协同参数优化实现高效H?/CO?生物甲烷化：将传质增强与微生物代谢之间的权衡分离

《Bioresource Technology》：Synergistic parameter optimization Unlocks High-Efficiency H 2/CO 2 Bio-methanation: Decoupling mass transfer enhancement from microbial Trade-offs

CO2生物甲烷化中优化搅拌强度、气体循环速率及H2/CO2比例可显著提升甲烷产量至0.97 L·L?1·d?1，并通过高通量测序揭示了微生物群落结构的动态平衡。

　　

叶青青|方华良|唐瑞|李明达|李欣

中国农业大学工程学院（农业部清洁可再生能源利用技术重点实验室），北京100083，中华人民共和国

摘要

二氧化碳生物甲烷化技术的进步是实现可再生能源存储和碳中和的关键途径。然而，其广泛应用常常受到氢气气液传质效率低下和操作参数不理想的限制。本研究探讨了三个关键工程参数——搅拌强度、气体循环速率和氢气/二氧化碳进料比——对中温（37±1℃）下原位氢气/二氧化碳生物甲烷化过程性能的协同效应及其作用机制。增强搅拌（最高达到160转/分钟）和增加气体循环量（最高达到1200毫升·分钟^-1）显著提高了氢气的体积传质系数（k_la）（p<0.05），从而使最大甲烷产量（VMP）提高到0.97升·升^-1·天^-1。将氢气/二氧化碳进料比优化为5:1增强了产甲烷的 thermodynamic 驱动力，与化学计量比4:1相比，甲烷含量增加了约15%。高通量测序结果显示，在氢气/二氧化碳进料比为5:1时，优势产甲烷古菌门（如Methanobacteriota）的比例增加到75.2%，而水解菌和产酸菌门（如Bacteroidetes）的比例在增强搅拌条件下从23.7%下降到6.8%，表明在提高甲烷生成效率与复杂有机物质降解之间存在功能上的权衡。本研究强调了生物甲烷化系统流体动力学和微生物生态学的长期综合评估，从而提高了甲烷产量和系统稳定性。这些发现为扩大高效稳定的生物甲烷化系统提供了重要的见解和实践指导，解决了工业上将电力转化为天然气应用中的关键瓶颈问题。

引言

在全球能源转型和碳中和目标的推动下，二氧化碳利用与转化技术的发展已成为研究和工程领域日益紧迫的优先事项。二氧化碳生物甲烷化是一种由产甲烷微生物进行的厌氧过程，可将二氧化碳转化为甲烷（CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O，ΔG° = ?131 kJ·mol^-1），为能源存储提供了一种生物学途径。该过程依赖于产甲烷微生物，它们利用氢气作为电子供体将二氧化碳转化为甲烷，这一概念最初由德国研究人员提出，并最初应用于有机废物的沼气处理项目中。后续的发展引入了原位方法和富含产甲烷微生物的厌氧反应器，这些反应器作为独立的沼气净化系统（Jensen等人，2018年；Jensen等人，2021年）。这些策略成功生产出了甲烷浓度约为95%的净化沼气（Wang等人，2023b年）。

与高成本的离线反应器相比，原位生物甲烷化通过直接将氢气注入厌氧消化器来降低资本成本。然而，这一过程受到厌氧反应器本身特性和当前操作条件的限制。在工程实践中，包括搅拌强度、气体循环速率和氢气/二氧化碳进料比在内的关键操作参数控制着氢气的传质过程。这些因素直接影响能量转化效率、微生物代谢和群落结构。例如，气体循环速率提高了氢气的体积传质系数（k_la），改善了其利用效率，并降低了其分压，从而提高了甲烷产量和纯度（P?schl等人，2010年）。此外，这一过程促进了反应器内的相分布和物质交换（Lembo等人，2023年；Ngu等人，2023年）。然而，必须同时优化循环速率和机械搅拌，以防止过度剪切应力导致的微生物抑制（Wahid & Horn，2021年）或混合不足导致的效率损失（Poggio等人，2023年）。氢气/二氧化碳进料比应根据实时微生物活性和传质条件动态调整（Jie Xue，2025年）。偏离化学计量比（例如4:1或约4.5:1）可能会暂时增加甲烷含量，但可能破坏代谢环境（例如通过提高pH值）并影响系统的长期稳定性（Wahid等人，2019年；Zhu等人，2020年）。在具有内源性二氧化碳产生的系统中，保持这种精确度尤为重要。在这些系统中，必须仔细调整进料比以匹配实际的二氧化碳可用性（Paillet等人，2025年）。

尽管对生物甲烷化进行了大量研究，但对反应器流体动力学和微生物生态学在长期运行中的耦合效应的理解仍然有限。本研究评估了搅拌强度、气体循环速率和氢气/二氧化碳进料比对系统性能的综合影响，包括能量转化效率、代谢中间产物分布、微生物群落演变和反应器流体动力学。通过使用连续搅拌罐反应器（CSTR）来研究参数耦合和微生物响应，旨在阐明多参数调控的机制，为建立高效、稳定且可扩展的生物甲烷化过程提供科学依据。

部分内容摘录

二氧化碳生物甲烷化系统设置与操作

发酵底物（乳牛粪便）来自北京的一家奶牛场。乳牛粪便的性质如表S1所示。测量总固体（TS）和挥发性固体（VS）含量后，用去离子水稀释至TS含量约为60克·升^-1，使用高速搅拌机混合均匀，并在-4℃下储存，以备后续作为有机原料使用。

二氧化碳生物甲烷化实验在体积为3.5升的连续搅拌罐反应器（CSTR）中进行

气体生产性能

图2(a)和表2显示了不同搅拌强度下生物甲烷化系统的气体生产性能。提高搅拌强度增强了氢气的处理能力。以甲烷含量≥85%为标准，160转/分钟时的最大氢气加载率为2.83升·反应器^-1·天^-1，比80转/分钟时提高了28.6%。甲烷产量（VMP）达到0.97升·甲烷·反应器^-1·天^-1，相比前者增加了18.8%

结论

本研究通过长期、系统的多参数研究，评估了搅拌强度、气体循环速率和氢气/二氧化碳进料比对氢气/二氧化碳生物甲烷化系统中气液传质效率和整体性能的影响。发现增强氢气传质可以提高甲烷产量（VMP），而优化氢气/二氧化碳进料比则促进了产甲烷的代谢途径。

CRediT作者贡献声明

叶青青：撰写——初稿、可视化、实验设计、数据分析。方华良：实验设计、数据分析。唐瑞：结果验证、数据分析。李明达：数据分析。李欣：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目构思。

利益冲突声明

作者声明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

本工作得到了国家重点研发计划的支持，项目名称为“新型高效能源和多样化农业废弃物利用关键技术与设备的研究与开发”（项目编号：2025YFD1700602），以及中国湖北绿新生态科技有限公司的支持。