《International Journal of Hydrogen Energy》：Critical review of biohydrogen production from
Agave angustifolia Haw residues: Technological barriers, techno-economic gaps, and scale-up strategies
编辑推荐：
龙舌兰废渣生物氢气制备技术障碍与可持续发展路径研究，提出酸水解-蒸汽水解-酶解联用工艺及规模化策略，为墨西哥奥亚斯州能源转型提供新思路。
Jesica Ariadna Jiménez-Mendoza | Magdaleno Caballero-Caballero | Fernando Chi?as-Castillo | Rafael Alavez-Ramirez | Luis Humberto Robledo-Taboada | José Luis Montes Bernabé
墨西哥瓦哈卡州CIIDIR国立理工学院
摘要
由于高二氧化碳排放导致的温室气体的有害全球影响，转向使用氢等清洁能源变得至关重要。氢可以通过生物质生物方法生产。本文综述了利用窄叶龙舌兰（Agave angustifolia Haw.）进行暗发酵生产氢的过程。研究表明，相关物种如A. karwinskii、A. lechuguilla和A. tequilana Weber每摩尔葡萄糖可产生高达3.48摩尔的氢。本研究指出了窄叶龙舌兰作为氢生产原料所面临的具体技术障碍、生物工程挑战及经济瓶颈，并提出了两种联合处理方法：酸水解和蒸汽水解，随后进行酶处理，从而有助于利用这种在墨西哥龙舌兰酒生产过程中产生的污染物残渣来发电。此外，本文还提供了从实验室规模向示范规模推进基于龙舌兰的生物氢系统发展的实用路线图。
引言
全球范围内，人们对脱碳的关注日益增加，这推动了可再生能源的使用，以减少碳排放对气候变化的影响[[1], [2], [3], [4], [5]]。因此，鉴于迫切需要缓解二氧化碳排放的全球影响，氢（H2）正成为未来能源系统的核心支柱[6]。国际能源署预测，到2050年，全球氢需求可能超过5亿吨，而2020年这一数字为9000万吨[7]。预计从2014年到2035年，能源使用量将增长35%，其中化石燃料将占能源总消耗量的约80%[8]。因此，实施转换策略（如光电化学系统）至关重要；然而，这些策略面临选择性、电荷重组和光捕获等问题，这些问题阻碍了生物质的处理和价值转化，同时也减少了二氧化碳排放[9]。
氢的热值为120-142千焦/克，高于其他燃料（如甲烷50千焦/克、甲醇20.1千焦/克、乙醇26.8千焦/克和汽油46.7千焦/克）。氢的密度较低（70.5克/立方分米），且储存难度较大[11]。其最终产物是水，几乎不产生任何排放[12]。在自然界中，氢与其他元素结合存在，因此生产氢需要从这些分子中释放氢[13]。大多数关于氢生产的研究采用水电解作为主要方法[14]。与化石燃料不同，氢被视为一种环保且可持续的能源[15,16]。此外，它是实现2050年可持续能源转型的重要清洁能源[17]，有助于减少温室气体排放。同时，它还支持农村地区的能源种植园发展，并有利于发展中国家[18]。
生物燃料（如生物乙醇或生物丁醇）由木质纤维素生物质（包括木材废弃物和有机材料）制成，属于第二代生物燃料。这些燃料有助于减少温室气体排放，是可再生能源的来源。另一方面，由藻类和微生物产生的生物氢特别适应多种条件[22]。这些生物质通常大量存在，应被用于能源生产，窄叶龙舌兰的 bagasse（A. angustifolia Haw. 的残渣）也是如此。尽管窄叶龙舌兰富含纤维素、半纤维素和木质素，但此前并未被用于生物氢生产。它是墨西哥龙舌兰酒生产过程中产生的大量污染物残渣。
本文系统地回顾了氢生产的相关信息，探讨了通过暗发酵等生物方法利用 bagasse 生产氢的潜力，并强调了其中的技术、经济和规模化挑战。此外，本文还提出了利用窄叶龙舌兰 bagasse 为瓦哈卡地区发展提供能源的具体方法，旨在为墨西哥其他种植该作物的地区树立示范。提交的手稿是一篇关于从窄叶龙舌兰 bagasse 生产生物氢的关键综述，提出了针对这种原材料的几项创新。文章详细介绍了该地区丰富的 bagasse 并将其作为生物氢生产的基础，提出了一套包括预处理、解毒和暗发酵的定制工艺流程。特别强调了由于龙舌兰水解物中存在的抑制化合物而进行的解毒过程。此外，文章分析了生物氢生产规模化的挑战，指出生物产量、物流、抑制剂管理和规模化策略是实现工业应用的关键障碍。与近期索引的研究相比，2024年关于臭氧分解和酶水解的研究在抑制剂减少方面取得了创新成果[23]。尽管本文重点关注抑制剂解毒和缓解措施，但在机制方面的阐述不如2025年《Biotechnology Advances》中的文章深入[24]。关于龙舌兰 bagasse 的价值转化，本文侧重于生物氢生产，而2025年《Biomass and Bioenergy》中的综述则探讨了多产品生物精炼策略[25]。值得注意的是，针对特定物种的预处理方法越来越普遍，例如2025年MDPI关于Agave durangensis的文章提出了用于生物气生产的预处理方法，但未涉及氢生产[26]。总体而言，本文的创新之处在于整合了关于窄叶龙舌兰 bagasse 生物氢生产的知识，指出了预处理中的瓶颈问题及抑制剂，并提出了具体的实验流程，以加速实验室到示范规模的转化。虽然本文在预处理方面可能没有提出新的创新，但它提供了一种针对龙舌兰的生物氢生产的具体方法，区别于更一般的木质纤维素生物质研究[23,25,27]。
氢生产概述
氢的生产方法有多种，包括传统的和较少见的生物化学及生物方法，如图2所示。通常，氢通过碳氢化合物重整或水电解产生，这两种方法都耗能较高且成本较高[28]。在催化条件下，化石碳氢化合物在700至900°C和3至35巴的压力下通过蒸汽分解，生成氢和一氧化碳[7]。
氢的分类基于其生产方法，包括不同的变体
生物质是由有机材料组成的混合物，主要为木质纤维素来源，包含纤维素、半纤维素和木质素（图3）[40]。生物质可作为一种可持续能源，有助于减少化石燃料带来的温室气体排放[41]。此外，木质纤维素废弃物含有高量的碳水化合物，全球年产量超过2200亿吨[11,42]。
暗发酵是生物氢生产中最常见的方法之一。从生化角度来看，暗发酵是一种微生物过程，其中富含碳水化合物的有机底物仅部分氧化，生成短链羧酸，这一过程始于通过Embden-Meyerhof-Parnas途径将碳水化合物分解为丙酮酸[77]。
这种发酵是厌氧的，微生物在无氧条件下将有机和无机底物转化为生物氢
已研究温度、酸浓度和反应时间对纤维素材料高效水解的影响。分析单糖组成时发现，当使用1%催化剂在200°C条件下时，会伴随呋喃的形成[94]。因此，建议采用两阶段工艺：使用稀酸水解半纤维素可产生木聚糖和葡甘露聚糖。
为了生产生物燃料，除了对微藻施加压力和改变培养条件（如调节培养基pH值、光照强度以及制造低或高营养缺乏）外，还需要生物技术、生物学、生物化学和化学工程的多学科研究，特别是通过基因工程或基因修饰来实现微藻细胞活动的分子改造，从而过度表达特定基因或酶
龙舌兰植物具有经济、社会和文化价值；然而，预处理对于促进水解和从叶片中提取所需成分至关重要。某些墨西哥龙舌兰品种主要用于生产龙舌兰酒和 mezcal 等酒精饮料，此时叶片会被去除，留下称为“pi?a”的部分用于生产纤维。以下龙舌兰品种曾被用作纤维来源[135]：
氢的重量能量密度很高，但在常温和常压下的体积能量密度很低。这意味着储存和运输需要较大的空间，无论采用何种生产方式。在正常条件下，1千克氢占据约11立方米的空间，因此未经特殊处理直接储存和运输几乎是不可能的[17,171]。因此，必须将氢压缩到非常高的压力（350至
A. angustifolia生产氢的环境影响评估
碳足迹：由龙舌兰 bagasse 生产的生物氢的碳足迹远低于化石燃料（灰色氢）的碳足迹。虽然基于生物质的氢避免了化石燃料的直接二氧化碳排放，但生命周期评估（LCA）还需考虑预处理、解毒和其他能源密集型步骤的排放。尽管这些步骤是必要的，但它们会增加氢生产的总体碳足迹。然而，种植
A. angustifolia Haw生产氢的政治和政府因素影响
在墨西哥，政府的协调支持可以引导投资流向清洁氢项目，例如多个州的数百万美元氢能项目和可再生能源项目，其中公共和私营部门共同参与氢相关投资和基础设施扩建。这些努力最终可能包括生物氢技术以及其他生产方法[136]。在研究政策层面，国家战略计划
生物氢生产的主要挑战之一是暗发酵的效率低下和产率不足，这主要是由于热力学限制影响了氢的生成。最新研究表明，向集成系统（如微生物电解池（MECs）的转变可能是提高效率的关键，因为这些系统能够将挥发性脂肪酸（VFAs）转化为氢[106,185]。从龙舌兰 bagasse 中释放可发酵糖所需的预处理过程可能非常
本文系统评估了利用
A. angustifolia Haw废弃物通过暗发酵生产生物氢的现状。该地区广泛存在且尚未充分利用的生物质为这一过程提供了便利。文献综述证实，龙舌兰属植物是极具潜力的原料，充分证明了加快研究的必要性。
本文指出了成功实现工业应用所需解决的主要技术问题：
Jesica Ariadna Jiménez-Mendoza：撰写初稿、进行研究、进行形式分析、概念构思。
Magdaleno Caballero-Caballero：资源获取、项目管理、资金筹集。
Fernando Chi?as-Castillo：撰写与编辑、监督、概念构思。
Rafael Alavez-Ramirez：验证、资源管理、方法论制定、概念构思。
Luis Humberto Robledo-Taboada：验证、资源管理。
José Luis Montes Bernabé：数据整理。
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
作者感谢墨西哥瓦哈卡州科学、人文、技术和创新秘书处（SECIHTI）对项目（编号11456537）的资助，以及感谢Honorio Santiago Jiménez先生（龙舌兰酒生产商），其地址为墨西哥瓦哈卡州Santiago Matatlán市Pedregal社区Main Avenue 21号。
