综述：高温操作在气体发酵工艺中被低估的优势

这篇综述深入探讨了高温（50-60°C）操作对气体（CO2/合成气）发酵的促进作用，强调其通过提升传质效率（kLα）和微生物生长速率，显著提高生物甲烷（CH4）和乙酸等产物的生产率，为规模化应用提供经济可行的解决方案。

　　

高温操作：气体发酵的隐形加速器

引言
气候危机迫使人类寻找替代化石资源的可持续技术。气体发酵技术通过转化工业排放的CO₂和农业废弃物衍生的合成气（CO/H₂/CO₂混合物），生产生物甲烷、乙醇和短链羧酸等高附加值产物，每年可吸收全球24%的碳排放量。然而，气体发酵面临的核心挑战是气液传质限制——尤其是H₂和CO的低溶解度严重制约微生物生长速率和产物生产率。

传质基础与温度效应
根据双膜理论，气体组分i的传质速率取决于k_Lα（体积传质系数）与饱和浓度差。虽然亨利定律表明高温会降低气体溶解度（如CO在60°C时溶解度比35°C低39%），但温度升高同时显著提升k_{L>α——在滴滤床反应器（TBR）中，60°C时CO传质速率比35°C高533%，H2甚至达到惊人的1650%。这种矛盾现象源于高温下液体粘度降低和气体扩散系数提高的协同作用。}

嗜热CO₂生物甲烷化
嗜热条件（55-65°C）下的CO₂生物甲烷化展现出压倒性优势：

• 代谢路径简化：直接通过氢营养型产甲烷途径（Hydrogenotrophic methanogenesis）转化，避免中温条件下复杂的同型产乙酸（Homoacetogenesis）和乙酸裂解（Acetoclastic）分支。
• 反应速率倍增：嗜热微生物的最大比生长速率是中温菌的2-3倍，滴滤床反应器（TBR）中甲烷生产率可达15.4 m³/m³_bed/d。
• 运行稳定性：即使面对H₂供应波动，嗜热TBR仍能保持高甲烷纯度。

合成气发酵的嗜热优势
早期研究已揭示嗜热合成气发酵效率是中温的5倍。关键发现包括：

• CO毒性规避：当CO转化速率高于传质速率时，液相CO浓度始终低于抑制阈值。
• 代谢路径分化：嗜热菌通过生物水煤气变换反应（Biological WGS）将CO优先转化为H₂/CO₂，而中温菌群则依赖多步骤转化。
• 膜生物反应器表现：55°C下乙酸选择性超98%，且生产率显著提升。

挑战与创新方向
虽然嗜热操作在乙酸生产中表现优异，但长链酸（如丁酸、己酸）和醇类生产仍面临挑战：

• 乙醇依赖性问题：长链酸合成需要乙醇作为底物，而嗜热条件下乙醇生成受限。
• 解决方案：通过嗜热菌共培养或外源添加乙醇/乳酸，可借鉴中温条件下成功的链延长（Chain elongation）策略。

未来展望
嗜热操作的价值远未被充分挖掘。下一步需聚焦：

• 反应器特异性建模：量化不同反应器（如膜反应器vs搅拌釜）中温度对k_Lα的非线性影响。
• 代谢热利用：嗜热菌代谢产生的热量可降低大规模工厂的温控能耗。
• 菌株工程：开发遗传工具改造嗜热乙酰菌（如M. thermoacetica），拓展产物谱至丙酮、异丙醇等高值化学品。

这场温度驱动的发酵革命，正为碳中和目标提供兼具效率与经济性的生物技术方案。