论文标题：Biogas and Hydrogen Production from Waste Biomass via Dark Fermentation Evaluating VFAs, COD, and HRT for Process Optimization

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8783/5/3/57

期刊名： Biomass

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomass

一、引言

生物氢正逐渐成为最有用的可再生能源之一。与甲烷类似，氢气可以在厌氧中温条件下，作为一系列生化反应的副产物产生。氢气在能源领域有着广泛的应用。其中，交通运输和发电是氢气最主要、最流行的两个应用领域。氢燃料电池汽车因其成本低、能源效率高而备受关注。挥发性脂肪酸（VFAs）是生产生物燃料和可生物降解合成塑料所必需的有机碳源。然而，来自黑暗发酵液的 VFAs 困难处理，因为这些悬浮液的成分较为复杂。

本研究探讨了主要操作参数对用于生物氢和生物气生产的暗发酵（DF）过程的影响。它评估了酪乳作为底物以及来自沼气池的微生物菌种对提高挥发性脂肪酸（VFAs）和氢气产量的作用，并确定了在批量模式发酵系统中最大化微生物活性和生物燃料产量的最优条件（pH 值、稀释度和菌种与底物的比例）。

二、材料与方法

在厌氧发酵过程中，复杂底物的降解需要多种微生物通过一系列代谢阶段来分解有机物，这些阶段涉及特定的化合物和微生物活动。对于复杂的聚合物，废物中的有机物首先在水解过程中被发酵细菌分解成更简单的可溶性分子。这是复杂聚合物分解的第一阶段。在该阶段，生物聚合物（例如碳水化合物、蛋白质和脂质）被水解成更小的化合物，并在产酸阶段生成糖类、氨基酸、甘油和长链脂肪酸，如图1所示。

图1. 厌氧废物降解中简化的底物降解途径。

厌氧消化和暗发酵都是在无氧条件下产生沼气和氢气的生物过程。这两个过程都是厌氧的。然而，它们有所不同：厌氧消化 (AD) 产生甲烷 (CH4)，停留时间较长；而暗发酵 (DF) 则基于产生氢气 (H2)，停留时间较短。

三、分析与结果

3.1. 碳水化合物、TCOD 和 SCOD

图 6. 碳水化合物转化率：暗发酵阶段 1 和 2 的比较分析。

图6显示了碳水化合物转化过程。暗发酵阶段1和2中碳水化合物水平随时间的变化比较突显了底物消耗和微生物代谢活性的变化。

图7. 以碳水化合物和SCOD为底物的暗发酵对比分析

图7显示了以碳水化合物和可溶性化学需氧量（SCOD）为主要底物，评估微生物活性和生物氢生产效率的暗发酵性能比较分析。使用5倍稀释的乳清，DF1.1 I2SR为30:70。 pH值未受控制，每天搅拌三次，温度保持在37℃。

3.2. 总固体（TS）、挥发性固体（VS）、总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）

表 4 描述了不同奶酪乳清稀释度和接种样品中 TS、VS、TSS 和 VSS 的测量值。

3.3 挥发性脂肪酸对沼气和氢气产量的影响

图 7 展示了在为期 15 天的暗发酵过程中，预处理对挥发性脂肪酸 (VFA) 生成的影响。在不同时间点（第 1 天、第 3 天、第 6 天、第 9 天、第 12 天和第 15 天）对关键 VFA 进行定量分析，结果显示了总浓度和各 VFA 百分比的变化，如图 8 所示。在为期 15 天的暗发酵过程中，VFA 的生成呈现出不同的阶段，这些阶段受到代谢转变和预处理的影响。在第 1 天，总 VFA 产量相对较低，主要成分为丙酸（116.57 mmol，40.87%）和乙酸（82.93 mmol，29.08%），丁酸的贡献为 72.15 mmol（25.30%）。

3.4. VFA和pH响应的敏感性分析

图 11. 预处理对 VFA 产量的影响，以及在暗发酵 1.1 过程中各 VFA 产量达到最大值的百分比。

到第5天，浓度显著下降至14.61 mg/L，表明微生物有效消耗并具有代谢活性。这种急剧下降表明，实验条件有利于碳水化合物的快速利用，而碳水化合物的利用是影响挥发性脂肪酸（VFA）生成和氢气产量的关键因素。这些结果为理解I2SR、pH控制和底物稀释对图11所示厌氧消化系统中发酵效率和生物氢潜力的影响提供了有价值的见解。

四、展望与结论

本研究结果表明，碳水化合物的利用、可溶性化学需氧量（SCOD）的波动以及慢降解VFA（例如戊酸和异戊酸）的积累如何影响微生物的活性。因此，这些研究结果强调了包括稀释控制、pH缓冲、接种比例调整和共消化底物使用在内的操作策略，这些策略能够提高氢气和沼气的质量和产量，同时最大限度地减少抑制作用。该研究加深了对原料制备和操作参数如何调控乳清发酵过程中挥发性脂肪酸（VFA）组成和氢气产量的理解，为乳制品废弃物基生物制氢的规模化和工艺优化提供了指导。

在未来的工作中，我们将确定厌氧消化和暗发酵过程中的关键中间体——挥发性脂肪酸（VFA），它们的浓度对微生物代谢和沼气总产量有显著影响。未来的研究将着重于优化丙酸转化以稳定VFA组成并防止酸化；通过宏基因组学和转录组学分析富集负责互养VFA转化的微生物群落。此外，还将研究将VFA管理与微生物电解池（MEC）或两阶段系统（暗发酵加厌氧消化）相结合，以最大限度地提高氢气回收率和甲烷产量；同时，在连续反应器和中试规模反应器中进行放大研究，以评估长期稳定性和工业可行性。最终，高效的丙酸降解和挥发性脂肪酸稳定有望最大限度地提高乙酸的可用性，改善氢气周转，并提高厌氧消化系统中的甲烷生产效率。

期刊介绍

主编：Dr. Dimitris P. Makris

Biomass (ISSN 2673-8783) 创刊于2021年，是一个国际开放获取期刊。期刊内容涵盖生物能源、材料/能源的生物精炼以及以生物质形式的生物碳的循环利用等各个方面。

2025 CiteScore：6.7

Time to First Decision：19.4 Days

Acceptance to Publication：4.8 Days