天津工生所发明生物质制氢的高效节能新途径

　　近日，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员张以恒及其在美国的同事利用无细胞合成生物学的方法，将玉米秸秆中的葡萄糖和木糖转变成氢气和二氧化碳，创造了生物质制氢的高效节能新途径。该研究目前已获得一项美国ZL（US Patent 8，211，861），相关成果发表在4月6日出版的《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

　　能源是国家发展的重大战略问题，能源安全是国家安全的重要组成部分。“煤经济”与“石油经济”有力地促进了人类经济社会的大发展，然而由此而带来的环境污染、能源危机、资源危机以及气候变化，使得目前世界各国比以往任何时候都更清醒地意识到寻找清洁可再生能源的迫切性。氢能以其高效、清洁、可持续、用途广等优点成为最有希望的替代能源之一，发展氢经济已被认为是21世纪世界经济新的转折点。

　　氢经济可能为人类提供一个能源高效利用和接近零污染的未来。丰田汽车和现代汽车今年已经开始销售氢燃料电池汽车。然而，目前绝大多数的氢是利用化石燃料（如天然气和煤炭）进行生产，导致二氧化碳等温室气体的大量排放，环境污染非常严重；另外，高温和高压的反应器需要昂贵的资金投入，利用化石燃料产大规模氢是目前的唯一选择。但是，氢的存储和运输限制导致氢汽车用户必须花高价购买氢能，而小型分布式产氢成本居高不下。虽然很多人提出了一些生产小型分布式、碳中性产氢的方法，如水电解、太阳能分解水等，但由于电力价格较高（超过0.35元每度电），通过水电解获得氢能生产成本很高，无法实现大规模生产；而太阳能分解水获取氢能源的反应速度太慢，能源效率太低。因此，考虑到产品收率、分离成本和反应速度、生产成本和设备投资等因素，目前尚未有切实可行的解决方案。

　　植物利用太阳光固定空气中的CO2生成生物质，这是地球上最丰富易得的可再生资源，比煤炭、石油、天然气等化石燃料储量更大。利用便宜且分布广泛的生物质生产氢气是一个极有吸引力的替代方案。生物质制氢作为一种低成本、低能耗的绿色能源生产技术，可以结合有机废水、废物处理和清洁能源生产而成为发展氢经济颇具前景的支撑技术之一。当前，生物质制氢技术可以分为两类，一类是以生物质为原料利用热物理化学方法制取氢气，如生物质气化制氢、超临界转化制氢、高温分解制氢等热化学法制氢，以及基于生物质的甲烷、甲醇、乙醇的化学重整转化制氢等；另一类是利用生物转化途径转换制氢，包括直接生物光解、间接生物光解、光发酵、光合异养细菌水气转移反应合成氢气、暗发酵和微生物燃料电池等技术。但是目前生物质制氢方法的得氢率太低，阻碍着制氢技术的发展和应用。

　　八年多来，张以恒和他的团队一直致力于生物质产氢的研究。他们利用无细胞合成生物学的方法，通过使用由超过15种酶组成的人工生物反应系统，将玉米秸秆中葡萄糖和木糖转变成氢气。实验显示，这一反应在大约50-60oC和1atm的条件下即可发生。人工生物反应系统的工业化要同时满足生物制造的三个要求：浓度、速度和得率。张以恒及其团队取得了三个技术突破：首先，使用酶混合物代替微生物，超越自然界微生物产氢的限制，氢得率提高3倍；其次，通过数学建模优化酶的比例，氢生成速率提升67倍，达到54mmol/L/h，这个数据意味着该制氢体系的反应速率足够快，适合于工业生产，是目前最快的光生物反应器的15倍；再次，人工生物反应系统可以同时利用葡萄糖和木糖，不需要在微生物中进行复杂的碳通量调节。

　　相较于目前的产氢方法，人工生物反应系统制氢技术还具有以下明显的优势：碳中性，植物从空气中固定的二氧化碳又回到空气中，空气中碳不增加；能量转换效率高，化学能转换效率超过100%；产出的氢气纯度高，生产过程没有一氧化碳产出；便于实现小型化分布式产氢，生产成本低；可利用广泛易得的碳水化合物作为高能储氢载体，基础设备投资低；可以实现即产即用，安全性高；利用农业废弃物生物质，为地方创造绿色就业机会，实现工农业协同发展。这种新的生物制造方法有可能成为绿色氢能生产的最佳解决方案。

　　实现高纯度氢的低污染、低成本、高效率生产，是氢能源大规模工业化应用的关键。天津工生所未来的氢能研究将更加聚焦于集成创新，结合酶的低成本生产、酶工程提高系统稳定性和氢能的终端应用，为实现氢能的制备利用扫除技术障碍。而这一目标一旦实现，有可能对我国乃至世界能源工业的发展产生重大影响。

人工生物反应系统催化生物质转化为氢气的路径