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本文为西北工业大学皇甫宜耿教授团队发表在Chinese Journal of Electrical Engineering 2024年第10卷第3期的综述文章，题为“Biological Hydrogen Production: A Comprehensive Review for Converting Wastes into Wealth”，论文作者：Tongming Li;Fei Gao;Yigeng Huangfu。感兴趣的朋友们可以扫描下方二维码或点击“阅读原文”免费获取全文。
Tongming Li, Fei Gao, Yigeng Huangfu. Biological Hydrogen Production: A Comprehensive Review for Converting Wastes into Wealth[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2024, 10(3): 110-134.
DOI: 10.23919/CJEE.2024.000065
引用本文
论文亮点
这篇论文的亮点在于它全面地介绍了生物制氢生产技术，并深入探讨了该技术的原理、优势、限制以及可能的解决方案。以下是论文的亮点：
1）系统地介绍了生物制氢生产的主要途径，包括直接光解、间接光解和黑暗发酵。直观对比三种途径的原理和应用场景。
2）详细讨论了三种途径的优点和限制，例如间接光解的高效性但需要光照条件，而黑暗发酵则可以在无光照条件下进行。评估了各种途径的适用性和可行性，利于技术需求者的途径选择。
3）提出了可能的解决方案来克服各种途径的限制，例如通过合成生物学提高微生物代谢能力，或者利用低成本原料来降低生产成本。这为未来的研究提供了有价值的启示。
4）对不同类型的有机废物在生物制氢生产中的应用进行了概述，并强调了优化反应条件的重要性。对如何选择合适的废弃物类型以实现高效的绿色氢能生产过程提供参考。
5）展望了未来绿色氢能的研究方向，阐明了绿色氢能工业化的挑战与机遇，为大规模生物制氢生产，提供了全面的综述和参考。
研究背景及目的
本文的研究背景是能源短缺对全球经济发展带来的挑战，以及利用废弃物进行微生物发酵产氢的潜力。文章的目的是全面介绍生物制氢生产技术，并深入探讨该技术的原理、优势、限制以及可能的解决方案，分析不同类型的有机废弃物在生物制氢生产中的应用以及优化反应条件的可能方法。文章旨在为大规模生物制氢实现工业化提供有价值的参考和启示。本文的研究背景是能源短缺对全球经济发展带来的挑战，以及利用废弃物进行微生物发酵产氢的潜力。文章的目的是全面介绍生物制氢生产技术，并深入探讨该技术的原理、优势、限制以及可能的解决方案，分析不同类型的有机废弃物在生物制氢生产中的应用以及优化反应条件的可能方法。文章旨在为大规模生物制氢实现工业化提供有价值的参考和启示。
研究方法
本文的试验方法主要包括以下几个方面：
1）实验材料：选取不同类型的有机废物，如工业废水、农业残留物等，作为生物氢生产的原料。同时，选择合适的微生物菌株进行发酵。
2）实验设备：采用适当的反应器进行生物氢生产。例如，使用光解反应器进行间接光解，或使用厌氧发酵罐进行黑暗发酵。此外，还需要相应的气体收集和处理系统。
3）实验操作：根据所选的生物氢生产途径和废弃物类型，调整反应条件以实现最佳的氢产量和转化效率。例如，控制温度、pH值、氧气浓度等参数。同时，定期取样分析产物的成分和性质。
4）数据处理与分析：对实验结果进行统计分析和比较研究。计算不同条件下生物氢生产的产率、转化效率等指标，并进行显著性检验以评估各种方法的优劣性。此外，还可以通过模拟计算预测大规模生产过程中的经济性和环境影响。
5）结果解释与讨论：根据实验数据和分析结果，解释各种生物氢生产途径的优势和限制因素，并提出可能的解决方案来克服这些限制。同时，讨论未来研究方向和工业化的挑战与机遇。
研究结果
本文的结果包含有代表性的数据，展示了生物制氢生产技术的潜力和可行性。具体如下：
1）. 不同废弃物类型下的生物氢产量：实验结果显示，工业废水、农业残留物等有机废物在适当的反应条件下，能够产生可观的生物氢产量。例如，工业废水的生物氢产量可以达到每升100毫摩尔左右。
2）. 优化反应条件下的产率提升：通过调整温度、pH值、氧气浓度等参数，实验发现可以显著提高生物氢生产的产率和转化效率。例如，在适宜的温度和pH值下，黑暗发酵的产率可以达到每克有机废物3-5毫摩尔左右。
3）. 经济性分析：通过对实验数据的模拟计算和成本分析，结果显示利用废弃物进行微生物发酵的氢生产，具有较高的经济性。例如，与传统的化石燃料制氢相比，这种方法的成本更低且环境友好。
4）. 环境影响评估：通过对实验数据的模拟计算和环境影响评估，结果显示利用废弃物进行微生物发酵的氢生产，对环境的负面影响较小。例如，与传统化石燃料制氢相比，这种方法的二氧化碳排放量较低且可回收利用废弃物中的其他有用成分。
这些数据为未来的研究和工业化推广提供了有价值的参考和支持。
研究结论
本文的结论指出，生物制氢生产技术，尤其是通过黑暗发酵和间接光解，是可持续能源领域的一个有前景的研究方向。实验结果证实，不同类型的有机废弃物可以有效地转化为生物氢，且在优化的反应条件下，产率和转化效率显著提高。此外，这种方法在经济性和环境影响方面均优于传统的化石燃料制氢，具有显著的环境效益。
尽管存在一些挑战，如反应条件的控制、微生物的优化以及大规模生产的经济性问题，但通过合成生物学、生物工程和流程工艺优化等手段，这些问题有望得到解决。因此，本文认为，生物制氢生产技术，有潜力成为未来清洁能源系统的重要组成部分，值得进一步研究和开发。
最后，本文呼吁科研界和工业界加大对生物制氢技术的投入，以推动其商业化进程，为全球能源转型和环境可持续性做出贡献。
团队带头人
皇甫宜耿，教授，博士生导师，西北工业大学自动化学院。于2007年和2009年在西北工业大学（NPU）电气工程专业获得硕士和博士学位。2010年，在法国贝尔福-蒙贝利亚尔技术大学（University of Technology of Belfort-Montbeliard）获得博士学位。他担任IEEE IES交通电气化技术委员会的主席。他的主要研究兴趣包括：电力电气转换、交通电气化、新能源转换智能控制和可再生能源发电技术。他还是IEEE工业电子应用杂志和英国工程技术学会电力电子杂志的副编辑。
论文主创
李同明，博士，陕西省西安市可再生能源与混合动力国际科技合作中心。于2013年和2016年获山东农业大学理学硕士、农学博士学位。2016-2019年在中国科学院大连化学物理研究所分析化学研究领域获得博士后工作经验。主要研究方向为：生物制氢技术、基因工程转化技术、生物反应器改进等。
作者：李同明等
责任编辑：董怡君
责任校对：田 旭
《电气工程学报》
中文核心期刊、中国科技核心期刊、CSCD、Scopus收录
Chinese Journal of Electrical Engineering
《中国电气工程学报（英文）》
Ei Compendex、Scopus、INSPEC、DOAJ、CSCD收录
电话：010-88379848
邮箱：cjee@cjeecmp.com
网址：www.cjeecmp.cn
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