中国新型发酵系统在捕获二氧化碳的同时提升33%生物制氢产量

研究团队引入硅灰石作为双功能助剂，同步提高氢气产率。

中国研究人员开发出了一种新型发酵系统，能够在捕获二氧化碳的同时提高生物制氢产量。

中国科学院沈阳应用生态研究所的研究人员指出，暗发酵可在无氧条件下利用有机底物产生氢气，是一条颇具前景的碳中和制氢途径。

然而在实际操作中，该过程往往受到挥发性脂肪酸积累的限制，这会导致pH值下降并抑制微生物活性。

提升氢气产率

研究团队引入硅灰石作为双功能助剂，同步提高氢气产率并捕获二氧化碳。研究人员在研究中表示：“确定了10 g/L的最佳添加量，该添加量将延滞期从23.13小时缩短至12.38小时，并将氢气产率从每克消耗葡萄糖158.11 ± 3.44 mL提升至210.75 ± 15.87 mL。”

“从机理上看，硅灰石缓冲了体系的pH值，通过富集梭菌属并抑制乳杆菌属，使代谢流从乳酸生成转向乙酸合成。”

最大化二氧化碳捕获

研究人员透露，传统的pH控制依赖氢氧化钠等碱性化学品，但这些试剂可能引起局部pH急剧升高、盐度逐步积累，并需要持续投加，且不带来任何额外的环境效益。另一个挑战是，产生的沼气中含有相当比例的二氧化碳，通常需要进行高能耗的下游分离。这些限制因素共同使得在单一系统中高效产氢与减碳变得困难。

为克服这些限制，研究人员引入了硅灰石（CaSiO₃）作为双功能添加剂。发酵过程中产生的酸会逐渐溶解这种矿物，消耗质子并释放钙离子。这一机制提供了持续、自调节的pH缓冲，将体系稳定在pH 6.5–7.0。

据研究人员介绍，在10 g/L的最佳添加量下，产氢延滞期缩短了约50%，单位氢气产率提高了约33%。

研究人员在发表于《化学工程杂志》的研究中表示：“硅灰石还通过将二氧化碳沉淀为碳酸钙，实现了原位固碳。然而，最大化的二氧化碳捕获量是在更高添加量（≥15 g/L）下实现的，此时可被动达到所需的中性pH，但牺牲了氢气产率。这与产氢最适的10 g/L添加量产生了矛盾。”

研究人员还发现，这两个目标功能之间存在权衡。高效的二氧化碳矿化需要中性至弱碱性的pH，这可以通过更高的硅灰石添加量（≥15 g/L）来实现，但这些条件会降低氢气产率。

根据一份新闻稿，为了解耦这两个目标，研究人员设计了一种两阶段策略：第一阶段采用10 g/L的最适添加量以最大化氢气产出，第二阶段则在发酵后进行pH调节至7.0以诱导碳酸化反应。

新闻稿称，采用这种方法，该系统每升培养基可捕获0.49 ± 0.05升二氧化碳，并将最终沼气中的氢气含量富集至58.2 ± 1.1%。固相表征证实，捕获的二氧化碳以方解石相碳酸钙的形式矿化，这是一种适合长期碳储存的稳定形态。

这些结果证明了在单一生物炼制框架内整合绿色制氢与原位碳捕集的可行性，为负碳生物制氢提供了切实可行的途径。

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