氢能是当下主要的清洁能源，而于浩繁制氢线路傍边，暗发酵生物制氢揭示出极高的财产化潜力。与耗损化石能源的灰氢、依靠电力基础举措措施的绿氢比拟，暗发酵生物制氢以有机废烧毁物为原料，于低能耗、低碳的同时，实现废料资源化使用，是以备受全世界列国器重。

然而，这项技能于试验室走向工业运用的历程中，持久面对产酸自按捺与气体纯化能耗高两个“拦路虎”。

近日，中国科学院沈阳运用生态研究所（如下简称“沈阳生态所”）李伟明研究员团队提出了一种极简的工艺改进方案：将自然硅酸盐矿物——硅灰石引入发酵系统。这一方案于单一反映器中同步解决了上述两年夜痛点，为绿氢制造从“低碳”走向“碳负性”提供了可行的工程路径。

发酵罐里的“酸度危机”

“打个比喻说，暗发酵就像一座暗中中的微生物工场，把有机垃圾‘吃失’后再吐出氢气。”李伟明告诉科技日报记者。

但于密闭的发酵罐中，微生物降解有机物孕育发生氢气的同时，一定会代谢出年夜量的挥发性脂肪酸。

跟着反映的连续举行，酸性物资于系统内不停累积，直接致使情况pH值急剧降落。当pH值跌破微生物的心理耐受底线时，卖力产氢的酶活性遭到按捺，整个发酵反映随之阻滞。这于工程上被称为“酸化按捺”。

传统上的解决措施比力直接：“酸”了加碱。即向发酵罐中连续泵入氢氧化钠等强碱试剂来中及酸度。不外这类要领存于较着缺陷：强碱的滴入会造成局部pH值的猛烈颠簸，且中及反映会留下年夜量无机盐。跟着体系盐度的连续升高，渗入压的转变会对于微生物细胞造成二次毁伤。

与此同时，暗发酵孕育发生的生物气并不是高纯度氢气，此中凡是稠浊着30%至70%的二氧化碳。要将其提纯为工业可用氢气，下流必需配套膜分散或者化学接收等重大装配。昂扬的分散能耗，严峻减弱了该技能的绿色环保属性。

沈阳生态所的科研团队抛却了通例的强碱中及思绪，转而引入自然硅灰石。这类矿物的参与，使用了简朴的酸驱消融道理。

当发酵罐内的酸度最先上升、pH值呈现降落趋向时，游离的酸会驱动硅灰石迟缓消融。于消融历程中，硅灰石连续耗损氢离子，并向溶液中开释钙离子。这类由酸度直接驱动的被动消融机制，为发酵系统提供了一个极端暖和且连续的酸碱缓冲情况。试验数据注解，于硅灰石的干涉干与下，发酵尽头的pH值被不变节制于6.5至7.0这一微酸性区间，这恰是产氢微生物最相宜的保存情况。

情况的不变直接反应于发酵效率上。微生物的产氢迟滞期由23小时缩短至约12小时，总体氢气产率晋升了30%。

更深层面的转变发生于微生物的群落布局与代谢路径上。于不变的微酸性缓冲情况中，发酵代谢通量发生了显著变化：系统内乙酸浓度年夜幅升高，而与产氢存于竞争瓜葛的乳酸堆集量则降至极低程度。基因测序阐发证明，要害产氢菌群（Clostridium sensu stricto 1）的相对于品貌从47.2%晋升至62.4%，而不产氢的菌群则险些消散。

“两阶段”工艺化解物理前提冲突

李伟明先容，硅灰石消融开释出的钙离子，不仅是酸度缓冲的副产品，更是捕获二氧化碳的要害介质。钙离子可以或许与发酵孕育发生的二氧化碳联合，天生碳酸钙沉淀，从而于系统内部直接完成碳固定，省去了下流的高能耗提纯工艺。

但这引出了一个新的物理抵牾：产氢的最好pH前提（微酸）与碳酸钙矿化的最好pH前提（中性偏碱）其实不一致。简朴地加年夜硅灰石用量虽然可以或许使pH达到中性、促成碳固定，却会以捐躯产氢效率为价钱，而产氢效率偏偏是暗发酵生物制氢的“命门”。

为化解这一冲突，研究团队设计了“两阶段”工艺：第一阶段，将系统节制于最优的微酸前提下，确保微生物高效完成产氢功课；发酵竣事落伍入第二阶段，经由过程低成本的手腕将残液的pH值微调至7.0。情况转为中性后，溶液中的钙离子迅速与残留的二氧化碳发生反映，以碳酸钙的情势不变沉淀。

这一时序分散计谋，乐成规避了物理前提的自然冲突。测试成果显示，该工艺于维持最高产氢效率的同时，每一升造就基乐成封存了0.49升二氧化碳，终极输出的生物气中，氢气纯度跃升至58.2%。

研究团队进一步经由过程生命周期评价对于该工艺的情况体现举行了周全评估。成果显示，因为发酵效率的晋升及纯化需求的降低，该工艺的全历程电力需求从59.2兆焦降至37.4兆焦。经由过程自然矿物与微生物的协同，这套工艺不仅实现了“低碳”制氢，更揭示出“碳负性”的潜力——于出产清洁能源的同时，自动削减了温室气体的净排放。

（原题：《破解暗发酵“两重瓶颈”：自然矿物焕新微生物制氢代谢路径》）