高压生物反应器系统结合硫酸盐培养基提升Methanothermobacter marburgensis产甲烷性能及其可持续能源应用潜力

语 为应对传统氯化物培养基在高压生物甲烷化过程中的腐蚀性及毒性问题，本研究开发了第二代同步生物反应器系统（SBRS-II）及硫酸盐培养基（MM-CF-S）。结果表明，新培养基使甲烷产率提升至285.86±22.94 mmol·L?1·h?1，生物量积累（OD578达6.79±0.21）和比甲烷产率（qCH4达216.85±17.54 mmol·g?1·h?1）显著优化，且pH稳定性增强。该研究为高压生物甲烷化技术的工业化应用提供了关键理论与技术支撑。

　　

随着全球能源转型的加速，生物甲烷作为可再生燃气载体备受关注。氢营养型甲烷古菌（Methanothermobacter marburgensis）能够利用H₂和CO₂高效合成甲烷，但其工业化应用面临两大挑战：一是传统氯化物培养基（如MM-CF）中的NiCl₂·6H₂O具有毒性且易引发钢制反应器腐蚀；二是低压培养系统气体溶解度低，限制传质效率。为解决这些问题，奥地利约翰·开普勒大学与维也纳大学团队开发了第二代同步生物反应器系统（SBRS-II）及新型硫酸盐培养基（MM-CF-S），旨在通过高压环境提升产甲烷效率，并为规模化应用提供安全、稳定的技术平台。相关成果发表于《Scientific Reports》。

研究采用定制高压生物反应器（SBRS-II），工作体积500 mL，耐压17 bar，配备PTFE内衬防腐磁力搅拌系统。通过对比MM-CF与MM-CF-S培养基在3 bar与10 bar压力下的产甲烷性能，结合光学密度（OD₅₇₈）、甲烷释放速率（MER）和比甲烷产率（q_CH4）等指标评估菌株生理响应。

高压同步生物反应器系统

SBRS-II通过扩大反应体积（80 mL→500 mL）和优化搅拌机制，显著提升气液传质系数（k_Lα）。PTFE内衬有效抑制由硫化物（如Na₂S）引发的微生物腐蚀，确保反应器长期稳定性。

硫酸盐与氯化物培养基的对比评估

MM-CF-S培养基以(NH₄)₂SO₄等硫酸盐替代氯化物，避免NiCl₂·6H₂O的毒性与腐蚀风险。在10 bar压力下，其最大MER（285.86±22.94 mmol·L^?1·h^?1）较MM-CF（144.01±9.18 mmol·L^?1·h^?1）提升近一倍，生物量（OD₅₇₈）与q_CH4亦显著优化。

显微镜观察显示高生物量下细胞形成簇状聚集，提示需优化搅拌强度以改善分散性。硫酸盐培养基在高压下（≤15 bar）维持pH≥6，优于MM-CF的pH骤降（pH<5），保障菌株生理活性。

结论与展望

SBRS-II与MM-CF-S的组合显著提升了M. marburgensis的高压产甲烷效率，为生物甲烷工业化奠定了技术基础。未来需重点解决微生物污染控制、压力对代谢通路的调控机制及反应器长期运行稳定性等关键问题，推动该技术成为可持续能源体系的核心组成部分。