生物质细菌制氢

第22卷第2期云南师范大学学报VoL 22 No. 2Journal of Yunnan Normal UniversityMar. 2生物质细菌制氢杨运嘉,胡志华(云南师范大学能源与环境科学学院,云南昆明650092)摘要:该文讨论了用吸附技术将肠菌固定在木质纤维材料如稻杄、甘蔗(甜菜)渣和椰纤维等固体基质上,用发酵工艺生产氫气的方法。文中着重介绍了如何通过 TCA cycle(三羧酸循环)使葡萄糖酵解产生大量的NADH(还原型二磷酸吡啶核苷酸),抑制NADH脱氢酶络合物的电子迁移链而得到最高氢气产量。通过氧或其它电子受体的电子迁移链重新氧化FADH2(还原型黄素腺嘌呤二核苷酸)。这种方法对于用氢化酶的兼性厌氧细菌或需氧细菌是有效的。关键词:产氫;发酵;肠菌;三羧酸循环;电子迁移链;抑制中图分类号:Q939-64.111文献标识码:A文章编号:1007-9793(2002)02-45-05随着使用化石燃料(石油、煤、天然气等)对环H2,式(3):境带来的污染和资源的限制,氢,这种无污染能源(3)C6H12O6+2H2O已提到了21世纪的动力这一高度。制氢的方法很4H,+2CH COOH-+2CO多,其中,用农业废料作支承基质,经微生物发酵若使葡萄糖通过需氧菌致分解,却能得到进行细菌制氢,就环境、工艺、废物利用和生态平10 moI NADh,即需氧的和兼性厌氧的细菌经过衡来说都是有很大吸引力的。尤其是城市中大量TCA循环,除从糖酵解作用得到2 mol nadh排放的废弃物多是发酵制氢的良好基质,这将为外,还生成8 moI nadh,见(4)、(5)式。就地垃圾处理和生产氢气提供一种合理的方法。糖酵解但目前发酵制得的氢气产量还小,如何提高产氬(4)C6H12O5+2NAD+(+2ADP)率就是这种方法待解决的迫切问题。这篇论文拟2CH COCOOH-+2NADH-+2H(+2ATP)就如何提高氬气产量推荐一种新的策略ADP:腺苷二磷酸,ATP:三磷酸腺苷)羧酸循环:1释放氢气的NADH体系(5)2CH, COCOOH+ 8NAD*+ 2FAD+6H, O(+2ADP)许多细菌都能通过发酵的NADH途径释放6CO,+8NADH+8H++2FADH, (+2ATP)氢气(FAD黄素腺嘌呤二核酸)由1mol葡萄糖的同化作用得到2 mol nad(4)+(5)=(6)H,式(1)(6)CH12O6+10NAD++2FAD+6H2O(+(1)C6H12O+2NAD4ADP)CH3 (CH,), COOH-+2CO,+2NADH-+2H+6CO,+ 10NADH+ 10H*+ 2FADH,(+(NAD:二磷酸吡啶核苷酸)aTP)经由酵素(酶)反应释放2mo氢气1,式(2):中国煤化工2 molFADH通过电子(2)2 NADH+2HT--2NAD*+2HCNMHG波重新氧化上面的丁酸酯发酵途径可得到2molH22(7)NADH-+H++1/20,-NAD+H,O若经改良的醋酸酯发酵途径,可期望得到4mol(8)FADH,+1/202>FAD+H,O*收稿号数据1-08-31作者简介:杨运嘉(1941—),男,云南省昆明市人,副教授,从事氬能研究4云南师范大学学报(自然科学版)△G。=-20 KJ mol,K′=1.1×105Citrate+CoA-H+H如果能利用所有这些FADH,而且,FADH也作为H释放源,我们就可期望从lmol葡萄糖然而,这个反应的ΔG′。负值很大(-32得到最高12mo氢产量2KJ.mol-1),草酰乙酸一定会立即与乙酰基一辅酶A反应,因此,草酰乙酸的浓度通常会保持在2如何保持TCA循环活性几乎OM。柠檬酸酯生成直到琥珀酸( Succinate生成后TCA循环的自由能变化在所有反应中几当厌氧条件变化为需氧条件时,兼性厌氧细乎是0或很大的负值,因此,这些反应一定容易向菌立刻利用了O3。这就意味着TCA循环和电右侧进行。但从琥珀酸到延胡索酸( Fumarate),接子迁移链既使在细菌细胞中,在着,从苹果酸( Malate)到草酰乙酸的反应相反正值很大葡萄糖(10)SuFumarate+FA丙酮酸△G。=49.0KjK′=2.58×10(11) Malate+ NAD'->Oxaloacetate乙酰基辅酶ANADH+HK=6.22×10草酰乙酸柠檬酸盐苹果酸异柠檬酸盐延胡索酸氧代戊二酸盐复A琥珀酸琥珀酰辅酶A电他的外阳图1糖酵解作用和三羧酸(TCA)循环Fig. 1 Glycolysis and Tricarboxylic acid(TCA) cycle厌氧条件下也能保持它们的性质。但TCA循环图2氧化还原电势与PH值的关系在厌氧条件下不活泼,而代谢作用要通过发酵才Fig 2 Reduction-Oxidation potential vs pH能进行△G′。正值很大的反应,容易停止进行,产物2.1TCA循环的自由能变化量很少因此,反应(11)可以由很少量的草酰乙酸如图1所示,TCA循环起因于乙酰基一辅酶中国煤化工酸量由反应(9)已保持A( Acetyl-CoA)和草酰乙酸( Oxaloacetate)反应CNMHG有氧的条件下通过电产生的柠檬酸酯( Itrate)开始。因为这是乙酰基子迁移链被氧氧化,因此[NADH/NAD+]的浓辅酶A和草酰乙酸之间等克分子反应,丙酮酸度比保持很小,这个反应就不断地从左向右进行。分解为乙酰基一辅酶A会受草酰乙酸量的制约。这就是为什么反应(11)能向右进行的原因(9)№数据。A+ Oxaloacetate+H2O对于氢气生产来说最值得注意的事情就是这第2杨运嘉等:生物质细菌制氢种反应甚至可以在厌氧条件下进行。按照NADH其功能。因此,应当将FADH2快速氧化,对循环释放H2的历程,质子接收电子成为来自NADH来说,FADH2[FAD]浓度比必须保持相当小。细胞膜侧的H2。如果保持大约5的低PH来获得有机体在有氧的条件下,通过把电子输送给有很如图2所示的高H2H氧化还原电势,为了进行高标准氧化还原电势(0.818V)的氧气而解决了氢气生产循环,可以制造足够大的[草酰乙酸]/这个问题,见反应式(8)苹果酸]浓度比可见,[FADH2J/[FAD]比的确是TCA循环的关键。三额环电子迁移链抑制剂3电子迁移链和抑制作用琥珀酸說氢藤NADH+HE032v从上面分析已经清楚,怎样氧化FADH2对于TCA循环来说是最重要的问题。即NADH被FADHz鱼藤啊、父密妥NADH儿茶紫氫气产生重新氧化时,要用氧来重新氧化配邮月桂陪盐FADH2。氧录( chlonmereun电子迁移链是用氧重新氧化FADH2和NADH的酶体系。电子迁移链的酶类对所有微生E=022V物来说是不相同的,该文所述线粒体( Mitochondria)的电子迁移链是由如图3所示的4种酶络合胞色盒抗近A物组成的。因为NADH在有氧的条件下会被氧重bc络合物新氧化,为了产氢应当抑制NADH的重新氧化幸而,酶终合物对于NAD的活泼性不同于对细胞色素cFAD,因此,抑制位置应当是NADH脱氢酶络合物。从如下反应可见,最高可得到10mol氢气(12)C6H12 O+lONAD++2FAD+4ADP+络合物6HO—→10NADH-+10H++2FADH, +6CO2+4ATPO2Eo=+0.82v(13) 2FADH,+O,+ 4ADPFAd+2H,O+4ATP(14)10NADH+10H+-→10NAD++10H图3线粒体的电子迁移链(15)C6H12 O+ 8ADP+O2+4H,O----10HFig 3 Electron transport chain of mitochondria+6CO,+8ATP2.2[FADH2/[FAD比是延胡索酸释放的关键如图3所示,许多抑制剂对电子迁移链的酶反应(10)(从琥珀酸到延胡索酸)是FAD参络合物都会起作用。使用抑制剂后如果观测到加的一种反应,具有其特性例如不仅平衡常数非TCA循环仍在进行的话,NADH脱氬酶就被抑常小(K′。=2.58×10-),而且有相当高的标准氧中国煤化工化还原电势,延胡索酸/琥珀酸和FAD/FADH2CNMH对分别为+0.03V和一0.21V。即使FADH1的4生物刑氢及厘益及流程浓度变得稍高,例如[FADH2]/[FAD]=1×10ˉ3,延胡索酸]/琥珀酸]比非常小,为10-°,因生物质制氢反应分为间歇式和连续式两类,而延胡索彤婆度变得相当小。结果,苹果酸的就产氢率看连续式的要高得多图4是连续式制浓度也变得相当小,最后,TCA循环停止以保持氢系统的简易流程图云南师范大学学报(自然科学版)1s}一3图4生物质制氫简易流程Fig 4 Schematic diagram of the biological h图中数字表示:1、进料罐泵,罐中盛无菌介质:2、偏薆型墳料固定床生物反应器,将固体基质(任何农林废料)墳入该反应器,经预处理使细菌细胞固定在基质上;3、发酵浆收集器;4、沉降槽,气液在此分离;5、CO2吸附器,内装CO2吸附剂,CO2在此被吸附;6、H2收集器,H2在此用排水取气法收集;7、盛液罐参考文献:在此要说明的是为何要采用偏菱型生物反应器,若采用园柱型反应器会存在气体滞留问题,其实1] Tanisha.S,andY, Ishiwata, Continuous hydrogen质就是降低了反应器的有效工作容积,产气量相production from molasses by the bacterium enter应降低。而偏菱型反应器相对于园柱型反应器气bacter aerogenes, Int, J, Hydrogen Energy, 19,807体滞留量可减少60~70%,同时这种反应器的收812(1994)缩扩张构形会使物流产生高度扰动,使细胞与基[2 Miyake, J, X.X. Mao and S. Kawamura, Hyd质有较好的相互作用,从而提高产氢率。gen photoproduction from glucose by co-culture of anthetic bacterium and clostridium butyricumJ Ferment Technol.,62,531(1984)结论[3 Tanisho, S, in BioHydrogen, ed, O. RZaborsky, Hydrogenproduction by Facultative对H2生产来说,从葡萄糖得到的氢产量,通Anaerobe Enterobacter aerogenes, plenum press, p过使用有氢化酶的需氧或厌氧细菌将提高至273-279,199810mol-H1/mol-CH1O。为了获得这个最高产4] Rachman,M.A, Nkashimada,nY, Makizono,T量,应当使用诸如氧这类具有高氧化还原电势的and Nishio, N., Hydrogen production with high电子受体,抑制电子迁移链的NADH脱氢酶络合cells of Enterobacter aerogenes in a packed-bed re-物,但在电子迁移链上要有酶络合物来重新氧化pI. Microbiol BiFADH2以保持TCA循环。1998在反应体系上最好采用连续式流程,使用偏[5] Kumar,N. and Das,D., Enhancement of hydrogen菱型反应器以获得较高的H2产量。production by Enterobacter cloacae T- BT 08TH中国煤化工589-593,1999CNMHG第2期杨运嘉等:生物质细菌制氬hydrogen production from biomasses by bacteria fermentationYANG Yun-jia, HU Zhi-hua( Energy and Environment Institute, Yunnan Normal University, Kunming 650092)ABSTRACT Enterobacter was immobilized on lignocellulosic material such as rice(beet dregs and coir etc. as solid matrices with adsorption technique the production of hydrogen by fermentation were discussed in this paper. For obtaining maximal yield of hydrogen how to make glycolysis toproduce large amount of Nadh at TCa cycle and also to reoxidize FADH2 through electron transportchain by oxygen or other electron acceptors were chief introduced. This method is effective to the facultive anaerobic bacteria or aerobic bacteria with hydrogenaseKEY WORDS Hydrogen production; fermentation; Enterobacter: TCA cycle; electron transport chain;inhibition中国煤化工CNMHG