低氢气氛下中空纤维膜生物反应器实现好氧自养异丙醇的安全高效生产

为解决好氧气体发酵中氢气与氧气混合易爆的安全难题，研究人员开展利用中空纤维膜接触器(HFMC)在低H2气氛下进行自养异丙醇生产的研究。结果表明，该技术可将反应器顶空H2浓度控制在安全阈值4%以下，同时实现10 g/L生物量或1.3 g/L异丙醇产量，为安全规模化气体发酵提供了新策略。

　　

随着全球温室气体排放问题日益严峻，利用微生物将C1气体转化为燃料和化学品的技术受到广泛关注。其中， Cupriavidus necator（一种革兰氏阴性菌）因其能够以CO₂为碳源、H₂为还原力来源、O₂为电子受体进行自养生长，而成为气体发酵领域的明星菌株。通过代谢工程改造，该菌株可生产多种高附加值化合物，包括具有广泛用途的异丙醇（isopropanol）。然而，好氧自养发酵过程面临一个重大安全挑战：氢气与氧气混合在特定浓度范围内（H₂ > 4% 和 O₂ > 5%）会形成爆炸性气体。传统策略主要通过控制氧气浓度或使用氮气惰化来规避风险，但这些方法往往操作复杂且成本较高。

为了解决这一难题，来自法国图卢兹生物技术研究所（Toulouse Biotechnology Institute）的研究团队进行了一项创新研究，其成果发表在《Bioresource Technology》上。他们开发了一种新型生物反应器系统，通过中空纤维膜接触器（Hollow Fiber Membrane Contactor, HFMC）来供给氢气，旨在实现低氢气气氛下的安全、高效异丙醇生产。其核心思路是：通过膜技术将氢气以溶解形式直接传递到液相培养基中，避免产生气泡，从而显著降低反应器顶空中的氢气浓度，使整个过程远离爆炸区间。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用定制的中空纤维膜接触器（Silmem?）进行氢气传递，该接触器采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）涂层复合纤维；利用7.5L和1L的定制高压气体生物反应器系统进行自养培养，系统配备多路质量流量控制器和在线气体分析仪（如BlueInOne和BlueVary）；通过溶解氢传感器实时监测液相中的H₂浓度；采用流式细胞术（Flow Cytometry）并结合碘化丙啶（Propidium Iodide, PI）染色评估细胞膜完整性和形态变化；使用高效液相色谱（HPLC）定量分析异丙醇、丙酮等代谢产物。

4. Results and discussion

4.1. HFMC gas bioreactor fermentations

研究人员首先对中空纤维膜进行了表征，结果显示其CO₂/N₂选择性为8.5，氢渗透率为98 GPU，表明涂层均匀完整，具备良好的气体分离性能。

Autotrophic growth in HFMC gas bioreactor

在仅连接HFMC进行自养生长的实验中，团队成功将顶空H₂浓度维持在4%的安全阈值以下，最终生物量浓度达到10 g/L。尽管后期出现氢气限制导致线性生长，但证明了在低氢气氛下实现高密度培养的可行性。

Autotrophic Isopropanol production in HFMC gas bioreactor

在异丙醇生产实验中，通过优化跨膜压力（TMP）和液体循环速率（Q_LIQ），研究人员在1L反应器中实现了非氢气限制的培养条件。溶解H₂浓度始终维持在0.05 mmol/L以上，顶空H₂浓度控制在6-18%（经氮气冲洗校正后）。最终异丙醇产量达到1.3 g/L，丙酮副产物仅为0.05 g/L，表现出良好的产物选择性。值得注意的是，通过计算发现仅有20%的氢气以气泡形式穿透膜孔，其余80%均以溶解形式传递，大幅提升了过程安全性。

流式细胞术分析显示，循环通过HFMC的细胞形态发生改变（FSC信号增强），表明细胞尺寸和异质性增加，这可能与膜接触器内的剪切作用有关。但细胞存活率始终保持在95%以上，证明该操作对细胞活性无负面影响。

研究结论表明，中空纤维膜生物反应器系统成功实现了好氧自养异丙醇生产过程中对顶空氢气浓度的精确控制，使其接近或低于4%的安全阈值。虽然异丙醇产量（1.3 g/L）暂低于传统气泡式反应器的最佳水平（6.8 g/L），但该技术首次证明了在低氢气氛下进行安全气体发酵的可行性。更重要的是，该方法将气泡形成量减少了80%，显著降低了爆炸风险。讨论部分指出，未来通过增加膜表面积、优化纤维填充方式和改进发酵策略，有望进一步提升性能。这项研究为大规模好氧气体发酵的安全操作提供了重要技术支撑，不仅适用于异丙醇生产，也可推广至单细胞蛋白（SCP）等其他高价值产品的生产领域，具有重要的工业应用前景。