近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員張以恒及其在美國的同事利用無細(xì)胞合成生物學(xué)的方法，將玉米秸稈中的葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)變成氫氣和二氧化碳，創(chuàng)造了生物質(zhì)制氫的高效節(jié)能新途徑。該研究目前已獲得一項(xiàng)美國專利（US Patent 8，211，861），相關(guān)成果發(fā)表在4月6日出版的《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）雜志上。

　　能源是國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題，能源安全是國家安全的重要組成部分。“煤經(jīng)濟(jì)”與“石油經(jīng)濟(jì)”有力地促進(jìn)了人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的大發(fā)展，然而由此而帶來的環(huán)境污染、能源危機(jī)、資源危機(jī)以及氣候變化，使得目前世界各國比以往任何時(shí)候都更清醒地意識(shí)到尋找清潔可再生能源的迫切性。氫能以其高效、清潔、可持續(xù)、用途廣等優(yōu)點(diǎn)成為最有希望的替代能源之一，發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)已被認(rèn)為是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

　　氫經(jīng)濟(jì)可能為人類提供一個(gè)能源高效利用和接近零污染的未來。豐田汽車和現(xiàn)代汽車今年已經(jīng)開始銷售氫燃料電池汽車。然而，目前絕大多數(shù)的氫是利用化石燃料（如天然氣和煤炭）進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致二氧化碳等溫室氣體的大量排放，環(huán)境污染非常嚴(yán)重；另外，高溫和高壓的反應(yīng)器需要昂貴的資金投入，利用化石燃料產(chǎn)大規(guī)模氫是目前的唯一選擇。但是，氫的存儲(chǔ)和運(yùn)輸限制導(dǎo)致氫汽車用戶必須花高價(jià)購買氫能，而小型分布式產(chǎn)氫成本居高不下。雖然很多人提出了一些生產(chǎn)小型分布式、碳中性產(chǎn)氫的方法，如水電解、太陽能分解水等，但由于電力價(jià)格較高（超過0.35元每度電），通過水電解獲得氫能生產(chǎn)成本很高，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；而太陽能分解水獲取氫能源的反應(yīng)速度太慢，能源效率太低。因此，考慮到產(chǎn)品收率、分離成本和反應(yīng)速度、生產(chǎn)成本和設(shè)備投資等因素，目前尚未有切實(shí)可行的解決方案。

　　植物利用太陽光固定空氣中的CO2生成生物質(zhì)，這是地球上最豐富易得的可再生資源，比煤炭、石油、天然氣等化石燃料儲(chǔ)量更大。利用便宜且分布廣泛的生物質(zhì)生產(chǎn)氫氣是一個(gè)極有吸引力的替代方案。生物質(zhì)制氫作為一種低成本、低能耗的綠色能源生產(chǎn)技術(shù)，可以結(jié)合有機(jī)廢水、廢物處理和清潔能源生產(chǎn)而成為發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)頗具前景的支撐技術(shù)之一。當(dāng)前，生物質(zhì)制氫技術(shù)可以分為兩類，一類是以生物質(zhì)為原料利用熱物理化學(xué)方法制取氫氣，如生物質(zhì)氣化制氫、超臨界轉(zhuǎn)化制氫、高溫分解制氫等熱化學(xué)法制氫，以及基于生物質(zhì)的甲烷、甲醇、乙醇的化學(xué)重整轉(zhuǎn)化制氫等；另一類是利用生物轉(zhuǎn)化途徑轉(zhuǎn)換制氫，包括直接生物光解、間接生物光解、光發(fā)酵、光合異養(yǎng)細(xì)菌水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)合成氫氣、暗發(fā)酵和微生物燃料電池等技術(shù)。但是目前生物質(zhì)制氫方法的得氫率太低，阻礙著制氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

　　八年多來，張以恒和他的團(tuán)隊(duì)一直致力于生物質(zhì)產(chǎn)氫的研究。他們利用無細(xì)胞合成生物學(xué)的方法，通過使用由超過15種酶組成的人工生物反應(yīng)系統(tǒng)，將玉米秸稈中葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)變成氫氣。實(shí)驗(yàn)顯示，這一反應(yīng)在大約50-60oC和1atm的條件下即可發(fā)生。人工生物反應(yīng)系統(tǒng)的工業(yè)化要同時(shí)滿足生物制造的三個(gè)要求：濃度、速度和得率。張以恒及其團(tuán)隊(duì)取得了三個(gè)技術(shù)突破：首先，使用酶混合物代替微生物，超越自然界微生物產(chǎn)氫的限制，氫得率提高3倍；其次，通過數(shù)學(xué)建模優(yōu)化酶的比例，氫生成速率提升67倍，達(dá)到54mmol/L/h，這個(gè)數(shù)據(jù)意味著該制氫體系的反應(yīng)速率足夠快，適合于工業(yè)生產(chǎn)，是目前最快的光生物反應(yīng)器的15倍；再次，人工生物反應(yīng)系統(tǒng)可以同時(shí)利用葡萄糖和木糖，不需要在微生物中進(jìn)行復(fù)雜的碳通量調(diào)節(jié)。

　　相較于目前的產(chǎn)氫方法，人工生物反應(yīng)系統(tǒng)制氫技術(shù)還具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：碳中性，植物從空氣中固定的二氧化碳又回到空氣中，空氣中碳不增加；能量轉(zhuǎn)換效率高，化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率超過100%；產(chǎn)出的氫氣純度高，生產(chǎn)過程沒有一氧化碳產(chǎn)出；便于實(shí)現(xiàn)小型化分布式產(chǎn)氫，生產(chǎn)成本低；可利用廣泛易得的碳水化合物作為高能儲(chǔ)氫載體，基礎(chǔ)設(shè)備投資低；可以實(shí)現(xiàn)即產(chǎn)即用，安全性高；利用農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)，為地方創(chuàng)造綠色就業(yè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)工農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展。這種新的生物制造方法有可能成為綠色氫能生產(chǎn)的最佳解決方案。

　　實(shí)現(xiàn)高純度氫的低污染、低成本、高效率生產(chǎn)，是氫能源大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。天津工生所未來的氫能研究將更加聚焦于集成創(chuàng)新，結(jié)合酶的低成本生產(chǎn)、酶工程提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和氫能的終端應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)氫能的制備利用掃除技術(shù)障礙。而這一目標(biāo)一旦實(shí)現(xiàn)，有可能對(duì)我國乃至世界能源工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。