优化大豆糖蜜高温暗发酵：温度调控对生物氢产率最大化的关键作用

本研究针对农业废弃物资源化利用与清洁能源生产需求，探索大豆糖蜜（soybean molasses）在50-60°C高温暗发酵（dark fermentation）中的产氢效能。结果表明50°C条件下可实现75%碳水化合物去除率及51.4 mol-H2/m3.d的产氢效率，微生物群落分析揭示Thermoanaerobacterium等产氢菌属的关键作用，为生物能源与高值化学品联产提供新策略。

　　

随着全球能源转型需求加剧，生物制氢技术因其环境友好特性备受关注。其中暗发酵（dark fermentation）因其无需光照、底物适应性广等优势成为研究热点，但面临产氢效率低、过程不稳定等挑战。农业副产品如大豆糖蜜（soybean molasses）富含碳水化合物（58-65%干重），却因缺乏系统研究未能充分开发其能源潜力。尤其值得注意的是，现有文献仅报道过中温（mesophilic）条件下14.3 mmol-H₂/m³/d的低产氢效率，高温（thermophilic）体系的研究尚属空白。

针对这一技术缺口，由圣保罗研究基金会等机构资助的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表重要成果。研究人员设计了三组高温（50/55/60°C）厌氧序批式生物膜反应器（AnSBBR），采用26 kg-COD/m³.d的高有机负荷率（OLR），结合16S rRNA基因测序和动力学建模，系统解析温度对产氢效率及微生物群落的影响机制。

关键技术方法包括：1）建立三级温度梯度（50/55/60°C）AnSBBR反应器系统；2）采用大豆加工副产品糖蜜作为唯一碳源；3）通过高效液相色谱（HPLC）监测羧酸产物；4）基于16S rRNA基因的微生物群落分析；5）动力学模型评估代谢路径效率。

【Biohydrogen and carboxylic acid/alcohol production】
实验数据显示，50°C反应器表现最优：碳水化合物去除率达75%，氢气产率51.4 mol-H₂/m³.d，较55°C和60°C分别降低32%和68%。气相色谱检测发现氢气占沼气总量的65%，伴随乙酸（acetic acid）和丁酸（butyric acid）等高值羧酸生成，验证了产氢与酸化的正相关性。

【微生物群落分析】
16S rRNA测序揭示温度驱动的群落重构：50°C体系富集Thermoanaerobacterium（相对丰度38.7%）、Clostridium sensu stricto 11（21.2%）等高效产氢菌属；而55°C以上时乳酸菌（Lactobacillus）占比提升至45%，导致代谢路径转向乳酸发酵，直接解释产氢效率下降。

【结论与意义】
该研究首次证实大豆糖蜜在高温暗发酵中的技术可行性，明确50°C为最优工况。其创新价值体现在：1）创下51.4 mol-H₂/m³.d的产氢记录，较文献值提升260倍；2）揭示温度-菌群-代谢的三级调控机制；3）实现生物氢（biohydrogen）与羧酸（市场价值9.2亿美元）的联产。研究为农业废弃物高值化利用提供了可扩展的解决方案，相关成果已由Giovanna Lovato等作者申报多项巴西国家专利。