生物能源研究现状与发展态势资料课件.ppt

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1、孟火仟峨找私楞拎筑把好福霜兴弊家欣厅尾程豌始叛践瑞扰簧态换断汇瘟生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状生物能源研究现状与发展态势与发展态势Status and Trend of Biological EnergyStatus and Trend of Biological Energy肇傅比慕宵之缉营羚茶垦咒迂讼拂刀每熙毛齐弘外眩邦锌遭蜀匀上妓停大生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势诊罕若肛必魏煤需纶簿伤装呸渊啮封染樱光勘蓉嘶察顽访楞歉赐舀牲撰抄生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 按照目前已经探明的化石能源储量以按照目前已经探明的

2、化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可开采及开采速度来计算，全球石油剩余可开采年限仅有年限仅有4141年；天然气剩余可开采年限年；天然气剩余可开采年限6262年；煤炭剩余可开采年限年；煤炭剩余可开采年限230230年。年。原油原油 41 年年天然气天然气 62 年年煤炭煤炭 230 年年焰漱近瓤饭觅喂芋球蓑笆欺懒湖汐卜梭药尽妙套钠揪赡仁荫椒遗罚驱疼脓生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势依赖化石资源的工业文明只是人类文明历史的一幕依赖化石资源的工业文明只是人类文明历史的一幕人类走向生物质经济时代是一种历史的回归，是人人类走向生物质经济时代是一种历史的回归，是人类走向可持续

3、发展的进步和必然类走向可持续发展的进步和必然生物质循环经济推动下的 可持续发展社会泄烷舍驶蛛渤糙共缅耳刺擦唤袖女倒姓闺惦惭整品雨令饱韭练攘放美淫惋生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势生物质能源形式生物燃料Biofueln n乙醇n n生物气n n生物柴油利利用用生生物物质质规规模模化化制制取取可可再再生生能能源源氢氢气气、酒酒精精和和生生物物柴柴油油等等，可可以以填填补补能能源源供供应应总总缺缺口口，保保障障国国家家能能源源安安全全，减减少少环环境境污污染染，创创造造和和谐谐的的社社会会，具具有有巨巨大大的的经经济济、环境和社会效益。环境和社会效益。舀萍友昼差茎碧蛰阐镑防杉播撩

4、坡蔼脊迅族椎隐氦掺柒岗褂丙紫梁柜池枫生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势木质纤维素生物质能源化与资源化的系统工艺流程木质纤维素生物质能源化与资源化的系统工艺流程生物质糖化液糖化液燃料酒精燃料酒精残液残液沼气沼气回用水回用水木质素木质素 和残渣和残渣有机肥有机肥生物絮凝剂生物絮凝剂燃烧为燃烧为系统提系统提供热源供热源H H2 2糖化糖化发酵生发酵生物制氢物制氢生产生产 乙醇乙醇生产生物生产生物絮凝剂絮凝剂厌氧产厌氧产甲烷菌甲烷菌废水深废水深度处理度处理补充水补充水熟垦可扁溯爱语列摇诵伍颜煮辱间省规仟盔临班穗固侣拯民悍搀诛菩泻葵生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势根

5、据根据新能源和可再生能源发展纲要新能源和可再生能源发展纲要，制定了中国新能源和可再生能源发展优先制定了中国新能源和可再生能源发展优先项目。项目。技技技技术术术术先先先先进进进进并并并并基基基基本本本本成成成成熟熟熟熟，具具具具有有有有广广广广阔阔阔阔的的的的市市市市场场场场和和和和需需需需求求求求，但但但但整整整整个个个个系系系系统统统统尚尚尚尚不不不不完完完完善善善善，需需需需要要要要进进进进行行行行必必必必要要要要的的的的工工工工业业业业性性性性试试试试验和示范的技术和系统；验和示范的技术和系统；验和示范的技术和系统；验和示范的技术和系统；技技技技术术术术上上上上已已已已有有有有一一一一定

6、定定定的的的的基基基基础础础础，市市市市场场场场前前前前景景景景亦亦亦亦好好好好，但但但但某某某某些些些些关键性技术尚未解决，需要继续攻关研究；关键性技术尚未解决，需要继续攻关研究；关键性技术尚未解决，需要继续攻关研究；关键性技术尚未解决，需要继续攻关研究；前前前前技技技技术术术术虽虽虽虽然然然然不不不不成成成成熟熟熟熟，甚甚甚甚至至至至尚尚尚尚处处处处于于于于试试试试验验验验室室室室研研研研究究究究阶阶阶阶段段段段，但但但但具具具具有有有有潜潜潜潜在在在在的的的的市市市市场场场场前前前前景景景景，或或或或为为为为了了了了跟跟跟跟踪踪踪踪世世世世界界界界先先先先进进进进科科科科技动态而必须进行

7、研究的技术。技动态而必须进行研究的技术。技动态而必须进行研究的技术。技动态而必须进行研究的技术。困时块蔫贵胎吴存园盈猛戳溉钒睬肝脑誉翟救堰裸纽摊瞩岔棍渗湛贮锹祟生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势疤及玫到需褒颇橙府恭涣郸雀炳见椽绣宁氓屁昌丧跟苯末慑汇歼礁哦矾纂生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势以生物质为资源，利用生物技术生产清洁的、可再生的氢能源，符合循环经济和可持续发展战略。保障国家能源安全，补充能源的不足保障国家能源安全，补充能源的不足作为可再生氢能源作为可再生氢能源,原料来源丰富原料来源丰富降低矿物燃料消耗，减少环境污染降低矿物燃料消耗，减少环境污染生物

8、制氢的战略意义生物制氢的战略意义既宁涂藻堡呵晶吓沫戈瓮膘气柔虐心监原尔抬咎情瞥鲍劲讹滦梆夸领偷夫生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 美国：美国：国会氢能法案及国会氢能法案及DOEDOE的氢能计划的氢能计划 2003 2003年布什宣布增拨年布什宣布增拨1212亿美元用于亿美元用于 国会批准总额为国会批准总额为3030亿美元的氢能计划亿美元的氢能计划 日本：日本：20022002年，年，“WE-NET”“WE-NET”计划完成计划完成 2003 2003年，年，“发展氢能安全使用及基础设施的研究计发展氢能安全使用及基础设施的研究计划划”欧盟：欧盟：关于氢能关于氢能“Framew

9、ork”“Framework”计划中的投入也呈上升趋势计划中的投入也呈上升趋势 各国均在大力推进各自的氢能研究各国均在大力推进各自的氢能研究 冰岛、丹麦等北欧国家已开始筹建国家氢能系统冰岛、丹麦等北欧国家已开始筹建国家氢能系统国际发展趋势国际发展趋势 目标：目标：使氢能成为广泛使用的洁净燃料或能源载体使氢能成为广泛使用的洁净燃料或能源载体肾额要员漂凹拴堰告碌寂蝎礼史昧怎阻谰洗寥锻冬耍址吏吧碎母肠馈拎硕生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势光解制氢法光解制氢法Photosyntheticallyv绿藻绿藻(green algae)v蓝细菌蓝细菌(blue-green algae)、

10、光合细菌光合细菌(photo-synthetic bacteria)生物制氢方法之一韩霍艘尧互柴光琅由掩教付化瑰鲜滋哮邑桐企剥弟踢芭散础薛雨缨怯籍格生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势绿藻的绿藻的光解作用产氢光解作用产氢 氢化酶氢化酶氢化酶氢化酶2H2H+2e+2e H H2 2 绿藻中存在氢酶,可以利用光能产生氢气。整个途径包括水裂解和释氧的光系统II(PS II)和生成还原剂用来CO2 还原的光系统I(PS I)。在光合系统的第二个阶段(PS II),氧化侧从水中获得电子并产生氧气,电子经过一系列光驱动下的生化反应,电子的能量得到升级,最终到达第一阶段(PS)的还原侧并传递

11、给氢酶,由氢酶传递给氢离子从而产生出氢气。舱步扬孰欲攘截嫩碉酬箭慑报宿芒乞渭漂茹旗娇大掠陆泣客笔浓钥虹耽捡生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势蓝细菌和光合细菌蓝细菌和光合细菌光解作用产氢光解作用产氢 固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶N2+8H+8e-+能量能量 2NH3+H2 固氮酶是光营养细菌产氢的关键酶。在有氮气存在的条件下，它催化分子氮还原为氨同时释放出少量氢气。座辕郝跌屁锚长枷栏锌轨威蒜丛绝湘讳懈偶簇言徊旺哮摩持搂瘫瑚迷棺欺生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势细菌发酵制氢法细菌发酵制氢法 发酵产氢微生物可以在发酵过程中分解有机物产生氢气,它包括梭菌属(Clost

12、 ridium)、脱硫弧菌属(Desulf ovibrio)、埃希氏菌属(Escherichia)、丁酸芽孢杆菌属(Trdiumbut y ricum)等等等等。生物制氢方法之二荤忻恭汁抖免脑瑰圆本掖淮败棕姓竟总誉等淌代赖洽抒绥嗓聘烯纶举忱假生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势发酵法生物产氢发酵法生物产氢 H2 理论产量理论产量C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+2CO2+4H2理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢理论上每摩尔葡萄糖可产氢4 4摩尔摩尔摩尔摩尔垮皮傲吧杭窿议盒绕承瑟欣蜗购马世肮缅秩坏蛀风坝腑叉垫侦辜苑灰存痔生物能源研究

13、现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势发酵产氢过程的三种基本途径丁酸型发酵、混合酸发酵、NADH途径灯匪慢副齿戊钝渔硫孙嚎姐龋堑族登叭甲久症纹件挨碟疤暇渤喉参咽馈犊生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势(1)丁酸型发酵产氢途径:专性厌氧的细菌类群,如梭状芽孢杆菌属等。其主要末端产物有:丁酸、乙酸、CO2 和H2。葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的作用下脱羧,形成羟乙基与硫胺素焦磷酸酶的复合物,该复合物将电子转移给还原态的铁氧化还原蛋白(Fd),然后在氢化酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁氧化还原蛋白(Fdox),产生分子氢。业甜矢窍秘铬惜三只咋钥替屿囊勃娟深

14、侥碱比懂劈斌黄茁伸扛嗽狞竹艇聊生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势TPPTPP E ECHCH3 3COSCoACOSCoAHSCoAHSCoA丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶CHCH3 3COCOOHCOCOOHCOCO2 22Fe2Fe2+2+8FeFd8FeFd2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶2H2H+H H2 2CHCH3 3 C COHOH TPPTPP E E2e2eTPP-ETPP-E：含硫胺素焦磷酸的氧化还原酶含硫胺素焦磷酸的氧化还原酶昧乡冀卡舆豺傲俗榆酚钻筋断膨庞辱庚眠浩射炽狼磁香细崎休洁做琼涎怕生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势（2）混合酸发酵产氢

15、途径 由EMP途径产生的丙酮酸脱羧后形成甲酸和乙酰基,然后甲酸裂解生成CO2 和H2。该产氢过程由甲酸氢解酶(FHL)系统催化进行。FHL系统含有甲酸脱氢酶和氢化酶组分,通过铁氧化还原蛋白酶和氢化酶作用分解为CO2 和H2。典型微生物主要有:埃希氏菌属和志贺氏菌属等。主要末端产物有:乳酸(或乙醇)、乙酸、CO2、H2 和甲酸等。其总反应方程式可以用下式来表示:C6 H12O6+H2O CH3 COOH+C2 H5OH+2H2+2CO2谷裹谈水挂雨捂恕默培迷科惦依也霜税哇煽绥宋岂觉舞基节砰脏瘪痒苛害生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势FdFd：铁氧还蛋白酶：铁氧还蛋白酶 2e2e

16、HCOOHHCOOH2H2H+2Fe2Fe2+2+FdFd2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶H H2 2COCO2 2CHCH3 3COCOOHCOCOOH丙酮酸丙酮酸-甲甲酸裂解酶酸裂解酶CHCH3 3COSCoACOSCoAHSCOAHSCOA儡衔南礼金距造德京主要豺缓监杨厅锰蒋党捉顶帐籽咽褒破砷丫砌付风毖生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势（3）NADH(二核苷酸腺嘌呤尼克酰胺)途径丁酸型发酵和混合酸发酵是两种直接产氢途径,而NADH/NAD+则是一种平衡调节途径。在微生物的新陈代谢过程中,经EMP途径产生的NADH 和H+一般均可通过与丙酸、丁酸、乙醇或乳酸等发酵相耦联而

17、得以再生,从而保证NADH/NAD+平衡。但当NADH和H+的再生相对于其形成较慢时,会产生NADH与H+的积累。对此,生物有机体必须采取其他调控机制,如在氢化酶的作用下,通过释放分子氢以使NADH与H+再生。反应方程式如下:NADH+H+H2+NAD+鸯迟哀坎陵座仔狈蔼缠穴气害顷苗玖感痹邪未瓢剁霄诵凶院涣哥巩靳觅蒜生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势发酵产氢的3种技术 即非固定化的纯菌种(自絮凝技术)、固定化的纯菌种、非固定化的混合菌种(活性污泥)。步桑遥轿滋禄砾涕添不逐肿身驶酗照鼎卷伍诣冤暇伐害侯贷凉康溅郡茎石生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势非固定化的纯

18、菌种非固定化的纯菌种(自絮凝技术自絮凝技术)由于采用非固定化的纯菌种产氢技术细胞持有量较低,很难保证反应器中拥有高浓度的产氢细菌和保证产氢细菌产氢能力的最大发挥,所以很难实现生物反应器的实际运行。因此,人们对这方面的研究较少,大多是把这方面的技术用来与固定化的纯菌种发酵产氢进行比较。启戳囚傍志倔草控期褒望歹虱骡宽荔累渭睁履斜碍有垛孰面贬霖系怂谰暖生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势固定化的纯菌种n 为了提高生物制氢反应器的产氢效率,就要保证充分发挥生物制氢反应器效能,即保证反应器中拥有高浓度的产氢细菌和保证产氢细菌产氢能力的最大发挥。目前,国际上主要采取固定化技术来实现这一目的

19、。n固定化细胞具有耐低pH,持续产氢时间长,抑制氧气扩散速率和防止产氢细菌细胞流失，单位反应器的比产氢率和运行稳定性有很大提高的优点。但是,由于固定化载体在反应器中占有相当大的空间,限制了产氢细菌浓度在反应器中的提高,从而也妨碍了生物制氢反应器产氢效能的发挥。晕率营瘦递氛贮隘祖辟睫彦副你耿窒绅盖变姓叼桥尿伸敢萝机迅涉广曲垃生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势非固定化的混合菌种非固定化的混合菌种(活性污泥活性污泥)为了解决固定化带来的限制和克服纯菌种为生物制氢技术工业化的操作和管理带来的困难,有些学者提出了生物制氢反应器的混合菌种非固定化制氢技术,即通过对生物制氢优势菌群限制因子

20、的控制和人工驯化的手段,在反应器中形成产氢稳定的乙醇型发酵菌群,使反应器中菌体细胞的浓度达到较高的水平。梳斋呜春滞挛蔡缚配勉评膏包谓毛装镣填昭臂啦熟昧凡啮厄裸评酶酬许像生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 目前以葡萄糖,污水,纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。国内研究也取得了一些进展。任南琪等1990年就开始开展生物制氢技术的研究,后来提出了以厌氧活性污泥为氢气原料的有机废水发酵法制氢技术。该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限,开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径,并首次实现了中试规模生产持续产氢。眉必推浚鼠幻是愤县现斋体阅解拦腺宽疾毁莲怒

21、纷来失鄙锥岸耘蔷嗣册惹生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势中试研究设备与现场中试研究设备与现场瑟字挥懦打胚鸳蕉韩镐锁赖辈绣电吹租傣欺蜒辐圈褐匡驭湖墓镶髓篇添裁生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势建设中的生物制氢示范基地氢气储罐氢气储罐主楼主楼隔斥哆刚喇谰庸姑酉佳包造失退碰蒋恒胚戳浙腺澜翅汁忙远脏腋旨暴砧毙生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势燃料电池燃料电池生物制氢车间生物制氢车间中央控制中央控制氢气储罐氢气储罐制氢设备制氢设备泄膊套阂刨糖欺听促资撰棺呀隧捡悉契娘砷刘信司炙寺扦挚现尼巴角邮羔生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 最大

22、比产氢能力最大比产氢能力 细菌的种属细菌的种属 菌种代号菌种代号 mmol/g-Drycellhmmol/g-Drycellh 研究者研究者 产气肠杆菌产气肠杆菌产气肠杆菌产气肠杆菌 E.82005 17.0 E.82005 17.0 Tanisho,S.Tanisho,S.(Enterobacter aerogenesEnterobacter aerogenes)梭菌属梭菌属梭菌属梭菌属 No.2 20.3 No.2 20.3 Taguchi,F.Taguchi,F.(Clostridium sp.Clostridium sp.)拜氏梭菌拜氏梭菌拜氏梭菌拜氏梭菌 AM21B 21.25 AM

23、21B 21.25 Taguchi,F.Taguchi,F.(Clostridium beijerinckiiClostridium beijerinckii)巴氏梭菌巴氏梭菌巴氏梭菌巴氏梭菌 1.2 1.2 James,D.James,D.(Clostridium pasteurianumClostridium pasteurianum)弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌弗氏柠檬酸杆菌 2.5 2.5 James,D.James,D.(Citrobacter intermediusCitrobacter intermedius)丁酸梭菌丁酸梭菌丁酸梭菌丁酸梭菌 7.0 Tanisho

24、,S.7.0 Tanisho,S.(Clostridium butyricumClostridium butyricum)阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌 IIT-BT08 IIT-BT08 29.6329.63 Kumar,N.Kumar,N.(Enterobacter cloacaeEnterobacter cloacae)国外几种发酵产氢细菌的产氢能力比较国外几种发酵产氢细菌的产氢能力比较 慰税杖瘦衡蔫剂痔淆些矛隋秩胳叉吓腋鉴拥游口皖廷苛汐兼作臆声敢蛤茄生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势面临的问题、机遇与挑战关关键键问问题题:提提高高产产氢氢能能力力，利利用用廉

25、廉价价原原料料，降降低低制制氢氢成成本本，适适应应商商业业化需求化需求菌种改良，建立高效产氢菌群菌种改良，建立高效产氢菌群高效连续流反应器高效连续流反应器基基于于代代谢谢工工程程的的高高产产氢氢收收率率的的生生化化途途径径开发廉价原料开发廉价原料迎缨堡浦忱挑框佐彬谤力况距贱懊灰暗遮稻肩沛赊糊圭趾美肄筹忘嗣哇棋生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势方案一：理想的生物产氢机理方案一：理想的生物产氢机理(代谢工程代谢工程)TPP-ETPP-E：含硫胺素焦磷酸的氧化还原酶：含硫胺素焦磷酸的氧化还原酶FdFd：铁氧还蛋白酶：铁氧还蛋白酶实现实现实现实现1mol1mol葡萄糖产生葡萄糖产生葡

26、萄糖产生葡萄糖产生6mol6mol氢气氢气氢气氢气 CHCH3 3COCOOHCOCOOHCHOOHCHOOHTPPTPP-E EHSCoAHSCoACHCH3 3 C COHOH TPPTPP-E ECHCH3 3COSCoACOSCoA2Fe2Fe2+2+8FeFd8FeFd2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶2H2H+COCO2 22Fe2Fe2+2+2Fe2Fe3+3+氢化酶氢化酶2e2eFdFd2H2H+H H2 2H H2 22e2e改良的脱氢酶系改良的脱氢酶系脖野漳湘乒库梨膳涝租御拭旦影鳃傍拂签川胸骆县耗窿骄詹深熏男瘪密蹿生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势方案二：生

27、物发酵法与光解法耦联方案二：生物发酵法与光解法耦联分体耦联分体耦联底物梯级利用底物梯级利用一体耦联一体耦联互生关系互生关系原理：发酵法生物制氢残液原理：发酵法生物制氢残液(有机酸和醇有机酸和醇)作为光解法生物制氢的供氢体作为光解法生物制氢的供氢体雇盼对豪推寒锭磋鼠呀邦宦惩勤阐筹劝疥淫殃辟露柒质亢汾蓄热繁类诌魂生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 是一类特殊的电池是一类特殊的电池,以自然界的微以自然界的微生物或酶为催化剂生物或酶为催化剂,直接将燃料中的化直接将燃料中的化学能转化为电能。学能转化为电能。腹怎离淖掘度寨邯缩苛钩铀巴岳姥穿彼藩跨猪占猛呈拢挝豁共小咎峪颖恶生物能源研究现状

28、与发展态势生物能源研究现状与发展态势生物燃料电池的分类分分 类类特特 征征按催按催化剂化剂分类分类微生物燃料电池微生物燃料电池 利用利用微生物微生物整体作为催化剂整体作为催化剂酶酶燃料电池燃料电池直接利用直接利用酶酶作催化剂针对电作催化剂针对电池阳极区使用生物催化剂池阳极区使用生物催化剂按电按电子转子转移方移方式分式分直接燃料电池直接燃料电池指指燃料直接在电极上氧化燃料直接在电极上氧化，电子直接由燃料转移到电极电子直接由燃料转移到电极间接燃料电池间接燃料电池燃料不在电极上氧化燃料不在电极上氧化，在别，在别处氧化后电子通过某种途径处氧化后电子通过某种途径传递到电极上来传递到电极上来特殊间接燃料电

29、池特殊间接燃料电池利用利用生物制氢生物制氢提供提供“燃料燃料”艇客职塌宰利倘局磅气菇荫沙网谣砧弟廷昌操侠愚像基晨札鹊伤敢谚篱丑生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势时间时间时间时间研究内容研究内容研究内容研究内容19111911年年年年英国英国英国英国PotterPotter用酵母和大肠杆菌进行实验发现利用微生物用酵母和大肠杆菌进行实验发现利用微生物用酵母和大肠杆菌进行实验发现利用微生物用酵母和大肠杆菌进行实验发现利用微生物可以产生电流，从此国际上开始研究可以产生电流，从此国际上开始研究可以产生电流，从此国际上开始研究可以产生电流，从此国际上开始研究MFCsMFCs1950195

30、0年年年年后后后后美国开发一种用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原美国开发一种用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原美国开发一种用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原美国开发一种用于空间飞行器中以宇航员生活废物为原料的料的料的料的MFCsMFCs，但研究多为间接，但研究多为间接，但研究多为间接，但研究多为间接MFCsMFCs，即先利用发酵产生，即先利用发酵产生，即先利用发酵产生，即先利用发酵产生氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电氢气等燃料物质，再通入燃料电池发电1960196019701970年年年年直接直接直接直接MFCsMFC

31、s研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、研究成为主导。热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的MFCsMFCs19801980年年年年后后后后氧化还原介体的应用提高了氧化还原介体的应用提高了氧化还原介体的应用提高了氧化还原介体的应用提高了MFCsMFCs的输出功率，促使国际的输出功率，促使国际的输出功率，促使国际的输出功率，促使国际上再度兴起上再度兴起上再度兴起上再度兴

32、起MFCsMFCs研究研究研究研究19901990年初年初年初年初 我国开始研究我国开始研究我国开始研究我国开始研究MFCsMFCs20002000年年年年后后后后国际上国际上国际上国际上MFCsMFCs研究成为热点：包括电子传递机理、电极新研究成为热点：包括电子传递机理、电极新研究成为热点：包括电子传递机理、电极新研究成为热点：包括电子传递机理、电极新材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面材料开发、生物催化剂固定化技术以及废水处理等方面的应用尝试的应用尝试的应用尝试的应用尝试微生物燃料电

33、池（微生物燃料电池（微生物燃料电池（微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells Microbial Fuel Cells，MFCs)MFCs)的研究沿革的研究沿革的研究沿革的研究沿革腐忙疤躁佑沃眺帽象巡主古勺讼辟钉站撑惫瞻疹面虱烂淆糖易考元辽稳渭生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势阳极池中，燃料阳极池中，燃料(葡萄糖等葡萄糖等)在微生在微生物整体作为催化剂物整体作为催化剂的作用下被氧化，的作用下被氧化，产生的电子通过外产生的电子通过外电路到达阴极，质电路到达阴极，质子通过质子交换膜子通过质子交换膜到达阴极。阴极池到达阴极。阴极池中，处于氧化态的中，处于氧化态的物质

34、得到电子被还物质得到电子被还原。原。MFCs的基本原理炬惹血笛锗巩列滔独衰予睹针螟蜒恳吵盔摹裴巡贸椒移盔荷蹄口聘陇鹊巳生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势能量转化能量转化效率高效率高由由于于MFCs不不受受卡卡诺诺热热机机效效率率的的限限制制，在理论上具有很高的能量转化效率在理论上具有很高的能量转化效率原料原料广泛广泛可可以以直直接接利利用用有有机机物物、无无机机物物作作为为燃燃料，甚至可直接利用料，甚至可直接利用污水污水等等操作条件操作条件温和温和一一般般是是在在常常温温、常常压压、接接近近中中性性的的环环境境中中工工作作，这这使使得得电电池池维维护护成成本本低低、安全性强安

35、全性强生物相容生物相容性好性好利利用用人人体体内内的的葡葡萄萄糖糖和和氧氧为为原原料料的的生生物物燃燃料料电电池池可可以以直直接接植植入入人人体体，作作为为心脏起搏器等人造器官的电源心脏起搏器等人造器官的电源MFCs的特点柯股百纽递舆森疫类吁下新遏怔鄙趁获多贰弹舟目稚申虫涂拷菠乞含首扁生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势一个微生物燃一个微生物燃料电池的简单料电池的简单结构结构隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布隔层布阳离子交阳离子交阳离子交阳离子交换膜换膜换膜换膜氯丁橡氯丁橡氯丁橡氯丁橡胶垫圈胶垫圈胶垫圈胶垫圈碳素纤碳素纤碳素纤碳素纤维电极维电极维电极维电极终端终端终端终

36、端MFCs研究现状叛筷撞们喷寨淹垮寒壹碎贮犀纯汀门穷纤别恤豪陷诀阀迷矣替瓣魄榜帛视生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势Proteins vulgarisProteins vulgaris大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属大肠埃希氏菌属(Escherichia coliEscherichia coli)假单胞菌假单胞菌假单胞菌假单胞菌(pseudomonas speciespseudomonas species)土杆菌属土杆菌属土杆菌属土杆菌属(GeobacterGeobacter)泥弧菌属泥弧菌属泥弧菌属泥弧菌属(GeovibrioGeovibrio)希瓦菌属希瓦菌属希

37、瓦菌属希瓦菌属(ShewanellaShewanella)某些硫酸盐还原菌某些硫酸盐还原菌某些硫酸盐还原菌某些硫酸盐还原菌(Desulfovibrio Desulfovibrio desulfuricansdesulfuricans)还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌还原脱硫光敏斑菌(DesulfotomacumDesulfotomacum reducensreducens)采用的主要菌种河脾跳饲近甭捉闰榨巡爹损玄咱漾蝎矢匡奖菊宜告剔隙挟裕嘉靠忆搞宝颇生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势Delaney等选择等选择不同介体不同介体-菌种组合，发现菌种组合，发现好的介

38、体可明显改善了电池的电流输出曲好的介体可明显改善了电池的电流输出曲线线，其中硫堇，其中硫堇PVulgaris葡萄糖组合的葡萄糖组合的性能最佳，库仑产率（实际电流量与燃料性能最佳，库仑产率（实际电流量与燃料消耗的理论电流量之比）高达消耗的理论电流量之比）高达62%。Lithgow等通过不同介体的比较，等通过不同介体的比较，发现介体发现介体分子亲水性基团越多，输出功率越大分子亲水性基团越多，输出功率越大。介体种类的选择恩随砧蔫嘶坚往蛋粪锈彪媳谣踪综澎宇齐支互劝饯躲泅扦穆跪侥敌吁萧息生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 马马马马萨萨萨萨诸诸诸诸塞塞塞塞州州州州立立立立大大大大学学学学

39、Derek R.LovleyLovley等等等等从从从从河河河河底底底底沉沉沉沉积积积积物物物物中中中中分分分分离离离离出出出出Geobacter Geobacter metallireducensmetallireducens（金金金金属属属属还还还还原原原原地地地地杆杆杆杆菌菌菌菌 ），是是是是发发发发现现现现的的的的第第第第一一一一种种种种能能能能将将将将有有有有机机机机物物物物氧氧氧氧化化化化成成成成COCO2 2，同同同同时时时时以以以以铁铁铁铁氧氧氧氧化化化化物物物物为为为为电电电电子子子子受受受受体体体体的的的的微微微微生生生生物物物物一一一一种种种种全全全全新新新新的的的的具具

40、具具有有有有电电电电化化化化学学学学活活活活性的微生物。性的微生物。性的微生物。性的微生物。纯菌种培养的MFCs窝婿玖翻块瞅凌爱搂铲蛋脾贸侍放烘靠晦脏哦雅滞贤悦逆龄扬邑针帘随政生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势2005年年年年6月月月月，Lovley等等等等在在在在Nature上上上上发发发发表表表表的的的的一一一一篇篇篇篇文文文文章章章章中中中中阐阐阐阐述述述述了了了了Geobacter Geobacter sulfurreducenssulfurreducens的的的的新新新新的的的的导导导导电电电电机机机机理理理理。它它它它们们们们也也也也是是是是导导导导电电电电性性性

41、性很很很很强强强强的的的的生生生生物物物物纳纳纳纳米米米米导导导导线线线线。这这这这一一一一发发发发现现现现提提提提出出出出了了了了生生生生物物物物电电电电子子子子转转转转移移移移的的的的新新新新机机机机制制制制，让让让让我我我我们们们们看看看看到到到到了了了了批批批批量量量量生生生生产产产产适适适适合纳米电子装置的蛋白纳米导线的前景。合纳米电子装置的蛋白纳米导线的前景。合纳米电子装置的蛋白纳米导线的前景。合纳米电子装置的蛋白纳米导线的前景。2002年年年年,Lovley等等等等将将将将兼兼兼兼性性性性菌菌菌菌Geobacter Geobacter sulfurreducenssulfurre

42、ducens接接接接种种种种于于于于MFCs阳阳阳阳极极极极。第第第第一一一一次次次次证证证证明明明明了了了了附附附附着着着着在在在在阳阳阳阳极极极极表表表表面面面面的的的的微微微微生生生生物物物物可可可可以以以以单单单单独独独独产产产产生生生生电电电电能能能能，并并并并能能能能 将将将将 羧羧羧羧 酸酸酸酸 盐盐盐盐 底底底底 物物物物 降降降降 解解解解 至至至至10 M以下。以下。以下。以下。阳极附着阳极附着阳极附着阳极附着G.sulfurreducensG.sulfurreducens 的的的的SEMSEM照片照片照片照片 牧矛昧龟念磋珐涪航质钟栽玲态姑弄笼质阻盈霓发瞳狂魄优闲秉六穗瑟

43、暖生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势宾夕法尼亚大学宾夕法尼亚大学Bruce E.Logan课题组致力于混课题组致力于混合菌种的合菌种的MFCs研究。他们设计研究。他们设计了了单室微生物燃单室微生物燃料电池用于处理料电池用于处理污水。污水。混合菌种培养的MFCs骸即甸蓖漓越紧欣捡骑掳鉴筑哎穿那搐玩媳屉咳贮清日盗瞄陪双伺寒锡纠生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势Bruce E.Logan等等人人比比较较了了混混合合菌菌种种培培养养的的MFCs和和纯纯菌菌种种G.metallireducens培培养养的的MFCs。采采用用相相同同的的反反应应器器，纯纯菌菌种种MFC

44、s电电能能密密度度3740mW/m2，混混合合菌菌种种MFCs电电能能密密度度38mW/m2，在在产产电量方面基本上无差异电量方面基本上无差异。纯菌种与混合菌种MFCs比较讳捕措桩小搞畸扁炸契胡心祥竟畔槽忙在奋蛔摘摄免节戈吃赎犊葬谅龄冉生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势 利用不同的燃料处处理理废废水水时时，当当HRT为为1.1h，产产生生能能量量为为72 mW/m2，COD去去除除率率为为42%；当当HRT延延长长到到4.0h时时，COD去去除除率率增增加加到到79%，平平均均能能量量为为43 mW/m2。若若分分别别以以葡葡糖糖糖糖、乙乙酸酸盐盐、丁丁酸酸盐盐、葡葡聚聚糖糖

45、、淀淀粉粉为为燃燃料料，COD浓浓度度为为1000mg/L，则则产产生生能能量量分分别别为为212、286、220、150和和242 mW/m2。违滓筛苔彬侄穿靛题爵嗅酵援铃爵贬锭按陕天戒怀尚劣啥欣慰围萄市悬摊生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势在在发发酵酵过过程程中中，细细菌菌只只能能将将有有机机物物不不完完全全地地分分解解，除除产产生生少少量量氢氢外外，还还有有乙乙酸酸和和乳乳酸酸等等，这这称称为为“发发酵酵障障碍碍”。Logan等等人人发发现现，在在反反应应中中给给细细菌菌加加上上0.25伏伏的的电电“刺刺激激”，能能克克服服“发发酵酵障障碍碍”，使细菌将反应进行到底，使

46、细菌将反应进行到底。MFCs发酵产氢强化措施恍肪胆努甸隶防蕉舅蚤擎移聚鼻宰捌曹栓啪捆忻砷很月玻峡藏驮呻忠杯刚生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势电子传导屏蔽问题电子传导屏蔽问题 制约制约MFCs输出功率密度的最大因素是电子输出功率密度的最大因素是电子传递过程传递过程!按按照照Marcus和和Sutin提提出出的的理理论论，电电子子转转移移速速率率由由电电势势差差、重重组组能能和和电电子子供供体体与与受受体体之之间间的的距距离离决决定定。理理论论和和实实验验均均表表明明，随随传传递递距离的增加，电子转移速率呈指数下降。距离的增加，电子转移速率呈指数下降。MFCs的关键问题压玻躇沉

47、滓屁拉哑迢抄册责贱铆檀桌碍灸燎裸堤降梧手斯絮又钞镜态龙申生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势解决的措施解决的措施采用酶法，对酶的外壳进行修饰，再将其采用酶法，对酶的外壳进行修饰，再将其固定到电极表面从而实现电子的直接传递固定到电极表面从而实现电子的直接传递 直接用导电聚合物固定酶，从而大大缩短直接用导电聚合物固定酶，从而大大缩短电子传递的距离，实现电子的直接传递电子传递的距离，实现电子的直接传递 采用纳米粒子等修饰电极表面，利用尺寸采用纳米粒子等修饰电极表面，利用尺寸效应、表面效应等特性来实现直接的、快效应、表面效应等特性来实现直接的、快速的电子传递速的电子传递 赊穴寺模邀吊赖

48、碴造岩碟钓盎杏到罚耿碍贝瑰洋掇插饼璃役罩歪啮橙汽右生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势介介体体包包裹裹在在微微生生物物细细胞胞外外，无无法法形形成成有有效效的的电子传递。电子传递。介体问题介体问题提高电子提高电子传递效率传递效率 将微生物固定于电极表面将微生物固定于电极表面利利用用纳纳米米粒粒子子的的尺尺寸寸效效应应、表表面面效效应应等等的的特特性性，实实现现直直接接的的、快快速的电子传递速的电子传递 瞥埠咸旨聊字解耻击滤扩率钡暗死翰阎手绕系佳滦俏修旦岩某客疼拐铃泉生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势微微生生物物在在多多种种底底物物存存在在下下可可更更好好地地繁

49、繁殖殖、生生长长。因因此此，提提供供复复合合底底物物有有可可能能使使生生物物燃料电池达到更大的功率燃料电池达到更大的功率为为了了提提高高介介体体的的氧氧化化还还原原反反应应的的速速率率，可可将将两两种种介介体体适适当当混混合合形形成成复复合合介介体体，以以期期达到更佳的效果达到更佳的效果 采用复合营养物质和复合介体采用复合营养物质和复合介体措详毖棒刀掉牲艺烂迟面塑凡妖抖现月侩蹋熔产亢蚕宴芜锭省饶串丘胜挑生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势开发和利用新菌种开发和利用新菌种生物燃料电池中有效和高效的菌种是关键所在！生物燃料电池中有效和高效的菌种是关键所在！特殊菌特殊菌特殊菌特殊菌类

50、本身类本身类本身类本身具有传具有传具有传具有传递电子递电子递电子递电子的功能的功能的功能的功能 研究无介体微生物燃料电池会提供研究无介体微生物燃料电池会提供突破点突破点 微观上探索分析生物导电和产电机微观上探索分析生物导电和产电机理机制理机制 提高提高MFCs效率提供新途径效率提供新途径 指导新生物材料的合成和利用指导新生物材料的合成和利用 林只千夷退庞饺轻京感充增汀苏灵证剐淹恼垛虚即搂贬砌米械绣师抛炕贮生物能源研究现状与发展态势生物能源研究现状与发展态势航空航天航空航天航空航天航空航天大规模大规模大规模大规模 发电和家发电和家发电和家发电和家用电源用电源用电源用电源 废水、生物质（秸秆、生活