气升式生物反应器中C1气体与胡萝卜废弃物水解液共发酵强化丁醇合成研究

《Biomass and Bioenergy》：Mixotrophic co-cultures fermentation of C1-gases and carrot discard hydrolysate by C. carboxidivorans and C. beijerinckii in stirred tank bioreactor and gas-lift bioreactor

本研究针对C1温室气体减排与农业废弃物资源化难题，创新性地采用丙酮丁醇梭菌与拜氏梭菌共培养体系，在气升式生物反应器中实现了CO/CO2与胡萝卜废弃物水解液的协同转化。结果表明，该策略在47小时内可产出12.0 g/L丁醇，并完成糖类和CO的完全消耗，为工业级生物炼制提供了低能耗、高效率的解决方案。

　　

在全球推进碳中和的背景下，工业废气（如CO和CO₂）与农业废弃物（如胡萝卜加工残渣）的处理已成为亟待解决的环境难题。这些废弃物若得不到有效利用，不仅造成资源浪费，还会加剧温室效应。传统生物转化方法往往面临效率低、成本高、设备复杂等瓶颈，特别是如何将气态和液态两种不同形态的碳源高效整合到同一发酵过程中，一直是个巨大挑战。

针对这一难题，发表在《Biomass and Bioenergy》上的研究给出了一种创新性的解决方案。西班牙巴利亚多利德大学的Juan Carlos López-Linares团队探索了利用两种特殊微生物——C. carboxidivorans（食碳梭菌）和C. beijerinckii（拜氏梭菌）——进行共培养，在新型气升式生物反应器中同时发酵C1气体和胡萝卜废弃物水解液，成功实现了丁醇的高效生产。

为了开展这项研究，团队运用了几个关键技术方法：首先，他们通过酶解处理将胡萝卜废弃物转化为可发酵糖液；其次，他们采用了混养发酵策略，即微生物同时利用有机碳源（糖类）和无机碳源（C1气体）进行生长和代谢；第三，他们创新性地使用了气升式生物反应器这一反应器构型，通过气体循环驱动液体流动，实现温和而高效的混合与传质；第四，他们在发酵体系中添加了零价铁作为可持续的电子供体，替代了传统上危险且昂贵的氢气，以促进CO₂的还原固定。研究还系统比较了气升式生物反应器与传统搅拌釜生物反应器的性能差异，并评估了不同气体流速对发酵效率的影响。

3.1. 搅拌釜生物反应器中的混养共培养

研究人员首先在搅拌釜生物反应器中测试了共培养体系的性能。他们发现，气体流速显著影响了产物分布。当气体流速为50 mL/min时，丁醇产量达到最高（6.7 g/L），同时残留的乙酸和丁酸浓度较低，表明较高的混合强度促进了酸类中间体向丁醇的转化。相比之下，较低的气体流速下，虽然酸的产生旺盛，但向溶剂的转化可能受到传质限制，导致酸积累。研究还证实，在发酵开始时同时提供果糖和C1气体对于C. carboxidivorans的生长和代谢活性至关重要，这有助于克服气体在液体中溶解度低的问题。

3.2. 气升式生物反应器中的混养共培养

将共培养体系转移到气升式生物反应器后，其性能得到了显著提升。在200 mL/min的气体流速下，仅用34小时就产生了6.6 g/L的丁醇，速度远快于搅拌釜。气升式反应器展现了卓越的C1气体消耗能力，CO消耗率高达100%。其温和的混合特性（低剪切力）对梭菌这类对剪切敏感的微生物非常有利，而高效的气液传质则确保了难溶C1气体的持续供应。与搅拌釜相比，气升式反应器中的底物消耗和产物生成动力学都更为迅速。

3.3. 胡萝卜废弃物水解液/C1气体在搅拌釜和气升式生物反应器中的共培养

最具突破性的结果出现在使用真实废弃物——胡萝卜废弃物酶解液替代合成果糖作为共底物时。在气升式生物反应器中，该体系在47小时内产生了高达12.0 g/L的丁醇，这一产量是使用合成底物时的近两倍，并且显著优于搅拌釜反应器（仅2.2 g/L丁醇）。同时，实现了糖类和CO的完全消耗，以及高达82.4%的CO₂最大摄取率。此外，还合成了丁酸（7.4 g/L）、乙酸（2.7 g/L）等多种有价值副产品。这一结果凸显了将两种废弃物流（农业废弃物和工业废气）协同转化为高价值产品的巨大潜力。

研究的结论部分明确指出，气升式生物反应器技术是实现C1气体和胡萝卜废弃物水解液共发酵生产丁醇的最有效策略。该技术不仅获得了创纪录的丁醇产量和极短的发酵时间，还因其低能耗、低剪切力、设计简单和操作成本低等优点，展现出巨大的工业应用前景。零价铁的成功应用，作为一种安全、经济的替代电子供体，进一步增强了该过程的可持续性和环境友好性。

这项研究的意义重大。它首次评估了气升式生物反应器用于C. carboxidivorans和C. beijerinckii共培养转化复杂共底物系统（C1气体和胡萝卜废弃物水解液）的性能，特别是在零价铁存在下的表现。该工作为同时解决温室气体排放和农业废弃物处理问题提供了一个高效、低成本的生物技术平台，将废物管理与高附加值化学品生产相结合，有力地推动了循环生物经济的发展。未来，通过优化过程控制（如原位产物移除）和深入探索底物适应性，这一创新工艺有望在工业规模上实现更广阔的应用。