中空纤维膜生物反应器高效转化CO2为单细胞蛋白：温室气体资源化的创新策略

为解决温室气体CO2的低效转化和单细胞蛋白（SCP）生产瓶颈问题，研究人员开发了中空纤维膜生物反应器（HFMB），通过增强气体溶解效率显著提升氢氧化细菌Cupriavidus necator H16的SCP产量。结果表明，HFMB使细菌生长提升3.15–6.83倍，氨基酸产量增加281.11%，并支持连续稳定生产。该技术为可持续蛋白生产和碳减排提供了高效解决方案。

　　

随着全球气候变化和人口增长，如何将温室气体转化为高价值产品成为科学界的热点课题。CO₂作为主要温室气体之一，其资源化利用既能缓解环境压力，又能生产替代蛋白。然而，传统气体发酵技术面临气体溶解度低、传质效率差等瓶颈，导致单细胞蛋白（SCP）产量受限。氢氧化细菌Cupriavidus necator H16虽能通过卡尔文循环固定CO₂，但H₂和O₂的低溶解度（分别为1.6和8.3 mg/L）严重制约其代谢效率。针对这一挑战，国内某研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，创新性地将中空纤维膜生物反应器（HFMB）与C. necator H16耦合，实现了CO₂的高效生物转化。

研究采用三种生物反应器对比：中空纤维膜生物反应器（HFMB）、微泡柱生物反应器（MCB）和鼓泡柱生物反应器（BCB）。通过监测溶解气体浓度、细菌光密度（OD₆₀₀）和氨基酸产量等指标，结合温度与气体流速优化实验，评估系统性能。

3.1. Gas dissolution in three bioreactors
HFMB凭借聚甲基戊烯（PMP）致密膜的高比表面积（1900 cm²），使H₂、O₂和CO₂的溶解浓度分别达到MCB和BCB的1.59–2.3倍。溶液扩散机制（sorption-diffusion-desorption）驱动的气体传递避免了气泡破裂导致的损失。

3.2. Enhanced SCP production by HFMB
HFMB中细菌生物量达0.41 g/L，是MCB和BCB的3.15–6.83倍。关键氨基酸如甲硫氨酸含量提升2–5倍，总氨基酸产量增加281.11%，证实膜技术对代谢通路的正向调控。

3.3. Effects of key parameters
187.5 mL/h的气体流速和40℃条件下，SCP产量翻倍。高温虽降低气体溶解度，但加速了细菌代谢和Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环的酶促反应。

3.4. Potential for continuous operation
连续运行一周的HFMB保持稳定产出，膜污染显著低于传统设计。外部独立膜模块设计便于维护，为规模化应用提供可能。

结论与意义
该研究首次将HFMB应用于HOB的SCP生产，通过膜介导的高效气体传递解决了传统发酵的传质限制。优化的CH_1.73O_0.42N_0.26细胞化学式表明系统接近理论转化效率。未来可通过混合培养、膜材料改性进一步提升产量。这项技术为碳中和目标下的蛋白供应链革新提供了可扩展的工程范式。