光发酵生物制氢与生物甲烷联产提升能量转化效率的创新研究

面对能源短缺与环境挑战，研究人员以烟草废弃物为底物，通过光发酵制氢(PFHP)与甲烷发酵联产技术，实现氢气(234.3 mL/g)与甲烷(232.3 mL/g)高效联产，能量转化效率达69.68%。该研究不仅为烟草废弃物绿色降解提供新方案，更通过二次资源化利用推动可再生能源商业化进程，契合《巴黎协定》碳中和目标。

　　

全球能源危机与环境污染的双重压力下，寻找可持续的清洁能源生产方式成为当务之急。烟草产业每年产生数百万吨废弃物，传统处理方式不仅造成资源浪费，还会引发环境污染。与此同时，光发酵制氢(Photo-Fermentation Hydrogen Production, PFHP)虽能实现生物质能转化，但存在底物利用率低、残留有机物多等瓶颈。如何通过技术联用提升能量转化效率，同时实现废弃物的高值化利用，成为研究者亟待破解的难题。

河南农业大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，创新性地将PFHP与甲烷发酵技术耦合，以烟草叶、脉、秆为底物，系统评估了三者的产气性能差异。研究发现，烟草脉在15 g/L浓度下可实现234.3 mL/g氢气与232.3 mL/g甲烷的联产，能量转化效率突破至69.68%，为废弃物资源化提供了技术范式。

关键技术方法
研究采用混合菌群HAU-M1进行PFHP，通过监测pH、氧化还原电位(ORP)和挥发性脂肪酸(VFAs)动态变化解析代谢规律；利用气相色谱分析氢气/甲烷产量；基于修正的Gompertz模型进行动力学模拟；烟草废弃物样本来自河南农业大学许昌校区种植基地，经60目筛粉碎后测定化学成分。

研究结果

1. PFHP液相特征
   烟草脉组在24小时内pH降至5.12，同时积累大量乙酸(占VFAs总量78.6%)，为后续甲烷发酵提供理想底物。ORP持续低于-400 mV的环境保障了产氢菌活性。

2. 能量转化效率对比
   烟草脉的氢气产率(14.7 mmol/g)显著高于叶(9.8 mmol/g)和秆(11.2 mmol/g)，其木质素含量低(8.3%)、纤维素占比高(41.2%)的特性更利于酶解。甲烷发酵阶段，脉组COD去除率达81.4%，印证了PFHP尾液的深度资源化潜力。

3. 动力学分析
   Gompertz模型显示脉组最大产氢速率(R_max)为3.12 mL/(g·h)，滞后时间(λ)仅6.5小时，表明其快速启动特性；甲烷发酵的R_max虽较低(1.87 mL/(g·h))，但持续周期长达120小时。

结论与意义
该研究首次证实烟草废弃物通过PFHP-甲烷联产可实现能量梯级利用，69.68%的转化效率较单一产氢模式提升近3倍。技术路线中，PFHP相当于甲烷发酵的"预处理"阶段，二者协同突破了传统生物制氢底物利用率低的限制。从应用角度看，该方案既延伸了烟草产业链经济价值，又以碳中性方式每年可处理百万吨级农业废弃物，对实现《巴黎协定》减排目标具有双重示范效应。未来研究可进一步优化菌群配伍与工艺参数，推动该技术向工业化规模迈进。