综述：生物氢生产方面的创新：整合生物质转化、微生物工程、纳米技术和智能过程控制

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Innovations in Biohydrogen Production: Integrating Biomass Conversion, Microbial Engineering, Nanotechnology, and Intelligent Process Control

　　阿罗基亚·普拉文（Arokya Praveen）| 帕扎尼·杜尔加德维（Pazhani Durgadevi）| 科耶利·吉里戈斯瓦米（Koyeli Girigoswami）| 阿格尼什瓦尔·吉里戈斯瓦米（Agnishwar Girigoswami）
医学生物纳米技术， Allied Health Sciences系，Chettinad医院与研究所（CHRI），Chettinad研究与教育学院（CARE），印度金奈Kelambakkam，TN-603103

**摘要**
发酵式生物氢气生成为实现环保和可持续能源供应提供了潜力，通过将有机废物转化为有价值的资源。原料预处理、代谢途径工程、纳米材料的应用以及智能过程控制的进步极大地提高了生物氢气生产的效率和可扩展性。现在利用优化的预处理方法，可以使用更多的底物，如木质纤维素废物生物质、藻类生物质、食品加工副产品和农业工业废物。基因改造菌株和混合微生物群落可以改善厌氧发酵、光发酵以及光解过程。纳米材料在增加酶活性和加速电子转移方面也发挥了积极作用，进一步促进了氢气的生产。诸如神经网络、支持向量机和自适应神经模糊系统等人工智能技术可用于过程的实时监控、建模和优化。本综述将这些进展综合成关于原料创新、微生物培养、反应器设计、过程集成和数字控制的主题性内容。通过分析每个领域的需求、机会和技术成熟度（TRL），本文提供了从长期研究重点中识别出可立即部署的解决方案的比较分析。总体而言，这项工作为从实验室研究到实现生物经济中的规模化应用和循环经济应用提供了路线图，并确保了氢气作为未来可再生能源系统关键组成部分的作用。

**引言**
全球能源利用的关键关注点在于寻找可再生和环保的能源来替代日益枯竭的化石燃料。全球约80%的能源消耗依赖于化石燃料。化石燃料使用导致的温室气体排放增加引发了全球变暖，并释放出多种有害颗粒物，导致环境恶化。多年来，人们一直在研究可再生能源，包括潮汐能、风能、有机生物质能、太阳能和地热能（Govinda Raj等人，2024；Sundaram等人，2024）。在这些能源中，只有有机废物生物质能够提供高能量的生物燃料（Sarangi和Nanda，2020）。作为一种清洁的可再生能源，生物氢因其潜在的无限性而受到了全球关注（Thirumalaivasan等人，2024）。生物氢是一种有吸引力的未来能源载体和高能量含量的燃料，可以在不污染环境的情况下产生能量。许多人认为氢（H2）是未来的燃料，因为它不是污染物，并且可以高效地用于燃料电池（Xu等人，2022）。氢的能量潜力优于化石燃料，而宇宙中最丰富的氢形态是离子态（Le等人，2024）。生物氢是一种非化石来源的有机材料，可以通过植物、动物和微生物等生物材料生产，并且其生产过程比热化学或电化学氢合成技术所需的能量更少（Rey等人，2024a）。其能量值（122 kJ/g）是碳氢化合物燃料的约2.8倍。生物氢生产的另一个关键优势是其原料的多样性，这些原料包括农业和林业残余物、食品加工副产品以及废水处理废弃物（Faust等人，2024）。生物方法通过将有机废物转化为清洁能源并有效利用废物来消除环境污染，从而带来了双重技术效益。传统的氢气生产方法（如 steam methane reforming 或电解）无法提供这样的优势（Aziz等人，2021）。在这些原料中，木质纤维素生物质是最丰富但使用最少的之一。木质纤维素生物质主要包含半纤维素、纤维素和木质素，常见于农业残余物（如秸秆和壳）、林业残余物以及能源作物中（Saini等人，2015）。然而，木质纤维素复杂的结构需要在微生物转化前进行预处理。预处理过程通常分为四种类型：物理预处理、化学预处理、物理化学预处理和生物预处理。除了木质纤维素材料外，还有多种其他底物也被有效用于生物氢生产（Prasad等人，2024）。其中一些材料包括动物粪便，它们含有高有机物含量，有利于微生物生长，尤其是藻类。这种方法具有较高的光合效率和二氧化碳捕获能力。食品加工废弃物是生产生物氢的丰富且容易获得的原料；而棕榈油厂废弃物在棕榈生产国是大量存在的，并具有显著的生物氢生产潜力（Nair等人，2022）。近年来，生物氢生产研究取得了显著进展，例如使用纳米材料增强酶活性。同时，还开发了基于纳米材料辅助的代谢工程以提高微生物中的氢气产量，以及具有前景的协同共培养生态系统。下一代氢气生物技术正是基于这些发展（Biswal等人，2023）。已经开发出多种生物策略从这些底物中生成生物氢。到目前为止，厌氧发酵是最受研究的过程，其中厌氧细菌在无光条件下通过发酵有机底物产生氢气。另一种利用光合细菌产生氢气的技术称为光发酵。直接和间接光解通过藻类和蓝细菌利用阳光将水分子分解为氢气和氧气（Melitos等人，2021）。影响生物氢产量和系统效率的许多操作参数需要仔细优化，包括pH值、温度、碳源和有机负载率。例如，大多数产氢微生物在略微酸性和中性之间的环境中生长良好，而温度会影响代谢率和酶活性。发酵途径和氢气产量由碳源的性质决定，而有机负载率则影响微生物平衡和底物可用性（Ayodele等人，2023）。尽管生物氢技术有所进步，但将其生产规模扩大到工业水平仍然困难，主要挑战包括氢气产量低、过程不稳定和下游处理成本高。然而，研究正在不断解决这些问题。未来，生物氢可能成为全球氢经济的重要参与者。除了清洁能源生产外，它还促进了碳中和、废物资源回收和农村经济发展。本综述是唯一的此类研究，因为它综合考虑了基因工程、纳米技术、发酵过程、沼气融合以及生物氢来源和技术的最新发展。系统地总结了各种原料和生物机制，并基于最新进展、新的增强技术、技术经济分析及实际应用问题进行了比较（与以往通常只关注单一组件的研究相比）。

**部分摘录**
**生物氢生产的原料资源**
生物氢可以从多种有机原料中生产，其中许多原料易于获得且来自可再生或废物来源（图1）。它们的性能因物理化学组成和过程兼容性而异（表1）。最有前途的原料是木质纤维素生物质，因为它含有高糖分，尽管可能需要进行预处理。

**基于生物质的生物氢**
对清洁和可再生能源需求的增加使得氢气成为未来的关键燃料，因为它具有高能量产量和零碳排放。尽管有多种生物氢生产方法（表4），但从基于生物质的方法生产氢气为传统化石燃料技术提供了一种可持续且环保的替代方案。生物质（如木质纤维素生物质）、食品加工废弃物、藻类生物质、动物粪便和棕榈油厂废弃物等被广泛使用。

**初始pH值对微生物代谢活性的影响**
影响生物氢生产方法的最重要环境因素之一是pH值。酶活性、底物可用性、微生物代谢及整个发酵过程都直接受到pH值的影响（Jiao等人，2024）。一个优先考虑产氢细菌而非非产氢或耗氢微生物的平衡微生物生态系统需要理想的pH值（?abi? Runjavec等人，2023）。

**微生物的基因工程**
代谢工程和基因工程是提高生物氢生产的两种主要手段。前者通过引入新功能实现，后者通过改变代谢途径实现。近年来，分子生物学、合成生物学和组学技术的快速发展极大地帮助研究人员改造微生物菌株，以解决传统生物氢生产中的固有限制（Goswami等人，2021）。

**生物氢生产中的人工智能和机器学习**
目前，由于创新的人工智能和机器学习技术的发展，生物氢生产正在经历真正的复兴，这些技术允许对复杂生物过程中的气泡进行精确建模、在线优化和智能控制（图5）。对于生物氢生产系统，传统的统计和经验模型无法很好地描述其非线性、多变量动态特性。相比之下，AI模型能够更好地处理这些问题。

**反应器设计对氢气产量的影响**
反应器设计是决定生物氢生产效果的关键因素之一，因为它影响微生物活性、底物降解和产物分离以及整个过程的稳定性（Qureshi等人，2025）。传统反应器（如CSTR）常遇到诸如生物质流失、氢气产量低和生长缓慢的微生物维护困难等问题。因此，研究人员正在努力改进反应器技术。

**生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）**
目前为生物氢生产开发的新技术必须评估其环境可持续性和经济可行性，以实现商业化。LCA和TEA是广泛认可的框架，用于确定各种处理路径并制定有关其实际影响的明智研究和政策选择（Ganguly等人，2025b）。这种方法评估环境压力，以提供一份清单。

**未来展望**
由于全球对可持续和清洁能源需求的增加，生物氢生产被认为是迈向绿色氢经济的一条有前景的道路。然而，还需要在该领域开展更多实验工作，特别是在微生物学、生物化学和过程工程方面，以促进从实验室水平到商业化的生物氢生产发展。

**作者贡献声明**
帕扎尼·杜尔加德维（Pazhani Durgadevi）：撰写初稿、验证、正式分析、数据管理。
阿罗基亚·普拉文（Arokya Praveen）：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构思。
阿格尼什瓦尔·吉里戈斯瓦米（Agnishwar Girigoswami）：撰写与编辑、验证、项目管理、正式分析、概念构思。
科耶利·吉里戈斯瓦米（Koyeli Girigoswami）：撰写与编辑、验证、方法论、正式分析。

**声明**
在本文准备过程中，作者使用了Grammarly来提高表达质量和语法 correction。使用该服务后，作者根据需要对内容进行了审核和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**资金**
本研究未接受任何外部资金支持。

**利益冲突声明**
作者声明在本文准备过程中没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响论文内容。

**致谢**
作者感谢CARE提供的基础设施支持和研究奖学金。