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海洋细菌发酵制氢，有望让普通人实现“能源自由”！
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Pierre-Pol Liebgott + ]' M5 f) P2 h
法国国家可持续发展研究院微生物学研究员
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; {7 i/ ~; j3 ?; D/ l# K Hana Gannoun
. w: n; m0 m5 g' f' ^ 突尼斯埃尔马纳大学生物化学工程专业讲师，
" N8 u8 e: B( B3 d7 B 主攻环境过程与生物能源
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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？ - S1 t0 D; ?, G3 F" N& B
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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。 3 w% v& v j/ ?) Y7 Z1 H( x# E$ S
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。
& M5 q, Z* I2 }; t+ C 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。 1 N/ p" a) S1 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。
; G1 S* U8 ~ U4 W& S. 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。 1 Q$ E! K J8 N4 C
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暗发酵制氢是怎样的过程？
' f+ L, h" V: n2 _+ }% b 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 p; C7 g: N( [' b
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。 4 S) w6 z; D' L+ o, ?0 Q2 m# L
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为什么一定要使用海洋细菌呢？
+ Z8 c0 Q$ _2 ] 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。
, ^* W; E6 N# H' ^- J3 n2 {) a 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。
9 Y' K& C+ t! |, G 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。 . Y3 ] H$ e: x Y, C
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高温暗发酵制氢和其他工艺相比有什么优势？ * D2 R E4 K8 r4 a# c# B
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。 ; P) E) j/ N' _6 o4 p l( J- ]3 r
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。 0 H* L* W2 k2 a* q
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' `( u, k! \* x9 ^7 _6 ~ 为什么不将有机废物转换成甲烷呢？ 2 ~( r W6 ?2 d' U( @
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。 " q# w8 U/ P+ n6 g( J. \8 o, ]
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* q1 t3 H# H5 K& \0 Z. [, U 生物制氢的产量有多高？ + i3 L' K& `& G, h% I
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。 " W+ K* ?* B" T7 C8 \
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。 ! X/ O8 |! j" S3 f
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待你们的工艺成熟后，如何产业化呢？
) u$ c" F$ q* i9 J9 M 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”。
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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？
+ [2 }+ P6 p. u: ~$ w9 X- T! 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。 3 d* Z' J5 ?( Y) O0 G" 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。 D. m1 p$ ?5 z, J7 c% I4 c* s
作者
9 B7 B& `5 O. [ Anaïs Marechal
) R3 p- ~1 ~0 L- t* g! k 编辑
8 m; C/ P8 \, v; u! V8 I* Y Meister Xia
' X" B, B9 L/ E- Y! d5 t2 U  1. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.09.042
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