《International Journal of Hydrogen Energy》：Biochar-assisted dark fermentative biohydrogen generation: Statistical approach for integrated optimization of peach pomace hydrolysis and biochar production
编辑推荐：
桃渣经热解制备生物炭并优化参数（650°C，88分钟，20°C/min），显著提升其水解液产氢效率。通过Box-Behnken设计优化预处理条件（pH5.8，100°C，62分钟），实现86%糖分回收率，最终在1g/L生物炭与10g/L总糖浓度下获得2.86mmol H?/mmol总糖的最高产氢率，较对照组提升1.65倍。
Serpil ?zm?h?? | Kübra Bilgin ??can | ?lgi Karap?nar | Mustafa Erol | Sibel Demiro?lu Mustafov | Kardelen Kelkitlio?lu | Karun Kaan ?l?en
土耳其伊兹密尔多库兹埃伊卢尔大学工程学院环境工程系，邮编35390
摘要
本研究将桃渣（PP）转化为生物炭（BC），并成功利用其在暗发酵过程中提高从桃渣水解物（PPH）中产生生物氢的效率。采用Box–Behnken设计（BBD）方法优化了生物炭的生产参数，包括温度（300–650°C）、停留时间（60–240分钟）和加热速率（1–20°C/分钟）。在650°C、88分钟和20°C/分钟的条件下获得了最佳生物炭，该生物炭具有较高的C
C带透射率，并表现出良好的结构和表面特性。在优化条件下（pH 5.8、100°C、62分钟），桃渣的水解效率达到了86%。在适中温度下进行了批次实验，研究了不同生物炭浓度和底物浓度对生物氢产量的影响。当生物炭浓度为1克/升、总糖浓度为10克/升时，生物氢的最大产量为2.86毫米摩尔H
2/毫米摩尔总糖，生产速率为0.26毫米摩尔H
2/小时。与对照组相比，添加生物炭后生物氢产量提高了1.65倍，这清楚地表明生物炭在提高生物氢产量方面起着关键作用。
引言
全球能源资源的生产、利用和管理已在多个学术、工业、经济和环境研究领域得到广泛探讨。传统的能源载体和各种化学材料的生产方法完全依赖于石油、柴油、煤炭和天然气等化石燃料[1]。全球约80%的能源来自化石燃料，其使用导致温室气体排放和颗粒物污染，加剧了环境退化[2]。全球能源使用的重点正转向可再生和环保的能源，以替代日益枯竭的化石燃料。目前，全球普遍重视环境可持续性，特别是清洁能源替代品，以实现净零排放[[3], [4], [5]]。氢是一种清洁高效的燃料，不会产生温室气体、臭氧消耗物质、酸雨前体或污染物[6,7]。氢可以通过多种方法生产，其中暗发酵因能从富含碳水化合物的底物和废弃物中高效产氢而受到广泛研究[8]。这种方法因其成本效益、操作简便性、厌氧条件以及环境效益而受到青睐[9,10]。研究人员致力于优化原料和发酵条件以提高效率和产量[11]。此外，添加生物炭可以通过提供营养物质和吸附抑制性化合物来进一步提高氢的产量[[12], [13], [14], [15]]。
生物炭是一种富含碳的材料，通过有机原料在有限氧气条件下热解产生。由于其独特的物理化学性质，它在环境和农业应用中具有很高的价值[[16], [17], [18], [19]]。生物炭具有高孔隙率、大比表面积以及吸附和交换各种化合物（如有机污染物、营养物质和气体）的能力。其显著的化学稳定性、微孔结构和丰富的表面官能团进一步促进了其在环境中的应用[[20], [21], [22]]。此外，生物炭还能促进不同生化过程中的微生物活性，作为甲烷生产和发酵生物氢生产系统中的支持介质[66]; [23]。由于这些特性，生物炭在农业领域得到了广泛应用，包括提高土壤肥力、改善水分保持能力和减少温室气体排放。同时，其强大的吸附和固定能力使其成为环境修复的有效材料[[24], [25], [26]]。生物炭的独特物理化学特性使其成为一种多功能材料，具有广泛的应用潜力。目前的研究集中在优化其生产方法、评估其在不同条件下的有效性以及探索这种多功能材料的新应用领域（28-30 [[27], [28], [29]]）。这些多功能特性最近引起了人们对生物炭作为生物能源系统添加剂的关注，特别是在暗发酵过程中，它可以提高过程稳定性和氢产量，通过改善微生物性能和减轻抑制效应。
值得注意的是，当满足正确的环境条件和参数时，暗发酵过程在所有阶段都能顺利进行[30]。暗发酵过程中的关键因素包括温度、pH值、培养基中的C/N比、营养成分以及抑制剂的存在。具体来说，营养成分较高的底物可能会因过程抑制剂的存在而面临挑战。然而，由于其物理和化学性质，生物炭能够缓解或去除这些抑制剂[31,32]。
多项研究探讨了生物炭性质对生物氢产量的影响。Bu等人[14]表明，在600°C下热解叶源生物炭可使氢产量增加三倍，而Koz?owski等人[12]发现，从消化浆中制备的生物炭在较高温度下生产时间更长时，显著增强了暗发酵过程中的生物氢生成。关于从咖啡渣、玉米秸秆等材料中制备的生物炭的研究表明，低温生物炭通过氧化还原反应促进氢的产生，而高温生物炭则显著促进微生物生长[33]。
根据上述研究，来自各种生物来源的生物炭可用于暗发酵过程生产氢。例如，桃子及其副产品由于具有巨大的全球市场，可以成为转化为生物炭和生物氢的良好来源[34]。全球每年收获2500万吨桃子，尤其是果汁生产行业使用这种原料。此外，加工后有35-40%的果实被丢弃，其中含有54%的膳食纤维（包括可溶性和不可溶性纤维）。丢弃的桃子残渣包括种子、果皮、果渣和果核碎片[35]。研究表明，基于桃子的副产品可以通过暗发酵过程产生氢[[36], [37], [38], [39]]。
桃渣中的不可溶性纤维需要预处理步骤才能提取可发酵的碳水化合物。文献中提出了多种桃渣预处理方法。Karapinar等人[40]的研究通过酸辅助微波处理优化了桃渣的水解，提取率达到了61%。通常，热法酸预处理被认为是一种有效的方法。Ucuncu等人[41]的研究表明，可以从废弃物中提取出28.7-30%的纤维素、18.6-20%的半纤维素和5.35-6%的木质素，以及52%的糖分。
本研究提出了一种综合策略，将桃渣转化为可发酵糖和生物炭，然后利用生物炭通过暗发酵过程提高生物氢产量。通过同时优化生物炭生产和桃渣预处理，本研究将生物炭的物理化学性质与氢产量联系起来，强调了桃渣衍生生物炭的催化作用，并提供了一种可持续的废物转化和可再生能源生成方法。
采用了Box–Behnken响应面方法进行实验设计。
本研究专注于将桃渣完全转化为生物炭和生物氢。实验流程（图S1）展示了生物炭合成和桃渣预处理的优化过程，以及生物炭对生物氢产量的影响。
桃渣的营养成分和元素组成（表S2）表明其适合作为生物炭和生物氢生产的原料。其高总有机碳含量（445克/千克）和中等氮含量（12.6克/千克）提供了有利的C/N比（35.3）。
本研究成功将桃渣转化为生物炭和可发酵糖，用于生物炭整合的生物氢生产。在650°C、88分钟和20°C/分钟的条件下获得的最佳生物炭具有非晶态碳丰富的结构，孔隙发达且氧化基团较少。最佳水解条件（pH 5.8、100°C、62分钟）下，糖含量达到41.3克/升，足以用于发酵产氢。向发酵介质中添加生物炭显著提高了氢产量。
Serpil ?zm?h??：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思。
Kübra Bilgin ??can：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、数据分析。
?lgi Karap?nar：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、数据分析、概念构思。
Mustafa Erol：撰写 –
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了多库兹埃伊卢尔大学（DEU）研究基金的资助（资助编号：FBA-2023-3038）。作者感谢DEU电子材料制造与应用中心（EMUM）、DEU科学技术应用与研究中心（TEAM）、DEU冶金与材料工程实验室、DEU环境工程系、废物生物处理实验室和废水实验室的支持，这些机构为实验和分析提供了条件。
