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

利用暗發酵和微生物電解池集成生物制氫工藝從甜菜汁中生產氫氣  

來源：Bioresource Technology, Volume 198, 2015, Pages 223-230

《生物資源技術》第198卷，2015年，第223-230頁

 

摘要  

摘要闡述了研究團隊評估了一種集成暗發酵和微生物電解池的工藝，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例為2和4時，氫氣產量達到初始COD的13%。在微生物電解池階段，利用暗發酵的液體末端產物作為底物，氫氣產量為初始COD的12%。集成生物制氫工藝的整體氫氣產量為初始COD的25%，相當于每摩爾添加的己糖產生6摩爾氫氣，整個過程的能量回收率為57%。  

 

研究目的  

研究目的主要包括四個方面。第一是評估暗發酵中基于COD平衡的氫氣產率。第二是優化暗發酵的操作條件以實現最大氫氣產率。第三是分析微生物電解池中生物膜陽極上丙酸鹽和丁酸鹽發酵產電流的熱力學。第四是評估從甜菜汁中通過組合生物制氫工藝實現能量回收的潛力。  

 

研究思路  

研究思路首先進行暗發酵批次實驗，使用甜菜汁作為底物，厭氧消化污泥作為接種物，通過改變底物與接種物比例來優化氫氣產量。接著，將暗發酵后的上清液作為微生物電解池的進料，在固定陽極電位下運行微生物電解池，監測電流、氫氣產量、化學需氧量、揮發性脂肪酸等參數。最后，結合暗發酵和微生物電解池的數據計算整體氫氣產量和能量回收效率，并進行熱力學分析以理解丙酸鹽和丁酸鹽在微生物電解池中的轉化。  

 

測量的數據及研究意義  

1 暗發酵階段測量了不同底物與接種物比例下的累積生物氫氣產量，該數據來自圖1。研究意義在于確定暗發酵的最佳操作條件，最高氫氣產率在比例為2和4時獲得。  

 

2 測量了暗發酵結束時不同底物與接種物比例下電子匯的分布，包括揮發性脂肪酸、醇類、氫氣等，該數據來自圖2。研究意義在于了解底物碳和電子的流向，顯示大部分電子進入了液體產物。  

 

3 測量了暗發酵結束時的化學需氧量數值，并與計算值比較，該數據來自圖3a。研究意義在于驗證質量平衡和數據的可靠性。  

 

4 測量了不同底物與接種物比例下的氫氣產率，該數據來自圖3b。研究意義在于量化暗發酵的氫氣生產效率。  

5 測量了暗發酵結束后主要揮發性脂肪酸的分布和乙酸與丁酸的比率，該數據來自圖4。研究意義在于揭示代謝途徑與氫氣產量之間的關系。  

 

6 測量了暗發酵的動力學系數，該數據來自表2。研究意義在于描述氫氣生產的速率和滯后時間等動力學特征。  

 

7 測量了暗發酵階段的化學需氧量質量平衡，該數據來自表3。研究意義在于評估實驗的閉合度和數據準確性。  

 

8 在微生物電解池階段測量了電流密度和累積氫氣產量隨時間的變化，該數據來自圖5a。研究意義在于評估微生物電解池的產電和產氫性能。  

 

9 測量了微生物電解池的庫倫效率和陰極轉化效率，該數據來自圖5b。研究意義在于評估電子回收效率和氫氣轉化效率。  

10 測量了微生物電解池運行期間主要揮發性脂肪酸濃度的變化，該數據來自圖6。研究意義在于了解底物利用順序和速率，以及丁酸鹽去除較慢的原因。  

 

 

結論  

1 暗發酵階段，使用甜菜汁在底物與接種物比例為2和4時獲得最高氫氣產量，占初始總化學需氧量的13%。  

2 微生物電解池階段進一步產氫，占初始總化學需氧量的12%。  

3 集成工藝的整體氫氣產量為初始總化學需氧量的25%，相當于每摩爾添加的己糖產生6摩爾氫氣。  

4 熱力學分析表明，微生物電解池陽極室中需要維持較低的氫氣分壓才能推動丙酸鹽和丁酸鹽的發酵產氫反應。  

5 丁酸鹽的利用速率慢于丙酸鹽，可能是由于能量投資因素，這是未來工程化應用需要改進的關鍵點。  

6 整體能量回收率達到57%，表明該集成工藝從甜菜汁中回收能量具有效益。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

研究中使用丹麥Unisense的氫氣微電極測量微生物電解池陽極室中的溶解氫氣濃度，但未檢測到溶解氫氣的存在。這一測量結果具有重要的研究意義。首先，它支持了這樣的假設：即使在有丁酸鹽和丙酸鹽發酵產氫的情況下，陽極生物膜內產生的氫氣也被迅速消耗，而不是積累起來。這間接證明了陽極室中存在活躍的氫氣氧化微生物，例如同型產乙酸菌，它們可能將氫氣與二氧化碳轉化為乙酸，然后乙酸再被產電菌利用產生電流。因此，該測量數據為理解微生物電解池中復雜的合成代謝相互作用提供了關鍵證據，表明氫氣的即時消耗是推動熱力學上不利的丁酸鹽和丙酸鹽發酵反應向正方向進行的重要機制，從而提高了整體系統的電子回收率和氫氣產量。