|
* X' E/ C! X! E$ I) ^) B 
+ v- ^' w- y+ |4 s8 r0 h2 \
K1 }, M1 M, N& n3 Y 海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ & e h' d; g9 k4 ?, y
/ O5 I% c S: j3 u9 @
Pierre-Pol Liebgott
9 d# X) G( S* o8 B0 Q. h O 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 7 x1 u- K7 r; m! K- @5 b
I* B7 _, y( b7 c0 @
Hana Gannoun % _- L0 w( ^8 B) Z0 t4 } B: a/ @! y
突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
) }% \. j( `8 | g' l: z 主攻环境过程与生物能源
* F' s4 x d" W( e a 
- ?' {3 o: R& ~& n6 Y% o X 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？ $ q! K3 j) F) X0 ^ B8 G2 y* [
* t, R8 M; G* Q# O) f9 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。 / e% M9 E K4 J
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。 - P1 H) Y( O& T3 E
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。
, K" ~% Y* d5 C 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。 " c w& o% u8 }; ~2 n4 a
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。
/ M/ t3 M+ K- U# x8 q 01
2 ]8 P3 U& y8 x8 p0 D2 Z 暗发酵制氢是怎样的过程？
0 t5 k& f& |4 F1 s# A3 x 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。 - M) F: P& }& }# V$ \7 v+ V
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。
/ x: V* Z8 @& z: b 02
$ X! ?, X! ~ { }( t 为什么一定要使用海洋细菌呢？ ; s. a3 N" X& \/ e% M) {: }' b
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。 / D" D* p8 ^+ w, }/ [/ [
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。 $ B4 r' T5 ^ x" M0 c% q
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。
; W$ i' D4 z2 _4 w7 { 03
& r( e5 e8 \0 S5 @: b M' u 高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ # ~- B) @% W" G V
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。 * O5 |1 F# e2 r' i0 H( V
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。
/ Z. X1 I6 F8 a: x% I 04
( e( i, f5 m) I- P4 K 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ 9 u }' a0 D# A; @* H4 d
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。 : P4 h- b& j; {# C9 k
05
# \: \: F( {6 v6 g; D& f5 c 生物制氢的产量有多高？ ' Y9 k1 C( {5 q6 g! a
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 b$ b: u7 N( Y2 P
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。 6 ?$ |5 h2 N* b; }2 y4 k5 E
06
; H; Z Z! Y2 h3 j' x) s 待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
6 k9 [ m, e$ p; U 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”。
+ _% w4 V1 O7 r) q 07
# P5 s% w+ F. Q+ v- L7 p 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？
* ?+ d+ p/ ?) ]) Z# s 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。 : Z8 Z" e# ^. n. z* A6 Y
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。
0 D+ Z. I. E: s. g9 f! E 作者 / \0 f: e, ?: c$ k
Anaïs Marechal % N, c n+ P& G; n: Z6 P5 {
编辑
% B, T( v$ W5 _9 W: @9 L Meister Xia
0 b4 w5 D: C' X) V$ R  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
/ d M8 k0 G; \1 Z, n
( u6 E4 t) z# F: F& U+ c: c: n
- F9 F- R% U$ b, S/ D$ Q, q! X. l1 T | 
