电极表面积与反应器体积比优化在微生物电合成中的关键作用：提升碳捕获和中链脂肪酸生产效率

针对微生物电合成(MES)系统中电子传递效率低和产物收率不足的问题，研究人员通过调控阴极表面积与反应器体积比(SA/V)，发现260 cm2 L?1的MES-3系统能实现最高己酸产量(1.5±0.2 g L?1)和67%选择性，同时降低能耗至6.5±2.3 kWh mol?1 VFAs。该研究为MES系统规模化提供了关键设计参数。

　　

随着全球温室气体排放持续增加，二氧化碳(CO₂)的捕获与转化技术成为实现碳中和的关键。微生物电合成(Microbial Electrosynthesis, MES)作为一种新兴技术，利用电活性微生物将CO₂转化为有价值化学品，但面临电子传递效率低、产物收率不足等挑战。尤其在中链脂肪酸(Medium Chain Fatty Acids, MCFAs)生产领域，传统MES系统存在长达240天的滞后周期，严重制约其工业化应用。

印度理工学院海得拉巴分校的研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究，创新性地通过调控阴极表面积与反应器体积比(Surface Area to Volume ratio, SA/V)，系统评估了40-333 cm² L^?1范围内四个梯度对MCFAs生产的影响。研究采用双室反应器设计，以碳毡为电极材料，接种经CO₂和乙醇预适应的混合菌群，在恒压2.5V条件下运行100余天。关键技术包括：直流电源驱动的MES系统构建、气相色谱监测挥发性脂肪酸(VFAs)动态、电化学阻抗谱分析电子传递特性，以及基于血清瓶实验预优化的pH7.1和2.3 g L^?1乙醇浓度条件。

Effect of surface area to volume ratio on medium chain fatty acids synthesis
研究发现所有SA/V比的反应器均能实现CO₂向MCFAs的转化，但性能差异显著。SA/V比为260 cm² L^?1的MES-3系统表现最优：己酸产量达1.5±0.2 g L^?1，分别是40 cm² L^?1(MES-1)和333 cm² L^?1(MES-4)的2.1倍和4.4倍。电化学分析揭示该比例平衡了微生物-电极相互作用与传质效率，电子回收率提升至55.8±18.3%。

Conclusions
研究证实SA/V比优化是提升MES性能的核心策略：260 cm² L^?1的比值在维持有效微生物附着的同时，避免了过高比例导致的质子传递限制。该成果不仅将己酸生产周期缩短至8天内，更通过直流电源的应用验证了规模化潜力，为生物电化学系统的工业设计提供了定量参数。

这项研究的突破性在于首次建立了SA/V比与MCFAs生产的定量关系，解决了传统MES产物价值低、能耗高的双重瓶颈。通过将Wood-Ljungdahl通路与乙醇氧化耦合，实现了CO₂向高值化学品的高效转化，为碳中和目标下的碳循环技术开辟了新路径。