Новая китайская система ферментации позволяет получать на 33% больше биоводорода, одновременно улавливая углекислый газ

Китайские исследователи разработали новую систему ферментации, которая увеличивает производство биоводорода, одновременно улавливая углекислый газ.

Ученые из Института прикладной экологии Китайской академии наук показали, что темновая ферментация производит газообразный водород из органических субстратов в бескислородных условиях, что делает ее перспективным путем к получению углеродно-нейтрального водорода.

Однако на практике этот процесс часто ограничивается накоплением летучих жирных кислот, которые снижают уровень pH и подавляют микробную активность.

Повышенная эффективность получения водорода

Команда исследователей представила волластонит в качестве агента двойного действия для одновременного повышения выхода H2 и улавливания CO2. «Была определена оптимальная дозировка 10 г/л, которая сократила лаг-фазу с 23,13 до 12,38 ч и увеличила выход водорода со 158,11 ± 3,44 мл/г потребленной глюкозы до 210,75 ± 15,87 мл/г потребленной глюкозы», — говорится в исследовании.

«С механистической точки зрения, волластонит буферизовал pH системы, направляя метаболический поток от лактата к синтезу ацетата за счет обогащения Clostridium и подавления Lactobacillus».

Максимальное улавливание CO2

Исследователи выявили, что традиционный контроль pH основан на использовании щелочных химических веществ, таких как гидроксид натрия, но эти агенты могут вызывать локальные скачки pH, прогрессирующее повышение солености и требуют непрерывного дозирования — и все это без каких-либо дополнительных экологических преимуществ. Еще одна проблема заключается в том, что получаемый биогаз содержит значительную долю диоксида углерода (CO2), что обычно требует энергоемкого последующего разделения. В совокупности эти ограничения затрудняют эффективное производство водорода и снижение выбросов углерода в рамках одной системы.

Для решения этих проблем исследователи ввели волластонит (CaSiO3) в качестве добавки двойного действия. По мере накопления кислот в процессе ферментации они постепенно растворяют минерал, потребляя протоны и высвобождая ионы кальция. Этот механизм обеспечивает непрерывную саморегулирующуюся буферизацию pH, которая стабилизировала систему на уровне pH 6,5–7,0.

Согласно исследователям, при оптимальной дозировке 10 г/л фаза задержки производства водорода сократилась примерно на 50%, а удельный выход водорода увеличился примерно на 33%.

«Волластонит также позволил осуществлять секвестрацию CO2 на месте путем его осаждения в виде CaCO3. Однако максимальный захват CO2 был достигнут при более высокой дозировке (≥15 г/л), которая пассивно достигала необходимого нейтрального pH, но снижала выход водорода. Это создавало противоречие с оптимальной дозировкой 10 г/л для гидрогенизации», — говорится в исследовании, опубликованном в журнале Chemical Engineering Journal.

Исследователи также обнаружили компромисс между двумя целевыми функциями. Для эффективной минерализации CO2 требуется нейтральный или слабощелочной pH, чего можно достичь при более высоких дозах волластонита (≥15 г/л), однако эти условия снижают выход водорода.

Чтобы разделить эти две цели, исследователи разработали двухэтапную стратегию: на первом этапе используется оптимальная дозировка 10 г/л для максимизации выхода водорода, а на втором этапе производится корректировка pH после ферментации до 7,0 для инициирования карбонизации, говорится в пресс-релизе.

Применяя этот подход, система улавливала 0,49 ± 0,05 литра CO2 на литр среды и обогащала содержание водорода в конечном биогазе до 58,2 ± 1,1%. Характеристика твердой фазы подтвердила, что уловленный CO2 минерализовался в карбонат кальция в кальцитовой фазе, стабильную форму, пригодную для долговременного хранения углерода, согласно пресс- релизу .

Эти результаты демонстрируют возможность интеграции производства экологически чистого водорода с улавливанием углерода на месте в рамках единой биоперерабатывающей установки, предлагая практический подход к достижению производства биоводорода с отрицательным углеродным следом.

Источник: https://interestingengineering.com/science/china-fermentation-biohydrogen-production-carbon-dioxide