Hydrogen production from sugar beet juice using an integrated biohydrogen process of dark fermentation and microbial electrolysis cell

采用暗發酵和微生物電解池集成生物氫工藝從甜菜汁中制氫

來源：Bioresource Technology

 

一、摘要內容

摘要指出，研究評估了一種集成的暗發酵和微生物電解池工藝，用于從甜菜汁中生產氫氣。在暗發酵階段，最佳底物與接種物比率為2和4時，最大氫氣產率達到初始COD的13%。在MEC階段，利用暗發酵的末端液體產物作為底物，氫氣產率達到初始COD的12%，且僅有丁酸鹽在MEC中積累。該集成生物制氫工藝的總氫氣產量達到初始COD的25%（相當于6 mol H?/ mol 已添加的己糖），整個工藝的能量回收率為57%。

二、研究目的

本研究的主要目的是評估暗發酵與微生物電解池集成工藝處理甜菜汁并生產氫氣的性能。具體目標包括：

 

評估暗發酵階段在不同底物/接種物比率下的氫氣產率（基于COD平衡）。

優化暗發酵的操作條件以實現最大氫氣產率。

分析MEC中生物膜陽極內丙酸鹽和丁酸鹽發酵的熱力學，以理解其產電機制。

 

評估集成生物制氫工藝從甜菜汁中回收能量的總體效率。

 

三、研究思路

研究采用兩階段實驗與理論分析相結合的思路：

 

暗發酵階段：使用經熱預處理的厭氧消化污泥作為接種物，在血清瓶中進行批式暗發酵實驗。系統改變底物/接種物比率（1, 2, 4, 6, 8 g COD/g VSS），以確定最佳產氫條件。監測產氣量、氣體成分和液相末端產物。

MEC階段：將暗發酵（S/X=4）后的上清液稀釋后，作為雙室MEC的進料。MEC的陽極預先使用乙酸培養基馴化，以獲得高活性的陽極呼吸細菌生物膜。在批式運行期間，固定陽極電位，監測電流、產氫量以及揮發性脂肪酸濃度的變化。

 

數據分析：對暗發酵數據進行動力學建模（修正的Gompertz模型）；對MEC數據進行庫倫效率、陰極轉化效率等計算；并結合熱力學分析（如丁酸鹽、丙酸鹽發酵的標準吉布斯自由能變）來闡釋MEC中的反應過程。

 

四、測量數據及其研究意義（注明圖表來源）

研究測量了多類數據，其意義和來源如下：

 

暗發酵累積產氫量數據：記錄了不同S/X比率下隨時間變化的累積氫氣產量。

 

研究意義：直接反映了暗發酵的產氫性能。數據顯示產氫量隨S/X比率增加至4時達到峰值（1239 mL），之后下降，從而確定了最佳S/X比率為4。該數據來自圖1（不同S/X比率下的累積生物產氫量）。

 

電子匯分布數據：基于末端產物（揮發性脂肪酸、醇類、可溶性碳水化合物、可溶性蛋白質、生物質和H?）的化學需氧量當量，計算了初始總COD中各電子匯所占的比例。

 

研究意義：揭示了底物中的電子在暗發酵過程中的流向。數據顯示在最佳產氫條件下（S/X=2和4），大部分電子（45-49%）流向了乙酸和丁酸鹽，而氫氣的比例僅為13%，表明暗發酵后仍有大量能量以VFA形式存在，亟需后續處理。該數據來自圖2（不同S/X比率下的電子匯比例）。

 

暗發酵產氫速率和產率數據：通過修正的Gompertz模型擬合得到了最大產氫速率；計算了以mol H?/ mol 已添加己糖表示的產氫率。

 

研究意義：量化了暗發酵的動力學性能和效率。數據顯示在S/X=4時獲得最大產氫速率（84 mL/h）和最高產氫率（3.2 mol H?/ mol 己糖），相當于理論最大值的80%。該數據來自表2（動力學系數）和圖3B（不同S/X比率下的生物產氫率）。

 

揮發性脂肪酸分布與乙酸/丁酸比率數據：分析了暗發酵結束后主要VFA（乙酸、丙酸、丁酸）的COD比例以及乙酸與丁酸的摩爾比。

 

研究意義：關聯了代謝路徑與產氫性能。高乙酸/丁酸比率（如S/X=2和4時分別為6.3和7.3）與高氫產率相關，符合理論預期（乙酸路徑產氫高于丁酸路徑）。該數據來自圖4A（VFA分布）和圖4B（乙酸/丁酸比率）。

 

MEC電流密度與累積產氫量數據：記錄了MEC在批式運行期間電流密度和累積氫氣產量隨時間的變化。

 

研究意義：直接反映了MEC的產電和產氫性能。電流密度在初期保持穩定后逐漸下降，表明底物消耗；最終產氫量達1090 mL。該數據來自圖5A（電流密度和累積生物產氫量）。

 

MEC中VFA濃度隨時間變化數據：監測了MEC運行期間陽極液中乙酸、丙酸、丁酸濃度的變化。

 

研究意義：揭示了MEC對暗發酵末端產物的利用順序和程度。乙酸被迅速且完全地消耗，丙酸隨后被較快去除，而丁酸的去除速率相對較慢且不完全。這說明了底物利用的優先順序和可能的限制因素。該數據來自圖6A（三種主要VFA隨時間的變化）及其放大圖圖6B。

 

溶解氫濃度數據（使用丹麥Unisense電極測量）：使用Unisense的H?微電極測量了MEC陽極室內的溶解氫濃度。

 

研究意義：用于探測由丁酸、丙酸發酵可能產生的氫氣是否在液相中積累。測量結果顯示未檢測到溶解氫（低于檢測限1μM）。該測量在“3.2.2 Trends of VFAs and partial pressure of H2 for fermentation”段落中描述。

 

五、結論

研究得出以下核心結論：

 

集成工藝顯著提高氫產量：暗發酵-MEC集成工藝將甜菜汁的總氫氣產率提升至初始COD的25%（6 mol H?/ mol 己糖），遠高于單獨暗發酵（13%）。

最佳操作條件：暗發酵階段的最佳S/X比率為4。

MEC中的底物利用模式：MEC能有效去除暗發酵產物中的乙酸和丙酸，但對丁酸的去除較慢且不完全，限制了整體氫產量的進一步提升。

熱力學限制：丁酸發酵生成乙酸和氫氣是吸能反應（ΔG°‘ = +48.3 kJ/mol），這可能是其在MEC中轉化緩慢的重要原因。

 

能量回收可觀：整個集成工藝實現了57%的能量回收率，展示了其從有機廢水（如甜菜汁）中回收能源的潛力。

 

六、使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense公司生產的氫氣微電極測量的溶解氫濃度數據，雖然結果是“未檢測到”，但其研究意義非常關鍵：

 

為闡釋MEC中的微生物相互作用提供了關鍵證據：理論推測，丁酸鹽和丙酸鹽在MEC陽極生物膜中可能先被發酵細菌轉化為乙酸和氫氣，然后氫氣再被陽極呼吸細菌或同型產乙酸菌利用。Unisense微電極高靈敏度（檢測限低至1μM）的測量結果表明，即使有氫氣作為中間產物產生，其濃度也極低，在液相中無法檢測到積累。這強有力地支持了生物膜內存在高效的氫氣“清除”機制，無論是通過陽極呼吸細菌直接氧化，還是通過同型產乙酸作用（H? + CO? → CH?COOH），都確保了發酵產生的氫氣被迅速消耗，從而推動了熱力學上不利的丁酸鹽發酵反應向正方向進行。

間接驗證了生物膜內的種間氫傳遞：溶解氫的快速消耗是微生物群落中種間氫傳遞成功的標志。Unisense的數據間接證實了在混合菌群的MEC陽極生物膜中，產氫菌和耗氫菌之間建立了有效的互營共生關系。這種高效的氫傳遞是MEC能夠利用復雜底物（如丁酸鹽）的關鍵。

支持了關于反應限速步驟的判斷：既然氫氣被快速消耗，那么丁酸鹽轉化過程的限速步驟就不大可能是氫氣的后續利用，而更可能在于丁酸鹽發酵本身的熱力學障礙（所需能量投入）或相關微生物的活性。這為未來優化MEC性能（例如，通過富集更高效的丁酸發酵菌群）提供了方向。

 

方法學上的優勢：Unisense微電極能夠進行原位、高分辨率的溶解氣體測量，避免了取樣可能帶來的氣體逸失或濃度變化，確保了數據的真實性。

 

總而言之，Unisense氫氣微電極的“陰性”測量結果（未檢出溶解H?）在本研究中扮演了 “微觀過程偵察兵”的角色。它雖未直接測到高濃度的目標物，卻通過其高靈敏度排除了某種可能性（H?積累），從而為理解復雜的微生物互養關系、驗證理論推測提供了強有力的反證，凸顯了在復雜生物電化學系統中進行高精度原位監測的重要性。