氢气是可持续能源解决方案的主要候选者，因为它具有143千焦/克的能量密度和清洁的燃烧特性[1]。与蒸汽甲烷重整和水电解[2]相比，生物氢生产提供了一种可再生且环境可持续的替代方案[3]。紫色非硫细菌（PNSB）的光发酵可以在温和的操作条件下利用太阳能将碳水化合物[4]和有机废物[5]转化为氢气。这种方法不仅减少了对化石燃料的依赖，还实现了从废物中回收能源。PNSB可以代谢多种小型有机底物来生产氢气，包括醋酸、丁酸和乳酸等挥发性脂肪酸（VFAs），以及酒精和糖类。使用传统底物生产氢气的经济可行性仍然是一个主要挑战。这一挑战促使研究人员利用PNSB的特性，用成本效益高、可再生的替代品（如农业残余物[6]和各种类型的废物[7]）来替代纯化合物。
PNSB可以有效利用秸秆等生物质资源[8]。全球每年产生的木质纤维素生物质量约为200亿吨[9]。将其用于能源回收和资源转化不仅可以减轻环境污染，还有助于缓解能源危机。然而，目前秸秆的利用率仍低于1%[10]。酸或碱水解等预处理方法可以有效将纤维素降解为可发酵的糖类，PNSB可以将其代谢为高价值产品，包括氢气和VFAs[11]。此外，秸秆水解物提供了作为氢化酶和氮化酶辅因子的必需微量元素，从而提高了氢产量[12]。与传统的基于化石燃料的氢生产方法相比，这种秸秆到氢气的途径可以减少高达70%的温室气体排放[13]。同时，低体积生产率和对光照的依赖性仍然是必须解决的挑战，以便有效扩大生物氢生产规模。
光是驱动光发酵的主要能源，影响氢产量、细菌代谢和系统效率。光强度、波长和持续时间显著影响氢产量。对于大多数PNSB来说，最佳光强度通常在100到300瓦/平方米之间，因为过强的光照会导致光抑制，而光照不足则会限制代谢活动[14]。自然阳光是理想的能源；然而，太阳辐射中只有40%的波长可供PNSB利用。此外，太阳光还存在昼夜波动和与细菌吸收峰值的光谱不匹配问题[5]。天气和季节变化进一步降低了效率。高效利用太阳能仍然是通过光发酵实现大规模氢生产必须解决的关键挑战。
光发酵制氢技术已经从实验室应用发展到户外应用，但在氢生成效率、反应器设计和成本效益方面仍存在持续挑战。主要限制是低光转换效率（LCE）和分布不均的不利影响[15]。Emrah报道了在1.4升光生物反应器中使用固定化的Rhodobacter capsulatus YO3进行连续户外氢生产，其中昼夜光照变化使最大氢产量降至室内值的一半，仅为6.1摩尔氢气/摩尔蔗糖[16]。Zhang等人在11立方米的反应器中进行了首次交替黑暗和光发酵的中试测试，使用水解后的玉米秸秆作为底物。结果表明，大规模反应器中混合不良、冲洗和其他不均匀条件对氢产量产生了负面影响，氢产量为195.8毫升氢气/升·小时[17]。此外，Boran等人在90升的太阳能管式光生物反应器中报告的最大体积产量为0.009毫升氢气/升·小时，仅靠阳光的光转换效率仅为0.2%[18]。Jimmy L.开发了一种新型涂层系统，通过增加表面积、过滤紫外线辐射和优化细菌色素生产来提高太阳能捕获效率。当使用醋酸作为底物时，系统的氢产量达到了46.6毫升氢气/平方米·小时[19]。为了解决上述限制，我们之前的研究将人工光源与阳光结合使用，以减轻自然光的质量不稳定问题，从而提高了氢产量和过程稳定性。同时，内部光源的引入有效提高了光转换效率，而管式光生物反应器的高表面积与体积比有助于提高太阳能利用率，并降低了反应器运行成本[15]。
通过采用内部集成光源的管式结构优化了光生物反应器的设计。这种配置显著缩短了有效光路径，提高了表面积与体积比，从而最大化了太阳能捕获，并实现了来自内部和外部光源的双向照明。除了提供必要的光子能量外，内部照明还有助于维持整个系统的热稳定性。此外，这项工作首次成功展示了在70升户外中试规模下从玉米秸秆长期稳定生产氢气。这种方法缓解了昂贵发酵底物的经济瓶颈，并为未来生物氢系统的工业规模部署提供了关键方法。
