合成氣生物發(fā)酵法制乙醇的研究進展

王悅琳，晁偉，藍曉程，莫志朋，佟淑環(huán)，王鐵峰

（1 清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084； 2 北京首鋼朗澤科技股份有限公司，北京 100043）

引 言

當(dāng)前，我國能源供應(yīng)主要依賴于化石能源。隨著能源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等全球性問題日益嚴(yán)峻，我國能源安全面臨著諸多不確定因素。因此，開發(fā)高效、綠色、可再生的替代燃料，減少對石油等化石能源的消耗，逐漸成為世界關(guān)注的焦點。乙醇是一種不含硫及灰分的清潔燃料，在比熱容、辛烷值等方面都優(yōu)于汽油，可以作為現(xiàn)有汽柴油的替代品。目前以玉米、小麥等糧食為原料的第1 代燃料乙醇及以木薯、甜高粱等為原料的第1.5 代燃料乙醇生產(chǎn)均存在“與人爭糧、與糧爭地”的問題，在我國難以持續(xù)大規(guī)模發(fā)展；而以纖維素為代表的第2 代燃料乙醇技術(shù)受限于秸稈的收集處理效率低、預(yù)處理費用和纖維素酶成本高等問題，其發(fā)展受到嚴(yán)重制約[1-2]。創(chuàng)新燃料乙醇來源，開發(fā)非糧乙醇生產(chǎn)新工藝成為國內(nèi)外研究熱點，而以富含CO或CO/H2的合成氣為原料生產(chǎn)乙醇是目前非糧乙醇的主要研究方向。合成氣來源廣泛，既可以由工業(yè)尾氣產(chǎn)生，也可以通過對木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)氣化轉(zhuǎn)化得到，再由化學(xué)催化法（F-T 合成）或生物發(fā)酵法轉(zhuǎn)化為乙醇?；瘜W(xué)催化法需要高溫高壓條件，且選擇性低、耐毒性差、對合成氣成分比例敏感[3]。利用合成氣生物發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇是一種具有前景的乙醇生產(chǎn)新型工藝。對比F-T 合成法，合成氣生物發(fā)酵法具有以下優(yōu)勢：（1）反應(yīng)條件溫和，可在環(huán)境溫度和常壓下進行，能耗較低；（2）產(chǎn)物選擇性高，副產(chǎn)物少；（3）細(xì)菌對不同CO∶H2比例的合成氣適應(yīng)性強，不需要從氣體中除去CO2[4]；（4）相比于化學(xué)催化劑，微生物耐雜質(zhì)性較強；（5）原料來源廣泛。

我國鋼鐵、鐵合金、電石、石油煉化、煤化工、黃磷等行業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)大量富含CO 和H2的工業(yè)尾氣。其中，鋼鐵行業(yè)每年會產(chǎn)生含CO 工業(yè)尾氣達（1×1012）～（1.5×1012）m3，煉焦產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣總量為（6×1010）～（8×1010）m3，約合（2.5×1010）～（3.5×1010）m3天然氣，超過西氣東輸?shù)目倸饬浚惶亢谛袠I(yè)年產(chǎn)2.4×1010m3炭黑尾氣[5]。這些工業(yè)尾氣蘊含了大量的化學(xué)能和熱能，直接排放造成資源浪費和環(huán)境污染，工業(yè)尾氣燃燒加熱或發(fā)電也會帶來大量的溫室氣體CO2排放。隨著我國“碳達峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的提出，工業(yè)尾氣的化學(xué)利用受到重視。減少尾氣中CO 燃燒帶來的CO2排放，將尾氣中的CO 和H2轉(zhuǎn)化成更高價值的化工產(chǎn)品受到廣泛關(guān)注。利用工業(yè)尾氣中的CO 進行合成氣生物發(fā)酵是實現(xiàn)工業(yè)尾氣轉(zhuǎn)化利用的一種重要方式，其主要產(chǎn)物為乙醇，同時聯(lián)產(chǎn)菌體蛋白。據(jù)測算利用10%的工業(yè)尾氣每年即可產(chǎn)生燃料乙醇超過1000 萬噸[6]，市場前景廣闊。乙醇與汽柴油按一定比例混合作為車用燃料，能夠有效減少汽車尾氣中PM2.5、CO 和碳?xì)浠衔锏任廴疚锏呐欧拧Ｅc此同時，乙醇作為基礎(chǔ)化工原料可深加工成多元化工新材料，如乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等聚酯材料，從而減少化石能源消耗，為工業(yè)尾氣低碳化利用開辟了一條新的路徑，助力實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標(biāo)。

合成氣生物發(fā)酵法制乙醇也存在一些局限性，如生產(chǎn)效率低、氣體底物在液相中的溶解度差、傳質(zhì)性能不佳等。這些局限性阻礙了合成氣發(fā)酵技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化。本文對合成氣生物發(fā)酵制乙醇的研究進展進行了綜述，總結(jié)了該工藝機理、典型微生物種類、影響因素以及強化手段，明確了未來的研究方向。

1 合成氣生物發(fā)酵制乙醇的技術(shù)原理

1.1 合成氣發(fā)酵法用微生物

1987 年，一種新的梭狀芽孢桿菌Clostridium ljungdahlii被發(fā)現(xiàn)[7]，它能夠?qū)O 和H2轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸。隨后，合成氣發(fā)酵法制乙醇研究取得了重大進展，特別是在過程微生物學(xué)方面，科研人員陸續(xù)從農(nóng)場土壤、動物糞便、污泥沉積物等物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種能夠利用合成氣厭氧發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的微生物，如表1所示。目前，這些菌種中研究較多的是Clostridium ljungdahlii、Clostridium carboxidivoransP7等[26]。

表1 合成氣發(fā)酵法用微生物Table 1 Microorganisms for syngas fermentation

1.2 合成氣發(fā)酵法制乙醇代謝途徑

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少六種菌種可以以CO為唯一碳源生產(chǎn)乙醇，包括Clostridium ljungdahlii、Clostridiumcarboxidivorans、Clostridium autoethanogenum、Butyribacterium methylotrophicum、Clostridium ragsdaleiP11和Alkalibaculum bacchi。這些細(xì)菌通過一種被稱為乙酰輔酶A 途徑（Wood-Ljungdahl 途徑）的代謝途徑發(fā)酵生成乙酸和乙醇，如圖1所示。CO 和H2作為電子源，分別在一氧化碳脫氫酶（CODH）和氫化酶（H2ase）的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)釋放電子[28]，同時，CO和CO2作為碳源。該代謝途徑包含兩條支路：甲基支路和羰基支路[29-31]。對于甲基支路，CO2可直接進入該支路，CO 則需要進一步通過CODH 的作用被催化氧化為CO2，同時產(chǎn)生電子。CO2在甲酸脫氫酶的催化作用下生成甲酸。在ATP 的參與下，甲酸轉(zhuǎn)化為甲酰基四氫葉酸（HCO-THF），再被連續(xù)還原為甲基四氫葉酸（CH3-THF）。甲基四氫葉酸又在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，將其甲基轉(zhuǎn)移給類咕啉鐵硫蛋白，形成甲基類咕啉鐵硫蛋白（CH3-CoFeSP）。對于羰基支路，CO 可以直接進入，CO2則需要在一氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合成酶（CODH/ACS）的作用下轉(zhuǎn)化為CO。CO 接著在乙酰輔酶A 合成酶的作用下生成羰基。最后，來自CO 或CO2還原得到的羰基、由CO2三步還原得到的甲基類咕啉鐵硫蛋白中的甲基和輔酶A形成乙酰輔酶A（Acetyl-CoA）[32-33]。乙酰輔酶A 可以轉(zhuǎn)化為乙酸、乙醇或其他有機酸和醇。

圖1 Wood-Ljungdahl途徑（乙酰輔酶A途徑）[27]Fig.1 Acetyl-CoA“Wood-Ljungdahl”pathway[27]

該途徑的簡要總反應(yīng)式如下所示[34]：

式中自由能數(shù)據(jù)是在pH = 7.0 下測得的[35]，1 cal=4.18 J。

1.3 原料氣來源

生物發(fā)酵制乙醇工藝原料氣來源廣泛，既有化石燃料氣化產(chǎn)生的合成氣，如煤燃燒氣化、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化等，又有生物質(zhì)如木質(zhì)纖維素氣化轉(zhuǎn)化得到的合成氣。典型合成氣的來源及對應(yīng)組分如表2所示。隨著我國“碳達峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的提出，富含CO 或CO/H2的工業(yè)尾氣也逐漸成為生物發(fā)酵制乙醇工藝的重要原料。典型工業(yè)過程的工業(yè)尾氣組成如表3 所示，其主要組成包括H2、CO 和CO2，其中H2和CO提供還原力，CO和CO2提供碳源。

表2 典型合成氣來源及組分Table 2 Sources and components of typical syngas

表3 典型工業(yè)過程的尾氣組分［5，39-44］Table 3 Tail gas components of typical industrial processes［5，39-44］

工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇從成本和產(chǎn)品價值兩方面顯示出了突出的經(jīng)濟性。與玉米和木薯等糧食制燃料乙醇相比，工業(yè)尾氣制乙醇的綜合成本降低約20%。將10000 m3原料氣發(fā)酵可制得1.2 t燃料乙醇，相比于燃燒發(fā)電獲得的產(chǎn)品價值高一倍，能源利用效率也達到60%[6]。

2 影響合成氣發(fā)酵的因素

2.1 合成氣組成

典型工業(yè)尾氣的氣體成分基本相同，但H2、CO和CO2的比例不同。Orgill[45]研究了H2和CO 兩種電子源對C.ragsdalei菌種生長和產(chǎn)物形成的影響。結(jié)果表明，乙酰輔酶A 形成后，H2僅用于產(chǎn)物形成，而不用于菌體生長。CO 的電子利用率要高于H2，這意味著提供電子的CO 增多，而形成產(chǎn)物的CO 減小，從而降低了碳轉(zhuǎn)化效率。Heiskanen 等[46]通過實驗觀察到，在CO 被消耗之前，Butyribacterium methylotrophicum菌種對H2的利用受到抑制，這表明CO 抑制了氫化酶。而Skidmore 等[47]的研究表明，增加H2的分壓可以顯著提高氫化酶活性。Liu 等[9]利用生物質(zhì)合成氣和CO 分壓更高的煤氣化工業(yè)合成氣研究了合成氣發(fā)酵制乙醇的過程，發(fā)現(xiàn)與生物質(zhì)合成氣相比，煤氣化工業(yè)合成氣可獲得更高的細(xì)胞生長率和乙醇收率。Hurst 等[48]研究了CO 分壓對Clostridium carboxidivoransP7 菌株發(fā)酵乙醇產(chǎn)量的影響，表明隨著CO 分壓從0.35 atm(1 atm=101325 Pa)增加至2.0 atm，最大細(xì)胞濃度增加了440%，乙醇發(fā)酵從非生長相關(guān)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榫w生長相關(guān)過程，同時乙酸產(chǎn)量降低，這可能是發(fā)生了菌體吸收乙酸并轉(zhuǎn)化為乙醇的過程[22,48-49]，并證明了CO 分壓（PCO）或CO 分壓/ CO2分壓（PCO/PCO2）會影響菌體代謝。Chen 等[50]基于C.ljungdahlii基因組尺度代謝重建的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)通量平衡分析，建立了鼓泡床反應(yīng)器時空代謝模型，計算得到當(dāng)CO 摩爾分?jǐn)?shù)為0.45 時，乙醇收率最大。Esquivel-Elizondo 等[51]研究了CO2分子對細(xì)胞消耗CO 和H2的影響，表明CO2抑制Pleomorphomonas菌株對CO 的氧化作用，降低Acetobacterium菌株發(fā)酵制得乙醇的收率；而H2分子不會抑制Pleomorphomonas和Acetobacterium生產(chǎn)乙醇的過程，但會導(dǎo)致CO的消耗速率小幅降低。

合成氣通常含有的一些如甲烷、焦油以及含硫和氮的氣體等雜質(zhì)成分也可能影響菌體增長和產(chǎn)物分布[52-53]。在Ramachandriya 等[54]使用Clostridium ragsdaleiP11 的研究中，甲烷濃度達到5%時也不會影響產(chǎn)物分布或細(xì)胞生長。Ahmed 等[55]發(fā)現(xiàn)，在Clostridium carboxidivorans發(fā)酵過程中，合成氣中存在的焦油會導(dǎo)致菌體休眠，增加產(chǎn)乙醇的比例并減少乙酸比例。這種影響可以通過引入0.025 μm 過濾器去除焦油的方法克服。Ahmed 等[56]還發(fā)現(xiàn)，合成氣中的NO 可以抑制氫化酶，阻止Clostridium carboxidivoransP7 利用H2，并且增加了細(xì)胞的乙醇產(chǎn)量。然而，由于NO 抑制了氫化酶的活性，因此生成乙醇的電子必須來自CO 而不是H2，這將降低發(fā)酵過程的碳轉(zhuǎn)換效率。NO 濃度低于40×10-6時，對發(fā)酵過程沒有影響。合成氣發(fā)酵菌種對甲烷的利用 鮮 有 報 道。 Klasson 等[57]研 究 了H2S 對C.ljungdahlii菌種發(fā)酵過程的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)H2S 濃度高達5.2% (體積)時，C.ljungdahlii的生長沒有受到顯著影響，證明其相比于化學(xué)催化劑具有良好的耐硫性。

2.2 操作條件（pH和溫度）

pH是影響微生物催化劑活性的一個重要參數(shù)。培養(yǎng)基的pH 影響乙酸生成和乙醇生成之間的轉(zhuǎn)換[58]。不同合成氣發(fā)酵微生物的最佳pH 在4.5～7.5之間。對于C.carboxidivorans，在不調(diào)節(jié)pH 的情況下，連續(xù)供氣間歇實驗的發(fā)酵產(chǎn)生有機酸，隨后轉(zhuǎn)化為醇，這說明不同的pH 可能會影響菌種的代謝路徑[59]。Richter 等[60]建立了一個熱力學(xué)調(diào)節(jié)而非遺傳調(diào)節(jié)的模型來描述合成氣發(fā)酵過程中溶劑生成的建立機制。結(jié)果表明，未解離的乙酸累積達到熱力學(xué)閾值時，導(dǎo)致了菌種代謝從乙酸生成（acidogenesis） 階 段 轉(zhuǎn) 變 為 乙 醇 生 成（solventogenesis）階段，pH 升高，而在此過程沒有觀察到蛋白質(zhì)組對中樞代謝途徑的調(diào)控。Abubackar等[61]觀察到，在控制pH 為4.5的合成氣發(fā)酵過程中，C.autoethanogenum發(fā)酵沒有積累乙酸。然而，當(dāng)pH 為6.0 時，發(fā)酵積累了等量的乙酸和乙醇。這表明較低的pH 有利于乙醇的生產(chǎn)。其他不同菌種條件下，如在C.autoethanogenum[62]、C.carboxidivorans[63]、C.ljungdahlii[64]和C.ragsdalei[65]這幾種菌種下的研究也都表明，pH4.5～5.0 觸發(fā)了脂肪酸轉(zhuǎn)化為醇，而pH5.0～6.0有利于與細(xì)胞生長相關(guān)的乙酸生成。

發(fā)酵溫度是影響合成氣發(fā)酵工藝中微生物生長和代謝的另一個關(guān)鍵參數(shù)。Kundiyana 等[66]的研究結(jié)果表明，在不添加任何緩沖液的情況下，使用C.ragsdalei菌種在32～37℃下進行合成氣發(fā)酵是可行的，37℃以上的溫度大大降低了C.ragsdalei細(xì)胞生長和性能，導(dǎo)致乙醇產(chǎn)量顯著降低。在Shen 等[67]的實驗結(jié)果中，較高的溫度（33℃和37℃）促進菌種快速生長，但導(dǎo)致細(xì)胞團聚，較低的溫度（25℃和29℃）避免團聚，但導(dǎo)致細(xì)胞生長緩慢，發(fā)酵性能低。使用37～25℃和37～29℃的兩步溫度培養(yǎng)（two-step temperature，簡稱TST 培養(yǎng)）可以解決這一問題，實現(xiàn)高醇產(chǎn)量。Huhnke 等[20]表明，C.ragsdalei生長的適宜溫度為30～40℃，37℃為最適溫度。Liou 等[17]報道了C.carboxidivorans生長的適宜溫度為24～42℃，37～40℃為最適溫度。然而，適宜生長的溫度和與生長相關(guān)的有機酸積累可能并不適合乙醇的生產(chǎn)。Ramió -Pujol 等[68]的 報 道 表 明，25℃對C.carboxidivorans發(fā)酵產(chǎn)乙醇更有利，并且可避免“酸崩潰”效應(yīng)（有機酸的快速積累導(dǎo)致溶劑生成階段提前終止，僅產(chǎn)生少量乙醇[69]）。

2.3 氣–液傳質(zhì)

細(xì)菌攝取氣體基質(zhì)經(jīng)過的傳質(zhì)過程包括氣體基質(zhì)進入氣液界面的輸運、在液態(tài)培養(yǎng)基中的輸運、混合氣體進入細(xì)菌周圍的靜止液體層的輸運以及基質(zhì)擴散進微生物幾個步驟。由于CO 和H2在液體介質(zhì)中的溶解度低（37℃、100 kPa 條件下，水中CO 或H2的飽和濃度均小于10-3mol/L[70]），氣液界面?zhèn)髻|(zhì)是合成氣發(fā)酵工藝的限速步驟[57]。因此，確定合成氣發(fā)酵反應(yīng)器的傳質(zhì)特性對指導(dǎo)和提高合成氣發(fā)酵制乙醇的效率至關(guān)重要。體積傳質(zhì)系數(shù)kLa是描述生物反應(yīng)器中氣相向液相傳質(zhì)強度的重要指標(biāo)。對于微溶氣體基質(zhì)，單位反應(yīng)器體積的底物轉(zhuǎn)移速率等于從氣相到液相的傳質(zhì)速率[71]：

式中，qm為最大比吸收速率，1/h；W′為抑制常數(shù)，atm；為飽和常數(shù)，atm；X為細(xì)菌濃度，mg/L。結(jié)合式（5）、式（6）可知，避免基底毒性的一種方法是在增加壓力的同時增加細(xì)菌濃度[73]。

2.4 培養(yǎng)基

為了更大限度地提高發(fā)酵效率，生物反應(yīng)器內(nèi)須達到較高的細(xì)胞質(zhì)量濃度。培養(yǎng)基為微生物生長提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)，包括氮、磷、礦物質(zhì)、維生素和還原劑，以促進微生物最大限度地生長[4]。培養(yǎng)基的選擇要根據(jù)菌種和目標(biāo)產(chǎn)品來確定。例如，C.ljungdahlii常用的是PETC 培養(yǎng)基。在合成氣發(fā)酵研究中觀察到，營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基會顯著刺激細(xì)胞生長并同時形成乙酸。相反，營養(yǎng)有限的條件會促進乙醇的生成，減少乙酸的生成。由于合成氣發(fā)酵制乙醇是由厭氧產(chǎn)酸細(xì)菌進行的，因此，培養(yǎng)基中還需要加入一些還原劑來提供更多的電子，使乙酰輔酶A 轉(zhuǎn)化為乙醇，將微生物的新陳代謝轉(zhuǎn)變?yōu)槿軇┥蛇^程，較為常用的還原劑如鹽酸半胱氨酸或九水硫酸鈉（Na2SO4·9H2O）。Klasson 等[74]研究了不同濃度的還原劑（如硫代乙醇酸鈉、抗壞血酸、甲基紫精和芐基紫精）對C.ljungdahlii體系中乙醇濃度和產(chǎn)物比例的影響。研究發(fā)現(xiàn)，即使菌群生長停止，在最低實驗濃度30×10-6的芐基紫精中也有較高的乙醇產(chǎn)量（3.7 mmol/L）。然而，由于還原劑會抑制產(chǎn)酸從而阻礙了生長所需的ATP 產(chǎn)生，所以一定程度上抑制了細(xì)胞的生長。因此，超過一定濃度的還原劑可能對連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)生負(fù)面作用[75]。

一些無機離子對菌種生長和Wood-Ljungdahl代謝途徑中的關(guān)鍵酶也有重要的影響。比如Na+會對含有Na+依賴性易位ATP 酶的菌種生長和菌種密度產(chǎn)生顯著影響，大多數(shù)培養(yǎng)基中含有約35 mmol/L Na+[76]。目前也已經(jīng)研究了Co2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+、Mo6+、Ni2+、Zn2+、和等無機離子對發(fā)酵過程的影響[77]。這些無機離子分別影響著不同關(guān)鍵酶的活性，如Zn2+會影響一氧化碳脫氫酶和氫化酶的活性，和會影響甲酸脫氫酶FDH的活性。所以，應(yīng)根據(jù)不同菌種與目標(biāo)產(chǎn)物分布優(yōu)化培養(yǎng)基中微量金屬的濃度。

培養(yǎng)基的經(jīng)濟性也是重要因素。目前已經(jīng)研究了玉米漿（CSL）和棉花籽提取物（CSE）取代酵母提取物（YE）的可行性，兩者成本分別為YE的2%和0.5%[75,78]。Maddipati 等[58]的研究表明，使用玉米漿（CSL）代替酵母提取物（YE）可將培養(yǎng)基成本降低27%，乙醇產(chǎn)量提高78%。Guo 等[15]也采用玉米漿替代酵母膏和維生素，替代后乙醇產(chǎn)量明顯上升，乙酸產(chǎn)量也有所增加。然而，也有一些研究表明，使用CSL 可能會對菌種生長和菌種密度造成不利影響[79-80]。

3 反應(yīng)器類型與傳質(zhì)強化

3.1 典型反應(yīng)器傳質(zhì)性能比較

攪拌槽反應(yīng)器（STR）是目前合成氣發(fā)酵中最常用的生物反應(yīng)器，可在間歇式、半間歇式或連續(xù)模式下運行，也可在一些兩階段研究中與其他生物反應(yīng)器類型（如鼓泡床反應(yīng)器）耦合[81-82]。STR 內(nèi)傳質(zhì)的改善是通過擋板來增加氣泡破碎、通過提高葉輪轉(zhuǎn)速和使用微氣泡噴射器來實現(xiàn)的[83-84]。當(dāng)氣泡尺寸減小時，傳質(zhì)氣液界面面積增加。然而，這種方式會導(dǎo)致高能耗。此外，泡沫的形成和強混合產(chǎn)生的剪切力可能對微生物細(xì)胞產(chǎn)生不利影響[83]。

體積傳質(zhì)系數(shù)取決于許多因素，包括反應(yīng)器類型、氣體流量、攪拌速度和氣液分散形式等。根據(jù)式（7），采用動態(tài)法測定液相中氧濃度隨時間的變化，可以測定反應(yīng)器對于O2的kLa值，再根據(jù)溶質(zhì)滲透理論可導(dǎo)出CO和H2的kLa[85]。

文獻已經(jīng)研究了幾種典型反應(yīng)器的體積傳質(zhì)系數(shù)，如連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器（CSTR）[85]、鼓泡床反應(yīng)器（BCR）[23]、氣升式反應(yīng)器（GLR）[86]、滴流床反應(yīng)器（TBR）[87]。此外，新型膜生物反應(yīng)器也逐漸應(yīng)用到發(fā)酵工程中，如單片膜生物反應(yīng)器（MBR）[88]、中空纖維膜反應(yīng)器（HFMR）[89]和水平旋轉(zhuǎn)填料床膜生物反應(yīng)器[90]。這些反應(yīng)器沒有機械運動部件，從而降低了功率輸入。與攪拌槽反應(yīng)器相比，鼓泡床反應(yīng)器（BCR）界面面積大，具有更優(yōu)的傳質(zhì)效果[91]。在BCR 和GLR 中，采用微氣泡擴散器進行氣體分散，可以大大提高傳質(zhì)效果；然而，這類反應(yīng)器的缺點是剪切力大導(dǎo)致細(xì)胞生長密度有限等問題。在膜生物反應(yīng)器中，提高液流速率可以顯著改善傳質(zhì)。此外，MBR 是保持高細(xì)菌密度的理想反應(yīng)器，可以進一步提高發(fā)酵效率。因此，當(dāng)反應(yīng)器在相似條件下運行時，MBR 比BCR 和GLR 具有更高的合成氣利用效率和更快的產(chǎn)物生成速度[88]。然而，長期運行后可能會出現(xiàn)生物淤積問題，這是這類反應(yīng)器的缺點之一[92]。氣液體積傳質(zhì)系數(shù)kLa可作為比較不同反應(yīng)器之間有效傳質(zhì)速率的重要參數(shù)。表4提供了文獻所研究過的合成氣發(fā)酵過程中典型反應(yīng)器的kLa值。由表4 可知，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，膜生物反應(yīng)器在改善傳質(zhì)方面效果突出。此外，膜生物反應(yīng)器內(nèi)可以達到更大的細(xì)菌濃度，從而提高產(chǎn)品產(chǎn)量。

表4 合成氣發(fā)酵過程中典型反應(yīng)器kLa值Table 4 kLa value of typical reactors in syngas fermentation

目前，文獻中報道了在不同反應(yīng)器中進行的合成氣發(fā)酵實驗，結(jié)果總結(jié)在表5 中。綜合比較發(fā)酵條件的影響可以看出，膜生物反應(yīng)器由于具有突出的傳質(zhì)效果，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比可以提高乙醇產(chǎn)率。

表5 不同反應(yīng)器類型及發(fā)酵條件下產(chǎn)物結(jié)果總結(jié)Table 5 Summary of products under different reactor configurations and fermentation conditions

3.2 傳質(zhì)強化方法

（1）添加微米和納米顆粒。將納米粒子添加到液相可以通過加強氣液邊界層混合、抑制氣泡聚并和加強穿梭效應(yīng)來強化傳質(zhì)[104]。Kim 等[105]使用CoFe2O4@SiO2-CH3納米顆粒提高了發(fā)酵產(chǎn)量，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，乙醇產(chǎn)量提高了213.5%。另外，可以通過添加包含對CO 有親和力的官能團的納米顆粒來增加CO 向細(xì)胞轉(zhuǎn)移[106-107]。將MCM41 納米顆粒加入到深紅螺菌（Rhodospirillum rubrum）CO 發(fā)酵中，CO 傳質(zhì)提高了137%以上；添加含有5%硫基的顆粒，CO 傳質(zhì)可提高201%。Atiyeh 等[108]的專利表明，在合成氣發(fā)酵培養(yǎng)基中添加活性炭也可以改善氣體的溶解度，增強產(chǎn)物的生成。在3 L CSTR 中，向發(fā)酵培養(yǎng)基中添加活性炭（7 μm），提高了C.ragsdalei菌種轉(zhuǎn)化CO和H2的能力，使乙醇產(chǎn)量提高了19倍。

（2）在液相中加入電解質(zhì)。Zhu 等[109]在液體介質(zhì)中加入電解質(zhì)后，由于氣泡聚并效應(yīng)減少，氣液界面面積增加，CO在水中的傳質(zhì)系數(shù)增加了4.7倍。這種作用取決于電解質(zhì)的類型，陰離子對CO 傳遞的影響比陽離子更強，測試中最有效的電解質(zhì)是CuSO4(5%(質(zhì)量))。然而，這種方法只能應(yīng)用于電解質(zhì)不會對微生物的酶活性產(chǎn)生負(fù)面影響的發(fā)酵過程。

（3）設(shè)置微孔分散裝置。微孔分散產(chǎn)生微氣泡，氣液傳質(zhì)相界面積增大。此外，由于表面張力的作用，氣泡內(nèi)的氣體壓力高于氣泡外的氣體壓力。對于微氣泡，這種附加壓力更大。由于氣體的溶解度與其壓力成正比，附加壓力下氣體基質(zhì)的溶解度增大，傳質(zhì)驅(qū)動力增大，從而使kLa和產(chǎn)品收率也相應(yīng)增加[110]。Bredwell 等[83]研究了微氣泡分散對傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明，微氣泡分散使體系的kLa值顯著提高，約是傳統(tǒng)分散體系的6倍。

（4）適當(dāng)提高操作壓力。Munasinghe 等[99]基于復(fù)合中空纖維膜生物反應(yīng)器（CHF）研究了操作壓力對CO 傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)操作壓力由5 psi(1 psi=6894.76 Pa)增大至15 psi時，不同液體循環(huán)流量下kLa均增大了2～4 倍。Stoll 等[111]詳細(xì)報道了提高壓力對乙醇產(chǎn)率的影響機理。Takors 等[112]報道，合成氣發(fā)酵操作在4～5 bar(1 bar=105Pa)時經(jīng)濟上最適合。

4 合成氣發(fā)酵法制乙醇工業(yè)化進展

自1992年以來，合成氣發(fā)酵的研究和發(fā)明不斷增加，這項工藝也在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。目前世界上從事合成氣乙醇發(fā)酵工藝規(guī)模較大的三家公司分別是新西蘭的LanzaTech 公司、瑞士的INEOS Bio 公司和美國的Coskata 公司，美國的Genomatica 公司和美國的Kiverdi 公司也在尋求合成氣發(fā)酵工藝的商業(yè)化[113]。然而，受限于運營和財務(wù)等困難，INEOS Bio 公司和Coskata 公司目前已經(jīng)停止業(yè)務(wù)。LanzaTech 是目前在該領(lǐng)域工業(yè)化最成功的企業(yè)。LanzaTech報道了獨有的菌種，能轉(zhuǎn)化不含H2的CO 尾氣，也能轉(zhuǎn)化100%濃度的CO 氣體。2005 年，LanzaTech 在新西蘭啟動了小試試驗，以處理合成氣和富含CO 的工業(yè)廢氣，用于生產(chǎn)乙醇和2,3-丁二醇[114]。2015 年，LanzaTech、ArcelorMittal 和Primetals Technologies 宣布在比利時根特建立一個工業(yè)規(guī)模的生物燃料生產(chǎn)裝置，預(yù)計2022 年底建成。LanzaTech 與美國能源-太平洋西北國家實驗室合作，將合成氣發(fā)酵制成乙醇后再通過催化轉(zhuǎn)化為新一代的可持續(xù)航空燃料，該項目于2018年取得重大進展。2011 年，北京首鋼朗澤科技股份有限公司（簡稱首鋼朗澤）利用LanzaTech 發(fā)酵技術(shù)開展工業(yè)化應(yīng)用的可行性研究，并于2012年底在河北曹妃甸首鋼京唐公司建成300 t/a 工業(yè)尾氣發(fā)酵制乙醇全流程中試示范裝置，發(fā)酵乙醇濃度達到50 g/L，CO單程轉(zhuǎn)化率為85%，連續(xù)穩(wěn)定運行周期超過3 個月。2018 年5 月，首鋼朗澤在河北曹妃甸首鋼京唐公司建設(shè)了全球首套4.5萬噸/年鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制燃料乙醇工業(yè)化示范項目，實現(xiàn)了從中試到工業(yè)化的突破[110]。同時，每生產(chǎn)1 t 乙醇聯(lián)產(chǎn)約0.12 t菌體蛋白，粗蛋白含量大于80%，是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白飼料原料，可代替魚粉和豆粕。該項目成功實現(xiàn)了以工業(yè)尾氣為原料工業(yè)化生產(chǎn)蛋白飼料，為中國蛋白飼料來源開辟了新途徑，對減少大豆、魚粉進口依賴度，保障飼料和糧食安全具有重要意義。2021 年5 月，首鋼朗澤在寧夏平羅縣建成全球首套4.5 萬噸/年鐵合金礦熱爐尾氣生物發(fā)酵制燃料乙醇工業(yè)化裝置，跨領(lǐng)域應(yīng)用成功，目前在貴州、寧夏等地陸續(xù)開展大規(guī)模項目的建設(shè)。

5 結(jié)論與展望

合成氣生物發(fā)酵制燃料乙醇滿足了生產(chǎn)可持續(xù)能源和降低碳排放的雙重要求。與其他氣體轉(zhuǎn)化為燃料的方法（如F-T 合成法）相比，合成氣生物發(fā)酵法操作溫度和壓力較低，不僅能源消耗低，而且在原料組成方面具有更大的靈活性，可利用多種工業(yè)尾氣作為原料。此外，相比金屬催化劑，生物催化劑對合成氣中的雜質(zhì)成分耐受性更好。首鋼朗澤已經(jīng)成功地實現(xiàn)了鋼鐵冶金行業(yè)的富含CO 工業(yè)尾氣生物發(fā)酵制乙醇的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，成為該領(lǐng)域最大的生產(chǎn)企業(yè)。菌種基于Wood-Ljungdahl 途徑將合成氣組分（CO、H2和CO2）轉(zhuǎn)化為乙醇。合成氣的組成及壓力、液相pH 及溫度、培養(yǎng)基組分和氣-液傳質(zhì)是影響合成氣發(fā)酵效率、產(chǎn)物產(chǎn)率和產(chǎn)物分布的主要因素。如何改善氣液傳質(zhì)限制和提高產(chǎn)量是合成氣發(fā)酵工藝面臨的關(guān)鍵問題。與傳質(zhì)特性密切相關(guān)的反應(yīng)器設(shè)計是近年來研究的熱點課題。本文綜述了文獻中典型反應(yīng)器的傳質(zhì)性能研究和傳質(zhì)強化的方法，這些結(jié)果可以指導(dǎo)合成氣發(fā)酵技術(shù)工業(yè)化的進一步改進和提高。合成氣發(fā)酵工藝未來還需要在以下方面深入研究：

（1）不斷優(yōu)化菌株，篩選出高耐受、寬適宜環(huán)境范圍的菌株；

（2）開發(fā)新型生物反應(yīng)器、優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計，提高反應(yīng)器傳質(zhì)性能與發(fā)酵產(chǎn)能。