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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
6 \/ g2 ?" G6 P 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 $ p) w# {. y# ~# }- L
4 S7 p* ]7 O4 I1 n! x! k0 @, S1 p Hana Gannoun
$ ^ s/ N1 f. s' ^( g 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师， $ O2 M2 \2 J4 S* G, j) C$ x5 B
主攻环境过程与生物能源
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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。 8 x8 _: {& N1 l5 P
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。
+ x* L9 I) ~* S! @ 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。
# [ N0 ^: q1 _6 l6 u7 u 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。 . z, u( L! p2 ?, \5 H
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。
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$ t: q6 h, ^# i! ^* x5 r 暗发酵制氢是怎样的过程？
! B0 d7 H: E) Y4 p" S9 _5 Y5 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。 : Y. Q% j' a' N. ^8 J& {
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。 ; J5 B, e% C# Z# m
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+ o+ O, g' h7 V) [8 K* e 为什么一定要使用海洋细菌呢？
% G5 O+ `0 E+ M N 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。
0 _2 F. A0 B# [: P 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。 # m$ W% \- Q* L7 o& e* K* n. C
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。 7 j7 N$ r8 s; Y4 {) e* |
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高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ 6 _/ Y, y7 D, m$ r& U! _% 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。 % ]/ I# @. C& x, @; f
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。 # f0 T. h/ [( s. X% Y
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/ Q7 e+ {. K8 i! B, e+ D. S- F; _4 n 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？
$ o2 a$ z% u3 }# p5 J* t 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？ ! J0 Z. W4 `% c+ m7 L
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。
/ q/ w" Z+ v: f 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。 g4 j Q0 P# ~* W+ d: a- g4 }3 c
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待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
5 z6 B5 x3 H5 a: v' L; b 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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- \7 L: Z% s, L8 [1 F 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？
* X9 g1 I) i( @ 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。 8 }& W, t* F# C# 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。 3 F* B* d8 Y0 H! M
作者
z6 G4 j* v/ x) `( y% ^( R Anaïs Marechal
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1 E' [; r+ _/ t$ O0 ?5 j Meister Xia 3 j+ L- a: w G& B+ W I4 o- i
 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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