Исследователи из Института прикладной экологии Китайской академии наук разработали новый процесс ферментации, который одновременно усиливает выработку биоводорода и связывает углекислый газ в рамках одной системы. Работа выполнена под руководством доктора Ли Вэймина и опубликована 16 апреля в журнале Chemical Engineering Journal.
Темновая ферментация позволяет получать водород из органических субстратов в бескислородной среде и рассматривается как перспективный путь к углеродно-нейтральному производству топлива. Однако на практике процесс ограничивается накоплением летучих жирных кислот. Это приводит к снижению pH и подавлению активности микроорганизмов.
Традиционно для регулирования кислотности применяются щелочные реагенты, например гидроксид натрия. Такой подход вызывает локальные скачки pH, рост солёности и требует постоянного дозирования, при этом не даёт дополнительных экологических преимуществ. Дополнительной проблемой остаётся состав биогаза: в нём присутствует значительная доля CO₂, что требует отдельного энергоёмкого этапа разделения. В результате одновременно усложняется получение водорода и сокращение углеродных выбросов.
Для решения этих задач учёные использовали волластонит (CaSiO₃) — природный силикатный минерал. Он был добавлен в систему как компонент двойного действия. В ходе ферментации образующиеся кислоты постепенно растворяли минерал, что приводило к поглощению протонов и высвобождению ионов кальция. Такой механизм обеспечил саморегулирующуюся буферизацию pH на уровне 6,5–7,0. При оптимальной концентрации 10 г/л задержка начала производства водорода снизилась примерно на 50%, а удельный выход газа вырос на 33%.
Стабилизация среды изменила и ход метаболических процессов. Производство ацетата увеличилось, а накопление лактата стало минимальным. Соотношение ацетата к бутирату выросло с 0,55 до 0,91, что указывает на переход к ацетатному типу брожения, более эффективному для выработки водорода.
Изменения подтвердил и анализ микробного сообщества. Доля Clostridium sensu stricto 1, ключевого водород-продуцирующего рода, увеличилась с 47,2% до 62,4%. При этом Lactobacillus, связанный с образованием лактата, практически исчез.
Учёные также выявили противоречие между двумя целями процесса. Для эффективной минерализации CO₂ необходим нейтральный или слабощелочной уровень pH, достигаемый при более высоких дозах волластонита (от 15 г/л). Однако такие условия снижают выход водорода. Чтобы разделить функции, была предложена двухэтапная схема. На первом этапе используется 10 г/л волластонита для максимального производства водорода. На втором этапе после завершения ферментации pH корректируется до 7,0, что запускает процесс карбонизации. В результате система улавливает 0,49 ± 0,05 литра CO₂ на литр среды, а содержание водорода в биогазе достигает 58,2 ± 1,1%. Анализ твёрдой фазы подтвердил, что углекислый газ превращается в карбонат кальция в форме кальцита — стабильного соединения, пригодного для длительного хранения углерода.
Оценка жизненного цикла показала снижение энергопотребления с 59,2 до 37,4 МДж на килограмм водорода. Также зафиксировано снижение экологической нагрузки по всем десяти категориям, включая потенциал глобального потепления.
Полученные результаты демонстрируют возможность объединения производства биоводорода и улавливания углерода в одной биотехнологической системе с потенциально отрицательным углеродным следом.
