3D打印固态生物反应器效率飙升10倍：LLNL将甲烷废气转化为琥珀酸

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员，用3D打印造出了一台固态生物反应器。
这台反应器能把垃圾填埋场和污水处理厂产生的废弃甲烷转化为琥珀酸。
琥珀酸是一种工业化学品，可以制造聚合物、稳定药物，也能给食品增添风味。
团队的目标，是把这股气体回收成燃料、化工原料或者生物产品。
研究结果发表在《科学报告》（Scientific Reports）上。

垃圾填埋场和污水处理厂会产生大量甲烷，这些气体往往被直接烧掉，能源价值白白流失。
传统气体发酵发生在大容积罐里，气体先溶于水，再靠剧烈搅拌让细菌接触到气体；但甲烷在水里溶解性差，整个过程又慢又费钱。
因此，大规模甲烷生物转化在经济上一直很难站住脚。
据团队介绍，这套新系统的性能比传统液态系统高出10倍以上，同时能耗更低。

团队没有使用传统搅拌罐，而是打印出薄壁晶格支架，在支架壁内填充水凝胶。
LLNL科学家内森·埃尔布莱希特（Nathan Ellebracht）解释说，他们不是用一个装满培养液的大罐子，而是做出一排薄壁结构；这些结构是3D打印的，带有晶格，微生物就待在极薄壁面的水凝胶里。
水凝胶里含有甲烷氧化菌，这是一种天然消耗甲烷的细菌。
甲烷直接穿过结构、绕着结构流动，不需要先溶解在液体里再到达微生物。
这种水凝胶壁机械强度不错，也耐降解，像一层薄而多孔的海绵，比表面积大、渗透性好，甲烷能快速到达嵌入的细胞。
打印支架能容纳的细菌，比同规模罐体多得多。
LLNL科学家、通讯作者方倩（Fang Qian）说，利用难溶性气体进行生物生产，过去长期受传质速率慢和效率低制约；传统液相生物反应器并不适合气体发酵。

设计支架时，最麻烦的是围绕生物学来做设计。
打印结构要最大化细胞密度、气体与细胞的接触，同时还得让细菌活下来。
LLNL科学家娜塔莉·许（Natalie Hwee）说，这既要弄清怎么设计支架才能最大化细胞密度和气体与细胞的相互作用，也要解决怎么让细胞活过好几天的问题。

团队把材料选择、打印方法、几何设计和性能建模整合到了同一个工作流程里。
LLNL工程师哈维·格梅达（Hawi Gemeda）说，实验室的增材制造能力让团队能在同一工作流程里完成整合；一旦确定最佳设计参数，3D打印就能在不同尺寸和规模上快速制造原型，从反应器设计到测试和放大的转变被大大加快。

他们从2毫升的反应器起步，放大到1升。
1升离垃圾填埋场的真实流量还差很远，想真正投入实际使用仍需要继续放大。
目前这套系统还停留在实验室验证阶段。

小型化是潜在的商业优势。
化工厂往往只有在大规模运营时才具备经济可行性，而较小的垃圾填埋场或污水处理设施，目前没有能够有效缩小的现成解决方案。
埃尔布莱希特说，小型甲烷生产商几乎没什么办法从废气里回收价值；他们的方法可以应用在小型工厂里，让这些设施也能从甲烷里拿到价值。

LLNL科学家萨曼莎·鲁埃拉斯（Samantha Ruelas）补充说，微生物不需要额外加热或加压就能完成转化，而传统化学路线常需要这些条件。
和传统化学工艺相比，这套生物转化路线的成本可以降下来。

打印支架的思路也能带到甲烷以外。
方倩说，大多数工业生物生产依赖好氧糖发酵，氧气传质仍然是一个主要瓶颈。
把细胞固定在支架里，还能省掉将细胞与反应产物分离的下游步骤。
她表示，团队正在积极把这个固态生物反应器概念扩展到其他生物工艺。

这个项目汇集了LLNL在生物材料、增材制造和生物反应器建模上的专业积累。
合作者包括落基山国家实验室（National Laboratory of the Rockies）、Quasar能源集团（Quasar Energy Group）和北德克萨斯大学（University of North Texas）。
资金来自实验室指导研究与发展项目（Laboratory Directed Research and Development）、LLNL创新与伙伴关系办公室（Innovation and Partnerships Office）以及美国能源部技术商业化基金（U.S. Department of Energy Technology Commercialization Fund）。

LLNL认为，让气体发酵变得经济可行的关键不是罐子尺寸，而是反应器的几何结构。
打印晶格把微生物固定住，让甲烷直接流向它们，得到一种适合小型垃圾填埋场和废水处理厂的紧凑反应器。
有了能源部商业化资金，以及把支架用于其他生物过程的计划，LLNL正在把这个设计当作一个平台，而不是一次性演示装置。

类似的打印水凝胶晶格，也出现在其他团队的研究里。
华盛顿大学（University of Washington）的阿尔沙基姆·纳尔逊（Alshakim Nelson）团队开发了一种注入酵母的3D打印水凝胶晶格，材料大约70%是水、30%是含酵母的聚合物，在团队自己制造的打印机上挤出成型。
这种打印生物反应器连续生产乙醇长达四个月不止。
研究人员认为，水凝胶晶格里的限域效应可能阻止了酵母细胞繁殖或老化，这与LLNL固定甲烷氧化菌的原理一样。

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的马克·蒂比特（Mark Tibbitt）教授团队，则把类似方法用在了碳领域。
他们创造了一种注入蓝藻的3D打印水凝胶。
蓝藻能吸收大气中的二氧化碳，把它转化为生物质和稳定的碳酸盐矿物。
聚合物网络被设计得能传输光、二氧化碳、水和营养物质，同时让细胞均匀分布。
团队利用3D打印优化结构几何，促进细菌的长寿和效率。
和LLNL的支架一样，打印几何决定了微生物能不能充分接触气体。

打印水凝胶晶格正在从实验室里的新奇事物变成工艺硬件。
LLNL的甲烷反应器正在检验这条路，看能不能从实验室规模放大到垃圾填埋场应用。