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7 ?6 K+ R; q- c- E 海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！ 9 \! s6 f4 Y* v
+ D6 g9 I1 f- u) X- ~3 Q$ f Pierre-Pol Liebgott
* W, R* _3 W. H. l- _; b 法国国家可持续发展研究院微生物学研究员 9 a* L) \ a* ^7 n) e$ c
& ]+ [7 o$ `" k+ I3 P Hana Gannoun
2 b* O& i3 b! ~+ `% D9 b 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
" m5 s. T# ~: N 主攻环境过程与生物能源 9 B/ W4 k) [# R- m: f" h& X
# ]6 ~5 S; p) i 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？ ! U. a0 _# e6 F: ~' U0 O
) T0 ^% U/ Y! [1 ?! F+ T1 P 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。
; `$ q6 d F: ?% Z8 _0 G9 d P7 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。 $ I: N& x8 |9 Y7 L& h* ?- q
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。
3 B+ w1 Y5 t1 I( O4 R M0 G 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。 & |) t8 g# d3 x
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。 2 G7 C. F* t4 ~$ L* t8 N2 z
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( e( r8 d9 B2 ]: T6 F( E0 c/ ` 暗发酵制氢是怎样的过程？ ) T/ ^1 O3 n; M% I H; n
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。 8 d' A1 v2 `3 |7 A
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。 / i0 x, Y6 y/ D% p5 Q/ b q
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9 s8 F0 k$ ^+ h" ~' Q9 ~ 为什么一定要使用海洋细菌呢？ 3 H- K% Z3 d, a: |6 D, }
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" v7 T9 L& e9 {8 ]9 u 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。
0 r/ z, ^0 {; }$ E' ? 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。 3 t; r. |" d% }; h! D4 L. w
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高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？
1 ~- \1 `5 O) b& h7 D8 ` 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。 + D" Y4 z9 t, g
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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* l+ [+ o6 {/ l5 N/ l 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ # X; E8 p6 \' n# e6 F1 p; l
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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P& ]$ \# j- }( o* U 生物制氢的产量有多高？ ( \ m/ a) [% k3 w0 [! 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。 9 k& r4 }/ ?: x ?
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。 1 b8 [6 ^. {3 @; k* C* G) k
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待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？ 2 F b4 H5 b/ Q6 `- ^
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”。 & a- b6 T) q" Y3 Y9 Y
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" C- \" V# u! M, I' P# I/ C& ` 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？ ' X/ l% S$ ]( \" m6 i: d. {
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。 ( @% e" ~2 R6 ]5 i; W1 I1 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。
# Q/ X: t' v( t, | 作者
( G8 u/ d1 J# a3 x7 ~3 n3 t/ s Anaïs Marechal
, l0 G# ^5 R9 w2 `0 E7 A0 ]1 s2 N 编辑
. D/ V6 l- T$ T% g$ w Meister Xia
# e- y2 F L: K  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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