|
# O: a0 R$ |* v& |, j4 i2 u
: Q3 ?' _+ [) F" Q9 ? 
9 Z- E; V" K* Q0 L3 t
海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ 7 s. K, v8 x& N9 Q$ q9 U
; A! u% j4 }- k Pierre-Pol Liebgott 9 t4 E T$ r/ B g( R
法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 / e8 y9 X3 `/ {: C
. y: t" I1 G. U Y) l; H# S& \
Hana Gannoun
4 _5 g4 M, ^( |, y 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师， & o$ {8 A `6 L/ S z- |9 R
主攻环境过程与生物能源
; |# D) ]2 R8 X1 N: y8 h$ y 
: N3 m3 O# D( ]3 Q
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？
" V9 y* u* Q! l. j1 b' V7 E 
+ @5 N" w, Z+ D3 y0 s7 {. {$ ]* a# `
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。
- C5 ] w% O+ a1 q! c) Q 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。 & z+ |6 g" y) A% k9 |
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。 , V/ a1 U! N6 g1 _
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。
* K9 x3 p# N( |: H+ v. U* e 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。 * Y7 D) z" W' |) @% g
01
; {/ m+ S. [! u7 Z 暗发酵制氢是怎样的过程？
2 H9 `# g+ w0 L6 _; [0 y 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。
! \- o: `. v4 G# [ 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。
6 k1 g" d- ` W! ^7 m, M 02
+ @, j0 U1 j2 \3 F: ^# e 为什么一定要使用海洋细菌呢？
- E+ u; m, H z+ B 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。
; O1 ~5 q6 R7 @7 q% V. y 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。 ' u4 a3 U# u1 i2 W9 d
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。
0 x, w' c7 D r3 P: c7 n. Y8 c 03 5 p* t+ V* Y8 Z8 L. F
高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？
; q u" v" \$ W9 f+ ^ 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。 5 e, W- g* u: ]; V+ v
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。 7 O, B7 m3 o1 N* X; E
04 / r) B. v( k4 I2 G* `
为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ 6 m5 O! w: r; s. M" X
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。 - D, _: p9 J# j/ @$ q( v$ D
05 / Y' L% Y8 \+ t; `% ?7 ^/ e
生物制氢的产量有多高？ + {7 H5 P* t% @$ i% c
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。
" ^' c4 K# G8 [: t( C. F6 Y 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。
6 y2 ^( j+ l( Y( O. m- ` 06
9 A, u) O. q8 J' C" z! C 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
2 }7 i9 h6 @& C E! R& }* n+ P) m, ~ 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 H# M$ q# {( Q; K 07
1 A+ k& w! z. @; ~- C0 T! R 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？ . c% q. K) J- ~
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。
: x+ w$ b: Z$ @8 W+ U, J 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。
) x$ Y) i; \1 s e1 w 作者
7 k3 s2 v/ |( P4 d7 Q. N Anaïs Marechal & w, C7 V6 g6 I1 O+ L* u3 V9 z
编辑
, S! Q1 S0 i* q6 q1 L+ k! d3 ~ Meister Xia
# q! y2 A5 \* \$ i$ Y6 e2 I' r/ O  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
- b: \9 p5 q# U4 ~4 p% f& _ \, \( n. A! {
5 U( y& c$ ^- b# F" _8 v6 \ | 
