固定膜生物反应器中利用CO2 和CO气体强化乙醇生产的创新研究

为解决化石燃料依赖和温室气体排放问题，研究人员开发了基于Petrobacter sp. SUTSP5的固定膜生物反应器（FEthaRex），通过优化CO2 :CO:H2 气体比例（30:50:20）和pH调控，实现乙醇生产率1.9860 g/L/h，较悬浮细胞系统提升显著，为碳资源转化提供可持续解决方案。

　　

全球80%的能源仍依赖化石燃料，导致CO₂
排放激增和气候变化加剧。传统生物乙醇生产面临细胞密度低、产物回收难等问题。如何将工业废气（如CO和CO₂
）高效转化为清洁能源，成为可持续发展的重要课题。

Suranaree University of Technology的研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表研究，利用一株从泰国污水处理厂分离的乙醇生产菌Petrobacter sp. SUTSP5，开发了新型固定膜生物反应器FEthaRex。通过优化气体组成（CO₂
:CO:H₂
）和营养条件，实现了48小时内乙醇浓度6.0411%（体积比），生产率达1.9860 g/L/h，较传统悬浮细胞系统（EthaRex）提升近10倍。

研究采用四项关键技术：1）血清瓶培养评估菌株在EN和复合培养基中的生长特性；2）固定膜生物反应器构建，使用聚丙烯环（PP-ring）作为生物膜载体；3）气相色谱（HP-INNOWax毛细管柱）定量乙醇；4）超声辅助生物膜细胞计数技术。

3.1 细胞生长特性
Petrobacter sp. SUTSP5在复合培养基中表现出更高的比生长速率（0.276 h^-1
），48小时生物量达10⁹
CFU/mL，为后续固定化提供高活性菌种。

3.2 血清瓶乙醇生产
复合营养基中乙醇产量（1.0680 g/L）显著高于EN培养基（0.1403 g/L），证实氨基酸和维生素对Wood-Ljungdahl通路的关键作用。

3.3 连续反应器优化
调整气体组成为30:50:20（CO₂
:CO:H₂
）后，EthaRex系统乙醇产率提升至0.3458 g/L/h，但pH波动（4.12-5.99）导致细胞活性下降，凸显酸碱平衡的重要性。

3.4 FEthaRex系统突破
固定膜技术使生物膜细胞密度稳定在10⁸
CFU/mL，在停止气体供给后仍维持48小时高产（47.6641 g/L），PP-ring载体平均增重0.0058 g，证实其优异的生物膜附着能力。

3.5 生物膜动态分析
超声检测显示生物膜与悬浮细胞数量相当（4.75×10⁷
vs 4.20×10⁷
CFU/mL），揭示微生物在载体表面的吸附-解吸附平衡机制。

该研究开创性地将油气田污染修复菌Petrobacter sp.应用于碳气转化，通过固定膜技术解决细胞流失难题。FEthaRex系统在pH 7.03、30:50:20气体条件下展现的持续生产能力，为工业废气资源化提供新思路。未来通过优化传质效率和两步pH调控，有望进一步提升乙醇产率。这项成果不仅推动碳捕获利用（CCU）技术发展，也为实现"双碳"目标提供了微生物解决方案。