暗發(fā)酵生物制氫被認(rèn)為是極具前景的碳中性制氫技術(shù)路線。然而,該過(guò)程在發(fā)酵中不斷積累的揮發(fā)性脂肪酸會(huì)導(dǎo)致體系pH急劇下降,引發(fā)嚴(yán)重的酸化抑制,導(dǎo)致產(chǎn)氫停滯。目前常用的堿性試劑雖可調(diào)節(jié)pH,但存在局部pH沖擊、系統(tǒng)鹽度升高及需持續(xù)投加等缺陷,且無(wú)法提供碳捕獲等附加環(huán)境效益。此外,暗發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣中CO2占比較高,需要額外的高能耗分離工藝進(jìn)行純化。如何在單一體系中同步實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫與CO2減排,目前仍缺乏有效的工藝方案。
針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所李偉明研究員創(chuàng)新性地提出將天然硅酸鹽礦物硅灰石作為雙功能添加劑,在暗發(fā)酵體系中同步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫增效與CO2原位封存。研究發(fā)現(xiàn),投加硅灰石通過(guò)酸驅(qū)溶解持續(xù)中和體系酸度,可將發(fā)酵終點(diǎn)pH穩(wěn)定在6.5-7.0,使產(chǎn)氫遲滯期縮短50%,氫氣產(chǎn)率提升30%。在代謝層面,硅灰石介導(dǎo)的pH緩沖效應(yīng)驅(qū)動(dòng)了發(fā)酵代謝通量的重塑:乙酸濃度顯著升高,乳酸積累量驟降至可忽略水平,乙酸/丁酸比從0.55提升至0.91,表明體系向產(chǎn)氫效率更高的乙酸型發(fā)酵路徑偏移。微生物群落分析進(jìn)一步揭示,硅灰石處理組中關(guān)鍵產(chǎn)氫菌Clostridium sensu stricto 1的相對(duì)豐度從47.2%增至62.4%,而非產(chǎn)氫菌Lactobacillus則近乎消失,與乳酸積累減少的趨勢(shì)一致。
然而,研究同時(shí)揭示了產(chǎn)氫優(yōu)化與碳捕獲之間的關(guān)鍵權(quán)衡:最大化CO2礦化需要中性偏堿的pH環(huán)境(≥15 g/L投加量可被動(dòng)達(dá)到),但該條件下氫氣產(chǎn)率反而下降。為解決這一矛盾,團(tuán)隊(duì)提出了"兩階段"工藝策略,成功封存CO2?0.49 ± 0.05 L/L培養(yǎng)基,將最終生物氣中H2含量提升至58.2 ± 1.1%。捕獲的CO2以方解石型CaCO3形式穩(wěn)定礦化。生命周期評(píng)價(jià)表明,該策略將全過(guò)程電力需求從59.2 MJ大幅降至37.4 MJ,在全球變暖潛勢(shì)等十項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)上均優(yōu)于對(duì)照組。
上述研究為暗發(fā)酵生物制氫提供了一種"碳負(fù)性"工藝概念驗(yàn)證,證明了通過(guò)時(shí)序解耦策略可在單一生物煉制體系中協(xié)同優(yōu)化綠氫生產(chǎn)與碳捕獲,為推進(jìn)生物制氫技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。相關(guān)研究成果以"Towards negative-carbon biohydrogen: A dual-function wollastonite strategy for enhanced fermentation and CO2?sequestration"為題,于2026年4月13日在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所李偉明研究員為第一作者兼通訊作者,生態(tài)所碩士生金燦、大連理工大學(xué)本科生段慧達(dá)、李芳草等參與了實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)收集,曾祥峰與程馳為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(42477248、52200041)、遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合計(jì)劃(2024-MSLH-069、2024JH2/102600016)、遼寧省優(yōu)青項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176164

圖1 硅灰石促氫固碳機(jī)制圖

圖2 生命周期評(píng)價(jià)對(duì)比




