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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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' I0 U7 i3 Z, W% ~" b! \ Pierre-Pol Liebgott
( G" Y `8 k) }: N3 J, l 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 , n5 Q; k7 W5 R2 I9 |
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Hana Gannoun ! g- H3 d- c" w) D$ R% u8 l* @
突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师， 3 J1 u9 A+ a1 M. W& b
主攻环境过程与生物能源
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/ X/ \% }1 s+ R) j 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？ ; r! d ?9 V' p$ ^* X9 A' S
# n8 h7 `- [1 Q- c& x 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。
( C; W) I5 I& X3 n" s+ x+ P4 E 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。 ! _5 Q8 h" C9 y2 _0 P+ g
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。 / @' q- x" z! d7 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。
% m! B+ r2 |1 e: E# i2 R) ^0 X 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。 2 r5 A9 h8 Z# K. _4 ~0 z. {, {
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1 e' y0 r2 p- V- d% i {/ i8 H 暗发酵制氢是怎样的过程？
! T, g. P9 Y! R 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。
# x, v( `" l6 H) q 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？
. H) k0 s! ]# ~! L! w2 G/ d 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。 ; K4 E( W9 b& \. F& H
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。 % o" |% j' J, Q+ {- ^5 z: z
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。 2 v& l8 O$ V& {& U
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+ P' \; I5 p- n* w 高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ 5 z1 f( e. @2 m% k ^: s9 j
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。
1 ^$ q5 n- H5 {0 p* B+ l6 k 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。
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为什么不将有机废物转换成甲烷呢？
, F9 x( J6 b. ] 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。 / Z8 z2 D( ^, u! e
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生物制氢的产量有多高？ 2 c; w" _' J: y4 B% F
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。
$ r. q* a# c& l* J! `6 E. e+ e( 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。 " E9 s S6 w J# }* [1 P* V
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& t4 J4 k5 Y4 s9 n 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
6 ~- L! S+ f, J" w4 ~2 o 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”。
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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？
% u+ N4 [, f6 y4 z8 v3 C4 |0 m, M5 |' w 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。
# c( t" ~: P# H* f( ^4 t 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。 1 d9 `& R d/ E+ T% p2 @% \
作者 8 V$ B" p. M: p0 G8 M, e
Anaïs Marechal
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 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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