综述：合成气生物精炼厂：微生物群落用于合成气增值的潜力

这篇综述系统探讨了微生物群落（MCB）在合成气（syngas）增值中的潜力，重点分析了混合培养体系在生物甲烷化（CH4）、挥发性脂肪酸（VFAs）和醇类生产中的优势，并指出其相较于纯培养在耐受杂质和缓冲气体组分波动方面的鲁棒性。文章还讨论了生物反应器设计（如膜生物反应器HFMBR）、质量传递限制（kLa优化）及下游纯化技术（如渗透汽化）等关键挑战，为构建合成气生物精炼厂（biorefinery）提供了理论框架。

　　

1. 生物质作为合成气生产的可持续原料

全球能源转型背景下，生物质气化（800–1000°C）通过部分氧化产生含CO、H₂和CO₂的合成气，其组分受气化剂（蒸汽/空气）和反应器类型（流化床/固定床）显著影响。相比化石燃料衍生的合成气，生物质合成气CO含量较低（20–30% v/v），但含更高CH₄（达10%），且组分波动大，需通过水煤气变换反应调整H₂:CO比例至2:1以满足后续转化需求。

2. 合成气生物转化为高附加值化合物

气体发酵利用厌氧细菌（如产乙酸菌）通过伍德-永达尔途径（WLP）将CO/CO₂/H₂转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA），进而合成乙酸（12.6–23.5 g_acetate L^?1 d^?1）、乙醇（4.0–6.7 g_ethanol L^?1 d^?1）等。混合培养通过链延长（reverse β-oxidation）可将乙酸转化为丁酸（20.0 g_butyrate L^?1 d^?1）或己酸（3.4 g_caproate L^?1 d^?1），但需控制pH（5.5–6.0）抑制甲烷生成。

3. 混合培养在合成气转化中的潜力

甲烷：氢营养型甲烷菌（如Methanothermobacter）主导CO₂/H₂转化，在滴滤床反应器（TBR）中产能达36.7 L_CH4 L^?1 d^?1。羧酸：Acetobacterium在pH 7.5时主导乙酸合成（16.4 g_acetate L^?1 d^?1），而Clostridium在pH 6.0促进链延长。醇类：混合培养乙醇产量（1.7 g_ethanol L^?1 d^?1）低于纯培养，但能合成复杂醇类如己醇（0.3 g_hexanol L^?1）。

4. 合成气发酵的关键技术挑战

生物反应器设计：中空纤维膜反应器（HFMBR）因无气泡形成且k_La高达947 h^?1成为优选。规模放大瓶颈：需平衡剪切力（如轴向流叶轮）与质量传递，并开发两阶段系统以减少产物抑制。下游纯化：膜技术（如纳滤）可降低短链羧酸分离成本（0.8 USD kg^?1），而渗透汽化适用于醇类富集。

5. 结论

混合培养展现出处理波动性合成气组分和杂质的独特优势，尤其在生物甲烷化和羧酸生产中已接近工业化应用。未来需通过反应器创新和过程集成解决质量传递与产物抑制问题，推动合成气生物精炼厂从实验室走向规模化。