|
5 m' l- A- u& g E1 {: b8 J 
2 D( t6 o U7 t
+ d2 o+ y ?! Q W4 h: d
海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！
! @" a1 n! m" d. Y- q 
: u7 U1 Z r k" C
Pierre-Pol Liebgott
3 @$ ~, d7 z+ ]! ]! d& t/ \ 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 2 o8 T+ Y: M* n! ?" v3 ~& K5 o
# m9 `3 _/ Z& m. E: |
Hana Gannoun 9 x$ \ J% _: {" R0 [
突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
2 w: C& c. I" m& A9 R 主攻环境过程与生物能源 - H! m* o" E' a- D. Q$ {/ Z
( C/ B: R1 l Q) C
氢能是一种可再生的未来清洁能源。近年来,氢气作为环境友好型的清洁能源受到了广泛关注。在众多的制氢方式中，生物制氢被认为是21世纪氢能规模制备最有前景的途径之一。其中，暗发酵制氢因其可以有效利用生物质原料,减少废弃物对环境的污染而成为可再生能源领域的研究热点。BIOTEC H2 多国协作实验室正在研发利用海洋细菌进行暗发酵制氢的新型技术。为什么选择海洋细菌进行发酵制氢？海洋细菌发酵有哪些优势？ 9 p- G! z& I- o M# F O1 }
' ?$ @' n$ r! Y4 [: w: g/ ^
虽然欧洲立志于2050年实现全面低碳化，但世界上99.3%的氢能是以化石燃料为原料生产的。
6 g6 s9 f0 g$ [4 h& O 法国与突尼斯的学者们联合开发了一种新型工艺：高温暗发酵制低碳生物氢。
, [: @# D7 m6 g5 j 该工艺将果蔬残渣与海洋细菌在高温、无光环境中混合发酵，制备氢气，同时让有机废物得到循环利用。
8 \8 q! M' a' Q& a2 { 未来，该工艺仍需提高产量，并探索发酵残余浆的循环处理方式，才能得到更广泛的应用。
# M5 A, T! q0 M5 ^* U- D% D 目前，法国政府优先考虑将氢能作为交通脱碳转型的主要新型能源。但世界至今99.3%的氢能是以化石燃料为原料生产的。只有水解制氢才能获得低碳氢气。不过，2022年在突尼斯哈马马特市启动的BIOTEC H2 多国协作实验室正在研发高温暗发酵制低碳生物氢的新型技术。
/ Y9 G' ?! a8 B 01
5 }( D/ X' O& ?% n; N7 Z! F 暗发酵制氢是怎样的过程？
' U, m2 c; w l6 ]! m Hana Gannoun：我们的工艺基本原理是果蔬残余物乙酸发酵。先将残余物与一种特殊的海洋细菌Thermotoga maritima [1] 混合，然后浸泡在海水里，放入无光无氧的反应器中，加热至80℃，期间我们会控制pH值和搅拌速度，给细菌最理想的生长环境。细菌消化生物残余物，就能生成氢气、二氧化碳和乙酸。
1 f( g7 E2 F' _6 J" Y- y, u: D Pierre-Pol Liebgott：这一过程早在二十年前就已被发现，制造生物氢气没有任何的技术障碍。我们从突尼斯的菜市场收集果蔬残余，放在2L的发酵反应器里，成功地验证了该过程的可行性。 7 z# A3 U, g) s9 x$ y. c
02 ( c2 k% r4 h$ Z$ J
为什么一定要使用海洋细菌呢？
; e/ {% [& S& h HG：使用海洋细菌，反应器就可以用海水作为溶剂，不需要耗费额外的淡水资源。 # P! Z; e" A4 R
PPL：在众多的微生物中，我们选择了Thermotoga maritima这种十分特殊的海洋微生物，是因为它是一种聚嗜极生物，能忍耐极热、盐浓度极高的环境。在自然中，这种微生物在海底热泉附近生长得最旺盛。为什么要耐盐耐高温这些特质呢？当反应器中糖类浓度较高时，容易滋生杂菌，破坏发酵反应，只有加热到80℃才能避免，保证只有Thermotoga maritima在进行厌氧发酵。 " K8 b C& o8 s, l
高温发酵的另一个优势是节能。发酵反应是放热反应。如果细菌只能在20℃存活，则必须给反应器冷却降温，但制冷的能耗高于制热。现在我们可以用太阳能热水器给反应器加热。
6 Y5 E& {3 O% m: ]0 t" J( h! W: y" G 03 5 U0 M4 _+ Z4 Q1 X
高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ : P$ F8 t3 p; M" ^, g
PPL：我们的工艺属于生物法制氢，成本低廉耗能低。在微生物电解池里，生产1mol的氢气只要0.2mol能量，而电解制氢要1.7mol的能量。更重要的是，生物法制氢能将社会产生的大量的有机废物转化为宝贵的资源。在法国，三分之一的家庭垃圾都是可发酵分解的，而且现在已经有相关的垃圾分类收集规定。在突尼斯，70%的家庭垃圾可发酵分解，但是很可惜大部分被送去了垃圾填埋场。 & y2 n( I4 a, _' X
HG：我们希望在接下来的一年内优化突尼斯的垃圾利用模式，现在已经在批发市场、市区市场、酒店里分别设立了三个研究点。突尼斯政府希望为有机垃圾建立专门的收集处理系统，我们负责研究出能全年稳定高效运行的生物反应器。 ( ]: n( o, i7 T% ?
04 2 K( H6 ^. K3 q: x
为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ # O" y: c0 v3 G: [! e Y7 o( w
PPL：虽然甲烷化的工艺更简单、更成熟，但氢气的能源潜力更大。而且在几项投资项目的促进下，氢气在欧洲使用的越来越广。有机废物转生物氢气，可以最大程度地利用未来即将建设的制氢输氢基础设施。
. S7 A9 z. e+ l 05 ( |/ y8 Z1 g# n# ^2 J
生物制氢的产量有多高？
& {# B# ^1 Z) `; q9 N+ O PPL：理论上，每mol糖类物质可以生成4mol氢气，实际上只能生成不到3mol，但这个数字已经十分喜人。1吨的果蔬残余可以制备1公斤的生物氢气。 ' W" ~+ m% U2 X/ W+ @. _' ~( ?
HG：当然，我们也在积极研究其他的海洋微生物，以及人工组合培养的多微生物混合群落，以期提高生物制氢的产量。 ' P. i/ A( _5 K d' o
06 8 l, D0 _1 Q( \+ Z5 i0 q+ D
待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
6 _5 {. R& L; K1 `+ Q2 F" N PPL：我们的研发还处于早期，仍在进行小规模样机实验，不过很快就要从2L反应器换成10L反应器了。我们的目标不是在超大反应器中制备氢气，达到甲烷化设施般的规模，而是开发出适合独户家庭使用的反应器，以厨余垃圾为反应原料。这个市场竞争相对小，此类设备能帮助普通人实现“能源自由”。
0 }% ]' J+ n4 \1 _ C; N! X 07 3 F5 i7 n( L. [+ P
发酵后，是否会像甲烷化设备一样，产生固体残渣？残渣能否回收利用？
- M6 y# p8 v" G/ R HG：会，发酵反应器里会有残余浆，这个问题我们在努力研究，让整个工艺达到真正的可循环。发酵残余浆和甲烷化残渣不一样，盐浓度和有机脂肪酸浓度高，回收有困难，不能作为废料洒在农田上。我们主要关注残余浆中的固态部分：通过堆肥，可以制备多聚物或酶，也许可以用于生产包装物。
7 P9 S! C% W @4 {# S' v; H& K PPL：等到我们成功开发出残余浆处理技术，我们的工艺就算大功告成，可以跟甲烷化工艺同台竞争了。
: x6 o) w9 ^) I* V 作者 " `& @2 s1 c/ u4 B' Y
Anaïs Marechal
C0 i+ u- X$ Z1 V) v" `5 g9 Y W' g 编辑 / `5 R' q/ D0 U+ \; Z
Meister Xia - Y! G: A- X+ e% c7 e
 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
0 n+ D5 P! [) G/ a' T. t+ C3 ~, [" l* w3 {% n# d2 K# E
0 w; u( |9 x0 `" h. M
| 
