|
: X2 @, j' v$ Q8 T) o1 w! d
" `- I, n* o. o& d0 p. H
$ F# j7 j" D8 o 海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ , o7 b H; H% }5 n
) h) s i* ~: _4 K/ h7 f
Pierre-Pol Liebgott
5 ^: E( o# x V* N2 R" I" Z% H 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员
4 Z5 K S! s1 U" n& L 
% ^! x- G; \- i! U6 V
Hana Gannoun
. p7 r/ t4 R, B% ~6 _ 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师， ! v8 c# n+ I# B- c' U* O' s; h4 J
主攻环境过程与生物能源
( z! P& w' |9 M/ e 
! ?! Y+ M7 R& v7 p% C 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？ ' A: e V& G, h0 W* l
* @( ~, j3 L/ R `5 G 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。 " r9 v D* ~: E a ]7 f
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。
* c; S- ^6 C1 I: ^ 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。 8 {$ G4 {6 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。
0 |( g: O$ i |9 e0 h. u3 o 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。 8 x; a( o( i$ d4 I K
01 " w9 B( G( U: \- G; ~8 t" [% ?
暗发酵制氢是怎样的过程？
' c( G9 p$ C) U 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。
$ ]" ^+ O J8 P; o: G' R0 |) O, x 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。
3 }2 n; F# ]/ T 02
8 ~* u; |6 C/ _; \) a$ l! t* ^ 为什么一定要使用海洋细菌呢？
& S/ ], p$ c2 h& r 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。 " v# [0 P$ T/ p/ S0 z$ t5 b0 X
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。 3 ^6 I8 X2 c4 M3 _ f8 U
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。
- s( ]( a' }' F& T) `( f 03 " z/ p. Z( U! x9 K
高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ # z$ ^0 D! {6 {* v! ^/ t* g$ 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。
1 r3 E4 ~/ S. C6 z8 Y9 S: Z+ b- e% 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。 % T5 N) U f3 I
04 1 N6 l7 A( |1 @% D/ ]
为什么不将有机废物转换成甲烷呢？
, ?* Q+ T$ M8 B2 r4 ~' N. ? 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。
5 t+ ^7 d! c- R+ |. ~, g" r 05
$ P$ h; z' b6 e8 ] 生物制氢的产量有多高？ 8 P' |; v$ b5 d4 S) N6 U& J
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。
; F; H7 i& L$ H6 G2 a. j* i% n2 W4 _. K 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。
5 \) e! _0 d1 T- U9 s7 [ 06
5 f* i4 ^3 v6 t( F9 l 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？ ) H1 G$ h3 g% j3 j6 G
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- D) v: ]' T; D, V! [
07
1 c6 l5 R4 A# e% @7 m% N1 L' E 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？ " c% [$ [7 L8 C
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) H& Y% n5 n
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。
# p: A0 Y6 H _, k1 _" b 作者 & B& X6 L6 E/ Z: G" N% m% Z
Anaïs Marechal 5 W! _9 Y( X" T: `9 U j, h
编辑
9 a" L- y6 w0 ~9 y Meister Xia & Z4 z& f x9 w( c
 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
& Q' ?5 b# l4 E& n: L/ m- X X5 o. t6 M4 V
1 Q7 @+ ^' j9 u
| 
