暗-光联合生物制氢过渡态及其过程调控

在实现“碳达峰碳中和”的过程中，能源密度高、燃烧清洁的氢能源被认为是最理想的能源，目前受到越来越多的关注。在制氢的方法中，生物发酵制氢方法因不消耗化石能源、运行环境温和、原料来源广等，成为研究的热点。随着“双碳”政策推进，国家在氢能源的开发上投入了大量的资金，以期提高我国能源消耗结构中氢能源的占有比例，使其成为我国未来能源供应系统中的支柱。
作者及其研究团队在国家高技术研究发展计划（863计划）及国家自然科学基金项目等的资助下，长期开展暗发酵生物制氢、光合生物制氢和暗-光联合生物制氢技术与机理的相关研究。在基于农业废弃物厌氧发酵生物制氢及生物制氢体系的能质传输特性等领域取得一系列创新性科研成果。作者及其研究团队在暗-光联合生物制氢过程调控技术、热物理特性分析、降解机制分析和高效反应器研制等方面进行了系统研究，发表了数十篇高质量研究性论文，并获得了多项国家发明专利，研究成果对该领域的生物制氢技术的进一步发展有着积极推动作用。
本书是对暗-光联合生物制氢过渡态及其调控等研究成果的系统性总结。全书共分5章，比较全面地从理论、技术方面分析暗-光联合生物制氢过程的调控机理。第1章详细列举生物制氢领域的研究进展。第2章介绍了暗-光联合生物制氢过程中暗发酵过程特性及调控技术。第3章分析了暗-光联合生物制氢过程中光合生物制氢特性及其调控技术。第4章分析了暗-光联合生物制氢过渡态特性及其调控。第5章分析了暗-光联合生物制氢过渡态强化过程。张全国教授和张志萍教授审读全文，提出了很多宝贵的意见。农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室的博士生张甜、朱胜楠和硕士生范小妮、艾福柯、焦映钢及本科生汤云鹏、湖海湾、耿一凡、吴泽腾、吴晨阳等也为本书的完成付出了辛勤的劳动，这里一并表示衷心的感谢。
希望本书能为可再生能源领域的研究工作者提供理论和技术上的帮助。由于作者水平有限，书中难免存在不足和疏漏，敬请广大读者批评指正。

李亚猛
2023年5月

本书从理论和技术层面介绍了暗-光联合生物制氢过渡态及其过程调控，分别对联合发酵中暗发酵阶段的工艺、光合产氢菌生长及产氢动力学特性、暗-光联合生物制氢过渡态特性及调控强化机制等内容进行了阐述，系统介绍了生物发酵制氢研究现状，从单因素优化到多因素交互优化，再到灰色预测模型，重点分析了暗-光联合生物制氢耦合特性，并从宏观和微观的角度对暗-光联合生物制氢进行了分析。
本书可供可再生能源领域相关研究人员和工程技术人员阅读，还可供高等院校相关专业师生参考使用。

第1章 绪论 001
1.1 氢能源 001
1.2 生物制氢技术 004
1.2.1 暗发酵生物制氢技术 004
1.2.2 光合生物制氢技术 012
1.2.3 暗-光联合生物制氢技术 016
1.3 暗-光联合生物制氢过渡态调控的意义 021
参考文献 022

第2章 暗-光联合生物制氢过程中暗发酵过程特性及调控技术 031
2.1 暗发酵工艺与产氢特性相关关系 031
2.2 发酵模式的调控 032
2.2.1 发酵模式的调控下累积产氢量的差异性 032
2.2.2 发酵模式的调控下底物的降解规律 036
2.2.3 发酵模式的调控下发酵液的理化特性 037
2.2.4 发酵模式的调控下发酵尾液液相成分的差异性 039
2.3 发酵环境pH值的调控 040
2.3.1 pH值的调控下暗发酵阶段的产氢规律 040
2.3.2 pH值的调控下暗发酵阶段发酵液的理化特性 042
2.4 发酵环境温度的调控 043
2.4.1 环境温度的调控下暗发酵阶段的产氢规律 043
2.4.2 环境温度的调控下暗发酵阶段发酵液的理化特性 044
2.5 底物浓度的调控 045
2.5.1 底物浓度的调控下暗发酵阶段的产氢规律 045
2.5.2 底物浓度的调控下暗发酵阶段发酵液的理化特性 046
2.6 酶负荷的调控 048
2.6.1 酶负荷的调控下暗发酵阶段的产氢规律 048
2.6.2 酶负荷的调控下暗发酵阶段发酵液的理化特性 049
2.7 接种量的调控 050
2.7.1 接种量的调控下暗发酵阶段的产氢规律 050
2.7.2 接种量的调控下暗发酵阶段发酵液的理化特性 051
2.8 暗发酵阶段产氢过程响应面优化 052
2.8.1 优化因素 052
2.8.2 优化分析 054
参考文献 061

第3章 暗-光联合生物制氢过程中光合生物制氢特性及其调控技术 063
3.1 光合产氢工艺与产氢相关关系 063
3.2 光合细菌的光谱吸收特性及生长特性 063
3.2.1 光合细菌对光谱的吸收特性 063
3.2.2 光合细菌的生长及其动力学特性 064
3.3 光合生物制氢工艺优化及产氢动力学特性 065
3.3.1 碳源的优化 065
3.3.2 光照强度的优化 067
3.3.3 初始pH的优化 069
3.3.4 环境温度的优化 071
参考文献 073

第4章 暗-光联合生物制氢过渡态特性及其调控 074
4.1 暗-光联合生物制氢过渡过程关键问题 074
4.2 暗-光联合生物制氢过渡态工艺调控 074
4.2.1 铵根离子浓度的调控 074
4.2.2 悬浮物去除的调控 079
4.2.3 产氢培养基组分的调控 083
4.2.4 稀释比的调控 088
4.2.5 碳源的调控 093
4.2.6 光照强度的调控 098
4.2.7 接种量的调控 103
4.3 过渡态工艺调控的灰色预测模型 107
4.3.1 过渡态工艺调控的灰色关联度 107
4.3.2 过渡态工艺调控的灰色预测模型的建立 109
参考文献 113

第5章 暗-光联合生物制氢过渡态强化过程研究 115
5.1 暗-光联合生物制氢过程强化与产氢相关关系 115
5.2 产氢微生物生长和絮凝能力的强化 116
5.3 添加剂对暗-光联合产氢过渡态过程强化 118
5.3.1 添加剂对暗-光联合产氢过渡态产氢量的影响 118
5.3.2 添加剂对暗-光联合产氢过渡态发酵液的理化特性的影响 125
5.4 发酵模式的调控对暗-光联合产氢过渡态过程强化 127
5.4.1 发酵模式的调控对产氢量的影响 127
5.4.2 发酵模式的调控对过渡态发酵液理化特性的影响 130
5.5 基于产氢动力学特性的宏观强化机理 134
5.6 基于电子转移的微观强化机理分析 138
5.6.1 添加剂对过渡态电子转移的影响 138
5.6.2 发酵模式对过渡态电子转移的影响 141
参考文献 143