生物制造是一个复杂的过程，需要各项条件相互平衡才能取得成功——从选择合适的生物体到确定合适的开发规模，每一步都决定着您将如何最大限度地提高产率、体积生产率和经济效益。
气体发酵是能源领域的一项强大工具。行业领军企业和初创公司正致力于通过乙醇、生物柴油和可持续航空燃料 (SAF) 等更绿色的燃料推动地球脱碳，而气体发酵作为一项新兴技术，有望彻底变革脱碳工作。
借助微生物，可利用可持续且更具成本效益的原料生产新一代生物燃料：
- 工业废弃物
- 纤维素生物质
- 合成气 (Syngas)
- 藻类资源
- 气体——H2、CO2、CO
气体发酵能够将废弃物和温室气体转化为高价值燃料。然而，众所周知，气体很难溶解于供微生物生长的发酵培养基中，从而导致：
- 产率低
- 气体传质受限
- 重现性差
- 生产成本高
- 体积生产率低
把握以下 5 个关键的气体发酵考量因素，将帮助您最大限度提高产率和体积生产率，实现经济效益。
1. 选择合适的生物体
选择合适的生物体来生产目标生化产品颇具挑战。与更复杂的细胞相比，细菌、酵母或藻类的表达时间更短、更易于大规模生产且批次一致性更好，因此更受青睐。如今，生产商面临一个重大挑战：“如何让我们的微生物更高效地利用气体？”
对微生物代谢途径进行基因改造，可将碳及其他元素导向目标生物产品而非生物质，从而提高生物体的生产率和摩尔产率。通过有针对性的基因改造，这一方法还能应对某些发酵副产物对细胞活力构成的风险。
2. 考虑原料来源
生产商必须权衡原料成本与生物产品的市场价值。对生物制造商而言，来自钢厂和水泥生产的二氧化碳正变得越来越经济。氢气、合成气及其他气态碳原料正在或即将变得比果糖等传统种植原料更便宜。当下的工艺设计应考虑这些长期前景，以便在未来充分利用更经济的原料。
3. 设计可放大的工艺
在低体积平行生物反应器中开展小规模实验，有助于快速完成工艺表征，但这些条件并不总能直接转化到更大规模，往往需要调整。详尽的分析、模拟和建模对于避免工厂规模的问题至关重要。
运行模式是另一项关键考量。补料分批工艺可延长对数生长期，从而提高生物质和初级代谢产物的产量。连续发酵虽然运行较慢，但减少了频繁准备和清洗的需要，最终可优化摩尔产率和整体效率。
4. 创造理想条件
忽视生物反应器设计往往会导致成本增加，并错失改进工艺参数的机会。关键参数包括温度、pH 和溶解氧。随着生物燃料/SAF 行业开始采用气体发酵，气体传质（即气体进入液体的过程）已成为限制底物可得性和体积生产率的关键瓶颈。
正如亨利定律所描述的，加压反应器条件可以应对这一挑战。生物反应器容器内较高的压力可增强气相向液相的传质，进一步促进微生物生长，并通过提高底物可利用性来提高体积产率。高压、自动化平行生物反应器是一项新兴技术，可帮助制造商在发酵开发中实现更高的气体传递速率。
5. 实现过程控制自动化
在整个过程中保持适当的氧气和原料气水平至关重要。自动化与严格控制可确保生物燃料/SAF 发酵条件始终保持理想，从而在避免代价高昂的人为失误的同时，实现更高的产率和生产率。
功能强大的软件具备配方设计、丰富的参数控制以及内置安全停机功能，使科学家能够自动运行从短期到长期的发酵，同时保持生物反应的精细平衡。
借助这些策略，研究人员和生产商可以克服发酵中的挑战，实现具有成本效益的生产，利用合成气和 CO2 等原料生产高价值产品。