基于炭喷雾反应器（CBSR）利用混合微生物培养物将真实合成气可靠转化为挥发性脂肪酸（VFA）

《Bioresource Technology》：Reliable conversion of real syngas to volatile fatty acids (VFA) using mixed microbial cultures on Char-Based Sparger Reactor (CBSR)

　　

基于炭喷雾反应器（Char-Based Sparger Reactor，CBSR）利用混合微生物培养物（mixed microbial cultures，MMC）将真实合成气（syngas）可靠转化为挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）。CBSR实现了合成气向乙酸盐的稳定一致转化；MMC形成了稳定且自组织的产乙酸菌群（acetogenic consortium）；尽管合成气组成多变，仍维持了长期乙酸盐生产；合成气转化促进了功能多样化和混合菌群形成。

**基于炭喷雾反应器（CBSR）的混合微生物培养物将真实合成气可靠转化为挥发性脂肪酸（VFA）论文解读**

## 1. 研究背景与问题

面对全球变暖与化石燃料依赖的双重压力，从线性经济模式向基于资源回收、再利用和循环的循环经济转型已成为21世纪的重要议题。利用来自第二代作物和废物的C1气体（CO、CO2），特别是通过热解和气化获得的合成气（syngas），被认为是一种可持续且经济可行的高值化学品生产途径。合成气富含CO和CO2并含有残余H2，但其具体组成受温度、停留时间、氧化剂类型和反应器床层类型等操作条件显著影响。

合成气向化学品的转化主要有两条途径：化学催化（费托合成，Fischer-Tropsch process，FTP）和生物转化（厌氧发酵）。化学催化过程通常在150–350°C、30 bar的高温高压条件下运行，能耗和运营成本较高，且对原料气中H2:CO比例以及微量催化剂毒物（如SO2、H2S、COS、NH3等）和颗粒物（PM）含量高度敏感，导致气体净化成本显著上升。这构成了纯热化学转化生物质废物的主要技术障碍。

生物转化利用单碳营养微生物（unicarbonotrophs）在温和的温度和压力条件下，通过产酸发酵（acidogenesis）将H2:CO:CO2转化为挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFA）。该过程对H2:CO:CO2比例不敏感且对常见杂质具有较低敏感性，因此被视为一种有前景的替代方案。然而，气态底物的低溶解度和气液传质限制，以及长期运行中如何维持微生物群落的生态稳定性（尤其是抑制产甲烷代谢）仍是重大挑战。已有报道通过添加抑制剂（如BES）或严格控制操作参数来维持稳定性，但这在一定程度上削弱了混合微生物培养物（mixed microbial cultures，MMC）的经济和操作优势。

炭基生物膜喷雾反应器（Char-based Biofilm Sparger Reactor，CBSR）是一种新型低成本气体发酵系统，以生物质热解和聚苯乙烯泡沫制成的多孔生物炭整体式单体制成。这种生物炭基质既能支持生物膜生长与气体传递，又具有吸附H2S和焦油等气相污染物的潜力，从而可能保护生物膜免受真实合成气中杂质的侵害。此前CBSR仅在以清洁H2:CO2为底物时实现了极高的VFA浓度（58 g COD L^?1）和>90%的Acetobacterium丰度，但该系统对来自生物质气化且未经净化的真实合成气的响应尚属空白。

## 2. 研究目的与开展的工作

本研究首次在CBSR中评估了以MMC进行真实合成气（来自热化学转化）产乙酸发酵的可行性。研究人员利用冷杉锯屑作为原料，通过固定床热解（450°C）和CO2或蒸汽/CO2气化（950°C）制备合成气，并直接（仅经简单储存以减少气溶胶和重质焦油）通入CBSR进行长期半连续发酵。实验共分为五个阶段，跨越335天，系统考察了热解气、CO2气化合成气和蒸汽/CO2气化合成气在不同稀释率（dilution rate，DR）下对VFA产量、产率和微生物群落的影响。研究结果发表在《Bioresource Technology》。

## 3. 关键技术方法

原料为意大利艾米利亚-罗马涅当地生产商提供的冷杉锯屑。气体底物通过固定床热解（450°C）和CO2或蒸汽/CO2气化（950°C）获得。发酵系统为CBSR，由700 mL Pyrex瓶倒置构成，含多孔生物炭整体式喷雾器（有效体积40 mL），通过周期性挤压、喷雾和浸泡实现气液接触。接种物为Caviro Extra S.p.A.消化罐的消化污泥。VFA采用GC-MS定量，气体组成采用GC-TCD分析，微生物群落通过16S rRNA基因扩增子测序（Illumina MiSeq平台）鉴定。

## 4. 研究结果

### 4.1 Phase I：原始热解气进料

系统接种后以热解气（H2:CO:CO2:CH4 = 2.4:45.7:11.7:19.2%，v/v）为底物运行54天，DR为0.25 d^?1。经过13天滞后阶段后，VFA浓度稳步升至12.3 g COD L^?1。乙酸盐为主要VFA（COD基平均相对丰度为82%±4%），pH保持在8–9。即使接种物来自产甲烷污泥，整个阶段均未检测到显著甲烷产生，表明系统选择性地抑制了产甲烷并维持了产酸活性。

### 4.2 Phase II：CO2气化合成气进料与乙酸裂解型产甲烷的出现

切换至CO2气化合成气（H2:CO:CO2 = 0.1:49:45，v/v）并将DR提高至1.25 d^?1后，VFA浓度异常下降，伴随甲烷生成（1.5% v/v）。第72天VFA浓度降至3.5 g COD L^?1时，系统一次性注入1 g L^?1的2-溴乙烷磺酸钠（BES）。添加BES后浓度下降立即停止，VFA产量（Vp，即体积产率）恢复并在阶段末稳定在4 g COD L^?1 d^?1。

### 4.3 Phase III：切换至蒸汽/CO2气化合成气

随后向CBSR供应蒸汽/CO2气化合成气（H2:CO:CO2 = 16.4:25:51，v/v），并将DR调回0.25 d^?1。换气后VFA浓度和Vp分别达到峰值19.1 g COD L^?1和26 g COD L^?1 d^?1，随后稳定在12–16 g COD L^?1和3–4 g COD L^?1 d^?1。H2:CO比例未显示对性能的有利影响。

### 4.4 Phase IV：蒸汽/CO2气化合成气长期发酵

持续运行158天后，VFA浓度在气袋更换后三次出现峰值（30、29、30 g COD L^?1），Vp分别达34、28、30 g COD L^?1 d^?1。该现象与基质分压恢复有关，而非生物膜再激活。整个阶段无甲烷产生，VFA组成稳定，表明生物膜功能稳定且单次BES处理足以建立稳定的产乙酸菌群。

### 4.5 Phase V：VFA浓度对CBSR性能的影响

为评估产物累积对性能的影响，在保留成熟生物膜的条件下完全更换发酵液，将VFA浓度降至近零。系统立即以相同Vp重启，VFA浓度迅速回升至29 g COD L^?1，且无甲烷产生，表明生物膜稳定性不依赖于产物抑制。

### 4.6 MMC/CBSR长期性能总评

全期335天中，可发酵气体（CO+H2）几乎全部转化为VFA，产率在各阶段（除II期产甲烷干扰外）接近100%。Vp主要受可发酵气体分压控制，而非H2:CO比例；部分阶段产率>100%的微小偏差可归因于成熟生物膜中储存的残留碳和还原当量的释放。在目标气体转化率>80%条件下，稳定长期Vp达6.4 g COD L^?1 d^?1，最高VFA浓度和最高7日平均Vp分别为31 g COD L^?1和28 g COD L^?1 d^?1。16S rRNA基因测序显示生物膜99.4%±0.25%为细菌，优势菌属为Acetobacterium（39%±1%），并出现Ercella succinigenes（19%±1%）和Alkalibaculum bacchi（4%±0.3%）等菌种，群落复杂性高于纯H2:CO2富集条件。

## 5. 讨论总结

微生物群落分析表明，BES未能彻底清除产甲烷古菌（残留0.6%±0.2%），但成功抑制了其代谢活性，单次干预即实现了长期功能稳定。与H2:CO2纯底物系统相比，CO的存在诱导了更多样化的菌群结构，Ercella succinigenes可能通过代谢有机中间体为菌群提供还原当量，形成协同互作。这种生物膜介导的生态复杂性可能是CBSR在真实合成气条件下保持高鲁棒性的原因，也为“以生态选择和多样性而非纯培养来设计C1发酵系统”提供了实证支持。

## 6. 研究结论

经过文献中时间最长的335天合成气产酸发酵，可以断定：炭负载的MMC生物膜能够稳健且持续地实现真实气化合成气的生物转化。本研究的核心发现是，该系统中合成气的可发酵性主要取决于可发酵气体的可利用性，而非精确的H2:CO比例或气化路线。该发现挑战了合成气发酵中“严格控制气体组成”的主流做法，转而强调气体分压与反应器-微生物互作是性能的核心驱动力。炭基生物膜通过维持长期生物量保留和功能稳定性，在实现高生产性能方面发挥了关键作用。在单次抑制产甲烷干预后，已建立的生物膜菌群可在数月内维持产酸活性而无性能下降，突出了生物膜稳定性在可扩展合成气生物转化中的决定性作用。来自焦炭蒸汽/CO2气化的未处理合成气被持续发酵，容积产率>5 g COD L^?1 d^?1，最大VFA浓度达30.5 g COD L^?1。据作者所知，这是迄今以厌氧混合菌群和单一菌株利用真实合成气生产VFA所报道的最高浓度。综上所述，研究结果凸显了以混合微生物培养物运行的炭基生物膜系统在长期合成气发酵中的潜力。在实际应用前，仍需开展放大试验、水动力学研究、与气化工艺的集成以及长期产甲烷控制策略的评估。通过将生物性能与废基合成气的固有变异性对齐，该方法为循环生物经济框架内整合热化学与生物转化步骤提供了一条务实路径。