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利用生物反应器进行发酵制氢是工业上常见的方法，目前生物发酵制氢方法中比较有效的反应器是厌氧流化床生物反应器(AFBR)，微生物膜通过微生物与载体颗粒的自然黏附而保持，采用流化床结构可以让反应器内保留较多的生物量，保证了制氢持续稳定地进行，此技术适合大规模工业生产，具有十分广阔的前景。
流化床厌氧微生物发酵制氢方法
厌氧流化床制氢优势
常见的生物反应器分为悬浮式和固定式两大类，悬浮式反应器直接使微生物以游离的状态存在于反应器中，游离的微生物不能从废水中分离，导致大量的生物流失，无法实现连续性污水净化和制氢。
采用流化床固定式技术比微生物游离状态下的产氢效率更高。在微生物培养阶段，选择内部结构疏松多孔的生物载体，如活性炭、膨胀黏土、聚乙烯、陶瓷珠等，通过一定的固定化手段，使微生物在支撑材料表面附着并形成生物膜，采用水力或气体驱动方式，使得携带有微生物的支撑材料进入流化状态，更好地与废水进行反应。此时微生物不易流失，系统具有更好的传质特性，因而固定式流化床制氢能够稳定连续进行。拷贝的基因整合。该方法基于同源重组机制(homologous recombination, HR)，因此线性载体转化效率、线性载体用量和同源重组效率都会影响阳性转化子数量。
基于典型流化床反应器
图1所示为典型流化床厌氧微生物发酵制氢反应器结构示意图，该系统包括流化床主体反应室、三相分离器、气体净化器、流量计、集气罐、水浴循环系统、循环泵、养料储存罐、给料泵、pH温度检测仪和pH调节系统。流化床主体结构上半部分为三相分离器，使得气液固三相分离，产生的气体经过气体纯化器处理后纯度更高，之后通过流量计记录后进入集气罐储存。
流化床外部采用嵌套结构，间隔内为恒温水浴系统，使反应温度一直维持在生物适宜生存的温度范围内，保持较好的生物活性。为了使反应更彻底，循环泵使废水不断在流化床反应器内循环。与此同时，养料储存罐也不断为反应提供营养，通过给料泵将养料送入循环回路中。为了使得微生物始终处于最佳的产气环境，顶部除气体出口之外，还设有pH与温度检测器，当pH变化时，及时通过pH调节系统通入合适的溶液到循环回路中，以保证流化床内溶液保持稳定的pH，温度检测器检测反应温度，通过水浴循环系统使流化床始终处于反应最适温度。
不同流化床反应器
直接厌氧流化床反应器
1.
中温系统流化床反应器
根据现有的研究，流化床在进行厌氧发酵制氢时一般在2种温度条件下(中温和高温)运行，中温系统的操作温度范围为25～45℃，高温系统的操作温度范围为45～65℃。反应的最佳温度取决于微生物菌株和碳基质类型，大部分发酵制氢的菌种更适合生活在35℃左右的环境中，所以在中温系统下的反应酶活性、微生物生长速率以及基质的代谢速率更高。
2.
高温系统流化床反应器
高温发酵制氢有以下特点：高温限制了对产氢菌有抑制作用的产甲烷菌和高乙酰基等耗氢物的增长；嗜热条件下由于高温流化床的热力学优势更利于发酵制氢，同时复杂材料的水解速度加快；更高温度条件使得氢气的溶解度降低。鉴于以上的优势，众多研究致力于高温发酵制氢与流化床结构的结合来提高制氢效率。
两段式厌氧发酵制氢反应器
1 氢气-甲烷整合技术
进行一段式生物发酵制氢时，基质中所含营养物质无法完全转化为氢，因为在微生物发酵过程中，其与基质反应会产生挥发性脂肪酸(VFA)或醇类物质，这些物质无法被降解，导致能量的利用率较低，使得生物产氢量受到了极大的限制。
如图2(a)所示，该系统采用氢气-甲烷整合技术，在产氢之后，利用剩余的酸性有机物产甲烷，具有提高能量利用率、减小反应器尺寸、优化工艺条件和增加缓冲容量等优势。Ramos等利用流化床进行两阶段厌氧消化时，同时进行废水处理与能源整合，得出了两阶段系统处理化学含氧量(COD)的能力比一段式系统高出41%,并表现出了更高的稳定性。随后他们又对单级和两级厌氧消化系统进行了能量估算，证明了两级系统中产甲烷和氢气的可行性，两级系统比单级系统的能量回收率高出了34%,由此可见氢气-甲烷整合技术可以更有效地增加资源-经济的综合效率。
2 连续光-暗两步发酵法
连续光-暗两步发酵法被公认为最有前景的生物制氢方法之一，图2(b)展示了两步发酵法的工艺流程，由图可知理论暗发酵阶段1 mol的己糖可以产生4 mol的氢气，光发酵阶段可以产生8 mol的氢气，总体来看光-暗两步发酵法可以产生12 mol/mol的氢气，其所具有的产氢量是不容小觑的。
暗发酵阶段的微生物具有菌种来源丰富、适应能力强、生长速度快等特点，但理论产氢量并不是很多；光发酵微生物使用条件局限，但产氢量大，同时能分解掉暗发酵所不能降解的挥发性脂肪酸和醇类等小分子有机物，将两者联合具有广阔的前景。
流化床制氢的前景与展望
本文中主要介绍了流化床微生物厌氧发酵制氢的基本工艺流程和产氢效果，同时对比了不同类型流化床与其他联合工艺制氢的特点。在“双碳”背景下，环境保护观念深入人心，流化床厌氧发酵制氢技术开发及推广价值明显，具有良好的社会效益、环境效益、能源效益和经济效益。对流化床微生物厌氧发酵制氢做出如下展望。
(1)菌种仍是发酵制氢最重要的影响因素，通过发现更优势的菌种，或者通过生物工程对菌种的生产能力进行改造，同时发现共培养菌种之间的优势作用，可以显著提高产氢效率。
(2)通过逐步优化流化床结构及操作条件，使得菌种与基质之间传质效果增强，可获得更大产氢效率。
(3)由于单一发酵制氢仍存在局限性，基质的能量利用率不高，需要开发出更加可靠的联合工艺形式来弥补单一发酵的缺陷，利用流化床进行联合工艺的设计具有很大的潜力。
来源：《流化床厌氧微生物发酵制氢研究进展》, 陈鸿伟
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