《Biomass and Bioenergy》：Modelling biohydrogen production from residual hydrocarbons by immobilized bacteria using COMSOL multiphysics
编辑推荐：
生物制氢在模拟枯竭油藏中的研究：通过批次实验与COMSOL建模发现，68.4℃条件下残余烃类生物氢产量达7.63 mmol/L（利用率37%），模型显示传质-反应耦合效应主导氢分布，R2达0.985。
大卫·阿布图（David Abutu）|哈菲祖丁·万·尤索夫（Hafizuddin Wan Yussof）|弗朗西斯·尼亚（Francis Nyah）|彼得·伊克楚库·恩瓦伊奇（Peter Ikechukwu Nwaichi）|奇卡·乌穆纳努伊克（Chika Umunnawuike）|奥古斯丁·阿吉（Augustine Agi）
马来西亚彭亨大学（Universiti Malaysia Pahang Al-Sultan Abdullah）化学与过程工程技术学院
地址：Lebuhraya Persiaran Tun Khalil Yaakob, 26300, Kuantan, Pahang, Malaysia
摘要
随着对低碳能源需求的增加，人们越来越关注从非常规资源中生产生物氢。枯竭油藏中的残余碳氢化合物为嗜热生物氢生成提供了潜在的原料，但在油藏条件下的综合实验建模研究仍然有限。本研究在模拟枯竭油藏的介质中，结合批次实验和COMSOL Multiphysics?建模技术，探讨了从残余碳氢化合物中生成生物氢的过程。在68.4°C的实验室条件下，168小时内氢浓度从0逐渐增加到7.63 mmol L?1，原料利用率达到了37%。在COMSOL Multiphysics中构建了一个三维轴对称模型，通过耦合稀疏物种的传输、偏微分方程（PDE）和多孔介质界面的热传递，模拟了原料扩散、微生物反应动力学以及热效应。该模型与实验数据吻合度很高（R2 = 0.985；平均偏差为7.8%）。模拟结果显示，168小时时氢浓度达到7.45 mmol L?1，最大生物量密度为1.8 × 107 cells cm?3，主要集中在固定化的珠子上。敏感性分析表明，原料扩散率降低10%会导致氢产量减少8.6%，而温度超过72°C时微生物活性降低12%。分布图显示，氢在珠子表面2-3毫米范围内积聚，这受到局部扩散-反应耦合的影响。模型预测的氢生产率为1.05 mmol L?1 h?1，与实验平均值1.09 mmol L?1 h?1一致。这些发现表明，枯竭油藏中的残余碳氢化合物可以支持嗜热生物氢的生成，而COMSOL建模能够有效预测和优化地下生产过程。
引言
生物氢生产作为一种可持续且无碳的能源，越来越受到关注，能够补充可再生能源系统[1,2]。生物氢生成的途径，特别是暗发酵，具有多种优势，包括低能耗、温和的操作条件以及能够利用多种有机原料[3]。最近的研究还探索了从非常规原料（包括地质构造中的残余碳氢化合物）和燃料电池[5]中生产生物氢的方法。例如，在地质碳储存条件下，观察到微生物群落在超临界二氧化碳（CO2）和有机物的存在下生成生物氢，并在模拟的现场条件下产生了大量氢[6]。
一种新兴策略是将枯竭的油藏视为地下生物反应器[7]，其中本地或引入的微生物可以在厌氧和嗜热条件下将残余碳氢化合物转化为氢。鉴于许多油藏目前处于生产后期且仍含有大量残余碳氢化合物，这种方法为枯竭油藏的可持续能源回收提供了潜在途径。这些油藏自然具备了适合微生物代谢的高温、高压和低氧环境[8,9]。该领域的实验室研究表明了这些过程的技术可行性。例如，Vilcáez和Chowdhury[10]报告称，向枯竭油藏中注入超临界CO2可以刺激产氢微生物的活动，尽管次级甲烷生成会降低净氢产量。同样，Dopffel等人[11]观察到，适应高压环境的油藏微生物比模型微生物更有效地持续产生氢。最近的数值建模工作进一步量化了在类似油藏的高压和高温条件下微生物生物氢的生产情况，研究了盐度、表面活性剂和双重原料对氢产量的影响[12]。总体而言，这些研究证实了从碳氢化合物中生成微生物氢的可能性，同时也指出了与原料可用性、质量传递限制和油藏条件下微生物抑制相关的持续挑战。
与实验室研究并行，计算方法越来越多地被用于理解多孔介质中的生化传输和反应现象。例如，涉及微生物代谢的化学物种（如碳氢化合物）、产物（如氢、有机酸）和中间体通过扩散和对流在多孔介质中的运动和分布，以及消耗或产生这些物种的微生物反应[13,14]。Song等人[15]开发了一个孔隙尺度模型，用于模拟枯竭油藏中的微生物氢动态，展示了生物膜生长和气体积累如何改变流动路径。He等人[16]描述了孔隙尺度上气体-水两相流动和生物膜形成的耦合行为，强调了它们对润湿性和氢回收效率的影响。
尽管取得了这些进展，但目前大多数模型主要集中在氢的消耗或储存安全性上，而不是在油藏相关条件下从碳氢化合物中主动生产氢。特别是在微生物固定在固体支持物上的情况下，多孔介质中原料扩散、微生物生长动力学和热梯度的耦合研究还不够充分。此外，尚未研究将固定化的嗜热细菌、油藏相关的实验条件以及三维反应传输模型结合起来，以预测从残余碳氢化合物中生成氢的过程。
因此，本研究结合了实验和模拟方法，研究了在模拟枯竭油藏的多孔介质中生物氢的生成。建模框架使用COMSOL Multiphysics开发，纳入了质量传输、热传递和微生物动力学，以描述原料利用和氢生成的空间和时间演变。模拟结果使用在68.4°C下进行的批次实验数据进行了校准，实验中使用残余原油作为原料，固定化细菌培养物作为生物催化剂。此外，该模型还经过了实验验证，提供了关于微生物活性、质量传递限制和环境条件如何相互作用以确定地下系统中氢产量的机制理解。这些见解为评估和优化枯竭油藏中生物氢生成的可行性奠定了基础。
实验验证和固定化微生物的形态学特征
COMSOL模型的实验验证得到了动力学数据（表S10）和形态学分析的支持，证实了细菌联合体的有效固定和代谢活性。Fe-生物炭-海藻酸盐（Fe-BC-Alg）珠子提供了多孔且热稳定的微环境，促进了细菌附着和持续的氢生成。固定化珠子的图像（图4a）显示其具有均匀的球形几何结构，平均直径为4 ± 0.2毫米，而FESEM...
未来工作和建议
本研究开发的实验数据和建模框架可以通过参数放大和针对油藏的校准应用于实际条件。实验室得到的动力学参数、扩散率和抑制系数可以结合特定的输入（如孔隙度、渗透性、温度、压力和盐度）纳入油藏规模的COMSOL模型中。固定化微生物系统可以通过注入载体支持的生物质原位部署
结论
本研究结合了实验室实验和COMSOL Multiphysics模拟，研究了在代表枯竭油藏的多孔介质中从残余碳氢化合物中生成生物氢的过程。在优化的嗜热和厌氧条件下，固定化在Fe-生物炭-海藻酸盐珠子中的嗜热细菌联合体产生了最大氢产量7.63 mmol L?1，并减少了37%的残余碳氢化合物。COMSOL模型考虑了扩散-反应耦合和微生物...
CRediT作者贡献声明
大卫·阿布图（David Abutu）：撰写初稿、进行调查、数据管理、概念构思。哈菲祖丁·万·尤索夫（Hafizuddin Wan Yussof）：监督、项目管理、正式分析。弗朗西斯·尼亚（Francis Nyah）：可视化、资源管理。彼得·伊克楚库·恩瓦伊奇（Peter Ikechukwu Nwaichi）：软件开发、数据管理。奇卡·乌穆纳努伊克（Chika Umunnawuike）：软件开发、方法论。奥古斯丁·阿吉（Augustine Agi）：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了Petronas Research SDN. BHD（PRSB）通过研究资助UIC 240814项目的支持。
