论文部分内容阅读
一、前言
氢气作为一种新型的清洁能源和工业原料，近年来市场需求量不断增加。水电解制氢，碳水化合物蒸汽重整制氢和自动热化学制氢是众所周知的氢气生产方法，但是由于这些方法对于高消耗的生产条件要求使得它们显得并不廉价。从成本角度来看，生物制氢的方法已经很大程度上超越了这些化学方法。大部分的生物产氢过程都是运用藻类细菌的水光解作用，有机垃圾的暗发酵和光合发酵，通过细菌在糖类的作用下进行的。有序的暗-光反应发酵过程似乎是一种生物制氢的新尝试。暗-光反应发酵制氢最大的一个问题就是原材料的消耗。高糖类、低氮固体垃圾，例如含有纤维素、淀粉的农业以及食品工业垃圾和一些食品工业废水，乳清干酪，橄榄壳，贝克酵母的工业废水，它们在处理垃圾的同时进行氢气生产。本文总结了由垃圾材料进行生物产氢的方法。而且本文还会涉及到一些有潜力的垃圾材料，生物加工过程策略，微生物培养，同时讲解生物制氢反应过程和近来发展的情况。
由于全世界对能源的需求量不断的增加，化石燃料的储存量不断降低，而且化石燃料燃烧产出的二氧化碳对环境还有很多负面影响。基于以上这些原因，很多专家都在致力于研究用来替代化石燃料的可持续能源。氢气被看作是已被发现的可替代能源和未来的能源携带者。氢气作为一种没有二氧化碳排放的清洁能源，同时可以用于燃料电池发电。与其他能源相比，氢能源能够产出高达每克122KJ的能量，它是碳氢化合物电池的2.75倍。但是氢气作为能源使用的最大问题是在自然界中的不可存取性和对于低成本生产方法的寻找。
到目前为止，人们对于氢气的需求也不仅仅只是局限于把氢气作为能源使用。氢气还可以作为原料被广泛应用于化学生产当中，例如，在食品工业当中利用氢气对脂肪和油进行的反应，电子设备的制造，钢铁生产过程和脱硫过程，炼油企业的汽油重新配制。根据近几年的报告数据显示，每年全世界的氢能源交易量已经达到了5000万吨，到现在为止以每年10%的增长额度不断扩大。根据美国国家氢能源机构报告，氢能源在能源市场的占有率将在2025年达到8%---10%。并且根据美国能源组织的报告（US---DOE)，在2040年氢能源的驱动和运输系统将在全美国范围内使用。由于对氢能源需求量的增长，对于如何寻找一个廉价的，有益的氢能源生产技术在这些年得到了广泛关注。
二、氢气生产方法
图1 产氢发酵设备
传统的氢能源生产方法是甲烷蒸汽重整（SRM）和其他碳氢化合物蒸汽重整（SRH），化石燃料非催化部分的氧化反应（POX）和自动热化学重整，自动热化学重整是SRM和POX技术的合并技术。这些方法都是耗能过程，需要温度高达850℃以上。而且，这些方法还需要进行脱氢处理，现有的脱氢方法主要有甲烷氧化和氧化脱氢。
生物质和水能够作为可再生能源用于个别化学方法的氢气生产当中。广泛多样的（气状的，液状的，固态的）碳质垃圾可以作为可再生原料应用于蒸汽重整的氢气合成当中，其中低价垃圾材料的寻找和高温需求（T=1200℃）仍然是整个过程的最大限制。水电解制氢可能是现在最干净的氢气生产技术。但是，电解过程需要有地区适用性，当地的电价一定要便宜，因为电消耗成本占到了整个制氢成本的80%。另一方面制氢用的水一定要经过软化，以避免电极上出现沉淀物以及腐蚀。
根据当今世界有关能源可持续发展以及垃圾排量最小化的规定，由于生物制氢技术是从可再生资源产生的，所以这些年来，它被很多人作为“绿色技术”得到了广泛的重视。生物制氢能够通过厌氧的、可以进行光合作用的微生物运用富含高糖分、无毒害的原材料反应进行实现。在厌氧条件下，氢气被作为一种副产物在有机垃圾转化成有机酸的反应中产出，有机酸在后面还会被作为生产甲烷的原材料。垃圾在细菌厌氧消化作用下引起的酸化过程当中能够通过操作提高氢气的产量。光合作用的过程包括藻类应用二氧化碳和水进行氢气的生产。一些光合异养细菌应用有机酸（比如醋酸，乳酸，丁酸）产出氢气和二氧化碳。生物制氢的优势就是氢气的高产量和消耗有机垃圾。但是，氢气生产率还是比较低，所以需要进一步发展。
图2带有沉降槽，活性槽的发酵制氢设备实体
生物制氢在清洁能源生产的同时，对垃圾材料进行合理的应用对于制氢技术来讲是一个新颖的，前景光明的能源生产模式，在当今对能源需求量的不断增加和取代石化燃料创造绿色环境的大背景下意义重大。在上面这些事实的基础上，下面着重关注高糖分垃圾作为原材料进行制氢的潜力，微生物的培养，生物生产过程，和近些年在生物制氢方面的发展。
三、垃圾材料的种类
在进行垃圾材料制氢的时候，对于原料的选择标准主要以垃圾的可提供性，低成本，富含糖分，并且能够进行生物降解为主。如葡萄糖，蔗糖，乳糖这样的单糖是比较容易降解的，并且很适合作为产氢反应的底物。但是，纯净的糖类原料对于生物制氢来讲是非常贵的。下面将总结能够用于生物产氢的垃圾种类。
在进行垃圾材料制氢的时候，对于原料的选择标准主要以垃圾的可提供性，低成本，富含糖分，并且能够进行生物降解为主。如葡萄糖，蔗糖，乳糖这样的单糖是比较容易降解的，并且很适合作为产氢反应的底物。但是，纯净的糖类原料对于生物制氢来讲是非常贵的。下面将总结能够用于生物产氢的垃圾种类。
3.1包含淀粉和纤维素的农业或食品行业垃圾
很多农业以及食品加工行业的垃圾都包含淀粉和纤维素（他们是多糖聚合体）。这些垃圾的复杂性质对生物降解性的影响是不利的。其中包含淀粉的固体垃圾可以很容易的进行糖类和氢气的合成。淀粉可以被酸或者酶（通过多糖产生有机酸然后产生氢气）进行降解(酶解）从而产生葡萄糖和麦芽糖，最终生成氢气。包含纤维素的农业废弃垃圾要求更多的预处理。农业垃圾首先要粉磨，然后通过机械的或是化学的方法在发酵前进行脱木素处理。这些包含纤维素和半纤维素的垃圾能够通过水解产生多糖（在后面的过程中产生有机酸和氢气）。根据报告显示木质素材料和农业垃圾的水解酶化过程之间有一个可逆的关系。
图3：上面的原理描述图是绘制通过暗发酵和光合发酵两个阶段对含有淀粉，纤维素的农业垃圾进行生物产氢的过程。
3.2含糖的工业废水
一些含有糖分，可进行生物降解的，无毒的工业废水（比如日化工业，橄榄加工厂，贝克酵母和啤酒厂废水）能够作为进行生物制氢的原材料。这些废水都要进行预处理来去除不符合要求的物质，并且保持营养成分均衡。糖分较多的食品工业废水可能需要更多的预处理来将糖分转化为有机酸，然后通过正确的处理技术进行生物产氢。图3显示了食品工业废水通过暗发酵以及光合发酵两个阶段进行生物产氢的过程。
3.3 污水处理厂的废弃污泥
污水处理厂产生的废弃污泥包含大量的糖分以及蛋白质（它们能够用于能源生产，比如甲烷和氢气）。过量污泥的暗发酵酸解可以通过两个步骤实现。第一步，有机物能够转化成为有机酸（引起酸化的过程），第二步，有机酸通过光合异养细菌的作用产生氢气。
3.4 生物过程的氢气生产
生物制氢的主要过程分为3个类型：
1.藻类对水的生物光解
2.氢气生产的暗发酵（在有机物暗发酵酸解的引起酸化的过程中）
3.暗发酵和光合发酵产氢的两个阶段。
计算氢气生产率的相关公式：
标注： H:累积氢气产量，在培养时间 t，
P：氢气生产潜力9(ML）
Rm:最大氢气生产率（mL H2/hr)
K:底物消耗率（g 底物/hr)
Kmax:最大比生长率（g 底物/g 挥发性悬浮物/hr)
Ks：半饱和常数（g/L)
S: 底物浓度（g/L)
四、生物制氢的光合反应器
大部分类型的光合制氢生物反应器都是管流式的，平板的鼓泡床反应器。Akkerman深入的观察并且研究了这种反应器的特点，而这种反应器最重要的特点在于它的光化学效能，最大耗热量只有10%，这在氢气生产当中是被高度强调的。高强度光照将导致较低的光转化产量，但是却能提高氢气生产率。同时，过量的光照将会导致光抑制，从而引起氢气产率的降低。突变的光合作用细菌已经被开发并用于光转化效能，同时提高了氢气产率。尽管在使用突变类型细菌进行制氢的氢气产量和生产率的提高已经得到了测试，光转化效能在6%左右，但是仍然低于理论值。El-Shishtawy通过观察得到的结论是经过使用光引导散射光合生化反应器（IDPBR)，光照强度为300W/m2，光转化效能提高到了9.23%。培养皿的宽度很大程度上影响了氢气产量，1cm宽度的培养皿能够达到7577mL H2/m2 h或者50nL/L培养液h的氢气产率。同样的情况，Nakada使用了由4个间格封存箱沿着光线贯穿轴线性排列的光合生物反应器，这个反应器的光氢转化效能随着反应器深度的增加而增加，当深度达到1cm的时候，转化效能达到最高。
当使用太阳光进行光氢转化生产时，光氢转化效能在上午的时候会降低，因为光照达到了1kW/m2的高强度。另外，在高强度光照的中午以后出现了2到4小时最大氢气产率（3.4L H2/m2 h)的延时，平均光氢转化效能是1.4%。Wakayama开发了带有遮光板的光合生化反应器系统，用于提高太阳光产氢效能。使用带有遮光板的生化反应器时，我们观察到在上午日光强度超过了0.8kW/m2的时候，光氢转化效能为3.5%，而没有使用遮光板的生化反应器中我们观察到了光阻达到了0.4kW/m2.
另外一个重要的，需要被控制的生化反应器的参数就是混合。氩气是一般通用的用于混合的气体，并且在生化反应器中提供厌氧环境，尽管使用氩气并不划算。通过观察我们发现在气动搅拌式光合生化反应器中持续使用氩气喷射将会导致Rhodopseudomonas细菌的繁殖受到抑制，原因是CO2的流失，因为CO2的重复循环能够为细菌提供一个好的生长环境。由Degen公司开发了新型的平板气升式光合生物反应器带有遮光罩，安装了遮光罩以后能够提供更好的混合并且降低光的穿透率，从而能够很大程度上提高生物质的产出。尽管这个光合生化反应器以前被用于Chlorella vulgaris细菌的培养，但是它也能被用于氢气的生产。
Tredici型多管式光合生化反应器是用于螺旋藻在有光或者无光的条件下进行产氢的反应器。管式反应器是用多个平行透明的装有水的管子组成。这个系统是倾斜放置的，带有10%到30%的斜坡，从而允许气泡的上升。由Modigell开发了改造式的管式反应器，它被作为户外生物反应器的模块使用。户外的测试产氢数据显示，通过乳酸反应的产氢量达到了2L/m2 h，伴随2%的光氢转化效率。
图4：各种光合发酵产氢设备
图解：（a)回流式光合生化制氢器：（1）膜气泵，（2）收集产出气体的气囊，（3）2个一升的压力容器，（4）压力阀，（5）质量流量控制器,(6)冷凝器，（7）PH/氧化还原电极
（b)平板气升式光合反应器
（c)多管式光合生化反应器
（d)模块化户外光合生化反应器
五、有序的暗-光发酵进行产氢
有序的暗-光发酵是现在生物产氢的最新方法。所以我们得到的有序暗-光发酵产氢的数据较少。表7集中了有序暗-光合并发酵产氢的数据。有序产氢系统有一些优势要比单一的暗发酵或者光发酵强。在暗发酵废水产氢过程中产出的大量有机酸可以提供给光发酵产氢系统。所以光发酵过程中因为有机酸的限制导致了产氢量限制的问题将被消除。当将暗、光两种发酵系统合并以后，产氢量将会大大提高。光合发酵细菌在后面对有机酸的应用将会以COD（化学需氧量 ）的形式提高废水质量。但是，这个系统需要很好的控制，从而为这个过程的两种微生物成分提供一个优化了的媒介组分和环境条件。而且在厌氧发酵废水中的氨浓度和C/N比例对光合发酵细菌将不会达到阻抑水平。光合发酵在调整有机酸浓度和为达到优化光合发酵细菌执行效果使PH浓度达到7以前，对暗发酵废水进行稀释和中和是必须的。
图5：有序暗-光两阶段厌氧发酵产氢反应器
那么如何在同一阶段通过暗发酵细菌和光合发酵细菌共存培养来进行生物产氢是我们现在要学习的。Yokoi进行了使用C.butryricum 和 Rhodobacter sp 两种细菌共存培养得到了氢气产量为4.5mol/mol葡萄糖，和单一暗发酵的1.9mol/mol葡萄糖及淀粉的有序两阶段发酵的3.7mol/mol葡萄糖相比，产量高出很多。相同的是，在使用不同底物的情况下，通过R.marinum细菌和V.fluvialis细菌共存培养得到的氢产量比使用单一R.marinum细菌高出很多。和有序两阶段发酵的45%产率相比，通过Lactobacillus amylovous和R.marinum两种细菌共存培养，并且使用淀粉累积藻类，合并发酵和产氢两个步骤的产氢量高达60%，但是产氢率较低。另外，混合发酵时PH值保持在7，被认为是优于有序两步骤发酵产氢的一个优势。但是，因为有机酸产出/消耗率的差异，所以导致了潜在的有机酸累积，从而降低了光的穿透率，因为悬浮固体是在混合发酵过程中最大的问题。
六、结论
和碳氢化合物燃料相比，氢气被认为是未来能源，因为氢气是一种洁净的，并且带有高能量的能源。和化石燃料，石油，天然气，生物质能源不同的是，氢气在自然界中不是很容易得到的。所以，我们需要进一步发展新的低成本氢气生工艺。化学方法中的碳氢化合物蒸汽重整，高温条件下化石燃料的局部氧化，都是高耗能，高成本的制氢方法。生物方法提供了一个完全不同，并且很有优势的制氢方法，比如在温和条件下运行和特定的转化。但是，原材料消耗是制约生物制氢的最大问题。运用一些富含糖类，淀粉和纤维素的固体垃圾，或者一些食品工业废水作为生物制氢的原料是非常有吸引力的。
物制氢方法：
A.光合作用藻类水分解
B.高糖份垃圾暗发酵
C.富含有机酸废水光合发酵
藻类产氢显得非常慢，并且要求太阳光照，而且受到氧气的限制。在暗发酵过程中，氢气作为一种副产物在有机垃圾引起酸化的厌氧消化酸解的阶段产生。暗发酵产氢的产量低，产率慢。高糖类垃圾在暗发酵过程中产出的有机酸，能够通过光合作用细菌转化成氢气和二氧化碳。这个过程需要特殊的微生物，光照和严格的环境条件控制。有序的或者合并的暗-光发酵制氢生物技术是现在最吸引人的，因为这两种方法从富含糖分的垃圾中所获得的氢产量高。
从垃圾中进行生物制氢的最大问题是低产率和产出氢气的形成。大容积的反应器被要求用于生物产氢过程中，因为生物产氢的产率较低。通过选用更有效的微生物或者混合培养，发展更有效的生产方案，优化环境条件，提高光利用效能，发展更有效的光合生物反应器都是克服氢气的低产量和低产率的有效方法。为了提高氢气的生产能力，鉴于氧气和氨-氮气对生物制氢的阻抑，微生物培养和氢气产出这两个步骤需要被分开。
氢气作为一种新型的清洁能源和工业原料，近年来市场需求量不断增加。水电解制氢，碳水化合物蒸汽重整制氢和自动热化学制氢是众所周知的氢气生产方法，但是由于这些方法对于高消耗的生产条件要求使得它们显得并不廉价。从成本角度来看，生物制氢的方法已经很大程度上超越了这些化学方法。大部分的生物产氢过程都是运用藻类细菌的水光解作用，有机垃圾的暗发酵和光合发酵，通过细菌在糖类的作用下进行的。有序的暗-光反应发酵过程似乎是一种生物制氢的新尝试。暗-光反应发酵制氢最大的一个问题就是原材料的消耗。高糖类、低氮固体垃圾，例如含有纤维素、淀粉的农业以及食品工业垃圾和一些食品工业废水，乳清干酪，橄榄壳，贝克酵母的工业废水，它们在处理垃圾的同时进行氢气生产。本文总结了由垃圾材料进行生物产氢的方法。而且本文还会涉及到一些有潜力的垃圾材料，生物加工过程策略，微生物培养，同时讲解生物制氢反应过程和近来发展的情况。
由于全世界对能源的需求量不断的增加，化石燃料的储存量不断降低，而且化石燃料燃烧产出的二氧化碳对环境还有很多负面影响。基于以上这些原因，很多专家都在致力于研究用来替代化石燃料的可持续能源。氢气被看作是已被发现的可替代能源和未来的能源携带者。氢气作为一种没有二氧化碳排放的清洁能源，同时可以用于燃料电池发电。与其他能源相比，氢能源能够产出高达每克122KJ的能量，它是碳氢化合物电池的2.75倍。但是氢气作为能源使用的最大问题是在自然界中的不可存取性和对于低成本生产方法的寻找。
到目前为止，人们对于氢气的需求也不仅仅只是局限于把氢气作为能源使用。氢气还可以作为原料被广泛应用于化学生产当中，例如，在食品工业当中利用氢气对脂肪和油进行的反应，电子设备的制造，钢铁生产过程和脱硫过程，炼油企业的汽油重新配制。根据近几年的报告数据显示，每年全世界的氢能源交易量已经达到了5000万吨，到现在为止以每年10%的增长额度不断扩大。根据美国国家氢能源机构报告，氢能源在能源市场的占有率将在2025年达到8%---10%。并且根据美国能源组织的报告（US---DOE)，在2040年氢能源的驱动和运输系统将在全美国范围内使用。由于对氢能源需求量的增长，对于如何寻找一个廉价的，有益的氢能源生产技术在这些年得到了广泛关注。
二、氢气生产方法
图1 产氢发酵设备
传统的氢能源生产方法是甲烷蒸汽重整（SRM）和其他碳氢化合物蒸汽重整（SRH），化石燃料非催化部分的氧化反应（POX）和自动热化学重整，自动热化学重整是SRM和POX技术的合并技术。这些方法都是耗能过程，需要温度高达850℃以上。而且，这些方法还需要进行脱氢处理，现有的脱氢方法主要有甲烷氧化和氧化脱氢。
生物质和水能够作为可再生能源用于个别化学方法的氢气生产当中。广泛多样的（气状的，液状的，固态的）碳质垃圾可以作为可再生原料应用于蒸汽重整的氢气合成当中，其中低价垃圾材料的寻找和高温需求（T=1200℃）仍然是整个过程的最大限制。水电解制氢可能是现在最干净的氢气生产技术。但是，电解过程需要有地区适用性，当地的电价一定要便宜，因为电消耗成本占到了整个制氢成本的80%。另一方面制氢用的水一定要经过软化，以避免电极上出现沉淀物以及腐蚀。
根据当今世界有关能源可持续发展以及垃圾排量最小化的规定，由于生物制氢技术是从可再生资源产生的，所以这些年来，它被很多人作为“绿色技术”得到了广泛的重视。生物制氢能够通过厌氧的、可以进行光合作用的微生物运用富含高糖分、无毒害的原材料反应进行实现。在厌氧条件下，氢气被作为一种副产物在有机垃圾转化成有机酸的反应中产出，有机酸在后面还会被作为生产甲烷的原材料。垃圾在细菌厌氧消化作用下引起的酸化过程当中能够通过操作提高氢气的产量。光合作用的过程包括藻类应用二氧化碳和水进行氢气的生产。一些光合异养细菌应用有机酸（比如醋酸，乳酸，丁酸）产出氢气和二氧化碳。生物制氢的优势就是氢气的高产量和消耗有机垃圾。但是，氢气生产率还是比较低，所以需要进一步发展。
图2带有沉降槽，活性槽的发酵制氢设备实体
生物制氢在清洁能源生产的同时，对垃圾材料进行合理的应用对于制氢技术来讲是一个新颖的，前景光明的能源生产模式，在当今对能源需求量的不断增加和取代石化燃料创造绿色环境的大背景下意义重大。在上面这些事实的基础上，下面着重关注高糖分垃圾作为原材料进行制氢的潜力，微生物的培养，生物生产过程，和近些年在生物制氢方面的发展。
三、垃圾材料的种类
在进行垃圾材料制氢的时候，对于原料的选择标准主要以垃圾的可提供性，低成本，富含糖分，并且能够进行生物降解为主。如葡萄糖，蔗糖，乳糖这样的单糖是比较容易降解的，并且很适合作为产氢反应的底物。但是，纯净的糖类原料对于生物制氢来讲是非常贵的。下面将总结能够用于生物产氢的垃圾种类。
在进行垃圾材料制氢的时候，对于原料的选择标准主要以垃圾的可提供性，低成本，富含糖分，并且能够进行生物降解为主。如葡萄糖，蔗糖，乳糖这样的单糖是比较容易降解的，并且很适合作为产氢反应的底物。但是，纯净的糖类原料对于生物制氢来讲是非常贵的。下面将总结能够用于生物产氢的垃圾种类。
3.1包含淀粉和纤维素的农业或食品行业垃圾
很多农业以及食品加工行业的垃圾都包含淀粉和纤维素（他们是多糖聚合体）。这些垃圾的复杂性质对生物降解性的影响是不利的。其中包含淀粉的固体垃圾可以很容易的进行糖类和氢气的合成。淀粉可以被酸或者酶（通过多糖产生有机酸然后产生氢气）进行降解(酶解）从而产生葡萄糖和麦芽糖，最终生成氢气。包含纤维素的农业废弃垃圾要求更多的预处理。农业垃圾首先要粉磨，然后通过机械的或是化学的方法在发酵前进行脱木素处理。这些包含纤维素和半纤维素的垃圾能够通过水解产生多糖（在后面的过程中产生有机酸和氢气）。根据报告显示木质素材料和农业垃圾的水解酶化过程之间有一个可逆的关系。
图3：上面的原理描述图是绘制通过暗发酵和光合发酵两个阶段对含有淀粉，纤维素的农业垃圾进行生物产氢的过程。
3.2含糖的工业废水
一些含有糖分，可进行生物降解的，无毒的工业废水（比如日化工业，橄榄加工厂，贝克酵母和啤酒厂废水）能够作为进行生物制氢的原材料。这些废水都要进行预处理来去除不符合要求的物质，并且保持营养成分均衡。糖分较多的食品工业废水可能需要更多的预处理来将糖分转化为有机酸，然后通过正确的处理技术进行生物产氢。图3显示了食品工业废水通过暗发酵以及光合发酵两个阶段进行生物产氢的过程。
3.3 污水处理厂的废弃污泥
污水处理厂产生的废弃污泥包含大量的糖分以及蛋白质（它们能够用于能源生产，比如甲烷和氢气）。过量污泥的暗发酵酸解可以通过两个步骤实现。第一步，有机物能够转化成为有机酸（引起酸化的过程），第二步，有机酸通过光合异养细菌的作用产生氢气。
3.4 生物过程的氢气生产
生物制氢的主要过程分为3个类型：
1.藻类对水的生物光解
2.氢气生产的暗发酵（在有机物暗发酵酸解的引起酸化的过程中）
3.暗发酵和光合发酵产氢的两个阶段。
计算氢气生产率的相关公式：
标注： H:累积氢气产量，在培养时间 t，
P：氢气生产潜力9(ML）
Rm:最大氢气生产率（mL H2/hr)
K:底物消耗率（g 底物/hr)
Kmax:最大比生长率（g 底物/g 挥发性悬浮物/hr)
Ks：半饱和常数（g/L)
S: 底物浓度（g/L)
四、生物制氢的光合反应器
大部分类型的光合制氢生物反应器都是管流式的，平板的鼓泡床反应器。Akkerman深入的观察并且研究了这种反应器的特点，而这种反应器最重要的特点在于它的光化学效能，最大耗热量只有10%，这在氢气生产当中是被高度强调的。高强度光照将导致较低的光转化产量，但是却能提高氢气生产率。同时，过量的光照将会导致光抑制，从而引起氢气产率的降低。突变的光合作用细菌已经被开发并用于光转化效能，同时提高了氢气产率。尽管在使用突变类型细菌进行制氢的氢气产量和生产率的提高已经得到了测试，光转化效能在6%左右，但是仍然低于理论值。El-Shishtawy通过观察得到的结论是经过使用光引导散射光合生化反应器（IDPBR)，光照强度为300W/m2，光转化效能提高到了9.23%。培养皿的宽度很大程度上影响了氢气产量，1cm宽度的培养皿能够达到7577mL H2/m2 h或者50nL/L培养液h的氢气产率。同样的情况，Nakada使用了由4个间格封存箱沿着光线贯穿轴线性排列的光合生物反应器，这个反应器的光氢转化效能随着反应器深度的增加而增加，当深度达到1cm的时候，转化效能达到最高。
当使用太阳光进行光氢转化生产时，光氢转化效能在上午的时候会降低，因为光照达到了1kW/m2的高强度。另外，在高强度光照的中午以后出现了2到4小时最大氢气产率（3.4L H2/m2 h)的延时，平均光氢转化效能是1.4%。Wakayama开发了带有遮光板的光合生化反应器系统，用于提高太阳光产氢效能。使用带有遮光板的生化反应器时，我们观察到在上午日光强度超过了0.8kW/m2的时候，光氢转化效能为3.5%，而没有使用遮光板的生化反应器中我们观察到了光阻达到了0.4kW/m2.
另外一个重要的，需要被控制的生化反应器的参数就是混合。氩气是一般通用的用于混合的气体，并且在生化反应器中提供厌氧环境，尽管使用氩气并不划算。通过观察我们发现在气动搅拌式光合生化反应器中持续使用氩气喷射将会导致Rhodopseudomonas细菌的繁殖受到抑制，原因是CO2的流失，因为CO2的重复循环能够为细菌提供一个好的生长环境。由Degen公司开发了新型的平板气升式光合生物反应器带有遮光罩，安装了遮光罩以后能够提供更好的混合并且降低光的穿透率，从而能够很大程度上提高生物质的产出。尽管这个光合生化反应器以前被用于Chlorella vulgaris细菌的培养，但是它也能被用于氢气的生产。
Tredici型多管式光合生化反应器是用于螺旋藻在有光或者无光的条件下进行产氢的反应器。管式反应器是用多个平行透明的装有水的管子组成。这个系统是倾斜放置的，带有10%到30%的斜坡，从而允许气泡的上升。由Modigell开发了改造式的管式反应器，它被作为户外生物反应器的模块使用。户外的测试产氢数据显示，通过乳酸反应的产氢量达到了2L/m2 h，伴随2%的光氢转化效率。
图4：各种光合发酵产氢设备
图解：（a)回流式光合生化制氢器：（1）膜气泵，（2）收集产出气体的气囊，（3）2个一升的压力容器，（4）压力阀，（5）质量流量控制器,(6)冷凝器，（7）PH/氧化还原电极
（b)平板气升式光合反应器
（c)多管式光合生化反应器
（d)模块化户外光合生化反应器
五、有序的暗-光发酵进行产氢
有序的暗-光发酵是现在生物产氢的最新方法。所以我们得到的有序暗-光发酵产氢的数据较少。表7集中了有序暗-光合并发酵产氢的数据。有序产氢系统有一些优势要比单一的暗发酵或者光发酵强。在暗发酵废水产氢过程中产出的大量有机酸可以提供给光发酵产氢系统。所以光发酵过程中因为有机酸的限制导致了产氢量限制的问题将被消除。当将暗、光两种发酵系统合并以后，产氢量将会大大提高。光合发酵细菌在后面对有机酸的应用将会以COD（化学需氧量 ）的形式提高废水质量。但是，这个系统需要很好的控制，从而为这个过程的两种微生物成分提供一个优化了的媒介组分和环境条件。而且在厌氧发酵废水中的氨浓度和C/N比例对光合发酵细菌将不会达到阻抑水平。光合发酵在调整有机酸浓度和为达到优化光合发酵细菌执行效果使PH浓度达到7以前，对暗发酵废水进行稀释和中和是必须的。
图5：有序暗-光两阶段厌氧发酵产氢反应器
那么如何在同一阶段通过暗发酵细菌和光合发酵细菌共存培养来进行生物产氢是我们现在要学习的。Yokoi进行了使用C.butryricum 和 Rhodobacter sp 两种细菌共存培养得到了氢气产量为4.5mol/mol葡萄糖，和单一暗发酵的1.9mol/mol葡萄糖及淀粉的有序两阶段发酵的3.7mol/mol葡萄糖相比，产量高出很多。相同的是，在使用不同底物的情况下，通过R.marinum细菌和V.fluvialis细菌共存培养得到的氢产量比使用单一R.marinum细菌高出很多。和有序两阶段发酵的45%产率相比，通过Lactobacillus amylovous和R.marinum两种细菌共存培养，并且使用淀粉累积藻类，合并发酵和产氢两个步骤的产氢量高达60%，但是产氢率较低。另外，混合发酵时PH值保持在7，被认为是优于有序两步骤发酵产氢的一个优势。但是，因为有机酸产出/消耗率的差异，所以导致了潜在的有机酸累积，从而降低了光的穿透率，因为悬浮固体是在混合发酵过程中最大的问题。
六、结论
和碳氢化合物燃料相比，氢气被认为是未来能源，因为氢气是一种洁净的，并且带有高能量的能源。和化石燃料，石油，天然气，生物质能源不同的是，氢气在自然界中不是很容易得到的。所以，我们需要进一步发展新的低成本氢气生工艺。化学方法中的碳氢化合物蒸汽重整，高温条件下化石燃料的局部氧化，都是高耗能，高成本的制氢方法。生物方法提供了一个完全不同，并且很有优势的制氢方法，比如在温和条件下运行和特定的转化。但是，原材料消耗是制约生物制氢的最大问题。运用一些富含糖类，淀粉和纤维素的固体垃圾，或者一些食品工业废水作为生物制氢的原料是非常有吸引力的。
物制氢方法：
A.光合作用藻类水分解
B.高糖份垃圾暗发酵
C.富含有机酸废水光合发酵
藻类产氢显得非常慢，并且要求太阳光照，而且受到氧气的限制。在暗发酵过程中，氢气作为一种副产物在有机垃圾引起酸化的厌氧消化酸解的阶段产生。暗发酵产氢的产量低，产率慢。高糖类垃圾在暗发酵过程中产出的有机酸，能够通过光合作用细菌转化成氢气和二氧化碳。这个过程需要特殊的微生物，光照和严格的环境条件控制。有序的或者合并的暗-光发酵制氢生物技术是现在最吸引人的，因为这两种方法从富含糖分的垃圾中所获得的氢产量高。
从垃圾中进行生物制氢的最大问题是低产率和产出氢气的形成。大容积的反应器被要求用于生物产氢过程中，因为生物产氢的产率较低。通过选用更有效的微生物或者混合培养，发展更有效的生产方案，优化环境条件，提高光利用效能，发展更有效的光合生物反应器都是克服氢气的低产量和低产率的有效方法。为了提高氢气的生产能力，鉴于氧气和氨-氮气对生物制氢的阻抑，微生物培养和氢气产出这两个步骤需要被分开。