中國(guó)新型發(fā)酵系統(tǒng)在捕獲二氧化碳的同時(shí)提升33%生物制氫產(chǎn)量

研究團(tuán)隊(duì)引入硅灰石作為雙功能助劑，同步提高氫氣產(chǎn)率。

中國(guó)研究人員開發(fā)出了一種新型發(fā)酵系統(tǒng)，能夠在捕獲二氧化碳的同時(shí)提高生物制氫產(chǎn)量。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所的研究人員指出，暗發(fā)酵可在無氧條件下利用有機(jī)底物產(chǎn)生氫氣，是一條頗具前景的碳中和制氫途徑。

然而在實(shí)際操作中，該過程往往受到揮發(fā)性脂肪酸積累的限制，這會(huì)導(dǎo)致pH值下降并抑制微生物活性。

提升氫氣產(chǎn)率

研究團(tuán)隊(duì)引入硅灰石作為雙功能助劑，同步提高氫氣產(chǎn)率并捕獲二氧化碳。研究人員在研究中表示：“確定了10 g/L的最佳添加量，該添加量將延滯期從23.13小時(shí)縮短至12.38小時(shí)，并將氫氣產(chǎn)率從每克消耗葡萄糖158.11 ± 3.44 mL提升至210.75 ± 15.87 mL。”

“從機(jī)理上看，硅灰石緩沖了體系的pH值，通過富集梭菌屬并抑制乳桿菌屬，使代謝流從乳酸生成轉(zhuǎn)向乙酸合成。”

最大化二氧化碳捕獲

研究人員透露，傳統(tǒng)的pH控制依賴氫氧化鈉等堿性化學(xué)品，但這些試劑可能引起局部pH急劇升高、鹽度逐步積累，并需要持續(xù)投加，且不帶來任何額外的環(huán)境效益。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，產(chǎn)生的沼氣中含有相當(dāng)比例的二氧化碳，通常需要進(jìn)行高能耗的下游分離。這些限制因素共同使得在單一系統(tǒng)中高效產(chǎn)氫與減碳變得困難。

為克服這些限制，研究人員引入了硅灰石（CaSiO?）作為雙功能添加劑。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸會(huì)逐漸溶解這種礦物，消耗質(zhì)子并釋放鈣離子。這一機(jī)制提供了持續(xù)、自調(diào)節(jié)的pH緩沖，將體系穩(wěn)定在pH 6.5–7.0。

據(jù)研究人員介紹，在10 g/L的最佳添加量下，產(chǎn)氫延滯期縮短了約50%，單位氫氣產(chǎn)率提高了約33%。

研究人員在發(fā)表于《化學(xué)工程雜志》的研究中表示：“硅灰石還通過將二氧化碳沉淀為碳酸鈣，實(shí)現(xiàn)了原位固碳。然而，最大化的二氧化碳捕獲量是在更高添加量（≥15 g/L）下實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)可被動(dòng)達(dá)到所需的中性pH，但犧牲了氫氣產(chǎn)率。這與產(chǎn)氫最適的10 g/L添加量產(chǎn)生了矛盾。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)目標(biāo)功能之間存在權(quán)衡。高效的二氧化碳礦化需要中性至弱堿性的pH，這可以通過更高的硅灰石添加量（≥15 g/L）來實(shí)現(xiàn)，但這些條件會(huì)降低氫氣產(chǎn)率。

根據(jù)一份新聞稿，為了解耦這兩個(gè)目標(biāo)，研究人員設(shè)計(jì)了一種兩階段策略：第一階段采用10 g/L的最適添加量以最大化氫氣產(chǎn)出，第二階段則在發(fā)酵后進(jìn)行pH調(diào)節(jié)至7.0以誘導(dǎo)碳酸化反應(yīng)。

新聞稿稱，采用這種方法，該系統(tǒng)每升培養(yǎng)基可捕獲0.49 ± 0.05升二氧化碳，并將最終沼氣中的氫氣含量富集至58.2 ± 1.1%。固相表征證實(shí)，捕獲的二氧化碳以方解石相碳酸鈣的形式礦化，這是一種適合長(zhǎng)期碳儲(chǔ)存的穩(wěn)定形態(tài)。

這些結(jié)果證明了在單一生物煉制框架內(nèi)整合綠色制氫與原位碳捕集的可行性，為負(fù)碳生物制氫提供了切實(shí)可行的途徑。

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