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海洋细菌发酵制氢,有望让普通人实现“能源自由”! - O* b, w% l( _; H5 \# T( }$ z) N
7 G$ |; Z# P! u7 a Pierre-Pol Liebgott
& A+ F D W7 h6 R% H+ h 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员
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" l( {! M/ {" [, E# c9 @- W6 b5 V Hana Gannoun
- }$ i7 w& u8 H# a; U. H8 f 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师, * Q) k# s; \: ?! U- ]) B
主攻环境过程与生物能源 0 D. L- L& h) Y4 L; Y+ x
1 J6 H L* a+ _* o' E8 G/ a: 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?
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! F# E% f9 |; X" G8 t4 x e 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。 ; A3 X. h1 X% u; R! d$ O3 k' c9 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。
6 F7 a: x% c; y/ N! |8 L/ @( 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。
x# }$ B' N: q" [9 D; a 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。 & E0 } E/ N" v: f( d
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。 ( l' m9 v1 W L/ q& I
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暗发酵制氢是怎样的过程? 2 I; }- `" h! U K
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。 # u9 A( \# i b; P
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 H: ?) z$ S6 u5 f6 p3 S- X/ [
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为什么一定要使用海洋细菌呢? ' [" d) F8 }# W
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。
1 @; _3 Y" s9 O5 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。 ) p2 \7 y3 e1 I
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。
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高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势?
4 C2 e% M9 M. q# T: e& I 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。
4 O* b7 w* }6 e% s/ n% 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。
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+ H9 L- l' V0 @, Q w+ h 为什么不将有机废物转换成甲烷呢?
7 M" q8 r5 y7 B @ 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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, V3 y+ x& G) e8 ?6 w1 o 生物制氢的产量有多高? ! g& |5 c4 c% `: R, E5 Z0 s
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。
/ [ A' N: f- |' _% m1 u! | 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。 * ]8 i. M$ @/ \* s. I) F% C. z
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* ]" G7 W7 q+ S, t( k 待你们的工艺成熟后,如何产业化呢?
0 K5 G, N+ ^8 R, H( N, F( a 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”。 * T/ p1 I# C" J0 @0 S
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0 Z! Z$ {- R5 H; [+ |* a 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? 5 ~4 J7 Q! p, T7 _% i( n7 N. _
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。
5 ], R& {- Y" Y* M9 { 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。 7 x r; q. O6 x- ?+ G
作者
[8 C7 l$ l3 H% n% Y Anaïs Marechal
2 ~% x' ^2 h3 S/ W2 A! @4 y: V 编辑
9 f$ v% Y2 A3 F7 ] Meister Xia
. o" Y' k4 c) d- G0 a3 u 1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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