生物氢烷转化技术可以将电转气技术与沼气工程相结合，在突破储氢限制、降低沼气提纯成本和实现沼气CO2负碳利用方面显示出巨大的潜力，有助于国家实现“双碳”目标。研究所工业生物燃气研究中心之前已开驯化获得了具有较高转化效率的氢烷转化微生物，并开发出了原位生物氢烷转化和异位生物氢烷转化两种生产工艺。从运行效果来看，氢气的气液传质率低，仍是限制氢烷转化效率的主要原因。
为此，青岛能源所工业生物燃气研究中心采用生物滴滤床(BTF)来解决氢气低传质速率对氢烷转化过程的限制，并探究了温度（25℃、37℃和55℃）和填料（陶粒、火山石、活性炭）对转化过程的影响。本研究中选择的三种填料均具有环境友好特性，且具有较大的比表面积和孔隙度，有利于微生物的生长附着，并且为微生物和气相之间提供了充分接触，极大地促进了气液传质。首先进行了温度对氢烷转化途径的影响的批次实验，确定了BTF的最适宜温度。在此基础上，研究了三种填料填充的BTF的氢烷转化性能，以及在最适宜温度下进气H2/CO2的最佳配比。结果表明，较高的温度有利于氢烷转化，在55℃时转化效率最高，达到8.3 L/Lw·d，古菌群落以Methanothermobacter为主（99.97%）。但是37℃时也可以达到7.1 L/Lw·d的转化效率，整个产甲烷过程和55℃没有显著性差异。此外，在滴滤床实验中对进气H2/CO2配比进行了优化，最合适的结果为2.5:1 (H2/CO2, v/v)，远低于先前报道的结果，表明本研究获得了更高的CO2去除效率。三种填料固定的生物膜均能在该比例下达到有效的氢烷转化效率，并且以活性炭为填料的反应器取得了最高的转化效率，达到91.9%。相对荧光强度测定验证了活性炭具有最佳的微生物固定化能力。该研究为BTF的沼气生物氢烷转化应用提供了一条有前景的途径。
相关研究成果近期发表于期刊Chemical Engineering Journal，该项工作由工业生物燃气研究中心完成。本研究获得了国家自然科学基金项目、中国科学院战略性先导专项课题以及山东省自然科学基金项目的资助。（文/图 黄界桦 付善飞）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148367
