《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Polyurethane Foam Carriers Improve Stability and Resilience of Lactic Acid Chain Elongation in Continuous Bioreactors
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摘要链延长（CE）为将有机废物流转化为中链羧酸（MCCA）提供了一条有前景的途径，但在短水力停留时间（HRT）下生物量的流失限制了连续CE工艺的应用。本研究运行了两个平行的基于乳酸（LA）的连续CE生物反应器，以评估聚氨酯泡沫（PUF）能否截留生物量并支持工艺性能：R1为含P
摘要
链延长（CE）为将有机废物流转化为中链羧酸（MCCA）提供了一条有前景的途径，但在短水力停留时间（HRT）下生物量的流失限制了连续CE工艺的应用。本研究运行了两个平行的基于乳酸（LA）的连续CE生物反应器，以评估聚氨酯泡沫（PUF）能否截留生物量并支持工艺性能：R1为含PUF组，R2为不含PUF的对照组。在最长的配对稳态期（HRT为2天）期间，R1维持了较低的残余LA浓度，己酸（CA）浓度为50.27±3.60 mmol/L，而R2为46.84±4.76 mmol/L。PUF的添加增强了CE工艺的稳健性，使反应器在HRT缩短和有机冲击负荷后恢复更快。随后的原位和离位批试验表明，R1中表观体积CA产率比R2高出50%。基于差异的估算表明，R1中与PUF相关的生物量约占LA消耗的66%和丁酸（BA）产量的69%，而悬浮相在试验条件下约占CA产量的61%。微生物群落分析显示，与悬浮样本相比，PUF生物膜中严格意义的梭菌属（Clostridium sensu stricto 12）相对丰度更高，而己酸产生菌属（Caproiciproducens）相对丰度更低。这些属水平模式与PUF添加反应器中观察到的PUF附着相与悬浮相之间的区室水平产物速率差异高度相关。这些发现不仅凸显了PUF辅助策略在增强连续CE反应器中生物量截留和运行稳健性方面的潜力，还揭示了PUF在塑造附着相与悬浮相间空间结构化的CE微生物组方面的重要作用。
引言
发酵生物工艺作为将可再生资源转化为高价值化学品、燃料和材料的可持续技术，正受到越来越多的关注[1]、[2]。有机废物流（如食品废弃物、农业残余物或工业废水）的厌氧发酵通常产生混合挥发性脂肪酸（VFA）[3]、[4]。这些VFA是多功能中间体，可被回收或进一步转化为增值化合物，包括酯类、生物塑料和中链羧酸（MCCA），从而有助于循环经济和资源高效型生物经济的发展[1]、[2]。在VFA增值途径中，通过反向β氧化的链延长（CE）已作为一种选择性生产中链羧酸（如己酸和辛酸）的有前景策略而崭露头角[5]、[6]。这些MCCA由于具有抗菌性、疏水性和高能量密度而具有工业相关性。作为高价值平台化学品，它们在绿色燃料、动物饲料添加剂以及制药和化妆品行业特种化学品前驱体等方面具有多种应用[7]、[8]。
尽管研究兴趣日益增长，但CE从实验室规模实验到工业实施的转化仍受到工艺局限性的制约，尤其是低体积生产率和MCCA浓度不足，使得下游加工面临挑战[1]、[9]。这一限制在广泛用于废物流生物工艺的传统连续搅拌釜式反应器（CSTR）中尤为突出，一些先前研究报告的己酸产率仅为0.5-1.4 g/L/d，流出物浓度范围为3.0至6.9 g/L[10]、[11]、[12]。CSTR的运行通常受限于短HRT下因水力停留时间与固体停留时间耦合而产生的生物量流失，而在无在线产物去除的情况下，过量的底物负荷可能因产物抑制而进一步损害CE性能[13]、[14]、[15]。颗粒化系统通过微生物自聚集来解决生物量截留问题，已达到较高的基于LA的己酸生产率，但颗粒形成取决于进料组成、反应器构型、流体力学特性和运行历史[16]、[17]、[18]、[19]。载体辅助固定化提供了一种互补策略，其中添加的载体表面可在不完全依赖微生物自聚集的情况下截留细胞。
载体截留生物量已被证明可以促进更高的细胞密度、增强反应器稳定性，并提高体积降解率或生产率[20]、[21]、[22]。载体材料的选择至关重要，因为其理化性质直接影响微生物附着和整体生物反应器稳定性。用于细胞固定化的载体材料可大致分为天然聚合物（如海藻酸盐、琼脂糖、卡拉胶和壳聚糖）、合成聚合物（如聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚氨酯）以及无机支撑材料（如玻璃、陶瓷和活性炭）[21]。塑料合成聚合物因其高化学惰性和大比表面积而被广泛用于细胞固定化[20]。虽然并非普遍优于其他载体材料，但聚氨酯泡沫（PUF）是一个有前景的候选材料，它结合了低密度和浮力以促进持续的微生物相互作用，并具有粗糙多孔的结构以增强微生物截留和支持稳健的生物膜形成[21]。PUF在好氧和厌氧系统中均显示出有效的生物量截留和性能增强效果[23]、[24]、[25]、[26]、[27]，但其在CE系统中的应用仍然有限，目前仅有两项近期研究涉及将其作为CE工艺短期批试验中的载体[15]、[28]。这些研究证明PUF通过在其多孔基质中的物理截留富集生物量，作为有效载体发挥作用，与相应对照系统相比，最大CA浓度提高了43%（达6.0 g/L），稳定的生产速率约提高了1.5倍（达1.4 g/L/d）。然而，这些先前的研究主要关注批式构型，可能无法完全代表连续商业系统的动态稳定性和连续营养物流特征。因此，有必要研究PUF在连续流反应器中的长期性能，以进一步评估其工业潜力。
本研究评估了PUF载体在470天运行期内对两个平行CSTR中CE性能的影响。在连续运行期间进行的诊断性批试验用于量化悬浮生物量和PUF相关生物膜对整体CE活性的贡献。本研究由两个关键问题驱动：(i) PUF载体的添加是否增强了CE过程的稳定性并提高了MCCA生产的体积生产率；(ii) PUF相关生物膜的形成是否改变了CE系统中功能微生物的空间分布。这些发现将为通过PUF辅助的细胞截留策略改善CE过程性能提供新的见解。
章节摘录
反应器设置
实验在两个相同的CSTR（OCHS Glasger?tebau，Bovenden，德国）中平行进行，工作体积为1000 mL，分别标记为反应器1（R1）和反应器2（R2）。R1被指定为PUF添加反应器，而R2在不含PUF的条件下运行作为对照系统。PUF通过阿里巴巴在线平台从河南天成水业有限公司（中国）购买，孔径密度为20 PPI，接触角为128.4±7.3°。PUF颗粒（3-5
PUF对连续运行中CE性能的影响
尽管存在多次计划内和计划外的运行扰动（表1），两个反应器在整个约470天的运行期内均维持了连续的CE活性，丁酸（BA）和己酸（CA）为主要产物（图1）。在整个实验期间，R1（含PUF）中BA和CA的平均浓度分别为85.60±21.53和40.07±12.50 mmol/L，而R2（不含PUF）分别为81.81±19.96和36.53±13.18 mmol/L。两个反应器中相似的BA和CA分布表明
结论
本研究评估了PUF载体能否增强连续基于LA的CE系统中过程稳定性和MCCA体积生产率。虽然PUF的添加并未显著改变产物分布，己酸和丁酸仍为主要产物，但R1（含PUF）表现出更大的运行稳健性、更低的残余LA浓度以及更快的扰动恢复能力，优于R2（不含PUF）。在共同的HRT为2天的期间，R1（含PUF）的连续己酸生产率约高出7.3%
CRediT作者贡献声明
贾明生：写作——审阅与编辑、方法论、调查。Kevin Sabbe：写作——审阅与编辑、调查。Laia Vulart Bach：写作——审阅与编辑、调查。ángel Estévez：写作——审阅与编辑、调查。邹锦特：写作——审阅与编辑、方法论、调查、概念设计。王彬彬：写作——原始稿撰写、方法论、调查、数据整理。Ramon Ganigué：写作——审阅与编辑、监督、资源、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
Ramon Ganigué由根特大学特殊研究基金（BOF.BAF.2024.0502.01）和弗拉芒研究基金会（G032321N）支持。王彬彬由中国国家自然科学基金（42577267）和中国博士后科学基金会（202208330323）支持。邹锦特由中国国家自然科学基金（52570054）和中国博士后科学基金会（201908330894）支持。贾明生由BOF博士后奖学金（项目编号：BOF20/PDO/031）资助。
王彬彬|邹锦特|ángel Estévez|Laia Vulart Bach|Kevin Sabbe|贾明生|Ramon Ganigué
根特大学微生物生态与技术中心（CMET），比利时根特，9000
