《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Current status of fermentation and electroactive fermentation technologies for biofuel production: A systematic review
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这篇系统性综述聚焦生物乙醇、丁醇、甲烷和氢气的发酵法生产，剖析了传统工艺受限于氧化还原失衡、副产物累积、底物预处理复杂等瓶颈。电活性发酵技术（EAFT，含BES和EF）通过电极对微生物代谢进行生物电化学调控，可增强氧化还原平衡、提高产物选择性与能效，但其技术成熟度（TRL）较低，面临放大、经济和操作挑战。未来需结合系统生物学、代谢工程、混合工艺与中试验证，以推动其成为下一代生物燃料与生物精炼的变革性平台。
引言
向可持续能源和化学品生产的全球转型，凸显了减少对化石燃料依赖、减缓温室气体排放和增强能源安全的迫切需求。生物质衍生的替代品，凭借其生物来源和更低的碳足迹，在循环生物经济框架内已成为有前景的选择。发酵在这一转型中扮演核心角色，能够将包括有机废物流在内的多种原料转化为有价值的生物燃料和化学品，同时减少与废弃物处置相关的环境负担。
传统发酵与电活性发酵技术概览
多种基于发酵的生物燃料已实现工业化。第一代生物乙醇（来自玉米、甘蔗等粮食作物）技术成熟度已达TRL 9，实现完全商业化。第二代生物乙醇（来自木质纤维素等非粮生物质）紧随其后，达TRL 7-8；厌氧消化产生的沼气也已达到TRL 9，并在欧洲等多地实现大规模应用。生物丁醇处于TRL 6-7，正从试点向示范阶段过渡；而生物氢则仍处于早期进展阶段（TRL 3），在放大过程中受到低氢生产力的制约。
传统发酵过程的共同缺点包括氧化还原失衡、产物收率低、副产物形成以及昂贵的下游分离。这些代谢瓶颈限制了效率并阻碍了竞争力。电活性发酵技术（EAFT），包括生物电化学系统和电发酵，作为潜在的解决方案应运而生。EAFT装置在发酵环境中嵌入阳极和阴极电极，通过施加恒定电位或电流，提供必要的热力学驱动力来调节微生物的氧化还原状态和电子通量，从而提高收率、选择性和产物积累。
两者的核心差异在于电流利用模式。生物电化学系统涉及可测量的电流流动，参与直接或介导的微生物电子转移；而电发酵则主要依靠低电流条件下的电极电位来改变周围氧化还原环境。尽管存在差异，但两者都具有影响诸如NAD+/NADH池等细胞内电子载体的能力。为清晰和包容，本综述使用EAFT这个总称来描述这两种策略。
生物燃料生产面临的挑战
传统发酵的挑战
大规模部署生物燃料仍受到多方面相互关联的技术、生物和环境限制的制约，挑战贯穿整个生产链。
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氧化还原失衡：这是厌氧发酵常见的限制。当细胞内还原型辅酶（主要是NADH）过度积累时，细胞生长受阻，多余电子被转向副产物合成，从而形成热力学限制，影响高价值化学品的生产。
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原料：将复杂原料与微生物群落的代谢需求相匹配是发酵研究的反复出现的挑战。例如，木质纤维素残渣因木质素的顽固性而难以水解和释放糖分，而混合餐厨垃圾的可变成分使得预处理选择和过程稳定性复杂化。此外，原料成本占总成本的比例很高，且缺乏通用的预处理方法。
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副产物和抑制剂：复杂原料的强化预处理可能产生抑制微生物生长的有毒副产物。在厌氧消化中，偏离最佳条件常导致挥发性脂肪酸和游离氨的积累，破坏互养关系并抑制产甲烷。暗发酵中抑制化合物相互作用的机制仍不清楚，但反应器顶空H2的积累会从热力学上抑制氢化酶活性。在ABE发酵中，代谢副产物和抑制物的细胞毒性积累会降低宿主细胞活性和滴度。
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微生物群落：选择的原料必须为接种物提供合成目标产物的最佳底物。使用木质纤维素生物质时，除了原料的顽固性，能够同时发酵混合糖分的微生物稀少也是一个缺点。混合培养物虽然能适应过程波动且代谢多样，但在过程控制和维持微生物稳定性方面存在挑战。相反，纯培养在基因工程和过程稳定性方面有优势，但极易受到污染和发酵条件变化的影响。
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操作限制：发酵的微妙平衡进一步受到操作限制的影响。在厌氧消化中，产物选择性受到短水力停留时间和酶-底物接触减少的阻碍。在暗发酵连续反应器中，搅拌、传质和生物质保留之间必须取得平衡。此外，大型光生物反应器仍然不成熟，其限制如光子分布差、光衰减和热量积累限制了生物质密度和过程稳定性。
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经济性能：与原料和下游处理相关的成本构成主要的经济约束。例如，木质纤维素生物质占第二代生物乙醇和生物丁醇总费用的65-75%。下游分离过程，特别是对于多组分混合物，能耗高、成本高昂，是主要挑战。
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环境影响：发酵法生物燃料生产并非没有环境影响，包括原料运输产生的温室气体排放、资源密集使用以及发酵残渣或废化学试剂的不当管理。例如，生物乙醇需要大量的水、能源和化学品用于生物质预处理和下游加工，产生抑制性副产物和废试剂。厌氧消化设施的甲烷和CO2逸散排放以及消化液的不当管理，可能会抵消有机废弃物资源化的积极环境影响。
EAFT的挑战
EAFT系统，包括生物电化学系统和电发酵，面临显著的技术障碍，阻碍了全面实施。
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常见操作限制：在基于气体的EAFT中，合成气和CO2的传质效率差是显著瓶颈。其他挑战包括双室反应器中的膜污染、积累的VFA和副产物的抑制、电极降解以及某些电极材料的高成本。
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特定的生物电化学系统挑战：电极必须同时支持微生物粘附、耐受抑制性化合物并有效地将电子从竞争的代谢途径中转移出来。然而，当前的电极配置在提供高电流密度方面效率低下，导致电子转移效率低，从而限制了碳固定速率。在工业规模上，相关微生物很少具备直接的胞外电子转移能力，通常需要氧化还原介体，这增加了过程的成本、复杂性以及环境与监管问题。此外，对微生物途径的了解有限，导致电子回收效率低，并且由于生物膜覆盖不足，体积生产力受到显著限制。
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特定的电发酵挑战：电发酵在降低能量输入的同时提高产物选择性方面已显示出潜力，但它的应用仍处于初步阶段。目标产物和非目标产物之间的竞争削弱了过程选择性和整体效率。将电发酵与既定发酵过程协调需要仔细调节电输入、缓冲系统和氧化还原平衡。电发酵的效率依赖于通过极化电极实现的微生物细胞的精确氧化还原控制。尽管阴极电发酵系统在利用CO2方面具有潜力，但来自阴极的实际电子贡献仍然很低，表明微生物代谢仍提供大部分还原力。
生物甲烷
厌氧消化是一种基于发酵的技术，可将多种有机废物转化为沼气，这是一种主要由甲烷和二氧化碳组成的可再生燃料。厌氧消化具有双重优势：为有机废物管理提供可持续解决方案，同时实现具有成本效益的生物燃料生产，从而有助于减少对化石燃料的依赖。
主要技术进展
近年来，通过营养互补和微生物相容性来增强甲烷生产力的厌氧共消化继续吸引大量研究。两相厌氧消化系统由于在时间上分离了产酸和产甲烷阶段，减少了微生物竞争，并为特定功能微生物群的增殖创造了有利条件。间歇搅拌和原位氨吹脱等操作策略也成为近期研究的焦点，因其对微生物群落动态和关键代谢途径的激活有显著影响。新型反应器设计，如用于高压微生物培养的同时生物反应器系统，或用于增加微生物-底物相互作用的基于生物膜的厌氧移动床生物反应器，为优化发酵提供了新平台。同时，基于先进材料的方法已显示出加速木质纤维素底物水解和刺激产乙酸和产甲烷群落的潜力。计算流体动力学等计算建模工具在模拟微生物代谢和反应器行为、指导过程优化和放大决策方面已变得必不可少。
电活性厌氧消化的主要进展
将电刺激整合到厌氧消化系统中以增强代谢控制、提高产物收率和改善整体过程效率的趋势日益增长。最近的研究表明，将EAFT整合到厌氧消化系统中可以显著提高过程性能和能效。EAFT的多功能性还得到了其适用于沼气升级和富含CO2废物流处理的进一步支持。虽然纯产甲烷菌培养物已证明可有效转化CO2为甲烷，但混合微生物群落通常能实现更高的甲烷收率，这可能是由于协同相互作用和增强的电子转移所致。
研究缺口与未来方向
原料的可变成分和木质纤维素残渣的顽固性仍然是主要障碍。未来的研究应优先考虑温和的物理化学预处理，并结合工程化的微生物群以实现快速的纤维解构和高氨耐受性。还需要更好地理解参与厌氧消化和电活性厌氧消化的微生物代谢，以防止限制甲烷生产并损害选择性的挥发性脂肪酸和副产物的积累。需要将先进的反应器几何结构与机器学习引导的优化和人工智能实时监测相结合，以稳定氧化还原条件。在电活性厌氧消化中，必须将电子流选择性地导向所需的反应，而不会产生过多的能量损失或损害微生物活力。这些系统仍然受到低电流密度和差的电子回收的限制。当前的电极研究应侧重于提高导电性、生物相容性和化学稳定性，以改善电子转移和微生物相互作用。电活性厌氧消化技术的成功放大和商业化取决于降低阳极材料的成本，阳极材料占总系统费用的大约69%。这是一个影响反应器规模的关键因素，因此，电极开发应与模块化、可扩展的电池架构设计保持一致。
生物氢
生物氢是一种有前景的能源载体，具有高能量含量和广泛的工业应用。其生物生产通过暗发酵进行，其中厌氧细菌在无光条件下消耗有机底物。
主要技术进展
近期关于氢气生产的研究探索了广泛的旨在提高氢气收率和生产速率的操作策略。微生物组成是决定暗发酵和光发酵中氢气生产效率的关键因素，最近的研究强调了菌株选择、群落结构和基因工程策略的重要性。材料选择和固定化策略代表了生物氢生产中的另一个关键创新领域，特别是在提高微生物性能、过程稳定性和底物转化效率方面的作用。近年来，金属和金属氧化物纳米颗粒已越来越多地应用于暗发酵，无论是单独使用还是负载在碳基载体上，都显示出在低能耗和易操作条件下增强微生物代谢和酶活性的巨大潜力。除了微生物和材料创新之外，过程控制和配置也已被证明是决定氢气收率和整体系统性能的相关因素。混合暗发酵-光发酵系统通过将两个阶段解耦提供了操作灵活性，允许在暗发酵期间产生的抑制性挥发性脂肪酸随后在光发酵中用作底物，从而提高整体底物转化和过程效率。
EAFT用于生物氢生产的主要技术进展
暗发酵与EAFT的结合为最大化生物氢收率提供了另一条途径。施加的外部电压允许将代谢通量导向H2生产和消耗合成的挥发性脂肪酸，这进一步支持生物氢生产。集成的EAFT-暗发酵过程增强了微生物多样性、生物膜形成和电活性微生物的生长，特定电位还可以上调编码H2生产途径中关键酶的基因的表达。在这些集成系统中，施加最佳电压可以实现超过200%的能量回收效率。微生物光电化学电池利用来自有机废物的产电细菌在阳极产生电子，并结合生物和光能。结合光催化剂和生物碳材料的光生物阳极的开发已成功加速了生物膜发展，并增强了胞外电子传输，从而改善了H2生产。
研究缺口与未来方向
发酵法生物氢仍然依赖于原料和工艺布局的微调，特别是在使用木质纤维素残渣时，这是一种廉价且广泛可用的资源。另一个关键的未来研究领域在于优化微生物群落和接种策略，以增强发酵法生物氢系统的稳健性和选择性。由于对无菌要求低且能够处理复杂底物，混合微生物群落通常被青睐用于生物氢生产。然而，其长期稳定性和性能仍然不可预测，这主要是由于对微生物群落动态了解不足。未来的工作需要开发预测模型，以理解微生物相互作用、代谢网络和系统稳定性。对于EAFT-暗发酵系统，一个关键的未决问题是放大过程中电活性微生物与非电活性微生物之间的电子转移效率。需要开发具有增强的电子转移能力、高表面积和成本效益的新电极材料，以改善系统性能。EAFT系统的放大面临反应器设计、混合、传质以及与间歇性可再生能源整合的挑战。
