|
: Q6 D6 N2 Q) ?, Z- B+ M$ K$ ?8 }% d
3 ^7 r: @' q- j& r# y 
7 T( P+ U; f" x" w p5 Y 海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ 8 V, W% W0 z0 k5 ]4 y6 E, p
: k+ h& b- L, h9 f9 ^! }: n
Pierre-Pol Liebgott
$ C+ v& w( L+ y2 V 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员
, \0 B; ]* X9 X8 O3 x" f 
+ _( z0 X* u* ]; u1 }0 v
Hana Gannoun & W9 A3 A. c# \" J
突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师， # u4 x& ~2 } h+ |% h: N* ]" R" q
主攻环境过程与生物能源
/ p/ E& w" X9 t2 A: a \0 H 
; ~6 a; J l1 U( G: c x1 G9 `$ D
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？ 9 u1 r( P, p1 K2 a# E. V' f0 ?
4 R6 ~/ \9 F: t6 t+ D. R
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 m2 x& R1 N2 M5 P' Y) w0 |
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。 G# M. d+ y9 l7 w5 G7 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。 4 c y4 u+ u3 }8 T
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。 : T6 R9 a3 {5 z( X3 J7 Z4 {
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。 0 G' ^8 z ~- Z3 D' M5 v: Z8 O7 F
01 , Y; W. V# S4 @* y; y9 t& r
暗发酵制氢是怎样的过程？ ! J6 w1 _! R: M! I! 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。
9 Q8 c- d" X3 F6 c 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。
1 C$ s5 D& {% A 02
* J8 o2 z4 | `* S0 S 为什么一定要使用海洋细菌呢？
i8 {) A% r0 Z 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。
) b' w1 _! {0 c 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。 . y- D( }% M6 z/ H% B/ O
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。 * I# }8 a, I% F. F
03
6 N( ^0 C" M' I3 j ` 高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ $ Z v @4 a% P' N i% }+ u
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。 6 T0 H5 N+ }, \) O' s# P
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。
, Q1 \. y" z5 F( k# a 04 ' ~% {0 E% G% [( ?: P0 W
为什么不将有机废物转换成甲烷呢？
$ l' W; c$ [0 `# x# c 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。
" s. ?; W& V' d4 C& @( d6 }$ X 05 m( K, w$ ~6 Q+ q6 @
生物制氢的产量有多高？ 1 U! Y. i4 S! y% 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。
, U2 ]0 r0 y! r9 R 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。
3 _( O+ D" s# V% e 06 0 I/ C# Q$ m6 |4 T1 J+ q
待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
% I* @2 U1 J) ]' Y4 t 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”。 " ]/ s; w, y: D% O- Y- \" ^
07
% ?7 u, A8 n z2 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？ * q3 c, j1 X: D, G4 R
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。 . i$ N& K# [0 @* @# S
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" q) t2 }, U2 {+ I
作者 3 v+ a2 K' H7 n' r$ X. E2 L$ L# g
Anaïs Marechal
/ h' y2 U' E' x5 d 编辑
. x v8 `0 R( |8 s6 x Meister Xia
* f+ ` E2 G% S! d  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
( X$ P9 l3 ?/ m) z6 j; K6 m1 S7 N/ p7 E' I- ^5 Y$ c3 z1 {
, Q8 W5 M& a1 @3 `3 M8 Y
| 
