|
0 L* |5 z/ h7 H# p6 @- m
, O4 n/ h2 [( _ 
( l p; o; E4 M$ \' e 海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ * V5 M5 Q% R# P5 P$ J. R3 b
/ H) z; S0 }5 X3 U1 | Pierre-Pol Liebgott L" L, ~. ~. G. e- [" z {
法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 " q# C; q) {5 x& G. }+ b& j8 c
, E/ @- J0 m& o% a* N+ A* } Hana Gannoun
: u6 s- e* d7 s 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
8 r- B, I, t3 T9 @6 x 主攻环境过程与生物能源
! M, C @( N: P$ s 
& o7 U, p: k$ t( i8 \
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？
6 v' m& P2 m! M0 L( K+ [+ A 
, Y' A/ u$ h: h% d0 W) ~5 v 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。
! Z9 i. {# f' g: u 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。
6 _ U- p" `/ V6 V" r0 [ 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。 / y8 K; o# \0 _' O
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。
2 D& W; m, S4 _4 h g, W6 j& ? 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。 J/ k& L% _( }$ V, [% v2 U
01 / t. X h3 R% j5 T8 D0 q1 C$ O1 _
暗发酵制氢是怎样的过程？ ' G2 {: w4 i& W0 R0 m, ?% r0 J
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。
5 P% U- G3 Z; C/ R" S" a 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。
8 D& H& w; n5 c7 t 02
& n( `' P# @! } 为什么一定要使用海洋细菌呢？
; k, n& h) v4 f: y" c 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。
8 n. k- X& e. b# ^4 H) u7 z- 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。
2 f! M. B" N# b- L V* ?* R 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。
' g( W: `% a7 L. _" a# U 03
' _ n1 `$ w2 L) Q 高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ # H3 r8 w( {* o8 P/ 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。 8 s# Q( T ^, a# g( N
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。 K3 P% U. x( G
04
2 f _6 ~) U0 D6 ]" G U 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ . L) p9 f& s2 l
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。
0 v4 H, {0 [6 ] 05
- P1 P- j* D2 t4 U8 G2 c 生物制氢的产量有多高？ 8 k/ a; Q2 h9 a+ Y( D
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。 6 Z" X7 i X% ^, f8 |- O/ O$ [% X
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。 ! i6 i7 Z8 V; x$ t
06
& u9 i2 r4 n. R- u' [* B% T- T' ?. s 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
) q1 s2 l* {) m. O2 Y 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”。 # Q: ]. |- T, s& M. Q' J
07 7 A1 F- Y k. M6 Z
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？
. Q! Y! l& H! s" i8 v! Q 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。 $ ~+ e' \. i2 K& ?1 ~8 n; A' H
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。 & A/ o, l- r' ~' V- M: {
作者 " K, D1 ~6 Q& \6 A/ i9 |
Anaïs Marechal
$ E" K. n, o$ }4 n 编辑
! Z" \# K1 u' B" e8 A2 H Meister Xia
; [4 t' s" D1 z: h! r5 A  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
3 n. `' ?! T6 u7 y' f2 G
2 _6 ~+ n/ P/ Y w0 X$ S: _3 u, p4 m: @& t. r; c
| 
