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

利用暗發(fā)酵和微生物電解池集成生物制氫工藝從甜菜汁中生產(chǎn)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(fā)酵和微生物電解池的工藝，用于從甜菜汁中生產(chǎn)氫氣。在暗發(fā)酵階段，最佳底物與接種物比例為2和4時，氫氣產(chǎn)量達到初始COD的13%。在微生物電解池階段，利用暗發(fā)酵的液體末端產(chǎn)物作為底物，氫氣產(chǎn)量為初始COD的12%。集成生物制氫工藝的整體氫氣產(chǎn)量為初始COD的25%，相當于每摩爾添加的己糖產(chǎn)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(fā)酵中基于COD平衡的氫氣產(chǎn)率。第二是優(yōu)化暗發(fā)酵的操作條件以實現(xiàn)最大氫氣產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)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(xiàn)能量回收的潛力。  

 

研究思路  

研究思路首先進行暗發(fā)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(yōu)化氫氣產(chǎn)量。接著，將暗發(fā)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(jiān)測電流、氫氣產(chǎn)量、化學需氧量、揮發(fā)性脂肪酸等參數(shù)。最后，結合暗發(fā)酵和微生物電解池的數(shù)據(jù)計算整體氫氣產(chǎn)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(shù)據(jù)及研究意義  

1 暗發(fā)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(chǎn)量，該數(shù)據(jù)來自圖1。研究意義在于確定暗發(fā)酵的最佳操作條件，最高氫氣產(chǎn)率在比例為2和4時獲得。  

 

2 測量了暗發(fā)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(fā)性脂肪酸、醇類、氫氣等，該數(shù)據(jù)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(chǎn)物。  

 

3 測量了暗發(fā)酵結束時的化學需氧量數(shù)值，并與計算值比較，該數(shù)據(jù)來自圖3a。研究意義在于驗證質(zhì)量平衡和數(shù)據(jù)的可靠性。  

 

4 測量了不同底物與接種物比例下的氫氣產(chǎn)率，該數(shù)據(jù)來自圖3b。研究意義在于量化暗發(fā)酵的氫氣生產(chǎn)效率。  

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

 

6 測量了暗發(fā)酵的動力學系數(shù)，該數(shù)據(jù)來自表2。研究意義在于描述氫氣生產(chǎn)的速率和滯后時間等動力學特征。  

 

7 測量了暗發(fā)酵階段的化學需氧量質(zhì)量平衡，該數(shù)據(jù)來自表3。研究意義在于評估實驗的閉合度和數(shù)據(jù)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(chǎn)量隨時間的變化，該數(shù)據(jù)來自圖5a。研究意義在于評估微生物電解池的產(chǎn)電和產(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)性脂肪酸濃度的變化，該數(shù)據(jù)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)氫，占初始總化學需氧量的12%。  

3 集成工藝的整體氫氣產(chǎn)量為初始總化學需氧量的25%，相當于每摩爾添加的己糖產(chǎn)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(fā)酵產(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)酵產(chǎn)氫的情況下，陽極生物膜內(nèi)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)電菌利用產(chǎn)生電流。因此，該測量數(shù)據(jù)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(jù)，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(fā)酵反應向正方向進行的重要機制，從而提高了整體系統(tǒng)的電子回收率和氫氣產(chǎn)量。