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海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！
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Pierre-Pol Liebgott
; n$ k& s2 Z/ X& Y1 U' E. D5 G/ n 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员
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6 {1 F. \, ~: _! A* ` Hana Gannoun
# y6 I# W. @: ?$ Z+ ?! f 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
) \8 E' w* P9 k* L3 v' F 主攻环境过程与生物能源 b0 h8 Z: m* b- {) f; {
! o; Y5 a$ Z4 O; ? 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？
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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。
; _! N9 O2 s& f% v 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。 - J, U- y4 D* f4 t
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。
2 x' q3 r- M3 Y4 D, \% T1 e 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。 6 n7 R" L" o: m( W7 @9 {
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。 3 e: V0 I- r3 N9 W5 C* |* b' H
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$ R' e7 |# T/ m( r0 W3 C$ d* o2 M 暗发酵制氢是怎样的过程？ 6 q! A) l) ?( 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。 3 k4 e& q& m2 P8 S* Q. c3 y
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。
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为什么一定要使用海洋细菌呢？
: v* R9 h2 N4 Q7 l: u 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。 ' }. K v% F. b9 q- O
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。
$ S R6 g7 l$ [! l* q 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。 5 O6 @$ I+ f* K" y
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) u, c: `/ Y6 P2 Z" B 高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？
8 Z g$ M* ^) ` 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。
' }" V7 x4 H+ m! _( @7 s) {5 ^ 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。 {- |, b, O, e# N* O# O2 z5 R- |( I3 g
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: D, h6 n4 W2 u( ]; ` x% y; l! \! u 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ ' {# z9 x& J1 A5 s( r: 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。
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生物制氢的产量有多高？ F \8 Y' n! X& o8 f' X% \
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。 & z7 i' ~+ Q+ s/ \
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。 ! J, M; G+ G( ] v) G
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: L4 P, f2 C4 i" {; ]8 ? 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？ ' \1 Z6 x$ W0 w/ l4 Q9 L
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”。 - k% ]9 x4 P, m9 J& g2 ?: I
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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？
, G) S* j' D$ D& _! S 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。 . M5 g9 ?& D6 Q: e7 R' D6 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。
! d: a! }; Q% `. S5 ^. L6 x 作者 : @3 |& G5 x W/ C# n: y
Anaïs Marechal 6 Y% h4 N% D% u- I2 f/ ?( j
编辑 $ P" Z5 Y4 e* u* a. r a
Meister Xia * I6 b( ^2 ^9 d( [2 p( A* V; D+ y
 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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