《Biotechnology Advances》：How far do we need to go to upscale carbon elongation from bench- to industrial-scale?
编辑推荐：
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生物废物的组成决定了连续碳链延长（CCE）的兼容性和预处理策略的选择
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生物废物的组成决定了连续碳链延长（CCE）的兼容性和预处理策略的选择
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增加反应器的高度可以通过调节气体分压来抑制氢（H?）介导的偶联反应（EEO）
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分离热处理时间（HRT）和停留时间（SRT）有助于在连续CCE过程中保持稳定的生物质量
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提出了一种基于生物废物的CCE的概念性工艺框架
引言
随着人们对环境污染和气候变化问题的日益关注，生产方式正加速从依赖化石资源转向可再生资源。其中，生物废物因其广泛的可用性和资源回收潜力而备受关注，成为受欢迎的原料。在各种可用原料中，碳水化合物（如纤维素、淀粉和蔗糖）对基于生物的化学工业尤为重要，因为它们储量丰富且在加工过程中易于处理（Farrán等人，2015年）。将这些可再生碳资源转化为高价值化学品是现代生物精炼技术的核心，这有助于实现环境友好的燃料和化学品生产，从而为全球碳中和做出贡献（Chang等人，2010年；Gemeinhardt等人，2025年）。然而，尽管在生物废物增值方面已经取得了几十年的进展，但微生物转化的效率、选择性和可扩展性仍然是工业化应用的关键瓶颈。
羧酸平台结合了厌氧发酵和微生物羧酸链延长（CCE）技术，将实际的生物废物转化为高价值的羧酸。在该平台上，木质纤维素和废物衍生原料被水解并发酵，生成短链脂肪酸（SCFAs），随后通过反向β-氧化（RBO）和脂肪酸生物合成途径进一步转化为中链脂肪酸（MCFAs）（Agler等人，2012年；Werner等人，2011年；Xie等人，2021年）。MCFAs通常含有6到8个碳原子，其能量密度较高，水溶性较低，这有利于Phase分离和后续的升级过程（Chen等人，2017年）。这些化学品是石油衍生化学品和燃料的可再生替代品，广泛应用于生物能源、生物塑料、抗菌剂、个人护理产品和动物饲料添加剂等领域（Angenent等人，2016年；Steinbusch等人，2011年）。因此，通过CCE将SCFAs和醇类选择性地转化为MCFAs是实现可持续且碳效率高的生物精炼过程的关键步骤。
最近关于CCE的研究广泛探讨了微生物途径和机制（Ahn等人，2023年；Han等人，2018年；Kim等人，2016年；Spirito等人，2014年；Wu等人，2019a年；Zhao等人，2024年）、反应器微生物群落（García等人，2025年；Kim等人，2025年）、混合或开放培养系统（De Almeida等人，2025年；Wu等人，2022年）以及纯培养系统（Ahn等人，2023年；Han等人，2019年）、底物（如乳酸和二氧化碳（Liang等人，2026年；Liu等人，2025年；Suo等人，2025年）以及原料（包括废物激活污泥（Gu等人，2024年；Wang等人，2023a年）、食物废物（Girotto等人，2015年）和废水衍生藻浆（Lu等人，2024年）。然而，绝大多数已发表的研究仍处于实验室规模，而中试和工业规模的实验示范仍然有限（见图1和表1）。相关数据集是通过Web of Science Core Collection搜索获得的，搜索范围从数据库建立至今的2026年5月31日，使用了“chain elongation”、“caproate”或“hexanoate”等关键词以及与废物相关的术语。这些研究主要关注处理废物衍生原料的CCE系统，并要求提供反应器的具体工作体积和-caproate的浓度。先前的研究系统地研究了使用特定底物的延长途径，并提出了提高MCFAs选择性的策略（目标MCFA-C/总VFA-C比率，摩尔浓度比），从而实现了从纯培养系统向混合和开放培养系统的转变。然而，工业规模的CCE实验示范仍然很少（见图1），这突显了该领域的一个重要且未被充分探索的空白。更重要的是，目前在实验室条件下实现的高选择性是否能在处理实际生物废物的开放和连续工程系统中得到维持，这一点尚未得到充分证明。尤其是，实际生物废物的化学组成（包括碳水化合物、蛋白质、脂质和木质纤维素组分）从根本上决定了水解效率、前体物质的可用性和抑制剂的产生。随着系统规模的扩大，这些因素的影响变得越来越显著。放大过程还会改变质量传递和混合模式，并产生空间梯度，但在现有文献中对此方面的研究仍然不足。迄今为止，很少有研究从放大视角系统地探讨这些挑战，尽管生物过程工程的限制和系统级整合已成为决定工业可行性的关键因素。
本综述旨在通过提供从实验室研究到工业应用的跨尺度CCE结构化评估，来填补这一知识空白。它综合了最近在底物生物可用性、生物废物预处理、反应器配置和产品回收策略方面的进展。此外，还讨论了预处理和延长阶段的整合，评估了开放培养过程的稳健性，并探讨了CCE与原位提取和连续发酵技术的结合。本综述为CCE的工业应用制定了路线图，将其定位为向低碳、循环和可持续生物经济转型的关键技术。
章节摘录
原料从模型底物向废物衍生资源的转变
在实验室规模，合成底物主要用于研究CCE的化学计量机制。乙醇-乙酸系统是最广泛研究的模型，用于生产偶数碳链的MCFAs（Reddy等人，2018b）。在混合培养系统中，乙醇与乙酸的摩尔比为3:1时能够促进-caproate的产生（Liu等人，2016），而进一步增加这一比例则会使产物分布偏向-caprylate的生产（Spirito等人，2018）。
预处理技术的选择取决于原料类型
原料组成决定了水解动力学、前体物质的形成和抑制剂的释放，因此CCE生物过程中的预处理不应仅仅被视为提高生物可利用性的步骤（见图3）。其主要功能是改善底物的可利用性，并为下游的CCE过程提供合适的前体物质（如乳酸、乙酸、丁酸和可用醇类），同时限制抑制剂的产生。
固液分离策略
工业规模CCE系统的成功运行在很大程度上依赖于共生微生物群落的建立和维持，因为功能微生物的长期富集和维持决定了MCFAs的生产率、碳转化效率和-caproate的选择性（Crognale等人，2023）。固液分离可以通过限制生物质流失、减少流出物中的悬浮固体以及产生低固体含量的物流来支持反应器的运行。
基于生物废物的羧酸链延长的概念性生物精炼框架
各个CCE工艺模块已经达到了不同的成熟度。因此，表3根据每个模块报道的最高操作环境为其分配了技术成熟度等级（TRLs），而整个工艺的成熟度还需要证明这些操作之间的协同性。虽然机械预处理、浮油提取、CCE发酵和陶瓷膜分离已经在某个工业食物废物系统中得到应用（Qiu等人）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（W2512001）和土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）（124N980）的支持。
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