滴滤床反应器中生物CO转化模拟与CSTR对比研究：微生物膜形成对合成气生物甲烷化的优化机制

为解决合成气生物甲烷化过程中传质限制与微生物生长动力学的平衡问题，研究人员开发了首个整合微生物生长动力学与滴滤床反应器(TBR)传质行为的动态模型。通过对比5000 ml半中试TBR、220 ml实验室TBR及5000 ml连续搅拌釜反应器(CSTR)的CO转化效率，发现生物膜形成可使实验室TBR转化率从23.3%提升至86.3%，超越体积大22倍的CSTR。该研究为规模化生物气发酵反应器设计提供了关键理论工具，发表于《Biochemical Engineering Journal》。

　　

在全球能源转型背景下，利用工业废气（如合成气）生产可再生甲烷(RNG)成为实现碳中和的重要途径。然而，气体发酵技术面临两大瓶颈：难溶性气体（CO/H₂
）的传质效率低下，以及传统连续搅拌釜反应器(CSTR)高能耗导致的微生物剪切应力问题。滴滤床反应器(TBR)虽具有传质优势，但其放大设计长期依赖经验法则，缺乏整合微生物生长与反应器水力学特性的定量模型。

针对这一挑战，丹麦技术大学的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表突破性研究，首次建立了耦合微生物膜生长与TBR传质行为的动态模型。通过对比不同规模TBR与CSTR的性能，发现生物膜形成可使220 ml实验室TBR的CO转化效率提升4倍，超越5000 ml CSTR，而5000 ml半中试TBR更实现99.4%的转化率。该研究揭示了Re_L
=35的临界阈值，为反应器优化提供了明确的设计边界。

研究采用三大关键技术：1) 基于示踪实验的"串联釜模型"将TBR划分为8个气液相连通单元；2) 引入热力学潜力因子(F_{T,carb_hyd}
)量化CO向H₂
或乙酸的代谢分流；3) 通过多孔生物膜模型模拟微生物在填料表面的附着生长，其中生物膜密度设为25 g/L，扩散系数参考厌氧消化文献数据。

【模型验证与性能对比】
通过对比5000 ml半中试TBR（高径比12.5）与220 ml实验室TBR（高径比4.9）的CO转化效率，模型预测与实验数据高度吻合（R²

0.97）。结果显示：在相同空床停留时间(EBRT=45分钟)下，半中试TBR因更高的体积传质系数(k_L
a=112.4 min^-1
vs 实验室TBR的7.8 min^-1
)，其CO转化率达96%，远超CSTR的22%。

【生物膜的放大效应】
引入生物膜生长后，实验室TBR微生物量从0.081 g增至0.29 g，CO转化效率提升至86.3%，反超5000 ml CSTR（0.076 g微生物量）。这证实TBR通过微生物膜实现生物量富集，突破CSTR的体积限制。

【液相传质阈值发现】
在恒定EBRT=20分钟条件下，当液体雷诺数(Re_L
)<35时，CO转化效率与k_L
a呈正相关；当Re_L

35时，系统转为微生物生长限制，转化效率稳定在78%（半中试TBR）和62%（实验室TBR）。此时生物膜厚度沿反应器高度差异增大，顶部较底部厚3倍，反映底物消耗的空间梯度。

该研究建立了首个能同时预测TBR传质特性与微生物膜生长的数学模型，破解了生物反应器放大过程中"传质-生长"耦合机制的量化难题。发现小体积TBR通过生物膜策略可超越大体积CSTR的性能，为生物燃气工厂的紧凑化设计提供理论依据。临界Re_L
=35的确定，为工业反应器操作参数优化提供了明确阈值。未来通过引入氢营养型产甲烷菌(hydrogenotrophic methanogens)的动力学，该模型可扩展至完整合成气生物甲烷化过程的模拟。