木質(zhì)纖維素暗發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)研究進(jìn)展

文章編號(hào)：1671-3559（2024）06-0697-11DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240416.001

摘要： 為了減輕秸稈焚燒處理引起的環(huán)境問(wèn)題， 降低清潔能源的生產(chǎn)成本， 從綠色、環(huán)保、清潔的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)方面綜述木質(zhì)纖維素暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中的預(yù)處理方法、 發(fā)酵工藝及影響因素。 木質(zhì)纖維素暗發(fā)酵產(chǎn)氫技術(shù)具有低能耗、 環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)， 經(jīng)濟(jì)可行性顯著， 但木質(zhì)纖維素作為可發(fā)酵糖的重要來(lái)源， 復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)降低可發(fā)酵糖的利用率， 對(duì)底物預(yù)處理成為生物制氫產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵研究課題； 優(yōu)化產(chǎn)氫工藝條件， 開(kāi)發(fā)新型生物技術(shù)， 探究納米材料作用機(jī)制是提高木質(zhì)纖維素生物制氫效率， 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)， 緩解化石燃料能源危機(jī)的重要研究方向。

關(guān)鍵詞： 木質(zhì)纖維素； 生物制氫； 暗發(fā)酵工藝

中圖分類(lèi)號(hào)： X522; X524; X55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research Progress on Dark Fermentation Process for

Bio-hydrogen Production from Lignocellulose

LI Suyue1， LIU Yuanyuan1， SHANG Ruirui1， YANG Xi2， ZHAO Wei3， MU Hui1， ZHANG Yongfang1

（1. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Everbright Water Jinan Co.， Ltd.， Jinan 250031， Shandong， China;

3. Shandong Academy of Environmental Science Co.， Ltd.， Jinan 250002， Shandong， China）

Abstract： To reduce the environmental problems caused by straw incineration and reduce the production cost of clean energy， the pretreatment methods， fermentation technology and influencing factors inthedarkfermentationprocessforhydrogen production from lignocellulose were reviewed from the aspectsofgreen，environmentallyfriendlyandcleanbiomass conversion technology. Dark fermentationoflignocelluloseforhydrogenproductionhastheadvantagesoflowenergy consumption， environmental protection and significant economic feasibility， however， lignocellulose is an important source of fermentable sugar， and its complex composition and structure reduce the utilization rate of fermentable sugar， and the pretreatment of substrate has become a key research topic in the bio-hydrogen production industry. In the future， the optimization of hydrogen production process conditions， the development of new bio-technology， and the exploration of the mechanism of nanomaterials are important research directions to improve the efficiency of bio-hydrogen production from lignocellulose， achieve large-scale clean energy production， and alleviate the fossil fuel energy crisis.

Keywords： lignocellulose; bio-hydrogen production; dark fermentation process

隨著全球經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)能源的需求日益增加，化石燃料的不斷開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致資源稀缺，不僅阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且隨之而來(lái)的全球變暖、 酸雨、 霧霾等問(wèn)題又給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，亟須開(kāi)發(fā)可替代化石燃料的新型可再生清潔能源。

氫氣熱值高，1 g氫燃燒可釋放大約142.35 kJ的熱量，并且氫燃燒時(shí)生成水，不排放有毒空氣污染物或溫室氣體，還易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是一種理想的清潔可再生的能源。目前我國(guó)的制氫技術(shù)多使用化石燃料，化石燃料的大規(guī)模開(kāi)采造成嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題，而利用生物質(zhì)作為基質(zhì)的生物制氫技術(shù)，因具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好的可持續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)而具有廣闊的發(fā)展前景，引起研究者的廣泛關(guān)注。生物制氫主要有4種工藝： 一是光解水產(chǎn)氫，利用綠藻和藍(lán)細(xì)菌等自身特有的產(chǎn)氫酶系，在厭氧光照條件下將水裂解為氫氣和氧氣； 二是光發(fā)酵產(chǎn)氫，利用光合微生物在厭氧光照條件下通過(guò)固氮酶催化分解有機(jī)物產(chǎn)生氫氣； 三是暗發(fā)酵產(chǎn)氫，在黑暗環(huán)境下通過(guò)氫酶催化分解有機(jī)物產(chǎn)生氫氣； 四是光-暗聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)氫，將藻類(lèi)、 藍(lán)細(xì)菌、 光合細(xì)菌等光合微生物與暗發(fā)酵細(xì)菌聯(lián)用，以暗發(fā)酵的液相末端產(chǎn)物作為光發(fā)酵微生物的底物制氫。暗發(fā)酵產(chǎn)氫工藝能耗低且環(huán)保，制氫過(guò)程不需要高溫高壓等嚴(yán)苛條件，成本較低（可以不分晝夜發(fā)酵產(chǎn)氣），廣泛應(yīng)用于造紙、 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和清潔能源等領(lǐng)域，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ?但是該工藝無(wú)法有效利用后產(chǎn)物（揮發(fā)酸），發(fā)酵過(guò)程中會(huì)持續(xù)累積，影響產(chǎn)氫效率。光發(fā)酵產(chǎn)氫工藝要求的條件較暗發(fā)酵產(chǎn)氫工藝嚴(yán)苛，且光合微生物轉(zhuǎn)化光能的效率較低，產(chǎn)氫量不大，必須要有提高光能轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)支持才能達(dá)到理想的產(chǎn)氫量。雖然光-暗聯(lián)合發(fā)酵產(chǎn)氫工藝中可利用的微生物種類(lèi)多，能夠更加充分利用生物質(zhì)； 但是，由于暗發(fā)酵酸累積速度非?？?，導(dǎo)致微生物生存環(huán)境的酸堿度pH減小，生物的耐受力和生長(zhǎng)效率較低，因此須要隨時(shí)觀(guān)測(cè)微生物生存環(huán)境，改變培養(yǎng)條件。光解水產(chǎn)氫能耗低、 綠色清潔，但是對(duì)光照條件、 工藝技術(shù)、 微生物選擇方面有較嚴(yán)格的要求。

暗發(fā)酵產(chǎn)氫工藝不需要光照， 產(chǎn)氫速率快， 簡(jiǎn)單易操作， 微生物類(lèi)群豐富且使用的有機(jī)底物來(lái)源廣泛， 是生物制氫最常用的工藝。 暗發(fā)酵產(chǎn)氫主要通過(guò)以下4種途徑： 乙酸型發(fā)酵、 丁酸型發(fā)酵、 混合酸發(fā)酵以及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH） 途徑。 參與暗發(fā)酵的碳水化合物主要產(chǎn)生乙酸、 丁酸與氫氣。

質(zhì)纖維素是一種自然界普遍存在的生物質(zhì)， 是一種天然的多毛細(xì)纖維材料， 是發(fā)酵產(chǎn)氫的重要原料， 且具有優(yōu)良的可再生性、 生物降解性和反應(yīng)性， 在建筑材料、 裝飾施工、 造船等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用， 然而， 復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)阻礙了木質(zhì)纖維素可發(fā)酵產(chǎn)氫的效率， 必須開(kāi)發(fā)適宜的工藝和預(yù)處理方法處理底物， 提高其生物降解效率， 更有利于發(fā)酵產(chǎn)氫。

1木質(zhì)纖維素的組成與結(jié)構(gòu)

木質(zhì)纖維素是一種豐富的可再生資源，主要由多糖（纖維素和半纖維素）和芳香族聚合物（木質(zhì)素）組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜難降解，如圖1［1］所示。木質(zhì)纖維素的種類(lèi)繁多，纖維素、 半纖維素和木質(zhì)素的含量因植物種類(lèi)及其來(lái)源（如硬木、 軟木和草）的不同而產(chǎn)生差異，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。纖維素以纖維二糖為基本單元，是β-D-吡喃葡萄糖環(huán)通過(guò)β-（1， 4）糖苷鍵連接的一種大分子多糖聚合物，是植物細(xì)胞壁的重要組成部分，分子式為（C6H10O5）n［1］。多糖鏈不分枝，平行排列，形成纖維素微纖維。纖維素微纖維通過(guò)分子間和分子內(nèi)的氫鍵緊密地結(jié)合在一起，形成堅(jiān)硬的結(jié)晶或非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，并嵌入在木質(zhì)纖維素基質(zhì)中，使其非常耐酶水解。

半纖維素是一種復(fù)雜的碳水化合物，支鏈聚合物由戊糖（木糖、 阿拉伯糖）、 己糖（甘露糖、 葡萄糖、 半乳糖等）和糖醛酸（葡糖醛酸、 半乳糖醛酸、甘露糖醛酸）的異質(zhì)混合物組成。這些糖一般通過(guò)β-（1， 4）糖苷鍵連接，有些也通過(guò)β-（1， 3）糖苷鍵連接在一起。半纖維素具有隨機(jī)的、 無(wú)定形的結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度低，比纖維素更容易斷裂，即使與纖維素鏈共結(jié)晶也不會(huì)聚集。對(duì)木質(zhì)纖維素材料的分析表明，木質(zhì)纖維素的半纖維素部分含有許多糖，可以作為產(chǎn)氫的底物，特別是木糖，在水解液中保留越多的半纖維素越有利于生物制氫［2］。

木質(zhì)素是由碳碳鍵和芳醚鍵連接在一起的苯基丙烷單元（對(duì)香豆醇、 針葉醇和辛醇）組成的無(wú)定形的異質(zhì)聚合物網(wǎng)絡(luò)，存在于植物細(xì)胞壁中，具有剛性大、 不滲透、 抵抗微生物攻擊和氧化應(yīng)激的性能，其中苯基丙烷單元是木質(zhì)纖維素分解的主要障礙。木質(zhì)素起到物理屏障的作用，可以阻止酶接觸綜纖維素（纖維素和半纖維素）。由于木質(zhì)素其具有疏水結(jié)構(gòu)特征，因此氫鍵、 甲氧基和多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)可以在酶水解過(guò)程中不可逆地吸附纖維素酶和其他酶，通常要采取預(yù)處理基質(zhì)、優(yōu)化操作條件、 添加必需營(yíng)養(yǎng)素或納米顆粒等措施來(lái)提高微生物降解木質(zhì)纖維素發(fā)酵制氫能力。

2預(yù)處理技術(shù)

木質(zhì)纖維素的綜纖維素部分能分解出許多糖，如葡萄糖、 甘露糖、 阿拉伯糖和木糖等，這些組分可作為發(fā)酵底物，因此生物制氫的效率較高。木質(zhì)素是以多種苯丙烷衍生物為主要成分的非均相生物高分子，耐化學(xué)和生物降解，對(duì)綜纖維素起保護(hù)作用，阻礙生物制氫［3］，因此在利用木質(zhì)纖維素制氫過(guò)程中首先要預(yù)處理材料，打破木質(zhì)素結(jié)構(gòu)釋放綜纖維素，提高其水解率和制氫過(guò)程的穩(wěn)定性。

2.1物理法

物理法預(yù)處理是指在不添加其他化學(xué)試劑情況下使用機(jī)械設(shè)備（榨汁機(jī)、 研磨機(jī)、 微波爐、 高壓釜等）破壞堅(jiān)硬的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，釋放纖維素、 半纖維素，增大材料的比表面積，易于后續(xù)的消化和水解。Kyazze等［4］對(duì)枯萎的黑麥草簡(jiǎn)單切碎、 榨汁后在-18 ℃溫度下儲(chǔ)存，即可用于直接發(fā)酵產(chǎn)氫，結(jié)果顯示，每克剪切枯萎、未剪切新鮮黑麥草底物產(chǎn)氫量分別為（75.6±8.8）、（21.8±8.0） mL。 Jung等［5］研究海帶（纖維素、 半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.7%、 55.1%）在不同溫度（150、 160、 170、 180 ℃）和加熱時(shí)間（5、 10、 20、 30、 40 min）下熱預(yù)處理后發(fā)酵產(chǎn)氫的性能時(shí)，170 ℃加熱20 min時(shí)每克COD（化學(xué)需氧量）的產(chǎn)氫量最高達(dá)到109.6 mL，對(duì)照組的產(chǎn)氫量?jī)H為67.6 mL。

與研磨和榨汁預(yù)處理相比， 超聲波預(yù)處理對(duì)基質(zhì)的破壞程度更大， 通常須要將基質(zhì)浸泡在介質(zhì)中進(jìn)行輻照， 聲波透過(guò)液體介質(zhì)在低壓區(qū)形成氣泡， 這些氣泡到高壓區(qū)破裂瞬間導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換， 形成一個(gè)過(guò)熱區(qū)， 致使溫度迅速升高， 超聲波預(yù)處理的作用機(jī)制［3］如圖2所示。 雖然普通熱處理也能夠打破木質(zhì)纖維素的圓柱形結(jié)構(gòu)， 暴露內(nèi)部基質(zhì)， 但超聲波預(yù)處理過(guò)程可以產(chǎn)生更高的溫度（熱力學(xué)溫度高于2 000 K）和壓力， 在這種極端高溫高壓條件下， 木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)被徹底破壞，使底物與酶接觸更加充分。Ruggeri等［6］在研究不同預(yù)處理方法（物理、 化學(xué)、 熱、 超聲以及這些工藝的組合）對(duì)咖啡種子皮殘?jiān)举|(zhì)纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.8%，與自來(lái)水按質(zhì)量比1∶14稀釋?zhuān)┑漠a(chǎn)氫性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)， 超聲預(yù)處理后的每升咖啡種子皮稀釋液的產(chǎn)氫量為1 230 mL，優(yōu)于熱堿預(yù)處理的咖啡種子皮稀釋液的產(chǎn)氫量（1 167 mL）。

Mohammadi等［7］在間歇系統(tǒng)中研究不同預(yù)處理方法（酸、 堿、 熱沖擊、 凍融）對(duì)油棕櫚樹(shù)磨出液（POME）暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在溫度為35 ℃、 初始pH為5.5的條件下，熱沖擊預(yù)處理后的每克COD底物的產(chǎn)氫量最高，達(dá)到0.41 mmol，高于對(duì)照組的產(chǎn)氫量（0.12 mmol）。物理預(yù)處理方法操作簡(jiǎn)便快捷，隨后還可采用化學(xué)、 生物、 物理-化學(xué)、 加熱等方式進(jìn)一步破壞纖維素和半纖維素結(jié)構(gòu)。

2.2化學(xué)法

化學(xué)法預(yù)處理通常向反應(yīng)器中加入化學(xué)試劑（酸、 堿、 有機(jī)溶劑、 氧化劑、 離子液體等），溶解木質(zhì)纖維素中的半纖維素尤其是木聚糖，得到木糖、甘露糖、 乙酸、 半乳糖和葡萄糖等可降解產(chǎn)物，同時(shí)還有少量纖維素降解為葡萄糖以及部分木質(zhì)素降解為酚類(lèi)化合物。酸預(yù)處理是目前研究最廣泛的預(yù)處理方法之一，適宜濃度的酸（HCl、 H2SO4、 HNO3等）有助于溶解木質(zhì)纖維素的木質(zhì)素成分并降低纖維素的結(jié)晶度［8］。Chong等［9］研究不同質(zhì)量濃度的H2SO4（40、 60、 80 g/L）對(duì)油棕櫚果殼產(chǎn)氫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，H2SO4質(zhì)量濃度為60 g/L時(shí)產(chǎn)氫量最大，每摩爾木糖的產(chǎn)氫量為1.98 mol。濃度較低的酸僅能軟化木質(zhì)素，不足以水解纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，纖維素仍保留在固相部分中［10］； 濃度較高的酸可以有效降解木質(zhì)素，但是同時(shí)產(chǎn)生了乙酸、 糠醛、 羥甲基糠醛等化合物，降低微生物的酶活性，分解脫氧核糖核酸（DNA）并抑制蛋白質(zhì)和核糖核酸（RNA）的合成，影響細(xì)胞的正常代謝［11］。

堿預(yù)處理是近年來(lái)備受關(guān)注的預(yù)處理技術(shù)之一。堿性環(huán)境可促使木質(zhì)素增溶，改變纖維素結(jié)晶態(tài)，使生物質(zhì)呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)，更容易被酶和細(xì)菌滲透。目前堿處理大多使用NaOH，但濃度較高的堿會(huì)溶解大量的半纖維素，導(dǎo)致有用成分的損失。Datar等［12］利用NaOH（質(zhì)量濃度為20 g/L）處理玉米秸稈，大約可去除70%的木質(zhì)素，每升水解液的最大產(chǎn)氫量達(dá)到108.5 mmol，但同時(shí)半纖維素也被除去了25.6%。Cao等［13］利用Ca（OH）2含量不同的石灰水預(yù)處理玉米秸稈時(shí)，石灰水中Ca（OH）2的質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)產(chǎn)氫量為170 mL，比未處理的玉米秸稈的高38.1%。石灰水中Ca（OH）2含量繼續(xù)增加反而降低生物質(zhì)的產(chǎn)氫量，原因是Ca2+與果膠和纖維素具有較強(qiáng)的結(jié)合力，在堿性條件下會(huì)聚集和沉淀在綜纖維素中，阻隔了綜纖維素分解成可發(fā)酵糖。上述研究結(jié)果說(shuō)明，提高水解液中半纖維素的含量有助于制氫，使用任何化學(xué)試劑都要綜合考慮濃度和施用量等問(wèn)題。

2.3生物法

生物法預(yù)處理是指通過(guò)天然微生物種群分泌水解木質(zhì)纖維素的酶（木質(zhì)素降解酶和水解酶）在植物細(xì)胞外改變或降解細(xì)胞壁， 釋放胞內(nèi)聚合物以供微生物繼續(xù)利用， 降解和發(fā)酵過(guò)程同時(shí)發(fā)生， 最終釋放出生物燃料。 物理和化學(xué)預(yù)處理方法通常需要高溫、 高壓、 添加化學(xué)試劑等， 產(chǎn)生的抑制劑較多，預(yù)處理后的解毒過(guò)程會(huì)大大增加生產(chǎn)成本，因此生物預(yù)處理作為替代方法，不僅能耗低，而且比化學(xué)法產(chǎn)生的抑制劑少，可減輕對(duì)環(huán)境造成的二次污染［14］。Zhao等［15］研究黃孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium預(yù)處理玉米秸稈制氫時(shí)， 將二者混合在溫度為29 ℃的條件下靜置處理15 d，木質(zhì)素的去除率可達(dá)34.3%，綜纖維素的損失小于10%，每克預(yù)處理玉米秸稈的最大產(chǎn)氫量為80.3 mL。

選擇高效的木質(zhì)纖維素預(yù)處理、 酶解和發(fā)酵菌株是生物燃料生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。微生物的純培養(yǎng)涉及到滅菌、 分離、 馴化、 預(yù)防污染等嚴(yán)苛條件，不穩(wěn)定因素較多，而微生物的共培養(yǎng)可以促進(jìn)細(xì)胞分裂，微生物之間的協(xié)同作用也受到廣泛關(guān)注。

Liu等［16］利用嗜熱纖維梭菌Clostridium thermocellum JN4（C.JN4）和嗜熱解糖厭氧桿菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum GD17（T.GD17）共培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)氫，C.JN4純培養(yǎng)時(shí)分泌的纖維素酶能將木聚糖水解為木糖，但無(wú)法利用這些單糖，每摩爾葡萄糖的產(chǎn)氫量約為0.8 mol；共培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞加速分裂，T.GD17可以利用這些木糖發(fā)酵產(chǎn)氫，產(chǎn)氫量增加2倍多，每摩爾葡萄糖的產(chǎn)氫量達(dá)到1.8 mol。

2.4物理-化學(xué)預(yù)處理

物理-化學(xué)預(yù)處理是一種結(jié)合物理作用和化學(xué)反應(yīng)綜合過(guò)程處理基質(zhì)的手段， 通常比單純的物理法或化學(xué)法的作用力度大， 可通過(guò)液體水熱（酸熱或堿熱）、 氨纖維爆炸（AFEX）、 化學(xué)試劑輔助微波輻照等過(guò)程來(lái)分解木質(zhì)素。 其中酸熱預(yù)處理操作簡(jiǎn)便， 成本低廉， 處理效果好， 在近幾年的研究中備受關(guān)注。 Pattra等［17］在溫度為121 ℃、 壓強(qiáng)為147 kPa的高壓釜中， 使用H2SO4的體積分?jǐn)?shù)為0.25%～7%的溶液蒸壓甘蔗渣， 再利用丁酸梭菌Clostridium butyricum發(fā)酵甘蔗渣水解液， 在H2SO4的體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)蒸壓60 min， 每摩爾總糖的產(chǎn)氫量最大， 為1.73 mol， 對(duì)照組的產(chǎn)氫量?jī)H為0.75 mol。 Han等［18］研究在溫度為65 ℃的條件下HCl預(yù)處理對(duì)大豆秸稈氫氣累積產(chǎn)量的影響，未經(jīng)處理的大豆秸稈的累積氫體積只有5.46 mL，但隨著HCl的質(zhì)量濃度的增加（5～40 g/L），累積氫體積繼續(xù)增加（17.26～47.65 mL）；當(dāng)HCl的質(zhì)量濃度增加到80 g/L時(shí)，氫氣體積減少到40.77 mL。因?yàn)轭A(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生可溶性糖的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物如糠醛、 醋酸酯、 苯酚和呋喃化合物等，抑制產(chǎn)氫細(xì)菌的活性。HCl是酸熱預(yù)處理中使用最多的化學(xué)試劑之一，研究結(jié)果表明，稀酸比濃酸更有利于產(chǎn)氫，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3制氫發(fā)酵工藝

整個(gè)微生物制氫過(guò)程分為預(yù)處理、糖化（酶解）和發(fā)酵產(chǎn)氫3個(gè)步驟。 在發(fā)酵產(chǎn)氫之前，必須酶解預(yù)處理階段釋放的低聚物以獲得更高含量的單糖。 傳統(tǒng)的酶解和發(fā)酵分別在不同的反應(yīng)器中依次發(fā)生， 稱(chēng)為分步糖化發(fā)酵（separate hydrolysis and fermentation， SHF）。隨著新的技術(shù)和設(shè)備不斷開(kāi)發(fā)，同步糖化發(fā)酵（simultaneous saccharification and fermentation， SSF）可通過(guò)混合培養(yǎng)酶解和發(fā)酵微生物，在同一設(shè)備中解聚低聚物并發(fā)酵產(chǎn)氫。在SSF的基礎(chǔ)上，整合生物工藝（consolidated bioprocess， CBP），為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的利用提供了高度集成的設(shè)計(jì)，將纖維素材料直接高效地轉(zhuǎn)化為生物燃料，更有競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)可行性。幾種微生物制氫發(fā)酵工藝流程［24］如圖3所示。

3.1SHF工藝

SHF工藝的優(yōu)點(diǎn)是糖化和發(fā)酵發(fā)生在不同的反應(yīng)器中，最佳環(huán)境條件（溫度、 pH、 時(shí)間等）可控。文獻(xiàn)［25-28］中在研究不同的發(fā)酵工藝對(duì)麥秸產(chǎn)氫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)， SHF工藝的每克揮發(fā)性固體（VS）最大產(chǎn)氫量達(dá)到54.1 mL， 高于傳統(tǒng)的批量試驗(yàn)（最大產(chǎn)氫量?jī)H為41.9 mL）。 該工藝的缺點(diǎn)是木質(zhì)纖維素水解物主要是己糖和戊糖， 其中己糖很容易被細(xì)菌利用， 但戊糖的利用較困難， 在水解液中大量積累會(huì)抑制后續(xù)水解。 為了充分水解木質(zhì)纖維素， 富集可以發(fā)酵戊糖的微生物就變得非常關(guān)鍵。 從采油井地層水中分離得到一株烷嗜熱厭氧桿菌Thermoanaerobacter mathranii A3N， 每摩爾戊糖的產(chǎn)氫量最大為2.5 mol， 均大于從牛糞中分離得到的中溫拜氏梭菌Clostridium beijerinckii YA001發(fā)酵戊糖的（2.31 mol）和從玉米秸稈水解液中分離得到的嗜熱厭氧菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16（T.W16）發(fā)酵戊糖的（2.19 mol）。

3.2SSF工藝

SSF工藝的特點(diǎn)是在單一設(shè)備中糖化和發(fā)酵同時(shí)發(fā)生。 與SHF工藝相比， SSF工藝可降低水解過(guò)程中糖積累的抑制， 縮短操作時(shí)間， 減少對(duì)設(shè)備的要求從而降低成本， 最終提高產(chǎn)氫效率。 Ibrahim等［29］利用丙酮丁醇梭菌Clostridium acetobutylicum ATCC 824對(duì)油棕櫚空果殼發(fā)酵產(chǎn)氫的研究結(jié)果表明， SSF工藝96 h的累計(jì)產(chǎn)氫量為282.42 mL， 高于SHF工藝的（222.02 mL），產(chǎn)氫效率提高21.2%。同樣，Li等［30］采用SSF工藝處理玉米秸稈、 稻草秸稈、 玉米芯和高粱秸稈的產(chǎn)氫量分別比SHF工藝處理的高20.54%、 10.31%、 13.99%和5.92%， 且產(chǎn)氫滯留時(shí)間（60 h內(nèi)）比SHF工藝處理（水解48 h、 發(fā)酵60 h）更短， 大幅降低運(yùn)行成本，但是SSF工藝對(duì)操作條件要求苛刻， 影響因素除糖積累、 溫度和時(shí)間外， pH、 底物含量和纖維素酶含量對(duì)產(chǎn)氫也有較大影響。 Zhao等［31］以真菌預(yù)處理的玉米秸稈為原料， 利用綠色木霉Trichoderma viride和T.W16分泌的粗酶同步糖化發(fā)酵制氫，當(dāng)初始pH為6.5、 底物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時(shí)，將每克纖維素的初始酶載量從16 FPU（濾紙酶活性， 1 FPU的意義是： 在1 min內(nèi)產(chǎn)生1 μmol葡萄糖所用的酶量）增加到42 FPU，產(chǎn)氫率提高了42.8%。

3.3CBP

CBP是利用特定的微生物菌群生產(chǎn)水解酶和產(chǎn)氫酶同時(shí)糖化、 發(fā)酵底物的新興工藝， 仍處于發(fā)展的早期階段， 是一種高度集成的直接生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。 CBP在單一反應(yīng)器里結(jié)合了木質(zhì)纖維素生產(chǎn)的3個(gè)步驟（酶生產(chǎn)、 酶糖化和糖發(fā)酵）， 擁有SSF工藝的所有優(yōu)點(diǎn)并且有助于降低酶的成本。 選擇和馴化具有產(chǎn)氫能力、 能夠協(xié)同降解綜纖維素的微生物是CBP成功的關(guān)鍵。 Song等［32］從厭氧馴化污泥中分離的中溫丁酸梭菌Clostridium butyricum FS3，在35 ℃厭氧發(fā)酵玉米稈時(shí)，每克玉米稈的最大產(chǎn)氫量為92.9 mL。Cao等［33］從嗜熱厭氧桿菌中分離到3株在60 ℃溫度下生長(zhǎng)的嗜熱纖維素分解菌，可生長(zhǎng)在微晶纖維素、 濾紙、 木聚糖、 葡萄糖和木糖等聚合物上。以微晶纖維素為底物，嗜熱厭氧桿菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18發(fā)酵的每克纖維素產(chǎn)氫量高達(dá)243.7 mL。利用皺蓋鐘菌Caldicelloussiruptor saccharolyticus DSM8903在65 ℃下直接發(fā)酵機(jī)械粉碎的柳枝稷，每克干物質(zhì)的產(chǎn)氫量為310 mL。與中溫菌相比，嗜熱菌能夠在高溫條件下發(fā)揮作用，有效避免在發(fā)酵過(guò)程中其他菌株大量繁殖污染基質(zhì)，加快生物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率。

學(xué)者們除了在自然界中分離和富集功能性微生物外，對(duì)現(xiàn)有細(xì)菌使用基因工程也可獲得更多的產(chǎn)氫活性微生物。基因工程是一種通過(guò)修改生物體基因組來(lái)重新定向代謝途徑，最終生產(chǎn)出目標(biāo)產(chǎn)品的有力工具。嗜熱纖維素分解菌Caldicellulosiruptor能夠從植物生物質(zhì)中發(fā)酵所有戊糖和己糖，也可以降解高含量木質(zhì)素和結(jié)晶纖維素的生物質(zhì)，不用經(jīng)過(guò)常規(guī)預(yù)處理。使用基因工程敲除掉熱解纖維素菌Caldicellulosiruptor bescii（C.bescii）中的左旋乳酸脫氫酶基因（L-lactate dehydrogenase，L-ldh），可將丙酮酸代謝途徑從產(chǎn)乳酸轉(zhuǎn)向產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫，乙酸和氫產(chǎn)量較親本株分別提高了21%和34%。基因工程可增加對(duì)C.bescii代謝過(guò)程的了解，建立更好的代謝模型，為生物燃料和其他生物質(zhì)產(chǎn)品的綜合生物加工提供技術(shù)支持［34］。

3.4綜合發(fā)酵工藝

綜合發(fā)酵是將發(fā)酵與其他工藝相結(jié)合以獲得更高的生物質(zhì)制氫產(chǎn)率，如發(fā)酵與厭氧消化結(jié)合、 光發(fā)酵與暗發(fā)酵結(jié)合、 暗發(fā)酵與生物催化電解相結(jié)合等。綜合發(fā)酵工藝往往伴隨著微生物共培養(yǎng)的協(xié)同作用，提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵是優(yōu)化和控制微生物的培養(yǎng)條件。Abreu等［35］利用熱解糖腸球菌Caldicellulosiruptor saccharolyticus和海棲熱袍菌Thermotoga maritima（T.m）采用暗發(fā)酵和厭氧消化兩步法共培養(yǎng)促進(jìn)園林廢棄物暗發(fā)酵產(chǎn)氫，共培養(yǎng)發(fā)酵纖維二糖，每摩爾總糖的產(chǎn)氫量為（4.8±0.3） mol，高于單培養(yǎng)T.m發(fā)酵的產(chǎn)氫量［（3.6±0.2） mol］。

綜合發(fā)酵技術(shù)還可以通過(guò)維護(hù)最佳的反應(yīng)條件， 減少酶抑制作用， 提高底物的利用效率來(lái)提高產(chǎn)氫量。 Rai等［36］對(duì)甘蔗渣開(kāi)展光暗發(fā)酵聯(lián)合產(chǎn)氫研究， 硫酸水解甘蔗渣產(chǎn)物經(jīng)離子交換樹(shù)脂柱去除抑制性糠醛后進(jìn)行暗發(fā)酵， 再對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)生的廢培養(yǎng)基進(jìn)行光發(fā)酵， 僅暗發(fā)酵每升甘蔗渣的累積產(chǎn)氫量即為1 000 mL， 對(duì)廢培養(yǎng)基進(jìn)行光發(fā)酵， 每升甘蔗渣又增加了351 mL的產(chǎn)氫量。 Marone等［37］利用暗發(fā)酵和微生物電解聯(lián)用處理造紙廠(chǎng)廢水制氫過(guò)程中，每克COD的總產(chǎn)氫量最大可達(dá)256.76 mL，與單純暗發(fā)酵相比增加了13倍，COD的去除率達(dá)（57.1±6.1）%。暗發(fā)酵結(jié)合微生物電解最大限度地將造紙廠(chǎng)廢水轉(zhuǎn)化為生物氫，將COD去除、 材料和能源回收等必要條件結(jié)合到一個(gè)聯(lián)用工藝中，提高了系統(tǒng)的處理效率和產(chǎn)氫潛力，在廢水處理和可持續(xù)生物能源生產(chǎn)方面提供了雙重環(huán)境效益。

綜合發(fā)酵工藝將不同工藝的優(yōu)點(diǎn)與反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合， 處理富含碳水化合物的基質(zhì)， 在不同工藝處理中高效率地生產(chǎn)生物燃料并充分利用有機(jī)物中所含的能量。 Kongjan等［38］在流式厭氧污泥床（UASB）中對(duì)小麥秸稈水解液兩段制氫氣和甲烷的工藝研究中，每克VS的氫氣和甲烷產(chǎn)量分別為89、307 mL，能量轉(zhuǎn)換效率由產(chǎn)氫階段的7.5%大幅提高到產(chǎn)甲烷階段的87.5%。Pawar等［39］在連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTR）中利用麥秸制氫，然后對(duì)其出水進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)甲烷的研究中，兩步工藝過(guò)程的最大能量輸出為10.9 kJ/g，約占總能量的57%，占麥秸中水解糖部分的67%，在能量回收和資源再利用方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

4暗發(fā)酵影響因素

在工藝適用的前提下， 除了預(yù)處理方式對(duì)制氫產(chǎn)率的影響外， 其他一些因素也會(huì)影響產(chǎn)氫過(guò)程， 包括控制微生物暗發(fā)酵代謝條件， 即溫度、 底物投加量、 初始pH、 水力停留時(shí)間（HRT）、 所使用的微生物種類(lèi)（純細(xì)菌或混合細(xì)菌培養(yǎng)物）、 接種物的處理方法、 培養(yǎng)基的組成、 添加促進(jìn)產(chǎn)氫的催化劑等［40］。

4.1溫度

在生物預(yù)處理過(guò)程中， 不同的微生物類(lèi)型最適宜生長(zhǎng)溫度是不同的。 大多數(shù)白腐子囊真菌在39 ℃左右生長(zhǎng)最佳， 而白腐擔(dān)子菌在25～30 ℃生長(zhǎng)最佳。這些真菌的代謝在培養(yǎng)基中產(chǎn)生熱量并形成溫度梯度， 積累的熱量會(huì)破壞或抑制真菌的生長(zhǎng)和代謝， 因此保持最佳的環(huán)境溫度是很重要的。

考慮到木質(zhì)纖維素發(fā)酵反應(yīng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高溫， 在沒(méi)有冷卻條件的情況下， 嗜熱和極端嗜熱條件更有利于提高微生物的反應(yīng)活性， 發(fā)酵溫度可以通過(guò)影響微生物組成和酶（如氫化酶）的活性來(lái)影響產(chǎn)氫。研究［31］表明，在溫度60 ℃的條件下富集T.W16發(fā)酵玉米稈， 每克干物質(zhì)的產(chǎn)氫量可達(dá)89.3 mL， 遠(yuǎn)高于30 ℃溫度下厭氧混合菌落發(fā)酵微藻的產(chǎn)氫量（25.1 mL）［41］。在溫度65 ℃的條件下溶糖梭菌Clostridium saccharolyticus發(fā)酵柳枝稷和在60 ℃條件下T.M18發(fā)酵質(zhì)量濃度為5 g/L的微晶纖維素，每克干物質(zhì)的產(chǎn)氫量最高分別為310、 243.7 mL［31， 33］。不同研究中最佳溫度的差異可能是由基質(zhì)、 種泥和操作條件的不同造成的。

4.2底物濃度

木質(zhì)纖維素作為底物在暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中為微生物提供生存所必需的碳源和氮源，最高的產(chǎn)氫量通常是在稀釋的底物上獲得的，底物含量的大幅增加會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)氫量降低，因此，為了獲得更多的氫氣產(chǎn)量，必須保證適當(dāng)?shù)牡孜锖俊eng等［42］在利用熱纖維梭菌Clostridium thermocellum DSM 1237和嗜熱梭狀芽孢桿菌Clostridium thermopalmarium DSM 5974共培養(yǎng)發(fā)酵纖維素產(chǎn)氫的研究中發(fā)現(xiàn)， 細(xì)胞的生長(zhǎng)速度和活性隨著底物含量的變化而變化， 當(dāng)?shù)孜锏馁|(zhì)量濃度從4.5 g/L增加到9 g/L時(shí)， 每升培養(yǎng)液的產(chǎn)氫量從535 mL增加到1 387 mL。 底物質(zhì)量濃度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響微生物的代謝活動(dòng)。 Zhang等［43］在利用酸化預(yù)處理的玉米秸稈制氫研究中發(fā)現(xiàn)， 底物的質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí)可以獲得最大累積產(chǎn)氫量， 每克TVS的產(chǎn)氫量為149.69 mL， 而底物的質(zhì)量濃度過(guò)高（40 g/L）和過(guò)低（5 g/L）都不利于微生物產(chǎn)氫， 每克TVS的產(chǎn)氫量分別僅為122.80、 47.62 mL。

Chang等［44］研究了產(chǎn)氫量與木糖含量的關(guān)系，木糖的質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)產(chǎn)氫效果最好，而木糖質(zhì)量濃度增加到100 g/L時(shí)，產(chǎn)氫量幾乎降為0。在Zhang等［43］的研究中，當(dāng)玉米秸稈的投加量為15 g/L時(shí)，每克TVS最大產(chǎn)氫量為143.79 mL；當(dāng)玉米秸稈的投加量增加到40 g/L時(shí)，每克TVS產(chǎn)氫量降為122.8 mL，原因是在發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性脂肪酸的生成量增加，當(dāng)糖的濃度增加到適宜閾值以上時(shí)，對(duì)產(chǎn)氫產(chǎn)生了抑制作用。

4.3pH

酸堿處理接種物可抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)生甲烷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫量的增加。極端酸堿條件可以消除內(nèi)生孢子微生物，特別是產(chǎn)甲烷菌（最佳pH為6.7～7.5）。pH不僅強(qiáng)烈影響產(chǎn)氫量，還影響其他液態(tài)有機(jī)化合物種類(lèi)和含量。對(duì)于酸性介質(zhì)，pH應(yīng)調(diào)整為2～4；對(duì)于堿性介質(zhì)，pH應(yīng)調(diào)整為10～12。Fang等［45］研究pH對(duì)微生物代謝副產(chǎn)物含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在pH較小時(shí)，副產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸，隨著pH增大，乙醇、丙酸和乳酸含量也增大。

在暗發(fā)酵過(guò)程中， 水合氫離子含量對(duì)產(chǎn)氫量有重要影響， 因此pH保持在一個(gè)恒定的最佳水平很重要， 直接影響混合培養(yǎng)中菌株的活性、 代謝途徑以及形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 此外， 暗發(fā)酵工藝除產(chǎn)生生物氫外， 還產(chǎn)生其他副產(chǎn)品或可溶性代謝物， 包括有機(jī)酸（如乙酸、 丙酸、 丁酸、 甲酸、 乳酸等）和溶劑（如乙醇、 丙酮、 丁醇等）。 有機(jī)酸作為暗發(fā)酵過(guò)程的副產(chǎn)物， 導(dǎo)致細(xì)胞外pH減小， 抑制產(chǎn)氫酶活性。 盡管保持pH在一個(gè)恒定的最佳水平很重要； 但是， 許多在批處理模式下的研究都是在沒(méi)有全程控制pH的情況下開(kāi)展， 因此初始pH對(duì)產(chǎn)氫發(fā)酵的影響至關(guān)重要。Azman等［46］在研究初始pH（5.5～6.5）和溫度（30～38 ℃）對(duì)脫油米糠制氫的影響時(shí)，在溫度為34 ℃、 pH為5.5時(shí)，每克總糖的產(chǎn)氫量最高，為132.2 mL； pH為6.5時(shí)，累計(jì)產(chǎn)氫量最高（572.5 mL）。Li等［47］研究初始pH（4～8）對(duì)分批蒸氣爆破玉米秸稈產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明，pH為7～7.5時(shí)產(chǎn)氫效果最好。值得注意的是，在批處理過(guò)程中應(yīng)區(qū)分初始pH和操作pH，因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中培養(yǎng)基的pH會(huì)發(fā)生變化，不加以控制會(huì)顯著影響產(chǎn)氫量。

4.4水力停留時(shí)間（HRT）

HRT是對(duì)底物在發(fā)酵室中停留時(shí)間的平均長(zhǎng)度的描述。 工業(yè)規(guī)模的氫氣生產(chǎn)通常利用半連續(xù)和連續(xù)的工藝， HRT是影響產(chǎn)氫量的一個(gè)重要參數(shù)。 在連續(xù)或半連續(xù)模式下的暗發(fā)酵過(guò)程中， 在一定范圍內(nèi)增加HRT會(huì)使產(chǎn)氫量增大， 但超過(guò)最佳HRT后， 產(chǎn)氫量會(huì)隨HRT的增加而降低，并且HRT高度依賴(lài)pH。在pH分別為5.0、 5.5、 6.0、 6.5的4個(gè)生物反應(yīng)器中，HRT為3～24 h連續(xù)暗發(fā)酵纖維素二糖、 木糖和阿拉伯糖的混合物產(chǎn)氫，當(dāng)pH=6.5時(shí)，HRT為24～12 h時(shí)的產(chǎn)氫量最高；當(dāng)pH=6.0時(shí)，HRT小于12 h時(shí)的產(chǎn)氫量最高，HRT為3 h時(shí)的每日產(chǎn)氫量達(dá)到11.4 L［48］。Tran等［49］在研究HRT對(duì)入侵濕地的多年生蘆葦連續(xù)厭氧產(chǎn)氫的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)， 將底物的質(zhì)量濃度控制在50 g/L，HRT為8 h時(shí)每克COD的產(chǎn)氫量達(dá)到峰值（144.35 mL）。HRT越短，發(fā)酵蘆葦產(chǎn)氫量越大，但HRT較長(zhǎng)時(shí)，甲烷與氫氣會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，可見(jiàn)，較低的溫度和較長(zhǎng)的HRT對(duì)蘆葦產(chǎn)氫有抑制作用。

Buitrón等［50］采用序批式反應(yīng)器研究不同溫度（25、 30 ℃）、 底物含量、 HRT（12、 24 h）對(duì)龍舌蘭酒渣制氫的影響，在這3個(gè)因素中，HRT對(duì)龍舌蘭酒渣產(chǎn)氫影響最大。當(dāng)反應(yīng)器投加底物的質(zhì)量濃度為3 g/L、 溫度為35 ℃、 HRT為12 h時(shí)，每升底物的最大產(chǎn)氫速率為50.5 mL/h，沼氣中氫的平均體積分?jǐn)?shù)為（29.2±8.8）%。當(dāng)HRT為24 h時(shí)，反應(yīng)器中有甲烷生成。

4.5納米顆粒

納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、 比表面積大、 電導(dǎo)率高等特點(diǎn)， 擁有高效的吸附能力和催化效率，且可以在非常低的濃度下誘導(dǎo)微生物代謝。單質(zhì)鐵納米顆粒（Fe0 NPs）具有環(huán)境友好性和高效的催化活性， 越來(lái)越多地用于環(huán)境修復(fù)和工業(yè)廢水處理， 同時(shí)對(duì)暗發(fā)酵產(chǎn)氫也有一定的促進(jìn)作用。 Feng等［51］、 Luo等［52］在研究中發(fā)現(xiàn)， Fe0 NPs或單質(zhì)鐵粉可以提高厭氧發(fā)酵中水解酶（蛋白酶、 纖維素酶和淀粉酶）的活性， 這些水解酶對(duì)木質(zhì)纖維素的水解和利用至關(guān)重要。 鐵元素在細(xì)胞呼吸中起著關(guān)鍵作用， 也是鐵氧還蛋白中鐵硫蛋白的關(guān)鍵成分， 而且Fe0 NPs在體系中很容易被氧化為Fe2+，可以促進(jìn)鐵氧還蛋白中氫化酶和鐵硫蛋白的合成。在氫發(fā)酵過(guò)程中添加Fe0 NPs還可以去除系統(tǒng)中的氧元素，有助于提高氧敏感氫化酶的活性。同時(shí)，F(xiàn)e0 NPs作為一種還原材料，還可以降低系統(tǒng)中的氧化還原電位（ORP），為發(fā)酵微生物提供更有利的環(huán)境。Fe0 NPs在微生物發(fā)酵制氧中的作用機(jī)制如圖4所示。

Yang等［53］在研究粒徑為50 nm的Fe0 NPs用于草料暗發(fā)酵產(chǎn)氫時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加Fe0 NPs可提高微生物活性，優(yōu)勢(shì)菌群由腸桿菌屬Enterobacter sp.轉(zhuǎn)變?yōu)樗缶鷮貱lostridium sp.，從而轉(zhuǎn)向更高效的產(chǎn)氫代謝途徑。當(dāng)Fe0 NPs添加量為400 mg/L時(shí)，每克草料的最大產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率分別為64.7 mL和12.1 mL/h，分別比對(duì)照組的提高73.1%和128.3%。

從木質(zhì)纖維素的預(yù)處理到最終生物制氫的幾乎所有步驟都是由酶介導(dǎo)的， 其中大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)， 其性質(zhì)和活性受各自的輔基影響很大。 由于天然酶具有成本高、 不穩(wěn)定、 可重用性差等缺點(diǎn)， 因此在大規(guī)模產(chǎn)氫的應(yīng)用中受到限制。 Cho等［54］合成了一種仿生磁性納米酶（BMNE）， 這種納米材料在pH為3時(shí)催化水解β-1，4-糖苷鍵的效率最高。BMNE與天然酶結(jié)合對(duì)稻草水解有協(xié)同作用，與單獨(dú)的天然酶相比，糖釋放量增加29.7%，水解時(shí)間明顯縮短。BMNE在連續(xù)重復(fù)5個(gè)反應(yīng)循環(huán)后仍保持顯著的活性。

5展望

木質(zhì)纖維素生物制氫是一項(xiàng)有巨大發(fā)展前景的技術(shù)。木質(zhì)纖維素原料來(lái)源豐富，易于收集和存儲(chǔ)，但想要達(dá)到規(guī)?；茪?，還須要進(jìn)一步深入研究。

1）在考慮高效的預(yù)處理方法、 經(jīng)濟(jì)可行性、 二次污染、 能耗、 回收再利用、 工藝復(fù)雜程度等問(wèn)題的前提下， 探索更多適用于木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫的工藝方法， 優(yōu)化產(chǎn)氫工藝條件， 如在運(yùn)用固體培養(yǎng)基規(guī)?；a(chǎn)氫的過(guò)程中， 設(shè)計(jì)和研制一種可以維持適宜溫度并且產(chǎn)熱量小的生物反應(yīng)器， 提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率。

2）富集或馴化高效水解木質(zhì)纖維素的微生物菌株，特別是可以同時(shí)利用戊糖和己糖產(chǎn)氫的微生物； 開(kāi)發(fā)細(xì)胞固定化、 代謝工程、 基因工程等生物技術(shù)； 將基因工程與木質(zhì)纖維素材料的利用相結(jié)合，為生物質(zhì)燃料的發(fā)展提供新的思路。

3）目前，大多數(shù)添加納米顆粒催化產(chǎn)氫的研究都是以葡萄糖、 蔗糖和淀粉作為底物，并且都集中在產(chǎn)乙醇和產(chǎn)甲烷方面，對(duì)納米材料促進(jìn)木質(zhì)纖維素的暗發(fā)酵產(chǎn)氫的研究較少，作用機(jī)制尚不清楚，必須進(jìn)一步研究。

利用木質(zhì)纖維素生物制氫在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了廣泛的研究，在木質(zhì)纖維素預(yù)處理、 暗發(fā)酵產(chǎn)氫工藝和影響木質(zhì)纖維素暗發(fā)酵產(chǎn)氫的影響因素等方面都取得了豐碩的成果，期望在不久的將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)清潔能源，化解化石燃料開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的能源危機(jī)。

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（責(zé)任編輯：于海琴）

收稿日期： 2023-10-07網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2024-04-17T21：00：16

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52070089）

第一作者簡(jiǎn)介： 李素月（1997—），女，河南信陽(yáng)人。碩士研究生，研究方向?yàn)閰捬醢l(fā)酵產(chǎn)氫。E-mail： 516615465@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介： 張永芳（1979—），女，山東泰安人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛袡C(jī)廢水降解與資源化再利用。E-mail： chm_zhangyf@ujn.edu.cn。

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