基于模糊逻辑控制的H2输入动态调控实现厌氧微生物组原位产CH4工艺优化

为解决生物沼气升级过程中H2利用率低和微生物组适应性差的问题，研究人员通过模糊逻辑控制(FLC)动态调节固定床反应器中H2输入，使CH4浓度提升49%至87.0%，H2转化率达99%。该研究为可再生能源储存和高效生物甲烷生产提供了创新策略。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，生物甲烷（CH₄）作为可储存的能源载体备受关注。传统生物沼气升级需分离CO₂，而原位甲烷化技术通过注入氢气（H₂）将CO₂直接转化为CH₄，但面临H₂溶解度低、微生物适应性差等挑战。现有技术难以动态匹配微生物代谢需求，导致转化效率受限。

为解决这一难题，国外研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表研究，首次将模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control, FLC）应用于固定床反应器的原位甲烷化过程。通过226天的实验，团队证明FLC可动态调节H₂输入（0-2.5%头空浓度），使CH₄浓度从58.4%提升至87.0%，同时H₂转化率稳定在99%。该技术通过促进氢营养型产甲烷菌（如Methanoculleus和Methanobacterium）与合成共生菌（如Petrimonas和Geobacter）的协同作用，实现了微生物组的定向驯化。

关键技术包括：1）采用配备红外/电子传感器的Awite Bioenergie系统实时监测气体成分；2）基于PI控制器构建FLC规则库动态调节H₂输入；3）通过16S rRNA测序（Qiime2平台）和GTDB-Tk数据库分析微生物组演化；4）结合化学需氧量（COD）和挥发性脂肪酸（VFA）监测评估系统稳定性。

4.1 生物气生产与成分
分阶段增加H₂输入（0.5%-2.5%）使CH₄产量呈阶梯式增长，最高单日产气量达0.55 NL/d·L。值得注意的是，当H₂浓度超过1.5%时，微生物组表现出强适应性，CO₂减排率达58.1%。

4.2 化学参数
低有机负荷率（OLR=1.5 gCOD/L·d）与FLC调控协同作用，使反应器底部COD从4000 mg/L降至850 mg/L。挥发性脂肪酸（VFA）在H₂输入1%后快速降解，证实微生物代谢路径的有效转换。

4.3 分类学数据
微生物组分析揭示显著演替：初始污泥中的乳酸菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）被严格氢营养型产甲烷菌取代。值得注意的是，Rectinema（氢发酵菌）和Syntrophomonas（互营乙酸氧化菌）丰度增长，证实了种间H₂转移（IHT）和直接种间电子传递（DIET）机制的激活。

4.4 多变量分析
Spearman相关性热图显示，Methanoculleus与CH₄产量呈强正相关（r>0.8），而Clostridium_B等水解菌与VFA浓度显著相关，印证了代谢功能的分化。

该研究突破性地将FLC引入生物能源领域，其创新性体现在：1）通过渐进式H₂输入实现微生物组定向驯化；2）首次证实Rectinema-Geobacter-Methanobacterium三联体在工业规模反应器中的合成共生关系；3）为间歇性可再生能源（如风电制H₂）的生物学储存提供了可行方案。尽管当前研究采用小规模反应器（15L）和合成底物，但其构建的"微生物组-FLC"调控框架为未来商业化应用奠定了理论基础。