一氧化碳的生物轉(zhuǎn)化：豐富的合成氣或廢棄轉(zhuǎn)化為生物酒精

一氧化碳的生物轉(zhuǎn)化：豐富的合成氣或廢棄轉(zhuǎn)化為生物酒精摘要：合成氣或廢氣成分的生物轉(zhuǎn)化用于生產(chǎn)酒精與現(xiàn)存在的化學技術(shù)相比，似乎是一個具有前景的選擇。目前，若干實驗室規(guī)模的研究已經(jīng)表明使用產(chǎn)乙酸菌能夠?qū)⒍喾N合成氣成分（CO,CO2，和H2）轉(zhuǎn)化成多碳化合物，如醋酸，丁酸，乳酸和酒精，在這幾種化合物中酒精是較小的終產(chǎn)物。生物轉(zhuǎn)化過程具有幾個優(yōu)點，如高特異性，無需特定的H2/CO比，而且生物催化過程不受金屬中毒的影響。此外，這個過程發(fā)生在常溫，常壓下，無需對供應(yīng)氣體進行任何昂貴的前處理或昂貴的金屬催化，這都要使得這個過程優(yōu)于傳統(tǒng)的化學催化轉(zhuǎn)化過程。這些技術(shù)商業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)是氣態(tài)底物的極低的水溶性(主要是CO和H2。在這篇文章中，主要系統(tǒng)分析了富含CO的氣態(tài)發(fā)酵產(chǎn)生酒精并比較已經(jīng)發(fā)表的其他結(jié)論。文章重點放在了理解轉(zhuǎn)化過程的微生物層面，通過突出使用的不同微生物的作用，轉(zhuǎn)化途徑和影響生物轉(zhuǎn)化的參數(shù)。文章中分析了用于富含CO氣體的生物轉(zhuǎn)化，主要是合成氣轉(zhuǎn)化成酒精，中使用的多種微生物的轉(zhuǎn)化原理，并在文中報道了。合成氣發(fā)酵用于商業(yè)化和未來研究研究面臨的各種挑戰(zhàn)也進行了討論。導言：隨著人口的增長和許多國家的日益工業(yè)化，世界對能源的需求巨大增長。據(jù)報道，上世紀世界的能量消耗已增長了17倍。這個能量需求通過利用原有石油儲量得到滿足，但是目前世界的石油儲量已經(jīng)在耗盡的邊緣，按照目前的消耗率，預計在少于50年內(nèi)被耗竭。礦物燃料的加工和使用導致危險有毒氣體大量釋放到環(huán)境中，這些氣體傷害人體健康的同時污染環(huán)境。這些有毒氣體的日益累積有負面影響如嚴重的水災和干旱，海平面的上漲和極端的氣候狀況。對全球變暖的日益關(guān)注引起研究者們?nèi)ふ铱沙掷m(xù)的更安全的備選可再生能源。乙醇是最具前景的備選生物燃料之一。燃料乙醇是含氧的，無水，高辛烷（108）酒精，它已經(jīng)被認證為一種潛在的備選燃料，還作為汽油的添加劑。作為一種添加劑他能代替甲基叔丁醚（MTBE），用作氧化劑和提高辛烷值，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，乙醇用作為礦物汽油的攙和物，攙和的典型比為10,15,20%（E10，E15,E20）.它甚至能夠使用純的或接近純的作為可選擇的交通燃料（E85）.因為它燃燒比石油更干凈，使用10%乙醇混合物（E10）,釋放的有害氣體CO,CO2,VOCs,和NOx相對的減少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，燃燒時相對傳統(tǒng)燃料減少了微粒子和NOx的釋放。生物酒精來源于可再生原料如糖，淀粉，木質(zhì)纖維素等。當前的處理工程包括糖的直接或非直接發(fā)酵或催化轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氣體。在直接發(fā)酵中，原料如產(chǎn)糖作物（如小麥，高粱和甘蔗）或產(chǎn)淀粉作物（如谷類，小麥，大麥，土豆）通過酵母菌或細菌發(fā)酵轉(zhuǎn)化成酒精。這項技術(shù)在工業(yè)水平上已經(jīng)得到很好的應(yīng)用而且目前，大約90%的生物酒精產(chǎn)量來自于糖類或淀粉類作物發(fā)酵，稱為一代技術(shù)。這些作物作為商品的高價值，無論是用作人們消費還是用于飼養(yǎng)家畜，和每公頃土地的作物部分的低利用率都使得這項技術(shù)的可行性存在疑問。這些問題的一種潛在結(jié)局方案，稱為二代技術(shù)，是利用木質(zhì)纖維素原料如農(nóng)業(yè)或城市垃圾，木材，稻草，草地和作物殘留物。木質(zhì)纖維素是地球上最豐富的可再生有機材料，由三種主要成分：纖維素（40%-50%），半纖維素（20%-40%）和木質(zhì)素（10-40%）。它是所有植物的主要結(jié)構(gòu)成分。在直接發(fā)酵過程中，來自樹木和草中的纖維素和半纖維素生物菌體被化學或生物水解成簡單糖類。這些可利用的糖類接著發(fā)酵獲得酒精。大部分的木質(zhì)素主要出現(xiàn)在稈和木材中，和纖維素和半纖維素在一起，它對微生物攻擊具有高度抵抗性。氣化技術(shù)能夠?qū)⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)化成氣體混合物，稱作產(chǎn)氣。產(chǎn)生的氣體隨之被化學過程（費托合成，F(xiàn)TS）或厭氧型微生物催化轉(zhuǎn)化為酒精。生物酒精生產(chǎn)是基于相當便宜的原料，如菌體和廢棄的有機質(zhì)。它反過來降低了國家對進口礦物燃料的依賴，因此幫助了國家經(jīng)濟。所有的這種菌體化生產(chǎn)創(chuàng)造了就業(yè)機會，通過利用平凡的土地用于培養(yǎng)便宜的專有原料，而且廢棄物能夠大部分重新用于生產(chǎn)環(huán)境友好型燃料。與合成氣類似，富含CO的廢氣也能夠用于生物酒精生產(chǎn)。本文概括了酒精生產(chǎn)的微生物方面，產(chǎn)乙醇同種菌類，影響合成氣發(fā)酵的因素和文獻中報道的各種生物反應(yīng)。文章還闡述了合成氣發(fā)酵的挑戰(zhàn)和R&D需要。合成氣的酒精生產(chǎn)合成氣，主要是CO和H2的混合物，能夠通過固體固體燃料如煤，石油焦炭，油頁巖和生物質(zhì)；的氣化產(chǎn)生；通過天然氣的催化轉(zhuǎn)化；或重油如焦油的部分氧化。合成氣的組成主要依賴于使用的資源類型，他們的濕度和氣化過程。氣化是將含碳原料如煤，石油或生物質(zhì)，在可控含氧量下轉(zhuǎn)化成主要包含CO,H2,CH4,CO2,和N2的氣態(tài)混合物的熱化學過程。固體原料內(nèi)在的化學能被釋放而轉(zhuǎn)化成熱量和氣體的化學能。這個過程常常發(fā)生在氣化室中而且合成氣的注冊主要依賴于一些因素如氣化器的類型（固定床，流化床，等等）和操作條件（溫度，壓力等等）。生物質(zhì)的氣化包括三個步驟：（1）干燥，將原料去濕，（2）在氧化物存在下300-5000C高溫分解產(chǎn)生氣體，焦油，生物油和固體焦，（3）在含氧條件下將高溫分解產(chǎn)物氣化得到含有不同組分的合成氣。通過優(yōu)化氣化過程，產(chǎn)氣的組分能夠被縮小到主要含CO和H2，他們是酒精生產(chǎn)的主要組分。而且通過保持絕熱轉(zhuǎn)化，能源能氣化夠保持到一個更高的層次。例如，在煤和生物質(zhì)分別在1500-18000C和11000C下氣化，產(chǎn)生的合成氣中CO和H2是主要的成分。此外，通過私用純氧氣化，產(chǎn)物中的N2含量降低。獲得的合成氣通過費托循環(huán)（FTC）化學轉(zhuǎn)化成酒精和各種化合物。這些技術(shù)產(chǎn)生各種燃料和化合物如甲醇，乙酸，甲烷和重蠟。這種生產(chǎn)方法是一個多步驟，高耗能過程，發(fā)生在高溫高壓下，使用不同的化學催化劑，包括金屬鐵，鈷和銠。這些條件使得化學催化轉(zhuǎn)化比生物轉(zhuǎn)化過程快。在這個過程中，發(fā)生催化的水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)（WGS），將CO和H2O轉(zhuǎn)化成H2和CO2，因此提高了H2/CO比，這對于反應(yīng)的化學計量非常重要，同樣對減少催化失活也至關(guān)重要（Eqn1）.為了保護FT催化劑的敏感性，反應(yīng)氣體中的其他的產(chǎn)品如焦油，石油和水溶性污染物必須去除。合成氣中的硫磺必須減少到地獄66ppb，而且NOx和NH3的濃度限制到0.1-10ppm，以防止FT催化劑中毒。接著是凈化過程，包含CO和H2的合成氣使用不同的催化劑和反應(yīng)條件轉(zhuǎn)化成乙醇。CO+H2O→H2+CO2(WGSreaction)(1)2CO+4H2→C2H5OH+H2O(FTreaction)(2)盡管反應(yīng)發(fā)生率較高，但仍然有很多限制。主要的限制是，WGS反應(yīng)，F(xiàn)T反應(yīng)和凈化等過程發(fā)生在不同的反應(yīng)條件下，這使得FT合成成為一種復雜而昂貴的方法。此外，反應(yīng)中使用的催化劑必須是專一的而且當硫磺濃度和碳沉積增加時，將會失活。這個反應(yīng)的液體燃料的產(chǎn)率還不高。將合成氣轉(zhuǎn)化成乙醇的另一種方法是生物轉(zhuǎn)化。微生物，主要是厭氧的，能夠用于通過生物催化將合成氣轉(zhuǎn)化為有價值的代謝物如有機酸和酒精。這些產(chǎn)物包括但不僅僅是，乙酸，丙酸，丁酸，甲酸和乳酸，還有甲醇，乙醇，丙醇，丁醇。作為生物燃料，乙醇被認為是理想的代謝物而且反應(yīng)不得不優(yōu)化成有利于其的生產(chǎn)。第二，通過一定手段將乙醇從發(fā)酵液中分離用于生產(chǎn)不同燃料等級的乙醇，分離手段有蒸餾，提取，前兩者得結(jié)合或其他有效的分離手段（Fig1）。合成氣的發(fā)酵是發(fā)生在接近室溫下的簡單反應(yīng)。盡管反應(yīng)速率較慢，但是它相對于傳統(tǒng)的化學催化反應(yīng)有多項有點。首先，反應(yīng)具有高特異性，這導致更高的產(chǎn)率，簡化了后處理過程和降低了有毒副產(chǎn)物的濃度。接著，生物催ner，化劑便宜，對硫磺高耐，能夠適應(yīng)污染物如焦油。因此，由于優(yōu)化轉(zhuǎn)化的昂貴的其他凈化過程被免除。但是一種合適的過濾系統(tǒng)需要用于抵消氣體混合物中存在的一些有毒化合物產(chǎn)生的抑制作用。使用硫磺化合物的一個優(yōu)點是他們能夠通過減少培養(yǎng)基中的氧化還原電勢而促進厭氧菌的生長。第三，生物轉(zhuǎn)化無需固定的H2/CO比。因此，一個管式反應(yīng)容器足以承受整個反應(yīng)，通過利用合適的微生物。最后，當微生物暴露在空氣中時，常常會死亡，這個反應(yīng)是無臭的，不會產(chǎn)生任何健康危險物而且產(chǎn)生非常少的環(huán)境污染物。這個反應(yīng)過程受到培養(yǎng)基中氣體底物的大量轉(zhuǎn)化和需要保持相對無氧環(huán)境的限制。一定的工業(yè)生產(chǎn)如石油精制，鋼鐵研磨，和用于生產(chǎn)石墨，焦油，氨基鹽和甲醇等直接或通過燃燒釋放巨量的主要包含CO和H2的廢氣到環(huán)境中。生物催化能夠利用這些廢氣轉(zhuǎn)化成化學藥品和燃料如乙醇，采用合成氣發(fā)酵類似的方法。乙醇生產(chǎn)的生物化學途徑自養(yǎng)型厭氧菌用于生產(chǎn)酒精的途徑是乙酰輔酶A生化途徑或金屬酶途徑（Fig2）。這個途徑繁盛在多種有機體中包括同型產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷細菌。它包含了一個Eastern分支和一個Western分支。Eastern分支包括幾個還原步驟，通過還原反應(yīng)CO2被還原成乙酰輔酶A的甲基。Western分支，是厭氧菌獨特的，不管是CO2生成的CO或直接從介質(zhì)中獲取的CO接著都作為碳供體基團用于乙酰輔酶A的合成。反應(yīng)中的還原當量是通過氫化酶還原H2生成。H2→2H++2e–(3)如果氫氣不足或氫化酶受抑制，還原當量通過使用CODH氧化CO成CO2而生產(chǎn)。CO+H2O→CO2+2H++2e–(4)值得觀察的是總共的等式4和等式3的反向總反應(yīng)等式是化學合成氣轉(zhuǎn)化中用于調(diào)節(jié)H2/CO比的水煤氣遷移反應(yīng)。用于乙醇合成的碳源CO的可用量減少（Eqn4），這可以通過使用等式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能夠理論轉(zhuǎn)化為酒精。這是因為CO在不含H2或氫化酶被抑制的情況下，被用于CODH氧化成CO2產(chǎn)生還原當量。而且，從推導出等式6可以推出CO2能夠用于產(chǎn)生乙醇，在合成氣中存在H2的情況下。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能夠轉(zhuǎn)化成酒精，只要氫化的催化的氫化反應(yīng)產(chǎn)生做夠的提供足夠的還原當量。Eastern分支Eastern分支是四氫葉酸依賴的途徑，設(shè)計到多個轉(zhuǎn)化CO2成6S)-5-CH3-四氫葉酸的還原反應(yīng)。第一步是甲酸脫氫酶將CO2轉(zhuǎn)化成甲酸，甲酸通過10-甲?；?四氫葉酸合成酶催化與四氫葉酸生產(chǎn)10-甲酰基-四氫葉酸而凝集。接著環(huán)水解酶將后者轉(zhuǎn)化成5，10-次甲基四氫葉酸。第二部是NAD(P)H依賴的還原反應(yīng)，亞甲基四氫葉酸脫氫酶將5,10-次甲基四氫葉酸轉(zhuǎn)化成5,10-亞甲基四氫葉酸，接著后者被亞甲基四氫葉酸還原酶還原成（6s）-5-甲基-四氫葉酸。因此，CO2轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A中甲基基團的前提設(shè)計六個電子的還原反應(yīng)。Western分支甲基-四氫葉酸中的甲基基團通過甲基轉(zhuǎn)移酶（METr）的作用轉(zhuǎn)移到類咕啉/鐵硫蛋白（CFeSP）中的鈷中心。當鈷中心的鈷處一價活性狀態(tài)時，異二聚體蛋白CFeSP處于活性狀態(tài)。一價的鈷轉(zhuǎn)化為三甲的鈷，將甲基從甲基-四氫葉酸中脫離。甲基轉(zhuǎn)移機制中最重要的步驟是甲基基團的活化，因為甲基-四氫葉酸中的CH3-N鍵高度穩(wěn)。甲基活化研究最多的機制是甲基-四氫葉酸中N5的質(zhì)子化導致甲基的親電子性。因此形成的第一個有機金屬聯(lián)合體是甲基-鈷（III）-CFeSP.金屬酶途徑一種主要的酶是CO脫氫酶。這種Ni-CODH分為兩種：（1）單功能CODH；（2）多功能CODH。單功能CODH催化CO氧化成CO2，接著CO2被還原成甲酸組后變?yōu)橐阴］o酶A中的甲基。多功能CODH轉(zhuǎn)化CO2成CO，CO作為乙酰輔酶A的甲基供體，而且它還協(xié)同乙酰輔酶A合成酶一起催化乙酰輔酶A的合成。接著反應(yīng)發(fā)生在CODH的碳鏈上，CO轉(zhuǎn)移到ACS的乙酰鏈上的Ni位點形成有機中間體Ni-CO.下一步涉及甲基集團從甲基化的CFeSP轉(zhuǎn)移到CODH/ACS復合體。一次第三個有機金屬復合物，甲基-Ni復合物形成。下一個步驟，甲基和碳基團在Nip位置你凝集形成乙酰金屬，最后的有機金屬復合物。有機金屬途徑的最后一個步驟，輔酶A聯(lián)合ACS硫解乙?；饘傩纬梢阴］o酶A。乙酰輔酶A在生長階段被細胞轉(zhuǎn)化為細胞質(zhì)，乙酸鹽，ATP，在非生長階段轉(zhuǎn)化成乙醇和NAD(P).用于將合成氣或廢氣轉(zhuǎn)化為乙醇的自養(yǎng)細菌1990年首次報道了用厭氧菌將合成氣生產(chǎn)酒精。然而，化合物如乙酸，丁醇，和一些情況下的丁酸和乳酸伴隨著酒精的產(chǎn)生而產(chǎn)生。多種多樣的乙酸生產(chǎn)的同型產(chǎn)乙酸菌和它們的特征列在表1中.這些非碳源營養(yǎng)的微生物展示出了強大的利用合成氣，通過乙酸輔酶A途徑用于細胞生長和產(chǎn)物形成的能力。盡管這些微生物在多碳化合物中生長良好，它們利用CO,CO2和H2無其他原料作為底物生產(chǎn)各種化合物燃料的能力非常重要，并在文章中有記載。大量的初步工作集中在增加合成氣中生長過程的培養(yǎng)穩(wěn)定性和增加乙醇的產(chǎn)量。大多數(shù)情況下，從乙?；a(chǎn)到可溶性產(chǎn)品色譜的轉(zhuǎn)移的趨勢是通過觀察發(fā)酵PH降低而得到的。一次，發(fā)酵PH被發(fā)現(xiàn)對合成氣代謝的調(diào)節(jié)具有很大影響。盡管大部分的文章中提到的產(chǎn)酒精的微生物目前是離體的，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組進行（表二）。ClostridiumljungdahliiC.ljungdahlii是目前研究最廣泛的產(chǎn)乙醇微生物。使用這種細菌完成了多種研究工作，主要集中在提高乙醇產(chǎn)量或提高乙酸比例。Vega等表明酵母菌提取液在合成氣發(fā)酵中的影響主要集中在發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，在分批模式和聯(lián)系模式都一樣。而且，在分批研究中對不同原始底物壓力下，簡要解釋了不同原始底物（CO或H2）吸收和利用的變化。在恒定氣體流速為3.5ml/min（18.5%H2,15.4%Ar,56.1%COHE10%CO2）的連續(xù)過程中，獲得的乙醇與乙酸的分子比為1:0.8，液體流速為10.85ml/h，減少發(fā)酵液濃度（0.01%）。以大腸桿菌為例，Philips等優(yōu)化了培養(yǎng)基配比，減少了VB濃度和取消了酵母提取液用于C.ljungdahlii培養(yǎng)。有細胞再利用和沒有再利用獲得酒精濃度分別是50g/l和25g/l。后來的有細胞循環(huán)使用的那個的CSTR研究報道了乙醇與乙酸的從1.6到21mol/mol變化。連續(xù)使用兩個CSTR，Klasson等獲得比單個CSTR有30倍增長的乙醇產(chǎn)量（250-300mmol/g/d）。第一個反應(yīng)容器中主要是促進細胞增長，接著在第二個反應(yīng)中增加乙醇產(chǎn)量，獲得產(chǎn)物比為4mol乙醇比1mol乙酸。營養(yǎng)物濃度，PH和稀釋比的影響被研究用于改善產(chǎn)物分布。整個生物轉(zhuǎn)化速率的一個主要限制是常溫常壓下CO極低的水溶解性。Younesi等假設(shè)在合成發(fā)酵中使用壓力系統(tǒng)減小氣液傳質(zhì)阻力，因此獲得高CO獲取速度。CO2濃度分布圖表示CO是C.ljungdahlii優(yōu)選無機碳源。使用Wheaton血清瓶的一批研究，在1.8atm總壓下，合成氣(55%CO,20%H2,10%CO2和15%Ar)獲得的最大產(chǎn)物比為0.54mmol乙醇/mmol乙酸。ClostridiumcarboxidivoransP7T，以它能夠迅速利用CO為名，是一種從農(nóng)業(yè)沉積廢水池中分離的專性厭氧菌。已經(jīng)表明，當他生長在無H2的干凈瓶裝的合成氣中，這種細菌能夠產(chǎn)生乙醇，乙酸和丁醇。Datar等還評價了在一個4L的泡沫柱中，微生物產(chǎn)生的煤氣對細胞穩(wěn)定性，氫的利用度和乙酸/酒精產(chǎn)量的影響。觀察表明細胞對化學物的種類十分敏感如NO，乙炔，它們和合成氣一起產(chǎn)生。同上述提到觀察到得產(chǎn)物一起被報道的還有微量的乙酸（最大濃度，1.2g/l）.引入生物生產(chǎn)的合成氣后氫捕獲的抑制和細胞濃度的下降反映有必要通過進一步研究來確認上述發(fā)現(xiàn)的化學制品貢獻。使用0.025um的過濾器而不是0.2um，之前觀察到得細胞濃度下降能夠被忽略。但是氫吸收抑制與過濾器大小無關(guān)。進一步的研究表明合成氣中小于40ppm的NO不會對C.carboxidivoransP7的細胞生長，酶活性，和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)造成任何負面影響。ButyribacteriummethylotrophicumB.methylotrophicum能夠利用甲基，首次從德國的Marburg的污泥消化器中分離得到。這種菌種的新株稱作Marburg株，生長在添加了一碳化合物和乙酸的多碳化合物中。Lynd和Zeikus比較了B.methylotrophicum生長在多碳化合物（葡萄糖）和單碳化合物（H2:CO2和甲醇）中的細胞合成效率。生長在H2：CO2(2:1)產(chǎn)生的最終乙酸濃度是16mmol，生長后檢測到微量的丁酸，倍增時間為9h。另一種B.methylotrophicum，CO株，是首種以CO為碳源和能量來源的厭氧微生物。它生長100%依賴CO。這種菌株，當在頂部持續(xù)供CO條件下分批培養(yǎng)時，在PH6.8下得到的乙酸/丁酸比為32:1。在0.015h-1的稀釋速率的連續(xù)研究中當發(fā)酵PH從6.8降低到6時，觀察到形成更多還原產(chǎn)物如酒精的趨勢。倍增時間12小時內(nèi)觀察隨著PH從6.8到6變化，乙醇的濃度漸漸的從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養(yǎng)和上述提到的連續(xù)研究的主要的還原產(chǎn)物。目前更多的研究主要集中在研究用CO2和H2補充CO對CO適應(yīng)菌株的影響。研究表明，補充CO2增加終產(chǎn)物濃度。在這個分批研究中，用合成氣（CO:CO2:H2=35:25：40）得到乙醇濃度為0.02g/l和總碳量是產(chǎn)物的110%，一起產(chǎn)生了其他產(chǎn)物如乙酸（1.1g/l），丁酸（0.3g/l）和微量的乳酸。ClostridiumautoethanogenumC.autoethanogenum原始是從糞便排泄物分離得到，用CO作為唯一的碳源和能量來源。老培養(yǎng)基的電子顯微研究表明在長時間的潛伏期后，細胞形態(tài)從桿狀變?yōu)榘医z連續(xù)菌絲，細胞大小同正常細胞一樣為0.6*42.5um。較少的合成氣發(fā)酵研究用微生物完成。為了檢測酒精生產(chǎn)中有限含氮介質(zhì)對C.autoethanogenum休眠細胞的影響，Cotter等通過改變或去除一些氮源配置了6種不同的非成長型培養(yǎng)基，這些氮源包括酵母提取液，蛋白胨，或NH4Cl，用木糖作為底物。研究中，去除酵母提取液的培養(yǎng)基獲得高乙醇產(chǎn)量達到9.43mM，乙醇比乙酸為1:4.5，這比在生長型培養(yǎng)基（(5.11mMand1:7.8,相對應(yīng))獲得的值更大。結(jié)果支持了限制使用酵母提取液能夠提高產(chǎn)乙酸菌的乙醇產(chǎn)量的結(jié)論。重要的是，包含了0.1g/l的酵母菌提取液的培養(yǎng)基中進行的實驗具有高度的培養(yǎng)穩(wěn)定性。當用合成氣作為底物在液體分批連續(xù)氣體發(fā)酵進行木糖適應(yīng)培養(yǎng)，同一個研究團隊獲得了1:13的酒精與乙酸比。在研究中，使用了三種不同的瓶裝合成氣流速，分別是5,7.5,10ml/min，得出結(jié)論，盡管合成氣流速能夠促進增長和底物形成，但是它對C.autoethanogenum的產(chǎn)物分布沒有影響。其他菌株Moorella菌株HUC22-1的離體群能夠在55°C下用130mMCO2和270mMH2形成主要是乙醇和乙酸的產(chǎn)物，156h研究后獲得1.5mM的乙醇濃度。而且它是首個省中期間能夠轉(zhuǎn)化H2和CO2的適溫菌株。另一種菌株，淤泥真桿菌KIST612，從厭氧蒸煮鍋中分離得到，發(fā)現(xiàn)他能夠在高CO分壓環(huán)境下生長，能夠使用100%的CO作為底物產(chǎn)生乙醇，一起的還有丁酸和乙酸。大量的其他厭氧菌也表示出利用合成氣作為碳源和能量來源，但是只有個別能夠?qū)⒑铣蓺庵饕D(zhuǎn)化為乙醇和一些其他代謝物。他們中的一些是新的分離菌株，包括AlkalibaculumbacchiCP11T,Clostridiumdrakei,和ClostridiumragsdaleiP11.影響合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇的參數(shù)如果誰想生產(chǎn)生物酒精作為能源產(chǎn)品，那么在含CO的合成氣或廢氣的生物轉(zhuǎn)化過程中需要優(yōu)化條件以形成比其他產(chǎn)物跟多的酒精。PH的影響以其他的生物化學反應(yīng)一樣，發(fā)酵PH在底物（即含CO合成氣或廢氣）代謝調(diào)節(jié)中具有強烈的影響。PH和產(chǎn)物組成之家有明顯的聯(lián)系。當發(fā)酵PH降低時，在大部分的合成氣發(fā)酵中可以觀察到產(chǎn)物譜從產(chǎn)酸向產(chǎn)溶媒遷移。因為每種微生物只在特定PH范圍具有代謝活性，降低PH對細胞的生長有消極的影響。優(yōu)化合成氣想能源酒精轉(zhuǎn)化的一個主要障礙時，當江都PH用于產(chǎn)生高簡化產(chǎn)物酒精時，也會降低整個轉(zhuǎn)化過程的整體生產(chǎn)率。在很多研究中，降低PH引起電子和碳流從底物向細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移的減少。同時，觀察到降低了算產(chǎn)量，相對酸產(chǎn)量來說酒精產(chǎn)量有所增加。在一個更近的C.ljungdahlii研究中，當培養(yǎng)基PH從6.8降到5.5時，預期的酒精增量沒有觀察到。在酸性更大的培養(yǎng)基（PH5.5）中培養(yǎng)得到的總細胞和酒精濃度是388mg/l和1.81mM，這比在PH6.8下更低（分別是562mgL–1和3.81mM）然而，發(fā)酵PH是合成氣發(fā)酵過程總體成功必需考慮的重要因素之一。培養(yǎng)基組成的影響在合成氣發(fā)酵中，微生物吸收合成氣組分作為碳源和能源；然而，它們還需要各種礦物質(zhì)來保持高代謝活性。特殊化合物如維生素也可能需要。早期研究表明盡管生長抑制，VB濃度減少，去除酵母菌提取液能夠提高乙醇/乙酸比。去除酵母菌提取液引起產(chǎn)量提高到300%；但是0.01%的最低酵母提取液是提供保持C.ljungdahlii細胞完整所需微量營養(yǎng)物所必需的。一些研究已經(jīng)報道了不同營養(yǎng)來源，它能夠誘導芽孢形成，同時也提高溶劑產(chǎn)量。據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比于酵母提取液和其他營養(yǎng)物，含纖維二糖的培養(yǎng)基能提高細胞濃度大于20%，還比用酵母提取液獲得的酒精濃度和乙醇與乙酸比值分別變大4倍和3倍。添加還原劑向培養(yǎng)基提供跟多的電子能夠幫助微生物的代謝移向溶劑生成。發(fā)生這種現(xiàn)象是應(yīng)為有跟多的還原當量用于微生物將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為乙醇。Klasson等在C.ljungdahlii種用不同濃度的還原劑驗證了還原劑增加對提高乙醇濃度和產(chǎn)品比例的可行性，還原劑包括巰基乙酸鹽，抗壞血酸，甲基紫精和聯(lián)芐吡啶。作者發(fā)現(xiàn)盡管生長停止，包含30ppm聯(lián)芐吡啶的瓶中發(fā)現(xiàn)了高濃度乙醇（3.7mmol）和高產(chǎn)物比（1.1）。ATCC和DSMZ推薦的最常用的產(chǎn)乙酸菌還原劑是半胱氨酸-鹽酸和Na2Sx9H2O。C.ragsdalei生長和產(chǎn)酒精的發(fā)酵培養(yǎng)基中各種微量金屬離子的影響被研究，觀察到，增加Ni2+,Zn2+,SeO4–和WO4–積極影響乙醇產(chǎn)量。氣體組成的影響有機質(zhì)氣化主要產(chǎn)生CO，CO2,CH4,H2,N2和少量NOx,O2,乙炔，苯酚，COS，H2S，輕烴類如乙炔，乙烯和丙烷，灰燼，焦質(zhì)和焦油。自養(yǎng)型微生物能夠在由CO，CO2和H2組成的瓶裝合成氣中良好生長。然而，生物質(zhì)生產(chǎn)的煤氣的發(fā)酵有時面臨保持培養(yǎng)穩(wěn)定性和碳轉(zhuǎn)化的有效性方面的問題，應(yīng)為微量添加組分的存在如乙炔或NO。乙炔和NO是有名的脫氫酶活性潛在抑制劑。因為脫氫酶活性對于氫化獲得用于CO轉(zhuǎn)化過程需要的電子的過程至關(guān)重要，脫氫酶活性的抑制將迫使細胞使用CODH酶從CO中獲取電子。因此，用于乙醇生產(chǎn)中可利用的C將大量減少。因此，在生產(chǎn)過程中我們將看到碳轉(zhuǎn)化效率的降低。在紅紅螺菌的研究中，發(fā)現(xiàn)當乙炔含量為10%(v/v)，CO相關(guān)的脫氫酶50%被抑制。C.carboxidivoransP7T的目前研究表明當出現(xiàn)NO時，產(chǎn)物重新分布也會出現(xiàn)，在氣體進行發(fā)酵之前，使用旋風分離器，洗滌塔（10%丙酮）和0.025um的氣體過濾器凈化合成氣能夠消除焦油對細胞休眠的影響。底物壓力的影響合成氣或廢氣中不同組分的分壓在微生物的代謝上扮演者重要的角色。CO和CO2的分壓都對微生物的生長和產(chǎn)物組分影響巨大。CO被當做碳源，當不存在H2時，被氧化來產(chǎn)生CO脫氫所需的還原當量。而且，CO是合成氣或廢氣中溶解度最小的氣體，需要給予更多的關(guān)注來克服它產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞限制。因此，一種減小氣液傳質(zhì)阻力限制的方法是通過提高氣態(tài)底物的原始分壓。CODH催化的CO氧化產(chǎn)生的凈電子產(chǎn)量隨著CO分壓的升高而升高，隨著CO2分壓的升高而降低。C.carboxidivoransP7的一項研究表明當增加CO分壓時，細胞的最大濃度增加。在進一步試驗中發(fā)現(xiàn)，在高CO分壓（1.35和2atm）下乙酸濃度下降，而乙醇濃度增加。這是由于高CO下利用過量的電子將乙酸轉(zhuǎn)化為乙醇。據(jù)報道，當CO分壓從0.35增加到2atm時，細胞濃度增加了440%。但是也有報道，一些微生物對高CO分壓小的抵抗，當CO分壓增加時導致倍增時間的增加。在C.

ljungdahlii的分批試驗中，報道了增加合成氣的原始壓力將導致延滯期的延遲而且在獲得高乙醇/乙酸比的同時，明顯提高底物利用率。質(zhì)量傳遞合成氣發(fā)酵的一個主要瓶頸是質(zhì)量傳遞限制。當發(fā)酵容器包含高細胞濃度時，系統(tǒng)被稱為處于質(zhì)量傳遞限制狀態(tài)，這是應(yīng)為微溶解氣體底物（CO和H2）的低水溶性。由于這些擴散限制，微生物可利用的氣體底物變低，最終導致產(chǎn)量下降。當系統(tǒng)處于活力限制狀態(tài)時，反應(yīng)產(chǎn)量也變低，這發(fā)生在當細胞東都或CO消耗率都非常低的情況下。在合成氣發(fā)酵過程中，這兩個限制狀態(tài)都可能出現(xiàn)。從合成氣發(fā)酵的理論等式(Eqns5and6)中，明顯看出6分子CO或H2必須轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基中來產(chǎn)生1分子乙醇。而且，分子基礎(chǔ)上，相對于35°C下溶氧量，CO和H2的溶解性只有77%和68%。因此，每個等式需要消耗更多分子的合成氣來提高產(chǎn)量和產(chǎn)率。氣液質(zhì)量傳遞是生物反應(yīng)中存在的各種組分在被生物催化利用之前不得不克服一系列運輸阻力。氣體底物傳到液相的總質(zhì)量傳遞速率受產(chǎn)品的傳質(zhì)協(xié)同效應(yīng)，傳質(zhì)可用空間和驅(qū)動力的約束。擴散的驅(qū)動力在氣相中氣體的實際分壓Pg(atm)和液相中平衡狀態(tài)的底物分壓P1(atm)之間是不同的。因此總傳質(zhì)速率可以定義如下，總傳質(zhì)速率==KLa(Pg–P1)/H(8)其中H是Henry常量(Latmmol-1)和KLa是體積傳質(zhì)共速率（s-1）。因為培養(yǎng)基或生物被膜中底物溶解性低，液相中底物的量相對于氣相中底物量可以忽略。因此，底物在氣相中的平衡式是如下（9）NS指氣相中的克分子底物濃度，VL是反應(yīng)器體積。從等式9，氣體底物的傳質(zhì)系數(shù)KL(ms–1）是一定的。安德魯或哈爾丹模型已經(jīng)用于測定合成氣發(fā)酵中動態(tài)底物利用和抑制。特定的消耗速率qs，是每單位干細胞中的底物吸收，通過下列等式給出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是常數(shù)和Ki是底物抑制常數(shù)（atm）。UngermanandHeinde比較了使用不同葉輪結(jié)構(gòu)和方案的CO-水KLa和合攪拌釜式反應(yīng)器的能量需求，發(fā)現(xiàn)使用Rushton葉輪的裝置獲得最高的傳質(zhì)系數(shù)。與標準Rushton葉輪方案相比，雙Rushton葉輪方案能夠提高傳質(zhì)達27%以上。然而，葉輪的性能，由每單位能量輸入的體積傳質(zhì)系數(shù)衡量，雙Rushton是最低的。如同之后的討論，提高攪拌速度是改善傳質(zhì)消耗更多能量的一種方法。因此，這種方法對大規(guī)模生物酒精生產(chǎn)是經(jīng)濟不適用得。Bredwell等評論了多項合成氣發(fā)酵的使用傳統(tǒng)攪拌槽式或柱式反應(yīng)器的生物反應(yīng)器研究，發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)器的體積傳質(zhì)系數(shù)主要依靠反應(yīng)器幾何形狀，結(jié)構(gòu)，操作條件和液相性質(zhì)。各種添加劑能夠用于提高氣液傳質(zhì)速度，包括表面活化劑，酒精，鹽類，催化劑和小微粒。發(fā)酵培養(yǎng)基中1%的乙醇濃度相對于純水能夠提高三倍的傳質(zhì)速度。這是由于表面壓力的改變，因而形成了小氣泡從而為傳質(zhì)提供了更好的表面空間。用于提高傳質(zhì)的新方法是使用納米粒。Zhu等發(fā)現(xiàn)在納米粒上的表面氫氧根和功能基團對提高CO-水傳質(zhì)系數(shù)有影響。當納米粒表面的巰基被移除，KLa最高可以提高1.9倍。合成氣發(fā)酵的生物反應(yīng)器選擇合適的生物反應(yīng)器外形對高效的合成氣發(fā)酵非常重要，尤其是能夠克服傳質(zhì)限制和獲得高細胞濃度的外形。合成氣成分主要是CO和H2的傳遞是主要關(guān)注點，由于它們低水溶性。為了獲得高合成氣轉(zhuǎn)化，好的生物反應(yīng)器應(yīng)該為繁盛反應(yīng)提供高特異性表面空間。氣泡直徑是混懸液生物反應(yīng)器中的企業(yè)傳質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。在傳質(zhì)受限情況下，用于傳質(zhì)的表面與氣泡直徑成反比。因此，用微氣泡分散來分散微溶底物能夠為傳質(zhì)提供高位空間而且較小氣泡大小能夠延長反應(yīng)器中氣體工作時間，這是由于其緩慢的出現(xiàn)。微氣泡或膠體氣劑都是直徑為50-60um的穩(wěn)定的表面活化劑小泡，它通過在單獨的反應(yīng)器中使用高剪切葉輪劇烈攪拌形成。它們是相對穩(wěn)定的和能夠提供高表面區(qū)域。復雜的表面活化劑殼通過氣泡之間的電排斥阻止相鄰氣泡聯(lián)合。Bredwell和Worden報道了，B.methylotrophicum中用為氣泡噴灑，相對于傳統(tǒng)噴灑CO的總傳質(zhì)速率增加6倍。而且，用于產(chǎn)生微氣泡的能量預計非常低，0.01kW/m3.報道的用于合成氣轉(zhuǎn)化成酒精的最常用的生物發(fā)生器結(jié)構(gòu)包括傳統(tǒng)的攪拌槽反生器，氣泡柱和膜反應(yīng)器；它們的圖表見Fig.3.在表2中概括了各種生物反應(yīng)器獲得的細胞最大量和產(chǎn)量最大值。攪拌槽生物反應(yīng)器（STB）它是目前用于酒精生產(chǎn)研究最深的反應(yīng)器之一，反應(yīng)器中合成氣或氣體底物最終被破壞成小氣泡，通過旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的機械動力均勻的分散在液體培養(yǎng)基中，一種提高微溶性氣體如CO和H2的傳質(zhì)的方法是提高葉輪轉(zhuǎn)速。提高轉(zhuǎn)速能夠加快氣泡破碎，但是這需要一個相對高的單位體積的能量輸出。因此，這種提高速度的方法是不夠經(jīng)濟的，應(yīng)為其高操作成本不利于大規(guī)模生產(chǎn)。使用無細胞循環(huán)，不同溶液溶解速率和酵母濃度的750ml的攪拌槽反應(yīng)器的持續(xù)發(fā)酵研究結(jié)果獲得了不同的細胞密度和產(chǎn)物組成。在溶液稀釋速率為0.031h-1和酵母提取液濃度為0.01%時，獲得最高乙醇濃度(2gL–1)和產(chǎn)物比1.2.在STB(13.5L)中使用菌株C.ljungdahlii進行細胞循環(huán)，分別獲得最高細胞濃度和酒精濃度為4和48g/l。這些值相對于其他的合成氣發(fā)酵的乙醇產(chǎn)量更高。目前，Kundiyana等報道了成功安裝和使用了中試規(guī)模的發(fā)酵罐（100L）。在研究中，使用微氣泡噴灑和Clostridium菌株P(guān)11從合成氣發(fā)酵得到的乙醇產(chǎn)量增加了6倍。鼓泡塔反應(yīng)器（BCR）BCR被認為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的STB的選擇，該反應(yīng)器中通過無機械推動的氣體噴灑獲得氣體底物的混合，而且它被認為是經(jīng)濟的，節(jié)約大量能量成本。鼓泡塔的一些優(yōu)點包括低資本和操作成本，無移動部件和滿意的高熱量和傳質(zhì)速率。增加流動速度提高混合將導致出現(xiàn)非均勻流體。這種情形將最終導致氣體成分的回混。相對于STB,很少有研究使用BCR生產(chǎn)酒精。Chang等在一個200ml的鼓泡塔反應(yīng)器中進行分配和連續(xù)培養(yǎng)E.limosumKIST612利用CO生產(chǎn)酒精。在研究中，反應(yīng)器連接了一塊孔徑為0,2um的膜用于細胞循環(huán)。在4.5L的BCR中從CO輕易獲得了高濃度的酒精，這些值相對于C.carboxidivoransP7獲得的乙酸和丁醇值分別高6倍和2倍。膜生物反應(yīng)器（MBR）多種膜生物反應(yīng)器目前被研究和申請專利用于轉(zhuǎn)化合成氣成可溶性產(chǎn)物。反應(yīng)器中，微生物細胞附著在膜表面形成生物被摸，從而獲得高細胞滯留和高細胞濃度。膜塊支持的生物反應(yīng)器（MMSB），也稱為潛入膜支持的生物反應(yīng)器（SMSR）,由多個膜塊組成，包括是由中空纖維逐層的微孔或無孔或復合膜。合成氣組分引入到中空的纖維腔內(nèi)和生物被摸微生物保持在外表面，在膜纖維的液體接觸面。反應(yīng)氣體通過中空纖維墻朝向生物被摸，在那里微生物將合成氣底物轉(zhuǎn)化成乙醇，接著乙醇與反應(yīng)液體混合。一寸通過適當?shù)幕厥障到y(tǒng)回收。這個系統(tǒng)的一個主要的缺點是液體可能由于膜兩側(cè)壓力差進入孔中，因此導致叫做孔濕的現(xiàn)象。這種用于生產(chǎn)乙醇的膜反應(yīng)器的性能被研究，發(fā)現(xiàn)使用具C.ragsdalei的生物被摸的微孔膜在20天的持續(xù)生產(chǎn)后乙醇的濃度為10g/l。膜支持生物反應(yīng)器由有微孔層用于支撐液體接觸面的生物被摸的膜組成，在膜的氣體接觸面（腔面）有不透液體膜層，可能是硅樹脂外衣。為了保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定的氣液交換，無需保持非常精確的跨膜壓差，只有微孔濾膜的系統(tǒng)需要。此外，不透水層比復合膜提供更高的跨膜氣體轉(zhuǎn)化。在MSB中，兩層微孔濾膜結(jié)構(gòu)之間有一層不透液體膜層的三明治型膜結(jié)構(gòu)被用作雙層結(jié)構(gòu)的選擇之一。在一項關(guān)于C.ragsdalei的研究中使用了這種三明治膜，乙醇的產(chǎn)量增加到最大值（13.3g/l）和接著由于孔濕而停止生長。分層天線陣生物反應(yīng)器（SAB）和水平陣列生物反應(yīng)器（HAB）利用了親水性濾膜，膜具有有效直徑大于1um的微孔。就像名字預示的一樣，SAB由軸向跌將陣列的膜分子組成，但是在HAB中，大部分膜分子在反應(yīng)器中以水平平面排列。每個膜模塊有中空纖維構(gòu)成的非對稱膜組成，纖維中保留微生物的生物層在外側(cè)，與液體接觸的親水層在腔側(cè)。中貢獻為填充形成膜模塊。發(fā)酵液流過中空纖維內(nèi)側(cè)和透過生物層。合成氣流透過中空纖維的外表面向腔面流動，腔面最終通過處理液體恢復。一種提高乙醇產(chǎn)量的方法是階段沖洗生物層，以降低不對稱膜外殼側(cè)相對于腔內(nèi)側(cè)的壓力。通過微孔內(nèi)的生長的C.ragsdalei進行了這項研究。Datta等在研究中能夠提高乙醇產(chǎn)量從1.6g/l到4.2g/l。在另外的膜支持生物被膜生物反應(yīng)器中，生物被膜是保留在生物被膜不相容的表面，在親水膜的氣體接觸面（外表面）。這個生物被膜不相容表面的孔徑大小不大于0.5um，阻止了生物膜流過膜到液體接觸面。使用過這個方法的一項研究中，C.ragsdalei的20天持續(xù)培養(yǎng)后獲得10g/l的乙醇濃度。移動床生物被膜反應(yīng)器（MBBR）移動床生物被膜反應(yīng)器利用了惰性微生物載體的細胞滯留作用，通過使用顯著的氣體輸送裝置促進更多的氣體溶出和更充分利用合成氣組分。MBBR包括裝培養(yǎng)基的容器和液體產(chǎn)品；氣體注射系統(tǒng)，它能夠傳遞合成氣進入容器和通過用周圍液體制造渦流來提供附加的攪拌；用于支持微生物生長的惰性微生物載體；和抑制微生物載體流出的載體保留器。氣泡從發(fā)酵培養(yǎng)基中上升和附著在懸浮的載體上的微生物轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)物。通過使用槽或噴灑氣體傳遞系統(tǒng)，可以免除必需的去除小微粒的合成氣前處理。36m3的MBBR發(fā)酵容器中C.ragsdalei的活性培養(yǎng)研究報道了30天連續(xù)培養(yǎng)后獲得30g/l的乙醇濃度。滴流床反應(yīng)器（TBR）滴流床反應(yīng)器或生物滴流過濾器（BTF）是一種各種氣體處理的常用反應(yīng)器。反應(yīng)器填料大小，液體在循環(huán)速度，和氣體流動速率是影響TBR傳質(zhì)的主要參數(shù)。在這種反應(yīng)器中，塞流最容易達到。在一項比較合成氣發(fā)酵的三種不同類型的生物反應(yīng)器的性能的研究中，Klasson等推斷TBR比STB和BCR獲得更高的CO轉(zhuǎn)化率（>80%）和更高的產(chǎn)率。具我們所知，沒有研究報道了使用這種生物反應(yīng)器用于合成氣發(fā)酵來生產(chǎn)主要成分為乙醇的產(chǎn)物。產(chǎn)品產(chǎn)率微生物過程一個主要優(yōu)點，之前提過，是產(chǎn)物的專一性，得到很少的副產(chǎn)物和提高過程收率。為了得到高產(chǎn)率和產(chǎn)量，反應(yīng)器中細胞濃度必需高，這個可以通過細胞循環(huán)和細胞滯留實現(xiàn)。膜生物反應(yīng)器裝置目前已經(jīng)使用，在膜中生物被摸生長和附著在膜表面形成生物多聚矩陣，從而阻止了細胞流失。作為一種能源，乙醇是最理想的合成氣發(fā)酵產(chǎn)物，但是在大部分的發(fā)酵研究中乙酸的產(chǎn)量高于乙醇的產(chǎn)量。因此，為了提高乙醇的產(chǎn)量或提高乙醇、乙酸比，需要調(diào)節(jié)各種發(fā)酵參數(shù)。一旦獲得穩(wěn)定的細胞密度，下列參數(shù)可比被單獨或聯(lián)合調(diào)節(jié)來改善乙醇產(chǎn)量和限制乙酸產(chǎn)量：改變培養(yǎng)基組成，液體和氣體供應(yīng)速度，操作PH，溫度，壓力和攪拌速度或提供過了H2。通過這些方法，保證了發(fā)酵培養(yǎng)基中氧化還原地位的降低和NADPH/NADP比的增加，從而促進了乙酸的還原。H2供應(yīng)的過量意味著供應(yīng)H2比需要比產(chǎn)生一分鐘乙醇所需的H2量大。在一項C.ljungdahlii的專利中，觀察到首先供應(yīng)過量氣態(tài)H2和接著限制培養(yǎng)基中泛酸鈣和鈷濃度，生物途徑直接有利于乙醇生產(chǎn)和減少乙酸產(chǎn)量。也有報道當鐵離子濃度增加10倍時，乙醇產(chǎn)量加倍和乙酸產(chǎn)量降低。因此培養(yǎng)基優(yōu)化是有利于乙醇產(chǎn)量的先決條件。細胞分離和酒精回收微生物以浮游形式生長或以生物被摸的形式附著在固體表面常常是在膜上。細胞滯留和之后的細胞密度的增加可能是以生物反應(yīng)器中固體表面附著的生物被摸的形式。相反，在懸浮生長的生物反應(yīng)器中，細胞懸浮生長，通過使用固液分離器從產(chǎn)物溶液中分離，包括膜超濾系統(tǒng)，中空纖維或螺旋分離機或離心機。因此，細胞能夠回到生物反應(yīng)器。發(fā)酵培養(yǎng)基中的乙醇濃度必需保持低于一定的水平，這是為了防止微生物抑制保持細胞代謝活性。而且，生物質(zhì)生成的合成氣常常產(chǎn)生低濃度的酒精（低于6%）；一次，為了經(jīng)濟回收乙醇，需要非常有效的回收手段，包括蒸餾后分子篩分離或滲透蒸發(fā)后分餾技術(shù)。減壓蒸餾柱和水蒸氣滲透裝置的整合體具有極大優(yōu)勢，如當乙醇濃度低至1%時，能夠?qū)⒁掖紡陌l(fā)酵培養(yǎng)基中分離，而且回收率達99%。高溫導致的有毒副產(chǎn)物能夠排除，因為減壓蒸餾無需高溫。一次，大部分的蒸餾底部殘留物無需前處理能夠直接循環(huán)發(fā)酵。另一個提高乙醇濃度的方法是在進行減壓蒸餾前提前將產(chǎn)品灰化。CoskataInc.的Illinois利用許可的膜分離技術(shù)將酒精從水中分離，從而相對于傳統(tǒng)的蒸餾能量需求降低了50%。合成氣轉(zhuǎn)化成乙醇在工業(yè)上的調(diào)查氣化生物質(zhì)后進行合成氣發(fā)酵來生產(chǎn)酒精是一種發(fā)展中的技術(shù)。很少由企業(yè)已經(jīng)放大了還在試驗規(guī)模的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。Coskata公司，一家生物酒精公司，發(fā)展了生物酒精，稱為Flex乙醇，它是由生物質(zhì)衍生合成氣生物發(fā)酵得到。這項專利技術(shù)每噸干燥材料能夠接近100加侖的酒精。國立阿爾貢實驗所的一項研究中，伊利諾伊已經(jīng)決定相對于傳統(tǒng)的汽油，Coskata的產(chǎn)品能夠獲得凈7.7的能源衡量和減少80%-90%的溫室氣體排放。這項技術(shù)已經(jīng)在麥迪遜和賓夕法尼亞擴大到一個半商業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)，在2011年將開始收割商業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)。一家新Zealand的清潔技術(shù)公司，LanzaTech使用合適的細菌將工業(yè)廢氣主要鋼鐵廠廢氣或生物質(zhì)合成氣轉(zhuǎn)化成高辛烷值燃料。使用它的專利技術(shù)，2008年在BlueScope鋼鐵基地和Glenbrook已經(jīng)批準了中試規(guī)模來用鋼鐵研磨廢氣生產(chǎn)酒精。LanzaTech使用低成本培養(yǎng)基作為單獨發(fā)酵培養(yǎng)基成分和反應(yīng)過程在最小化廢氣預處理下進行。INEOSBio，一家英國/美國合資的生物能源公司使用合適的生物轉(zhuǎn)化過程將大范圍的有機廢物包括家居和商業(yè)廢物轉(zhuǎn)化成生物酒精。從2003年開始，在費耶特維爾和阿肯色州，INEOS的中試規(guī)模設(shè)施一直在運行。氣體發(fā)酵生產(chǎn)酒精的商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)和研究與開發(fā)需要原料合成氣生產(chǎn)原料包括大范圍的生物材料，如樹木殘渣，農(nóng)業(yè)和有機固體廢物，還有其他等。原料的性質(zhì)如高濕度對氣化產(chǎn)生CO有不良影響。在這種情況下，需要可觀的能量來干燥生物質(zhì)以保證濕度在10-15%左右。每種生物質(zhì)包括灰燼和揮發(fā)性化合物，不同的原料有不同的含量。例如，糧食外殼的灰燼含量大約是15%-25%，然而母愛的含量是2%或更低。這些原料氣化產(chǎn)生抑制合成氣發(fā)酵的雜質(zhì)。因此，在將氣體通入反應(yīng)器之間需要大范圍的氣體凈化過程，這大大的增加了總的生產(chǎn)成本。然而，生物