本研究由南京工业大学生物与制药工程学院的刘清国（Qingguo Liu）、刘静（Jing Liu）、孙文俊（Wenjun Sun）、梁彩彩（Caice Liang）、陈天鹏（Tianpeng Chen）、温庆仕（Qingshi Wen）、陈燕军（Yanjun Chen）、应汉杰（Hanjie Ying）及陈勇（Yong Chen）等人，联合南京高新生物技术研究所有限公司（Nanjing Hi-tech Biological Technology Research Institute Co. Ltd.）与新加坡德威学院（Dulwich College Singapore）的Alan Yan共同完成。该研究成果发表于 Journal of Biotechnology 第405卷（2025年），页码254至262，于2025年6月7日在线发布，论文标题为“A novel immobilized bioreactor based on cfd simulation for fuel ethanol production from corn”。

本研究属于生物化工与可再生能源交叉领域，聚焦燃料乙醇（fuel ethanol）的高效生产。燃料乙醇是生物制造中规模最大的大宗生化产品，作为一种可再生液体燃料，能够减少对石油的依赖并降低温室气体排放。中国虽是全球第三大乙醇生产国，但产量仅占世界总量的不足4%，且多数企业面临原料成本高、传统发酵效率低的困境。传统分批发酵（batch fermentation）依赖游离酵母（free yeast）的大量接种，不仅需要反复培养、清洗和灭菌，还因游离细胞承受高流体剪切力、耐受性差、易退化凋亡而导致生产率低下。固定化细胞发酵（immobilized-cell fermentation, ICF）具有发酵速率快、糖转化率高的优势，但传统包埋法（如海藻酸钙）存在载体机械强度差、传质受限、细胞难以自我更新等问题，长期停留在小试规模。表面固定化（surface immobilization）技术则因载体强度高、吸附性好、填充密度低而展现出高发酵效率和耐久性。然而，此前反应器结构设计主要依赖经验，缺乏系统理论分析。本研究旨在通过计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟优化一种新型表面固定化生物反应器的设计，并系统验证其在玉米原料乙醇发酵中的可行性与工业应用潜力。

研究的工作流程包括载体材料制备、CFD模拟、玉米液化、种子培养、游离细胞发酵（free-cell fermentation, FCF）、固定化细胞发酵及半连续发酵（semi-continuous fermentation）等环节。载体采用棉纤维经三羟甲基氨基甲烷缓冲液、盐酸多巴胺和聚乙烯亚胺进行化学改性，以增强表面疏水性和细胞吸附能力。CFD模拟以50 L固定化生物反应器为对象，内径32 cm、高65 cm，内部装有三层搅拌桨，载体支架由两圈不锈钢柱构成，棉纤维以锯齿形交替插入柱间形成固定结构，搅拌转速设定为200 rpm。通过ANSYS软件进行非结构化四面体网格划分，获得单相流场分布。玉米原料经粉碎、筛分后与水按1:2.7（发酵用）或1:3.5（固定化用）比例混合，经α-淀粉酶在90°C下液化2小时，再调节pH至4.2待用。种子以液化玉米为培养基，加入糖化酶和尿素，于30°C、180 rpm培养24小时。游离细胞发酵在50 L搅拌罐中进行，接种12 L种子至28 L液化玉米中，于32°C、200 rpm下完成，重复4次。固定化细胞发酵则先在低浓度玉米水解液中培养固定化细胞48小时，使细胞吸附于载体表面，随后进行14批重复分批发酵。半连续发酵在14批固定化发酵后实施，将固定化发酵罐中预发酵24小时的发酵液转移至传统搅拌罐中进行后发酵，同时向固定化罐补加新鲜培养基继续预发酵。分析检测包括还原糖、总糖、乙醇、甘油、乳酸、乙酸及细胞浓度测定，并通过扫描电镜观察载体表面细胞形貌。固定化细胞浓度通过载体吸附容量换算获得，乙醇生产率和单位乙醇玉米消耗量分别由公式计算。

CFD模拟结果显示，传统搅拌发酵罐中上层与下层液体流速较高，中部搅拌区无明显传质规律，但整体平均流速达0.54 m/s。固定化发酵罐中，上部在载体框架内形成明显大循环，下部叶片周围存在小循环，中部液体向上流动而载体附近液体向下流动，形成轴向环流传质，载体在一定程度上起到了导流筒的作用。固定化体系的平均流速为0.45 m/s，虽低于传统搅拌罐，但流场分布更为均匀，有利于提供良好的传质环境，且载体表面剪切力较低，有助于维持细胞活性与发酵稳定性。

在发酵性能对比中，游离细胞发酵的乙醇浓度达110.22 g/L，发酵周期约54小时，最终残总糖21.01 g/L。固定化细胞发酵在14个批次中表现出较高的稳定性，发酵周期缩短至约47.2小时，乙醇浓度提高至116.15 g/L，乙醇生产率由2.04 g/L/h提升至2.46 g/L/h，增幅为20.59%。同时，单位乙醇的玉米消耗量由3.05 kg/kg降至2.87 kg/kg，降低5.90%，相当于每生产1吨乙醇可节省180 kg玉米。固定化细胞在载体上的密度从初始的196.72亿 cells/g略微增至229.51亿 cells/g，增长率仅为1.02%，表明在厌氧高糖环境下载体表面细胞增殖受限，但生物膜的形成维持了细胞活性和良好形态。游离细胞数在固定化体系中约为游离发酵体系的三分之一，但总细胞浓度（游离加固定化）显著高于游离发酵体系，高密度细胞群体是生产率提升的关键因素。

半连续发酵中，将固定化发酵罐与传统搅拌罐串联，并将搅拌转速由200 rpm提高至400 rpm，使后发酵速率显著提升，总发酵周期缩短至约43.2小时，乙醇生产率为2.67 g/L/h，较游离细胞发酵提高30.88%，乙醇得率提高3.06个百分点。碳源流向分析表明，游离细胞发酵中82.64%的糖用于乙醇转化，8.06%的糖未被消耗，4.28%用于细胞生长，3.06%用于甘油合成；而固定化发酵中糖向乙醇的转化率达到85.70%，残糖和生物量明显下降，说明表面固定化有效减少了碳源在细胞增殖和副产物上的损耗，提高了碳守恒效率。此外，对两种发酵体系干物质和粗蛋白含量的分析显示，所得酒糟蛋白饲料（distiller’s dried grains with solubles, DDGS）的干物质和蛋白质指标无显著差异，表明固定化发酵不会对副产物品质产生不利影响。

本研究的结论是：基于CFD模拟设计的表面固定化生物反应器具有合理的流场分布和良好的传质性能；与传统游离细胞发酵相比，固定化细胞发酵使乙醇生产率提高20.59%，单位乙醇玉米消耗降低5.90%；通过半连续发酵工艺优化，乙醇生产率进一步提高30.88%，糖醇转化率提高3.06个百分点。碳源流向定量分析初步揭示了固定化发酵提高原料利用效率的内在机制，即减少了残糖、细胞生长和甘油合成对碳源的消耗。该研究为燃料乙醇的固定化发酵工艺提供了理论依据和工程参考，展示了表面固定化技术在玉米原料乙醇生产中的工业应用潜力。未来研究将聚焦于新型载体材料开发、反应器放大设计以及与其他生物乙醇生产技术的集成。

本研究的亮点包括：首次将CFD模拟系统应用于表面固定化乙醇发酵反应器的流场分析与设计验证，克服了以往经验设计的不足；采用锯齿形棉纤维载体分布，既便于安装又减少了支撑物填充，改善了传质；通过14批次重复发酵验证了工艺稳定性；半连续串联工艺兼顾了固定化高密度发酵的优势与传统搅拌罐的高传质效率；并通过质量衡算首次定量阐释了固定化提高乙醇得率的碳源再分配机制。