PH值、基質(zhì)、離子濃度等方面來分析其工藝方法，并就微生物制氫系統(tǒng)代謝調(diào)控展開探討，闡述其應(yīng)用進展。

微生物制氫；影響因素；代謝調(diào)控

引言

氫是一種高效清潔可再生能源，在當前礦物能源日益短缺、環(huán)境污染日益突出的今天，對制氫工藝技術(shù)的研究，為開發(fā)和利用清潔能源提供了契機。與傳統(tǒng)理化法制氫方法相比，微生物制氫工藝主要利用廢水、廢渣來處理和回收能源，具有成本低、潛力大、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)點。

1 微生物制氫工藝影響因素探析

從微生物制氫工藝條件來看，其影響因素較多，如溫度、PH值、培養(yǎng)時間、發(fā)酵基質(zhì)、金屬離子濃度等等，現(xiàn)就主要因素進行歸納如下。

1.1 微生物菌種的改良

微生物制氫工藝分為厭氧光合制氫、厭氧發(fā)酵制氫兩類，基因工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對優(yōu)勢產(chǎn)氫菌種提出更高要求。Akihito Yoshida等人通過對大腸桿菌SR15進行轉(zhuǎn)基因改良，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1mol葡萄糖氫氣產(chǎn)量由野生菌的1.08mol提升至1.82mol；Toshinari Maeda等人通過對大腸桿菌進行重組，使其產(chǎn)氫速度提升至4.6倍；Xiaoguang Lin等人利用代謝工程突變技術(shù)，對乙酸激酶基因進行刪除，提升了丁酸產(chǎn)量，也讓制氫產(chǎn)量比野生型梭菌提升了50%；Hongxin Zhao等人利用甲酸鹽氫裂解酶基因組，對微生物菌種的染色體進行變異重組，使得突變體比野生型菌種產(chǎn)氫量大幅提升。

1.2 PH值的變化

采用發(fā)酵法制氫，如果PH值過高，則會降低產(chǎn)氫率；如果PH值過低，又會影響微生物細胞體內(nèi)PH值偏離正常生理條件，降低產(chǎn)氫活性。因此，對于發(fā)酵法制氫工藝，其PH值往往需要控制在4.5-6.5之間，而對于光合細菌發(fā)酵環(huán)境，PH值可以高于7。有研究發(fā)現(xiàn)，對于微生物發(fā)酵環(huán)境PH值為5.5最適宜，而Samir Kumar Khanal等人認為PH值為4.5產(chǎn)氫潛力最大；Wen-Hsing Chen等人通過ASBR研究法對PH值的實驗表明，PH值為4.9制氫效度最佳。

1.3 溫度的變化

溫度是發(fā)酵法制氫過程中需要考慮的條件之一，溫度的變化直接關(guān)系到微生物制氫產(chǎn)量、活性和穩(wěn)定性。通常情況下，微生物發(fā)酵制氫工藝可以在多種溫度下進行，比如20℃、30℃、35℃、55℃等；任南琪等人通過對多種混合菌的制氫實驗表明，溫度調(diào)控在29℃~35℃之間，產(chǎn)氫量隨溫度提升而增加。BitaBaghchehsaraee等人利用活性淤泥、厭氧淤泥分別在60℃、80℃、95℃下進行預(yù)處理實驗，其產(chǎn)氫量增加了15%，均高于未處理菌種。

1.4 基質(zhì)的變化

對于發(fā)酵法制氫工藝中的基質(zhì)，其理化特性決定了制氫的效率。通常情況下，常用的培養(yǎng)基有葡萄糖、淀粉、蔗糖、纖維素等，對于能源作物主要是食物殘渣等固體廢棄物、工業(yè)廢水等。對于純培養(yǎng)基制氫工藝，因成本高不能用于工業(yè)化生產(chǎn)；Ntaikou等人通過利用高粱秸稈中的纖維素來提取自由糖，并實現(xiàn)制氫。

1.5 金屬離子濃度變化

在微生物制氫工藝中不同金屬離子濃度也會影響制氫率。比如Fe、Mg、Ni等對制氫具有促進作用。在微生物菌種中，鐵元素存在范圍最廣，而鎂也是多種酶的輔助成分；鎳也是一些酶的重要成分，但如果鎳濃度偏高，反而具有毒性，不利于制氫。Heguang Zhua等人通過對亞鐵離子的分析，得出對光合發(fā)酵產(chǎn)氫具有促進作用。

2 微生物制氫工藝的代謝調(diào)控

微生物制氫工藝需要在高效產(chǎn)氫菌種及相應(yīng)配套的反應(yīng)器中來完成，我們通過分子生物學(xué)理論，來闡述不同微生物菌種群落結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)氫系統(tǒng)的調(diào)控方法。Jamila Obeid等人通過構(gòu)建光合細菌產(chǎn)氫動力模型，得出微生物量及構(gòu)成、底物利用率與產(chǎn)氫量有關(guān)，進而得出利用改變不同參數(shù)來獲得最佳制氫量；JianlongWang等人通過對微生物制氫過程進行分析，得出發(fā)酵產(chǎn)氫最優(yōu)設(shè)計方案；Xu Li等人通過改變光照強度、培養(yǎng)方式進行分析，發(fā)現(xiàn)光強控制在7000-8000流明、搖瓶方式比光強4000-5000流明，靜置模式的產(chǎn)氫率分別提升了59%和56%；Shiue-Lin Lia等人利用厭氧發(fā)酵法，通過間歇-連續(xù)攪拌器對廚房廢棄物進行制氫性能研究，發(fā)現(xiàn)第三周期比第二周期產(chǎn)氫率提升27mmol/L/d，而在第四周期達到最大值118mmol/L/d；ZhenPeng Zhang等人利用PH值、溫度調(diào)控方式，分別對微生物膜污泥、粒狀污泥進行制氫實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當Ph值為5.5，溫度為37℃時，兩種制氫反應(yīng)器制氫量在0.4-1.7 mol/mol葡萄糖之間，而在相同的液壓保留時間、葡萄糖濃度下，生物膜反應(yīng)器產(chǎn)氫率為7.6，顆粒反應(yīng)器的產(chǎn)氫率為6.6；Jianzheng Li等人利用厭氧隔板反應(yīng)器實現(xiàn)了制氫穩(wěn)定性控制；Dong-Hoon Kim等人通過改變持續(xù)發(fā)酵模式，改變批培養(yǎng)為連續(xù)培養(yǎng)，對第一階段產(chǎn)氫量持續(xù)在12h，丙酸鹽產(chǎn)量有所下降，第二階段持續(xù)產(chǎn)氫10d，早期產(chǎn)氫波動主要是由微生物自解機制形成的。

總之，從開發(fā)與利用清潔能源視角來看，微生物制氫具有廣闊的發(fā)展前景，也是制氫工業(yè)發(fā)展的主要方向。參考文獻

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