疏水性低共熔溶剂耦合膜接触器技术实现热酸性发酵液中挥发性脂肪酸的高效回收

本研究针对厌氧消化系统中挥发性脂肪酸(VFA)回收过程能耗高、传统萃取剂毒性大等问题，开发了基于疏水性低共熔溶剂(HDES)的膜萃取新技术。研究人员通过实验与分子模拟相结合，系统评估了五类HDES在pH 3-6和25-55℃条件下的VFA萃取性能，发现III型HDES在pH 6时仍保持80%以上回收率，而V型HDES因离子-偶极相互作用导致结构失稳。该技术为构建连续化VFA生产-回收系统提供了创新解决方案，相关成果发表于《Journal of Biological Engineering》。

　　

在生物质能源转化领域，如何高效回收厌氧消化过程中产生的挥发性脂肪酸(VFA)一直是制约资源化利用的关键瓶颈。传统方法面临两大难题：一是酸性发酵液成分复杂且含水量高，分离过程能耗巨大；二是常用萃取剂往往需要溶解在有毒稀释剂中，存在生物抑制风险。更棘手的是，发酵液通常呈中性(pH≈6)，而多数萃取剂仅对未解离的VFA分子有效，这迫使工艺必须额外增加酸化步骤，既提高成本又造成二次污染。

针对这一系列挑战，Can Liu等研究人员在《Journal of Biological Engineering》发表创新成果，开发出基于疏水性低共熔溶剂(HDES)的膜萃取耦合技术。研究团队系统比较了III型(季铵盐基)和V型(萜烯基)两类HDES的性能差异，结合分子动力学(MD)模拟揭示了pH敏感性的分子机制。令人振奋的是，TBAC/DA(1:2)等III型HDES在pH 6条件下对4-5碳VFA仍保持92%回收率，突破了传统萃取剂的pH限制。而Thy/DMP(1:2)等V型HDES虽在pH 3时表现优异，但在中性条件下因羧酸根离子与氢键供体间的强离子-偶极相互作用导致溶剂结构失稳，回收率骤降50%。

研究采用三大关键技术：1) 设计五组不同组分比的HDES进行直接萃取实验，通过HPLC定量分析酸性(pH 3)与中性(pH 6)条件下VFAs的萃取回收率(ERP)；2) 构建全疏水膜接触器系统，测定55℃下真实发酵液的跨膜通量(AEF)；3) 采用GROMACS软件进行分子动力学模拟，通过径向分布函数(RDF)解析溶剂-溶质相互作用机制。

研究结果呈现四大发现：

1. HDES直接萃取性能：所有HDES对VFAs的ERP随碳链增长而提升，戊酸在pH 3时ERP达92%。温度升高至55℃未显著改变分配平衡，但加速了传质过程。

2. pH敏感性机制：MD模拟显示，Thy/DMP(1:2)中的DMP_O0A与BA_O05氢键是酸性条件下萃取的关键，而中性条件下Thy_O0A与But-_O04/O05的强离子-偶极作用(峰值达6.5)破坏了HDES的氢键网络。

3. 真实发酵液验证：TBAC/DA(1:2)处理含255 mM乙酸的发酵液时，ERP与合成溶液相当，证实杂质不影响萃取效率。

4. 膜系统集成：Thy/DMP(1:2)耦合全疏膜在55℃时，丁酸通量达9.2 g/m²·h，比室温提升80%，但水的混溶增强导致戊酸通量反常下降。

这项研究的重要意义在于：首次阐明HDES结构稳定性与pH响应的分子机制，为溶剂设计提供理论指导；开发的III型HDES无需酸化即可直接处理中性发酵液，简化了工艺流程；膜耦合技术实现VFAs与水相的非接触式分离，避免溶剂污染风险。该成果为构建"发酵-萃取"联用系统奠定基础，推动生物基化学品生产的绿色化进程。未来研究可进一步优化HDES再生工艺，并探索其在混合酸分离中的应用潜力。