利用微泡气提技术降低高温连续高产乙醇发酵中毒性的研究

本研究针对嗜热菌Parageobacillus thermoglucosidasius在第二代生物乙醇生产中面临的乙醇耐受性低（<4% v/v）这一关键瓶颈，创新性地采用Desai-Zimmerman流体振荡器生成的微泡进行原位气提。通过连续培养和恒化器实验证明，该技术可将发酵液中乙醇浓度控制在毒性阈值以下，实现相当于7.1% v/v的标称产量（实际回收5.1-5.3% v/v），为嗜热菌工业化生产生物乙醇提供了可行方案。

　　

在应对气候变化的全球背景下，生物乙醇作为化石燃料替代品的重要性日益凸显。然而传统以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为主的淀粉基（第一代）生产工艺面临"与人争粮"的伦理争议，促使研究者将目光转向木质纤维素（第二代）原料。这类原料中的半纤维素主要含戊糖成分，野生型酿酒酵母无法直接利用，而经基因改造的菌株又面临预处理能耗高、发酵需降温等瓶颈。嗜热菌Parageobacillus thermoglucosidasius TM242因其天然具备分解纤维素/半纤维素能力，且能在酶解所需55-60℃下生长，理论上可实现"一锅法"生产，显著降低能耗。但这类菌株存在致命弱点——乙醇耐受性不足4%（v/v），远低于酿酒酵母的10%（v/v），而经济可行性分析表明，乙醇浓度低于4%时回收成本将难以承受。

英国巴斯大学、谢菲尔德大学等机构组成的研究团队在《Microbial Cell Factories》发表的研究中，创新性地将Desai-Zimmerman流体振荡器（DZFO）生成的微泡（约500μm）应用于连续发酵系统。通过精确控制溶解氧和氧化还原电位（约-280 mV），在2L生物反应器中建立恒化培养体系，结合高效冷凝回收装置，实现了嗜热菌在高糖浓度下的稳定乙醇生产。关键技术包括：1）采用专利扩散器阵列产生振荡微泡；2）多级冷凝-捕集系统定量回收气提乙醇；3）HPLC监测代谢产物动态变化；4）基于质量平衡的产物回收率计算。

【Fed-batch发酵验证微泡气提效果】
在无机械搅拌的初始实验中，以0.52 vvm（体积比每分钟通气量）输入含15.3%氧气的微泡，当发酵液乙醇浓度达1.78%（v/v）时仍保持3.96 g/L/h的生产率。通过计算葡萄糖消耗量推算出标称产量可达6%（v/v），但实际发酵液浓度始终低于抑制阈值，证实微泡气提能有效维持亚毒性环境。值得注意的是，当培养体积从750mL增至1.13L导致气提效率下降时，乙醇浓度出现累积现象，凸显气提速率与生产速率的动态平衡重要性。

【连续培养探索操作极限】
引入缩短的搅拌轴改良系统后，研究人员采用含35 g/L葡萄糖和7.7%（v/v）乙醇的培养基，在D=0.1/h稀释率下运行。理论推算稳态时应产生9.75%（v/v）乙醇，但实际发酵液浓度维持在2.5%（v/v），气提速率达6.43 g/h。虽然该系统未能完全阻止乳酸菌污染导致的副产物积累，但证明了在接近10%（v/v）标称产量下持续运行的可行性。通过 Drechsel 瓶组捕获分析发现，约30%乙醇富集在首级冷凝器，后续捕集瓶浓度梯度递减（17.5%→8.3%→1.5%），提示回收系统仍有优化空间。

【恒化器验证工艺稳定性】
将进料乙醇浓度调整为5%（v/v），对应7.05%（v/v）标称产量时，系统成功实现准稳态运行。关键参数显示：溶解乙醇稳定在2.17%（v/v），氧化还原电位-238 mV，葡萄糖接近耗尽，且无乳酸积累。最终冷凝液乙醇浓度达26.7%（v/v），较传统蒸馏所需处理体积减少73%，整体回收率76%。质量平衡计算表明，在20-30h稳态期，微生物乙醇生成率为2.4 g/h（1.6 g/L/h），微泡去除率达5.7 g/h。

该研究通过工程学与微生物生理学的巧妙结合，证实微泡气提技术可突破嗜热菌乙醇耐受性限制。相较于传统鼓泡塔需要极高气速（Calverley等模拟显示需21.2 g/h气提速率才能维持1.23% v/v），微泡技术凭借其巨大比表面积（随直径减小呈平方反比增长）和内部强烈循环（Zimmerman等描述的微泡蒸发动力学），在1.13 vvm中等气速下即实现商业可行产量。作者特别指出，当前室温微泡（20℃）的性能虽已达标，但采用75-150℃热微泡（如团队前期在模拟系统中验证）或外置微泡蒸馏单元，可进一步提升气提效率。这项成果为第二代生物燃料生产提供了新思路——通过过程强化而非仅依赖菌株改造来解决产物抑制难题，其意义不仅限于乙醇生产，更为其他挥发性代谢产物的原位分离提供了技术范式。