用于电发酵的可扩展颗粒填充床生物滤器的设计方法与性能

《Results in Engineering》：Design approach and performance of a scalable granular packed bed biofilter for electro-fermentation

　　

生物电化学系统（Bioelectrochemical systems，BES）是用于生产能量、能量载体和化学品的一类有前景的技术；然而，其在工业应用中的实施仍面临与可扩展性（scalability）相关的重大挑战。本研究提出了一种新型、可扩展的单室BES，其中工作电极被构建为由等尺寸导电球体组成的填充床，这些球体由石墨-聚合物复合材料制成。该反应器总体积为3.56 L，填充床体积为1.66 L，电极表面积为1.06 m²。研究人员以外排电子菌（exoelectrogenic bacterium）希瓦氏菌Shewanella oneidensis催化乳酸向乙酸转化的微生物电解/电发酵模型过程，在相对于标准氢电极（standard hydrogen electrode，SHE）300 mV的阳极电位下，实现了430 mA m^-2的最大电流密度。

该论文发表于《Results in Engineering》，围绕生物电化学系统（BES）在白色生物技术中的放大应用展开，核心问题是如何在维持传质、电极极化、生物膜附着与电荷传递效率的前提下，实现反应器结构的工程可扩展性。现有双室系统依赖质子交换膜（PEM），易污染、内阻高且不利于高温灭菌；单室系统虽避免了膜带来的放大障碍，但仍存在阳极有效表面积难以提升、床层极化不足、堵塞风险以及流动分布不均等问题。已有石墨纤维刷、旋转盘和颗粒填充床等方案各有优势，但分别受限于活性表面积难以准确界定、结构内部流体力学复杂，或颗粒床内部极化不足与阴极距离受限等因素。因此，研究人员开展本研究，目的是构建一种适于纯培养微生物、电位可控、可高压蒸汽灭菌且具备进一步放大潜力的单室颗粒填充床电发酵反应器。

研究人员设计了一种底部进液、向上流动的单室填充床生物电化学反应器，以石墨-聚丙烯复合导电球作为阳极工作电极，并通过上下多孔石墨板对床层施加压力，以降低颗粒间接触电阻、增强床层整体极化。反应器内部嵌入6组钢棒束作为对电极（阴极），以缩短阳极与阴极间距离。研究以经遗传改造的Shewanella oneidensis为模型菌株，在厌氧条件下催化乳酸氧化为乙酸，并通过恒电位控制、液相有机酸监测、气相产物分析和电子衡算评估该装置性能。研究结果表明，该反应器可稳定实现乳酸向乙酸的电发酵转化，并在300 mV vs SHE条件下达到430 mA m^-2的最大电流密度，证明加压极化颗粒填充床作为可扩展BES构型具有可行性。研究的重要意义在于，为面向白色生物技术的纯培养电发酵装备提供了一种兼顾工程放大、灭菌适配性和电极表面积利用的新型反应器路线。

研究人员主要采用了以下几类关键技术方法：首先，构建3.56 L单室颗粒填充床微生物电解池（MEC），以等径石墨-聚合物导电球形成阳极床层，并通过上下石墨板压紧床层增强极化；其次，采用恒电位计（potentiostat）以计时安培法（chronoamperometry）控制阳极电位并连续记录电流；再次，在重复补料分批（repeated fed-batch）条件下，以液相离子色谱、总有机碳（TOC）/溶解性有机碳（DOC）分析和气相色谱对乳酸、乙酸及H₂/CO₂进行定量；最后，通过局部峰值/谷值电流与乳酸、乙酸浓度的关联建模，采用带有竞争性与反竞争性抑制项的Hill型方程分析产物抑制效应。

在研究结果部分，论文首先以“3.1. Reactor functionality validation”验证反应器功能。研究人员在两组重复补料分批实验中检验反应器对Shewanella oneidensis厌氧阳极培养的适用性。实验1采用培养液置换，实验2采用乳酸加料。两组实验均显示，接种后几乎无明显迟滞期，电流产生与乳酸消耗、乙酸生成同步变化，说明电流密度可作为微生物代谢状态的实时指示。实验1中，初始70 mmol L^-1乳酸在第1批次降至8.6 mmol L^-1，乙酸升至56.2 mmol L^-1，电流密度在69 h达到365 mA m^-2局部峰值。后续换液后电流再次回升，但峰值低于首批次。实验2中，初始批次峰值为392 mA m^-2，后续单纯补加乳酸虽可恢复部分活性，但在乙酸持续累积条件下，第三批次电流上升受阻；当研究人员通过换液降低乙酸浓度后，电流密度重新升高并在182 h达到394 mA m^-2。这些结果共同证明，该填充床反应器能够实现模型电发酵过程，同时提示产物积累是影响性能的重要因素。

在“3.2. Inhibitory effect of Acetate”部分，研究人员分析了乙酸的抑制作用。依据实验中各批次电流峰值和谷值与对应乳酸浓度的关系，并结合文献中关于乙酸对S. oneidensis性能影响的报道，研究人员认为高浓度乙酸会显著抑制乳酸转化与电流输出。为描述这一现象，论文将类似Hill方程的经验模型引入电流密度与乳酸浓度关系中，并进一步加入竞争性抑制与反竞争性抑制两项，以考虑乙酸对代谢过程的双重限制。模型参数拟合后，能够较好重现实测数据变化趋势。尤其是在实验2中，介质置换前后乳酸浓度近似但乙酸浓度相差约3倍，对应电流表现显著不同，这一对照强化了“乙酸抑制”而非“底物不足”是电流受限主因的判断。

在“3.3. Stoichiometric balance”部分，论文重点讨论了电子衡算与氢穿梭（hydrogen shuttling）现象。研究人员将各批次实测电流积分得到的电子量，与依据乳酸降解和乙酸生成按化学计量推算的理论电子量比较，发现实测电子量明显偏高，对应库仑效率（Coulombic efficiency，CE）分别达到206 %和141 %，超过通常意义上的100 %上限。由于Shewanella oneidensis能够利用氢，研究人员据此提出体系中存在“氢穿梭”过程：阴极生成的H₂被微生物再次氧化，电子重新传递至阳极，形成由恒电位外加能量支持的循环，导致测得电流超出单纯乳酸降解所能解释的范围。尽管如此，乙酸、乳酸、H₂和CO₂总体上仍保持较好的化学计量对应。实验1中氢回收偏低主要归因于气体采样点泄漏；修复后，实验2测得氢量与理论预期更为接近。论文同时指出，抗生素使用、甲烷未检出、未发现其他短链脂肪酸等现象均支持体系基本未受杂菌污染。

在“3.4. Degradation rate of lactate and production rate of acetate”部分，研究人员比较了乳酸最大降解速率与乙酸最大生成速率。结果显示，各批次乳酸吸收/降解峰值显著高于乙酸生成峰值，后者通常仅为前者的20 %至40 %。并且，乳酸降解速率多在批次初期最高，而乙酸生成速率在整个批次内相对平稳。鉴于总体化学计量平衡并未失配，研究人员认为从乳酸摄取到乙酸排出之间可能存在时间延迟。另一方面，当分别考察不同滤速条件时，最大乙酸生成速率与滤速之间未见明确相关性，提示在本研究设定的0.05至0.30 mm s^-1范围内，生物膜外扩散边界层并非主要限制步骤。这一判断也与S. oneidensis在厌氧条件下通常只形成很薄生物膜的认识相一致。文中报告的最大乙酸生成速率为0.89 mmol L^-1 h^-1，最大乳酸降解速率为1.42 mmol L^-1 h^-1。

在“3.5. Classification of the production rates in light of the current literature”部分，研究人员将该反应器与其他放大单室MEC构型进行比较。论文指出，不同BES之间在活性电极面积定义、底物氧化程度和施加电压上的差异，会显著影响电流密度的可比性。尽管如此，本研究在3.57 L反应体积、1.06 m²阳极表面积和300 mV vs SHE条件下达到430 mA m^-2、128 mA L^-1的表现，与部分已报道的旋转盘放大体系和颗粒床体系处于可比水平。研究人员认为，本研究能够在以S. oneidensis这种厌氧成膜能力较弱、乳酸部分氧化释放电子数较少的模型菌条件下取得类似性能，说明通过压紧颗粒床提高极化程度是有效的。补充测试还提示，约57 ± 11 %的阳极填充床可视为被极化，优于文献中仅10 %极化比例的报道。这表明，加压策略以及缩短阴阳极距离，可能共同提高了有效电极表面积利用率，并减轻了局部pH偏移与热力学限制。

讨论部分总体表明，该研究提出的单室颗粒填充床生物滤器兼具可高压灭菌、适于纯培养、可通过流化控制生物膜与堵塞风险、且具进一步工程放大的潜力。其性能受多因素共同制约，其中乙酸产物抑制和氢穿梭是解释实验现象的两个关键机制。研究也指出，装置仍存在流场不均和死区问题，换液后新旧培养液混合不完全即为证据。作者提出可通过在入口腔加入穿孔挡板或沿径向流方向设置漏斗状导流构件改善流动均匀性。整体而言，论文并未夸大应用前景，而是以概念验证为目标，清楚界定了当前系统的优势与后续优化方向。

研究结论部分可译为：研究人员通过乳酸向乙酸转化这一模型过程，证明了所提出生物滤器作为白色生物技术中电发酵反应器设计的功能可行性，完成了概念验证。使用电力驱动微生物反应这一缺点，应通过生产高附加值化学品加以补偿。在300 mV vs SHE、乳酸浓度约60 mmol L^-1条件下，体系获得了430 mA m^-2的最大电流密度，以及1.42 mmol L^-1 h^-1的最大降解速率。对于体积3.57 L、表面积1.06 m²的反应器，其最大体积电流密度为128 mA L^-1。在超出概念验证试验的条件下，若采用更优良的生物膜形成菌，如Shewanella oneidensis与Geobacter sulfurreducens共培养，预计可获得更高生产率。该体系的放大潜力在于通过压缩颗粒增强填充床极化，从而使通过增加填充床体积实现放大更为可行。当进一步放大导致连接电极与床层距离增大、床层极化下降时，可通过增加法向压紧力或在床层侧向插入额外阳极增强构件予以补偿。此类调整在适当设计下，不太可能妨碍通过流化实现生物膜控制这一特征。研究还发现，反应器内部流动并不完全均匀，存在死区，表现为补液后新旧培养液混合不充分；对此可通过在入口腔增设穿孔挡板等结构进行改进。