一氧化碳的生物转化：丰富的合成气或废弃转化为生物酒精

一氧化碳的生物转化：丰富的合成气或废弃转化为生物酒精摘要：合成气或废气成分的生物转化用于生产酒精与现存在的化学技术相比，似乎是一个具有前景的选择。目前，若干实验室规模的研究已经表明使用产乙酸菌能够将多种合成气成分（CO,CO2，和H2）转化成多碳化合物，如醋酸，丁酸，乳酸和酒精，在这几种化合物中酒精是较小的终产物。生物转化过程具有几个优点，如高特异性，无需特定的H2/CO比，而且生物催化过程不受金属中毒的影响。此外，这个过程发生在常温，常压下，无需对供应气体进行任何昂贵的前处理或昂贵的金属催化，这都要使得这个过程优于传统的化学催化转化过程。这些技术商业化面临的主要挑战是气态底物的极低的水溶性(主要是CO和H2。在这篇文章中，主要系统分析了富含CO的气态发酵产生酒精并比较已经发表的其他结论。文章重点放在了理解转化过程的微生物层面，通过突出使用的不同微生物的作用，转化途径和影响生物转化的参数。文章中分析了用于富含CO气体的生物转化，主要是合成气转化成酒精，中使用的多种微生物的转化原理，并在文中报道了。合成气发酵用于商业化和未来研究研究面临的各种挑战也进行了讨论。导言：随着人口的增长和许多国家的日益工业化，世界对能源的需求巨大增长。据报道，上世纪世界的能量消耗已增长了17倍。这个能量需求通过利用原有石油储量得到满足，但是目前世界的石油储量已经在耗尽的边缘，按照目前的消耗率，预计在少于50年内被耗竭。矿物燃料的加工和使用导致危险有毒气体大量释放到环境中，这些气体伤害人体健康的同时污染环境。这些有毒气体的日益累积有负面影响如严重的水灾和干旱，海平面的上涨和极端的气候状况。对全球变暖的日益关注引起研究者们去寻找可持续的更安全的备选可再生能源。乙醇是最具前景的备选生物燃料之一。燃料乙醇是含氧的，无水，高辛烷（108）酒精，它已经被认证为一种潜在的备选燃料，还作为汽油的添加剂。作为一种添加剂他能代替甲基叔丁醚（MTBE），用作氧化剂和提高辛烷值，使用燃料乙醇可以避免甲基叔丁醚使用造成的地下水污染。今天，乙醇用作为矿物汽油的搀和物，搀和的典型比为10,15,20%（E10，E15,E20）.它甚至能够使用纯的或接近纯的作为可选择的交通燃料（E85）.因为它燃烧比石油更干净，使用10%乙醇混合物（E10）,释放的有害气体CO,CO2,VOCs,和NOx相对的减少25%-30%，6-10%，7%，5%。此外，乙醇是可生物分解的而且包含了35%的氧，燃烧时相对传统燃料减少了微粒子和NOx的释放。生物酒精来源于可再生原料如糖，淀粉，木质纤维素等。当前的处理工程包括糖的直接或非直接发酵或催化转化产生气体。在直接发酵中，原料如产糖作物（如小麦，高粱和甘蔗）或产淀粉作物（如谷类，小麦，大麦，土豆）通过酵母菌或细菌发酵转化成酒精。这项技术在工业水平上已经得到很好的应用而且目前，大约90%的生物酒精产量来自于糖类或淀粉类作物发酵，称为一代技术。这些作物作为商品的高价值，无论是用作人们消费还是用于饲养家畜，和每公顷土地的作物部分的低利用率都使得这项技术的可行性存在疑问。这些问题的一种潜在结局方案，称为二代技术，是利用木质纤维素原料如农业或城市垃圾，木材，稻草，草地和作物残留物。木质纤维素是地球上最丰富的可再生有机材料，由三种主要成分：纤维素（40%-50%），半纤维素（20%-40%）和木质素（10-40%）。它是所有植物的主要结构成分。在直接发酵过程中，来自树木和草中的纤维素和半纤维素生物菌体被化学或生物水解成简单糖类。这些可利用的糖类接着发酵获得酒精。大部分的木质素主要出现在秆和木材中，和纤维素和半纤维素在一起，它对微生物攻击具有高度抵抗性。气化技术能够将生物质转化成气体混合物，称作产气。产生的气体随之被化学过程（费托合成，FTS）或厌氧型微生物催化转化为酒精。生物酒精生产是基于相当便宜的原料，如菌体和废弃的有机质。它反过来降低了国家对进口矿物燃料的依赖，因此帮助了国家经济。所有的这种菌体化生产创造了就业机会，通过利用平凡的土地用于培养便宜的专有原料，而且废弃物能够大部分重新用于生产环境友好型燃料。与合成气类似，富含CO的废气也能够用于生物酒精生产。本文概括了酒精生产的微生物方面，产乙醇同种菌类，影响合成气发酵的因素和文献中报道的各种生物反应。文章还阐述了合成气发酵的挑战和R&D需要。合成气的酒精生产合成气，主要是CO和H2的混合物，能够通过固体固体燃料如煤，石油焦炭，油页岩和生物质；的气化产生；通过天然气的催化转化；或重油如焦油的部分氧化。合成气的组成主要依赖于使用的资源类型，他们的湿度和气化过程。气化是将含碳原料如煤，石油或生物质，在可控含氧量下转化成主要包含CO,H2,CH4,CO2,和N2的气态混合物的热化学过程。固体原料内在的化学能被释放而转化成热量和气体的化学能。这个过程常常发生在气化室中而且合成气的注册主要依赖于一些因素如气化器的类型（固定床，流化床，等等）和操作条件（温度，压力等等）。生物质的气化包括三个步骤：（1）干燥，将原料去湿，（2）在氧化物存在下300-5000C高温分解产生气体，焦油，生物油和固体焦，（3）在含氧条件下将高温分解产物气化得到含有不同组分的合成气。通过优化气化过程，产气的组分能够被缩小到主要含CO和H2，他们是酒精生产的主要组分。而且通过保持绝热转化，能源能气化够保持到一个更高的层次。例如，在煤和生物质分别在1500-18000C和11000C下气化，产生的合成气中CO和H2是主要的成分。此外，通过私用纯氧气化，产物中的N2含量降低。获得的合成气通过费托循环（FTC）化学转化成酒精和各种化合物。这些技术产生各种燃料和化合物如甲醇，乙酸，甲烷和重蜡。这种生产方法是一个多步骤，高耗能过程，发生在高温高压下，使用不同的化学催化剂，包括金属铁，钴和铑。这些条件使得化学催化转化比生物转化过程快。在这个过程中，发生催化的水煤气转化反应（WGS），将CO和H2O转化成H2和CO2，因此提高了H2/CO比，这对于反应的化学计量非常重要，同样对减少催化失活也至关重要（Eqn1）.为了保护FT催化剂的敏感性，反应气体中的其他的产品如焦油，石油和水溶性污染物必须去除。合成气中的硫磺必须减少到地狱66ppb，而且NOx和NH3的浓度限制到0.1-10ppm，以防止FT催化剂中毒。接着是净化过程，包含CO和H2的合成气使用不同的催化剂和反应条件转化成乙醇。CO+H2O→H2+CO2(WGSreaction)(1)2CO+4H2→C2H5OH+H2O(FTreaction)(2)尽管反应发生率较高，但仍然有很多限制。主要的限制是，WGS反应，FT反应和净化等过程发生在不同的反应条件下，这使得FT合成成为一种复杂而昂贵的方法。此外，反应中使用的催化剂必须是专一的而且当硫磺浓度和碳沉积增加时，将会失活。这个反应的液体燃料的产率还不高。将合成气转化成乙醇的另一种方法是生物转化。微生物，主要是厌氧的，能够用于通过生物催化将合成气转化为有价值的代谢物如有机酸和酒精。这些产物包括但不仅仅是，乙酸，丙酸，丁酸，甲酸和乳酸，还有甲醇，乙醇，丙醇，丁醇。作为生物燃料，乙醇被认为是理想的代谢物而且反应不得不优化成有利于其的生产。第二，通过一定手段将乙醇从发酵液中分离用于生产不同燃料等级的乙醇，分离手段有蒸馏，提取，前两者得结合或其他有效的分离手段（Fig1）。合成气的发酵是发生在接近室温下的简单反应。尽管反应速率较慢，但是它相对于传统的化学催化反应有多项有点。首先，反应具有高特异性，这导致更高的产率，简化了后处理过程和降低了有毒副产物的浓度。接着，生物催ner，化剂便宜，对硫磺高耐，能够适应污染物如焦油。因此，由于优化转化的昂贵的其他净化过程被免除。但是一种合适的过滤系统需要用于抵消气体混合物中存在的一些有毒化合物产生的抑制作用。使用硫磺化合物的一个优点是他们能够通过减少培养基中的氧化还原电势而促进厌氧菌的生长。第三，生物转化无需固定的H2/CO比。因此，一个管式反应容器足以承受整个反应，通过利用合适的微生物。最后，当微生物暴露在空气中时，常常会死亡，这个反应是无臭的，不会产生任何健康危险物而且产生非常少的环境污染物。这个反应过程受到培养基中气体底物的大量转化和需要保持相对无氧环境的限制。一定的工业生产如石油精制，钢铁研磨，和用于生产石墨，焦油，氨基盐和甲醇等直接或通过燃烧释放巨量的主要包含CO和H2的废气到环境中。生物催化能够利用这些废气转化成化学药品和燃料如乙醇，采用合成气发酵类似的方法。乙醇生产的生物化学途径自养型厌氧菌用于生产酒精的途径是乙酰辅酶A生化途径或金属酶途径（Fig2）。这个途径繁盛在多种有机体中包括同型产乙酸菌和产甲烷细菌。它包含了一个Eastern分支和一个Western分支。Eastern分支包括几个还原步骤，通过还原反应CO2被还原成乙酰辅酶A的甲基。Western分支，是厌氧菌独特的，不管是CO2生成的CO或直接从介质中获取的CO接着都作为碳供体基团用于乙酰辅酶A的合成。反应中的还原当量是通过氢化酶还原H2生成。H2→2H++2e–(3)如果氢气不足或氢化酶受抑制，还原当量通过使用CODH氧化CO成CO2而生产。CO+H2O→CO2+2H++2e–(4)值得观察的是总共的等式4和等式3的反向总反应等式是化学合成气转化中用于调节H2/CO比的水煤气迁移反应。用于乙醇合成的碳源CO的可用量减少（Eqn4），这可以通过使用等式5和6理解。6CO+3H2O→C2H5OH+4CO2(5)6H2+2CO2→C2H5OH+3H2O(6)等式5可以看出只有三分之一的CO能够理论转化为酒精。这是因为CO在不含H2或氢化酶被抑制的情况下，被用于CODH氧化成CO2产生还原当量。而且，从推导出等式6可以推出CO2能够用于产生乙醇，在合成气中存在H2的情况下。6CO+6H2→2C2H5OH+2CO2(7)最后，等式7中，等比例的CO和H2混合，三分之二的CO能够转化成酒精，只要氢化的催化的氢化反应产生做够的提供足够的还原当量。Eastern分支Eastern分支是四氢叶酸依赖的途径，设计到多个转化CO2成6S)-5-CH3-四氢叶酸的还原反应。第一步是甲酸脱氢酶将CO2转化成甲酸，甲酸通过10-甲酰基-四氢叶酸合成酶催化与四氢叶酸生产10-甲酰基-四氢叶酸而凝集。接着环水解酶将后者转化成5，10-次甲基四氢叶酸。第二部是NAD(P)H依赖的还原反应，亚甲基四氢叶酸脱氢酶将5,10-次甲基四氢叶酸转化成5,10-亚甲基四氢叶酸，接着后者被亚甲基四氢叶酸还原酶还原成（6s）-5-甲基-四氢叶酸。因此，CO2转化成乙酰辅酶A中甲基基团的前提设计六个电子的还原反应。Western分支甲基-四氢叶酸中的甲基基团通过甲基转移酶（METr）的作用转移到类咕啉/铁硫蛋白（CFeSP）中的钴中心。当钴中心的钴处一价活性状态时，异二聚体蛋白CFeSP处于活性状态。一价的钴转化为三甲的钴，将甲基从甲基-四氢叶酸中脱离。甲基转移机制中最重要的步骤是甲基基团的活化，因为甲基-四氢叶酸中的CH3-N键高度稳。甲基活化研究最多的机制是甲基-四氢叶酸中N5的质子化导致甲基的亲电子性。因此形成的第一个有机金属联合体是甲基-钴（III）-CFeSP.金属酶途径一种主要的酶是CO脱氢酶。这种Ni-CODH分为两种：（1）单功能CODH；（2）多功能CODH。单功能CODH催化CO氧化成CO2，接着CO2被还原成甲酸组后变为乙酰辅酶A中的甲基。多功能CODH转化CO2成CO，CO作为乙酰辅酶A的甲基供体，而且它还协同乙酰辅酶A合成酶一起催化乙酰辅酶A的合成。接着反应发生在CODH的碳链上，CO转移到ACS的乙酰链上的Ni位点形成有机中间体Ni-CO.下一步涉及甲基集团从甲基化的CFeSP转移到CODH/ACS复合体。一次第三个有机金属复合物，甲基-Ni复合物形成。下一个步骤，甲基和碳基团在Nip位置你凝集形成乙酰金属，最后的有机金属复合物。有机金属途径的最后一个步骤，辅酶A联合ACS硫解乙酰化金属形成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A在生长阶段被细胞转化为细胞质，乙酸盐，ATP，在非生长阶段转化成乙醇和NAD(P).用于将合成气或废气转化为乙醇的自养细菌1990年首次报道了用厌氧菌将合成气生产酒精。然而，化合物如乙酸，丁醇，和一些情况下的丁酸和乳酸伴随着酒精的产生而产生。多种多样的乙酸生产的同型产乙酸菌和它们的特征列在表1中.这些非碳源营养的微生物展示出了强大的利用合成气，通过乙酸辅酶A途径用于细胞生长和产物形成的能力。尽管这些微生物在多碳化合物中生长良好，它们利用CO,CO2和H2无其他原料作为底物生产各种化合物燃料的能力非常重要，并在文章中有记载。大量的初步工作集中在增加合成气中生长过程的培养稳定性和增加乙醇的产量。大多数情况下，从乙酰基生产到可溶性产品色谱的转移的趋势是通过观察发酵PH降低而得到的。一次，发酵PH被发现对合成气代谢的调节具有很大影响。尽管大部分的文章中提到的产酒精的微生物目前是离体的，在1990年代，有那些微生物的大部分研究工作只有少部分研究小组进行（表二）。ClostridiumljungdahliiC.ljungdahlii是目前研究最广泛的产乙醇微生物。使用这种细菌完成了多种研究工作，主要集中在提高乙醇产量或提高乙酸比例。Vega等表明酵母菌提取液在合成气发酵中的影响主要集中在发酵过程的稳定性，在分批模式和联系模式都一样。而且，在分批研究中对不同原始底物压力下，简要解释了不同原始底物（CO或H2）吸收和利用的变化。在恒定气体流速为3.5ml/min（18.5%H2,15.4%Ar,56.1%COHE10%CO2）的连续过程中，获得的乙醇与乙酸的分子比为1:0.8，液体流速为10.85ml/h，减少发酵液浓度（0.01%）。以大肠杆菌为例，Philips等优化了培养基配比，减少了VB浓度和取消了酵母提取液用于C.ljungdahlii培养。有细胞再利用和没有再利用获得酒精浓度分别是50g/l和25g/l。后来的有细胞循环使用的那个的CSTR研究报道了乙醇与乙酸的从1.6到21mol/mol变化。连续使用两个CSTR，Klasson等获得比单个CSTR有30倍增长的乙醇产量（250-300mmol/g/d）。第一个反应容器中主要是促进细胞增长，接着在第二个反应中增加乙醇产量，获得产物比为4mol乙醇比1mol乙酸。营养物浓度，PH和稀释比的影响被研究用于改善产物分布。整个生物转化速率的一个主要限制是常温常压下CO极低的水溶解性。Younesi等假设在合成发酵中使用压力系统减小气液传质阻力，因此获得高CO获取速度。CO2浓度分布图表示CO是C.ljungdahlii优选无机碳源。使用Wheaton血清瓶的一批研究，在1.8atm总压下，合成气(55%CO,20%H2,10%CO2和15%Ar)获得的最大产物比为0.54mmol乙醇/mmol乙酸。ClostridiumcarboxidivoransP7T，以它能够迅速利用CO为名，是一种从农业沉积废水池中分离的专性厌氧菌。已经表明，当他生长在无H2的干净瓶装的合成气中，这种细菌能够产生乙醇，乙酸和丁醇。Datar等还评价了在一个4L的泡沫柱中，微生物产生的煤气对细胞稳定性，氢的利用度和乙酸/酒精产量的影响。观察表明细胞对化学物的种类十分敏感如NO，乙炔，它们和合成气一起产生。同上述提到观察到得产物一起被报道的还有微量的乙酸（最大浓度，1.2g/l）.引入生物生产的合成气后氢捕获的抑制和细胞浓度的下降反映有必要通过进一步研究来确认上述发现的化学制品贡献。使用0.025um的过滤器而不是0.2um，之前观察到得细胞浓度下降能够被忽略。但是氢吸收抑制与过滤器大小无关。进一步的研究表明合成气中小于40ppm的NO不会对C.carboxidivoransP7的细胞生长，酶活性，和产物结构造成任何负面影响。ButyribacteriummethylotrophicumB.methylotrophicum能够利用甲基，首次从德国的Marburg的污泥消化器中分离得到。这种菌种的新株称作Marburg株，生长在添加了一碳化合物和乙酸的多碳化合物中。Lynd和Zeikus比较了B.methylotrophicum生长在多碳化合物（葡萄糖）和单碳化合物（H2:CO2和甲醇）中的细胞合成效率。生长在H2：CO2(2:1)产生的最终乙酸浓度是16mmol，生长后检测到微量的丁酸，倍增时间为9h。另一种B.methylotrophicum，CO株，是首种以CO为碳源和能量来源的厌氧微生物。它生长100%依赖CO。这种菌株，当在顶部持续供CO条件下分批培养时，在PH6.8下得到的乙酸/丁酸比为32:1。在0.015h-1的稀释速率的连续研究中当发酵PH从6.8降低到6时，观察到形成更多还原产物如酒精的趋势。倍增时间12小时内观察随着PH从6.8到6变化，乙醇的浓度渐渐的从0.028增加到0.056g/l.底物中接近一半的可用碳以CO2的形式流失而且乙酸是在分批培养和上述提到的连续研究的主要的还原产物。目前更多的研究主要集中在研究用CO2和H2补充CO对CO适应菌株的影响。研究表明，补充CO2增加终产物浓度。在这个分批研究中，用合成气（CO:CO2:H2=35:25：40）得到乙醇浓度为0.02g/l和总碳量是产物的110%，一起产生了其他产物如乙酸（1.1g/l），丁酸（0.3g/l）和微量的乳酸。ClostridiumautoethanogenumC.autoethanogenum原始是从粪便排泄物分离得到，用CO作为唯一的碳源和能量来源。老培养基的电子显微研究表明在长时间的潜伏期后，细胞形态从杆状变为包囊丝连续菌丝，细胞大小同正常细胞一样为0.6*42.5um。较少的合成气发酵研究用微生物完成。为了检测酒精生产中有限含氮介质对C.autoethanogenum休眠细胞的影响，Cotter等通过改变或去除一些氮源配置了6种不同的非成长型培养基，这些氮源包括酵母提取液，蛋白胨，或NH4Cl，用木糖作为底物。研究中，去除酵母提取液的培养基获得高乙醇产量达到9.43mM，乙醇比乙酸为1:4.5，这比在生长型培养基（(5.11mMand1:7.8,相对应)获得的值更大。结果支持了限制使用酵母提取液能够提高产乙酸菌的乙醇产量的结论。重要的是，包含了0.1g/l的酵母菌提取液的培养基中进行的实验具有高度的培养稳定性。当用合成气作为底物在液体分批连续气体发酵进行木糖适应培养，同一个研究团队获得了1:13的酒精与乙酸比。在研究中，使用了三种不同的瓶装合成气流速，分别是5,7.5,10ml/min，得出结论，尽管合成气流速能够促进增长和底物形成，但是它对C.autoethanogenum的产物分布没有影响。其他菌株Moorella菌株HUC22-1的离体群能够在55°C下用130mMCO2和270mMH2形成主要是乙醇和乙酸的产物，156h研究后获得1.5mM的乙醇浓度。而且它是首个省中期间能够转化H2和CO2的适温菌株。另一种菌株，淤泥真杆菌KIST612，从厌氧蒸煮锅中分离得到，发现他能够在高CO分压环境下生长，能够使用100%的CO作为底物产生乙醇，一起的还有丁酸和乙酸。大量的其他厌氧菌也表示出利用合成气作为碳源和能量来源，但是只有个别能够将合成气主要转化为乙醇和一些其他代谢物。他们中的一些是新的分离菌株，包括AlkalibaculumbacchiCP11T,Clostridiumdrakei,和ClostridiumragsdaleiP11.影响合成气转化为乙醇的参数如果谁想生产生物酒精作为能源产品，那么在含CO的合成气或废气的生物转化过程中需要优化条件以形成比其他产物跟多的酒精。PH的影响以其他的生物化学反应一样，发酵PH在底物（即含CO合成气或废气）代谢调节中具有强烈的影响。PH和产物组成之家有明显的联系。当发酵PH降低时，在大部分的合成气发酵中可以观察到产物谱从产酸向产溶媒迁移。因为每种微生物只在特定PH范围具有代谢活性，降低PH对细胞的生长有消极的影响。优化合成气想能源酒精转化的一个主要障碍时，当江都PH用于产生高简化产物酒精时，也会降低整个转化过程的整体生产率。在很多研究中，降低PH引起电子和碳流从底物向细胞质转移的减少。同时，观察到降低了算产量，相对酸产量来说酒精产量有所增加。在一个更近的C.ljungdahlii研究中，当培养基PH从6.8降到5.5时，预期的酒精增量没有观察到。在酸性更大的培养基（PH5.5）中培养得到的总细胞和酒精浓度是388mg/l和1.81mM，这比在PH6.8下更低（分别是562mgL–1和3.81mM）然而，发酵PH是合成气发酵过程总体成功必需考虑的重要因素之一。培养基组成的影响在合成气发酵中，微生物吸收合成气组分作为碳源和能源；然而，它们还需要各种矿物质来保持高代谢活性。特殊化合物如维生素也可能需要。早期研究表明尽管生长抑制，VB浓度减少，去除酵母菌提取液能够提高乙醇/乙酸比。去除酵母菌提取液引起产量提高到300%；但是0.01%的最低酵母提取液是提供保持C.ljungdahlii细胞完整所需微量营养物所必需的。一些研究已经报道了不同营养来源，它能够诱导芽孢形成，同时也提高溶剂产量。据发现，相比于酵母提取液和其他营养物，含纤维二糖的培养基能提高细胞浓度大于20%，还比用酵母提取液获得的酒精浓度和乙醇与乙酸比值分别变大4倍和3倍。添加还原剂向培养基提供跟多的电子能够帮助微生物的代谢移向溶剂生成。发生这种现象是应为有跟多的还原当量用于微生物将乙酰辅酶A转化为乙醇。Klasson等在C.ljungdahlii种用不同浓度的还原剂验证了还原剂增加对提高乙醇浓度和产品比例的可行性，还原剂包括巯基乙酸盐，抗坏血酸，甲基紫精和联苄吡啶。作者发现尽管生长停止，包含30ppm联苄吡啶的瓶中发现了高浓度乙醇（3.7mmol）和高产物比（1.1）。ATCC和DSMZ推荐的最常用的产乙酸菌还原剂是半胱氨酸-盐酸和Na2Sx9H2O。C.ragsdalei生长和产酒精的发酵培养基中各种微量金属离子的影响被研究，观察到，增加Ni2+,Zn2+,SeO4–和WO4–积极影响乙醇产量。气体组成的影响有机质气化主要产生CO，CO2,CH4,H2,N2和少量NOx,O2,乙炔，苯酚，COS，H2S，轻烃类如乙炔，乙烯和丙烷，灰烬，焦质和焦油。自养型微生物能够在由CO，CO2和H2组成的瓶装合成气中良好生长。然而，生物质生产的煤气的发酵有时面临保持培养稳定性和碳转化的有效性方面的问题，应为微量添加组分的存在如乙炔或NO。乙炔和NO是有名的脱氢酶活性潜在抑制剂。因为脱氢酶活性对于氢化获得用于CO转化过程需要的电子的过程至关重要，脱氢酶活性的抑制将迫使细胞使用CODH酶从CO中获取电子。因此，用于乙醇生产中可利用的C将大量减少。因此，在生产过程中我们将看到碳转化效率的降低。在红红螺菌的研究中，发现当乙炔含量为10%(v/v)，CO相关的脱氢酶50%被抑制。C.carboxidivoransP7T的目前研究表明当出现NO时，产物重新分布也会出现，在气体进行发酵之前，使用旋风分离器，洗涤塔（10%丙酮）和0.025um的气体过滤器净化合成气能够消除焦油对细胞休眠的影响。底物压力的影响合成气或废气中不同组分的分压在微生物的代谢上扮演者重要的角色。CO和CO2的分压都对微生物的生长和产物组分影响巨大。CO被当做碳源，当不存在H2时，被氧化来产生CO脱氢所需的还原当量。而且，CO是合成气或废气中溶解度最小的气体，需要给予更多的关注来克服它产生的质量传递限制。因此，一种减小气液传质阻力限制的方法是通过提高气态底物的原始分压。CODH催化的CO氧化产生的净电子产量随着CO分压的升高而升高，随着CO2分压的升高而降低。C.carboxidivoransP7的一项研究表明当增加CO分压时，细胞的最大浓度增加。在进一步试验中发现，在高CO分压（1.35和2atm）下乙酸浓度下降，而乙醇浓度增加。这是由于高CO下利用过量的电子将乙酸转化为乙醇。据报道，当CO分压从0.35增加到2atm时，细胞浓度增加了440%。但是也有报道，一些微生物对高CO分压小的抵抗，当CO分压增加时导致倍增时间的增加。在C.

ljungdahlii的分批试验中，报道了增加合成气的原始压力将导致延滞期的延迟而且在获得高乙醇/乙酸比的同时，明显提高底物利用率。质量传递合成气发酵的一个主要瓶颈是质量传递限制。当发酵容器包含高细胞浓度时，系统被称为处于质量传递限制状态，这是应为微溶解气体底物（CO和H2）的低水溶性。由于这些扩散限制，微生物可利用的气体底物变低，最终导致产量下降。当系统处于活力限制状态时，反应产量也变低，这发生在当细胞东都或CO消耗率都非常低的情况下。在合成气发酵过程中，这两个限制状态都可能出现。从合成气发酵的理论等式(Eqns5and6)中，明显看出6分子CO或H2必须转移到培养基中来产生1分子乙醇。而且，分子基础上，相对于35°C下溶氧量，CO和H2的溶解性只有77%和68%。因此，每个等式需要消耗更多分子的合成气来提高产量和产率。气液质量传递是生物反应中存在的各种组分在被生物催化利用之前不得不克服一系列运输阻力。气体底物传到液相的总质量传递速率受产品的传质协同效应，传质可用空间和驱动力的约束。扩散的驱动力在气相中气体的实际分压Pg(atm)和液相中平衡状态的底物分压P1(atm)之间是不同的。因此总传质速率可以定义如下，总传质速率==KLa(Pg–P1)/H(8)其中H是Henry常量(Latmmol-1)和KLa是体积传质共速率（s-1）。因为培养基或生物被膜中底物溶解性低，液相中底物的量相对于气相中底物量可以忽略。因此，底物在气相中的平衡式是如下（9）NS指气相中的克分子底物浓度，VL是反应器体积。从等式9，气体底物的传质系数KL(ms–1）是一定的。安德鲁或哈尔丹模型已经用于测定合成气发酵中动态底物利用和抑制。特定的消耗速率qs，是每单位干细胞中的底物吸收，通过下列等式给出qs是特定底物消耗速度(h–1)，qsmax是最大底物消耗速度(h–1)，Kp是常数和Ki是底物抑制常数（atm）。UngermanandHeinde比较了使用不同叶轮结构和方案的CO-水KLa和合搅拌釜式反应器的能量需求，发现使用Rushton叶轮的装置获得最高的传质系数。与标准Rushton叶轮方案相比，双Rushton叶轮方案能够提高传质达27%以上。然而，叶轮的性能，由每单位能量输入的体积传质系数衡量，双Rushton是最低的。如同之后的讨论，提高搅拌速度是改善传质消耗更多能量的一种方法。因此，这种方法对大规模生物酒精生产是经济不适用得。Bredwell等评论了多项合成气发酵的使用传统搅拌槽式或柱式反应器的生物反应器研究，发现这些反应器的体积传质系数主要依靠反应器几何形状，结构，操作条件和液相性质。各种添加剂能够用于提高气液传质速度，包括表面活化剂，酒精，盐类，催化剂和小微粒。发酵培养基中1%的乙醇浓度相对于纯水能够提高三倍的传质速度。这是由于表面压力的改变，因而形成了小气泡从而为传质提供了更好的表面空间。用于提高传质的新方法是使用纳米粒。Zhu等发现在纳米粒上的表面氢氧根和功能基团对提高CO-水传质系数有影响。当纳米粒表面的巯基被移除，KLa最高可以提高1.9倍。合成气发酵的生物反应器选择合适的生物反应器外形对高效的合成气发酵非常重要，尤其是能够克服传质限制和获得高细胞浓度的外形。合成气成分主要是CO和H2的传递是主要关注点，由于它们低水溶性。为了获得高合成气转化，好的生物反应器应该为繁盛反应提供高特异性表面空间。气泡直径是混悬液生物反应器中的企业传质的关键参数。在传质受限情况下，用于传质的表面与气泡直径成反比。因此，用微气泡分散来分散微溶底物能够为传质提供高位空间而且较小气泡大小能够延长反应器中气体工作时间，这是由于其缓慢的出现。微气泡或胶体气剂都是直径为50-60um的稳定的表面活化剂小泡，它通过在单独的反应器中使用高剪切叶轮剧烈搅拌形成。它们是相对稳定的和能够提供高表面区域。复杂的表面活化剂壳通过气泡之间的电排斥阻止相邻气泡联合。Bredwell和Worden报道了，B.methylotrophicum中用为气泡喷洒，相对于传统喷洒CO的总传质速率增加6倍。而且，用于产生微气泡的能量预计非常低，0.01kW/m3.报道的用于合成气转化成酒精的最常用的生物发生器结构包括传统的搅拌槽反生器，气泡柱和膜反应器；它们的图表见Fig.3.在表2中概括了各种生物反应器获得的细胞最大量和产量最大值。搅拌槽生物反应器（STB）它是目前用于酒精生产研究最深的反应器之一，反应器中合成气或气体底物最终被破坏成小气泡，通过旋转叶轮产生的机械动力均匀的分散在液体培养基中，一种提高微溶性气体如CO和H2的传质的方法是提高叶轮转速。提高转速能够加快气泡破碎，但是这需要一个相对高的单位体积的能量输出。因此，这种提高速度的方法是不够经济的，应为其高操作成本不利于大规模生产。使用无细胞循环，不同溶液溶解速率和酵母浓度的750ml的搅拌槽反应器的持续发酵研究结果获得了不同的细胞密度和产物组成。在溶液稀释速率为0.031h-1和酵母提取液浓度为0.01%时，获得最高乙醇浓度(2gL–1)和产物比1.2.在STB(13.5L)中使用菌株C.ljungdahlii进行细胞循环，分别获得最高细胞浓度和酒精浓度为4和48g/l。这些值相对于其他的合成气发酵的乙醇产量更高。目前，Kundiyana等报道了成功安装和使用了中试规模的发酵罐（100L）。在研究中，使用微气泡喷洒和Clostridium菌株P11从合成气发酵得到的乙醇产量增加了6倍。鼓泡塔反应器（BCR）BCR被认为是代替传统的STB的选择，该反应器中通过无机械推动的气体喷洒获得气体底物的混合，而且它被认为是经济的，节约大量能量成本。鼓泡塔的一些优点包括低资本和操作成本，无移动部件和满意的高热量和传质速率。增加流动速度提高混合将导致出现非均匀流体。这种情形将最终导致气体成分的回混。相对于STB,很少有研究使用BCR生产酒精。Chang等在一个200ml的鼓泡塔反应器中进行分配和连续培养E.limosumKIST612利用CO生产酒精。在研究中，反应器连接了一块孔径为0,2um的膜用于细胞循环。在4.5L的BCR中从CO轻易获得了高浓度的酒精，这些值相对于C.carboxidivoransP7获得的乙酸和丁醇值分别高6倍和2倍。膜生物反应器（MBR）多种膜生物反应器目前被研究和申请专利用于转化合成气成可溶性产物。反应器中，微生物细胞附着在膜表面形成生物被摸，从而获得高细胞滞留和高细胞浓度。膜块支持的生物反应器（MMSB），也称为潜入膜支持的生物反应器（SMSR）,由多个膜块组成，包括是由中空纤维逐层的微孔或无孔或复合膜。合成气组分引入到中空的纤维腔内和生物被摸微生物保持在外表面，在膜纤维的液体接触面。反应气体通过中空纤维墙朝向生物被摸，在那里微生物将合成气底物转化成乙醇，接着乙醇与反应液体混合。一寸通过适当的回收系统回收。这个系统的一个主要的缺点是液体可能由于膜两侧压力差进入孔中，因此导致叫做孔湿的现象。这种用于生产乙醇的膜反应器的性能被研究，发现使用具C.ragsdalei的生物被摸的微孔膜在20天的持续生产后乙醇的浓度为10g/l。膜支持生物反应器由有微孔层用于支撑液体接触面的生物被摸的膜组成，在膜的气体接触面（腔面）有不透液体膜层，可能是硅树脂外衣。为了保证系统结构中稳定的气液交换，无需保持非常精确的跨膜压差，只有微孔滤膜的系统需要。此外，不透水层比复合膜提供更高的跨膜气体转化。在MSB中，两层微孔滤膜结构之间有一层不透液体膜层的三明治型膜结构被用作双层结构的选择之一。在一项关于C.ragsdalei的研究中使用了这种三明治膜，乙醇的产量增加到最大值（13.3g/l）和接着由于孔湿而停止生长。分层天线阵生物反应器（SAB）和水平阵列生物反应器（HAB）利用了亲水性滤膜，膜具有有效直径大于1um的微孔。就像名字预示的一样，SAB由轴向跌将阵列的膜分子组成，但是在HAB中，大部分膜分子在反应器中以水平平面排列。每个膜模块有中空纤维构成的非对称膜组成，纤维中保留微生物的生物层在外侧，与液体接触的亲水层在腔侧。中贡献为填充形成膜模块。发酵液流过中空纤维内侧和透过生物层。合成气流透过中空纤维的外表面向腔面流动，腔面最终通过处理液体恢复。一种提高乙醇产量的方法是阶段冲洗生物层，以降低不对称膜外壳侧相对于腔内侧的压力。通过微孔内的生长的C.ragsdalei进行了这项研究。Datta等在研究中能够提高乙醇产量从1.6g/l到4.2g/l。在另外的膜支持生物被膜生物反应器中，生物被膜是保留在生物被膜不相容的表面，在亲水膜的气体接触面（外表面）。这个生物被膜不相容表面的孔径大小不大于0.5um，阻止了生物膜流过膜到液体接触面。使用过这个方法的一项研究中，C.ragsdalei的20天持续培养后获得10g/l的乙醇浓度。移动床生物被膜反应器（MBBR）移动床生物被膜反应器利用了惰性微生物载体的细胞滞留作用，通过使用显著的气体输送装置促进更多的气体溶出和更充分利用合成气组分。MBBR包括装培养基的容器和液体产品；气体注射系统，它能够传递合成气进入容器和通过用周围液体制造涡流来提供附加的搅拌；用于支持微生物生长的惰性微生物载体；和抑制微生物载体流出的载体保留器。气泡从发酵培养基中上升和附着在悬浮的载体上的微生物转化成液体产物。通过使用槽或喷洒气体传递系统，可以免除必需的去除小微粒的合成气前处理。36m3的MBBR发酵容器中C.ragsdalei的活性培养研究报道了30天连续培养后获得30g/l的乙醇浓度。滴流床反应器（TBR）滴流床反应器或生物滴流过滤器（BTF）是一种各种气体处理的常用反应器。反应器填料大小，液体在循环速度，和气体流动速率是影响TBR传质的主要参数。在这种反应器中，塞流最容易达到。在一项比较合成气发酵的三种不同类型的生物反应器的性能的研究中，Klasson等推断TBR比STB和BCR获得更高的CO转化率（>80%）和更高的产率。具我们所知，没有研究报道了使用这种生物反应器用于合成气发酵来生产主要成分为乙醇的产物。产品产率微生物过程一个主要优点，之前提过，是产物的专一性，得到很少的副产物和提高过程收率。为了得到高产率和产量，反应器中细胞浓度必需高，这个可以通过细胞循环和细胞滞留实现。膜生物反应器装置目前已经使用，在膜中生物被摸生长和附着在膜表面形成生物多聚矩阵，从而阻止了细胞流失。作为一种能源，乙醇是最理想的合成气发酵产物，但是在大部分的发酵研究中乙酸的产量高于乙醇的产量。因此，为了提高乙醇的产量或提高乙醇、乙酸比，需要调节各种发酵参数。一旦获得稳定的细胞密度，下列参数可比被单独或联合调节来改善乙醇产量和限制乙酸产量：改变培养基组成，液体和气体供应速度，操作PH，温度，压力和搅拌速度或提供过了H2。通过这些方法，保证了发酵培养基中氧化还原地位的降低和NADPH/NADP比的增加，从而促进了乙酸的还原。H2供应的过量意味着供应H2比需要比产生一分钟乙醇所需的H2量大。在一项C.ljungdahlii的专利中，观察到首先供应过量气态H2和接着限制培养基中泛酸钙和钴浓度，生物途径直接有利于乙醇生产和减少乙酸产量。也有报道当铁离子浓度增加10倍时，乙醇产量加倍和乙酸产量降低。因此培养基优化是有利于乙醇产量的先决条件。细胞分离和酒精回收微生物以浮游形式生长或以生物被摸的形式附着在固体表面常常是在膜上。细胞滞留和之后的细胞密度的增加可能是以生物反应器中固体表面附着的生物被摸的形式。相反，在悬浮生长的生物反应器中，细胞悬浮生长，通过使用固液分离器从产物溶液中分离，包括膜超滤系统，中空纤维或螺旋分离机或离心机。因此，细胞能够回到生物反应器。发酵培养基中的乙醇浓度必需保持低于一定的水平，这是为了防止微生物抑制保持细胞代谢活性。而且，生物质生成的合成气常常产生低浓度的酒精（低于6%）；一次，为了经济回收乙醇，需要非常有效的回收手段，包括蒸馏后分子筛分离或渗透蒸发后分馏技术。减压蒸馏柱和水蒸气渗透装置的整合体具有极大优势，如当乙醇浓度低至1%时，能够将乙醇从发酵培养基中分离，而且回收率达99%。高温导致的有毒副产物能够排除，因为减压蒸馏无需高温。一次，大部分的蒸馏底部残留物无需前处理能够直接循环发酵。另一个提高乙醇浓度的方法是在进行减压蒸馏前提前将产品灰化。CoskataInc.的Illinois利用许可的膜分离技术将酒精从水中分离，从而相对于传统的蒸馏能量需求降低了50%。合成气转化成乙醇在工业上的调查气化生物质后进行合成气发酵来生产酒精是一种发展中的技术。很少由企业已经放大了还在试验规模的生物转化技术。Coskata公司，一家生物酒精公司，发展了生物酒精，称为Flex乙醇，它是由生物质衍生合成气生物发酵得到。这项专利技术每吨干燥材料能够接近100加仑的酒精。国立阿尔贡实验所的一项研究中，伊利诺伊已经决定相对于传统的汽油，Coskata的产品能够获得净7.7的能源衡量和减少80%-90%的温室气体排放。这项技术已经在麦迪逊和宾夕法尼亚扩大到一个半商业化规模培养，在2011年将开始收割商业化规模培养。一家新Zealand的清洁技术公司，LanzaTech使用合适的细菌将工业废气主要钢铁厂废气或生物质合成气转化成高辛烷值燃料。使用它的专利技术，2008年在BlueScope钢铁基地和Glenbrook已经批准了中试规模来用钢铁研磨废气生产酒精。LanzaTech使用低成本培养基作为单独发酵培养基成分和反应过程在最小化废气预处理下进行。INEOSBio，一家英国/美国合资的生物能源公司使用合适的生物转化过程将大范围的有机废物包括家居和商业废物转化成生物酒精。从2003年开始，在费耶特维尔和阿肯色州，INEOS的中试规模设施一直在运行。气体发酵生产酒精的商业化面临的挑战和研究与开发需要原料合成气生产原料包括大范围的生物材料，如树木残渣，农业和有机固体废物，还有其他等。原料的性质如高湿度对气化产生CO有不良影响。在这种情况下，需要可观的能量来干燥生物质以保证湿度在10-15%左右。每种生物质包括灰烬和挥发性化合物，不同的原料有不同的含量。例如，粮食外壳的灰烬含量大约是15%-25%，然而母爱的含量是2%或更低。这些原料气化产生抑制合成气发酵的杂质。因此，在将气体通入反应器之间需要大范围的气体净化过程，这大大的增加了总的生产成本。然而，生物