综述：基于绿色溶剂的方法用于从有机废物中生产与回收挥发性脂肪酸

《Fermentation》：Green Solvent-Based Approaches for Volatile Fatty Acid Production and Recovery from Organic Waste

　　

挥发性脂肪酸（VFAs）是化学合成中用于各种化学品、聚合物、药品和香料化合物的关键前体。产酸厌氧消化（或抑制产甲烷）是一种有前景的方法，用于稳定有机废物并将其转化为增值产品，如VFA。然而，VFA的积累反过来可能通过产物抑制抑制发酵过程，并限制消化物中VFA的滴度。因此，从发酵液中原位分离和回收VFA对于构建有效的连续VFA生产系统至关重要。最近的研究致力于解决这些问题并推进基于生物的VFA的利用，特别是通过采用新型绿色溶剂（如天然低共熔溶剂（NADES））的过程强化策略。此外，将VFA原位转化为酯是另一种潜在的VFA去除策略。然而，在水性介质中进行VFA酯化具有挑战性，因为大量的水会驱动反应向水解方向进行。最近在溶剂中使用游离或固定化酶催化的进展表明，通过在水溶液中为酯化反应提供疏水空间，可以提高酯的产率。在本综述中，研究人员概述了基于绿色溶剂的过程强化策略的关键方面，包括原料选择和预处理、操作条件优化、膜基和溶剂基回收方法的进展以及生物催化原位酯化。最后，研究人员对具有成本效益、连续、高固体、环境友好和工业相关的VFA生产应用提出了展望。

1. Introduction
挥发性脂肪酸（VFAs）是化学合成中的关键平台化学品，广泛应用于化学品、聚合物、药品和香料化合物的生产。通过厌氧发酵从有机废物中可持续生产VFAs，作为化石基工艺的环境友好和经济可行的替代方案，日益受到关注。特别是，将有机固体废物、废水污泥和木质纤维素残渣等多相生物废物流转化为VFAs，为废物增值和循环生物经济发展提供了有前景的途径。然而，发酵液中VFAs浓度较低（通常为1-2%），显著增加了回收成本和下游分离纯化的复杂性。此外，VFAs积累会导致产物抑制，降低微生物活性并限制整体生产力。这些挑战凸显了整合策略的必要性，以同时提升VFA产量、缓解抑制效应，并实现高效回收与升级。近年来的研究集中于过程强化（PI）策略，尤其是采用新型绿色溶剂如深共晶溶剂（DESs）。DES是具有可调物理化学性质、低挥发性和潜在生物相容性的液体共晶混合物。天然产物基DES（NADES）因其良好的生物质溶解能力、可萃取性、生物相容性和低毒性，成为有前景的绿色溶剂。疏水性DES（HDESs）因其疏水特性，可作为优异的VFA萃取剂。本综述全面概述了基于绿色溶剂的过程强化策略，涵盖原料选择与预处理、操作条件优化、膜基和溶剂基回收方法的进展，以及生物催化原位酯化。

2. Basics of Arrested Methanogenesis
抑制产甲烷（AM）或简称抑制厌氧消化（AAD），是通过阻止中间体转化为沼气来增强VFA生产的关键策略。在传统厌氧消化（AD）中，VFAs在水解和产酸阶段产生，随后在产甲烷阶段通过氢营养型（H₂/CO₂）和乙酸分解型途径被消耗。在AAD过程中，通过抑制或消除产甲烷活性，阻断VFA消耗并使其积累。高VFA浓度进一步通过pH降低和未解离酸的毒性抑制产甲烷，形成自增强的酸性发酵环境。实现AAD的策略包括添加产甲烷特异性抑制剂（如2-溴乙磺酸盐和抗生素）、通过酸冲击或热处理对接种物进行预处理，以及采用高有机负荷率、短水力停留时间和低pH等有利于产酸的过程控制策略。为了进一步提升从复杂有机废物中生产VFAs，原料预处理至关重要，用于破坏难降解结构、提高溶解度和底物生物可利用性。然而，VFA积累会带来产物抑制，限制微生物活性和转化效率。整合原位VFA去除策略（如膜萃取、吸附或液-液萃取）可以通过维持有利的发酵条件来缓解这种抑制。此外，耦合原位酯化可同时将VFA转化为增值酯，降低酸毒性并改善产品回收和过程经济性。AAD系统的性能还受微生物群落结构、氢分压和发酵相关环境胁迫的显著影响。传统AAD策略（如pH调节、接种物预处理、化学抑制和通过有机负荷率或水力停留时间的操作控制）因简单、成本低且与现有AD基础设施兼容而具有吸引力。先进策略如生物强化、电发酵和原位产物回收则对微生物代谢、氧化还原平衡和产物积累提供更强控制。

3. Feedstock Pretreatment
多种生物废物已被研究用作AAD的原料，包括废水、废水污泥、城市固体废物的有机部分、生物柴油生产残渣、乳制品工业废物以及不同来源的木质纤维素生物质。原料组成显著影响发酵产物的生产和分布。木质纤维素原料通常需要预处理步骤，旨在通过破坏其复杂的三维结构并去除抑制酶解的木质素部分，同时最大程度减少多糖降解，来提高多糖的可及性和反应性。预处理方法包括机械、化学、物理和生物处理。在溶剂基方法中，基于DES的预处理近年来受到关注。某些DES（如氯化胆碱或乳酸组成）可降低纤维素结晶度，增加可及反应面积。含有氯化胆碱的DES预处理还可促进木质素中β-O-4键断裂，导致木质素解聚和溶解。DES预处理的有效性依赖于其组成和pH。酸性DES和碱性DES是生物质预处理最常用的类型。中性DES通常对生物质分级效率不高。然而，某些亲水性III型DES，特别是基于多元醇的体系（如氯化胆碱/甘油和氯化胆碱/乙二醇），与酶和微生物具有良好的相容性，成为同步糖化和生物预处理的有前景选择。例如，含有甘油（Gly）或乙二醇（EG）作为氢键供体（HBD）并与氯化胆碱（ChCl）结合的DES，对纤维素酶表现出良好的生物相容性。许多DES无论pH如何，都与水解酶具有良好相容性，并常与酶解（EH）预处理结合使用。离子液体（ILs）作为DES的前身或子类，常对商业水解酶产生抑制，需大量水进行解毒。而胆碱基NADES与酶相容性好，可省去洗涤步骤，甚至实现一步法脱木质素和EH/糖化过程。

4. VFA Extraction
通过AAD生产VFAs面临两大挑战：一是VFAs在发酵液中浓度低，限制其实际利用并增加下游回收难度；二是VFA积累导致产物抑制，降低pH并增加未解离酸浓度，从而影响微生物活性和代谢稳定性。因此，从发酵液中原位去除/萃取VFA是确保整个VFA生产链可行性的关键步骤。从过程强化角度看，每种VFA回收策略的适用性取决于萃取效率、能耗、连续发酵兼容性、可扩展性、溶剂可回收性和操作稳定性。传统方法如蒸馏虽工业成熟，但处理稀释VFA物流时能耗高。膜基系统和电渗析可实现连续处理并减少化学品消耗，但膜污染和资本成本仍是主要限制。相比之下，使用DES或HDES的液-液萃取因其可调选择性、温和操作条件和与原位回收系统的整合潜力，成为一种有前景的低能耗替代方案。然而，大多数DES基萃取系统目前处于实验室规模，需进一步评估长期溶剂稳定性、可回收性和技术经济可行性。在选回收方法时，需考虑流出物性质（如pH、VFA谱和发酵产物组成）以及下游应用。例如，蒸发基技术（如气提和渗透汽化）在VFAs未解离时更有效，因此适合pH低于4.8的发酵流出物。而电渗析和离子交换吸附则偏好中性或更高pH条件。VFA回收方法对不同碳链长度的VFA具有不同偏好，因此VFA谱和下游应用也需考虑。液-液萃取因其高处理能力、低能耗、操作简单、热鲁棒性和可通过溶剂设计定制酸选择性，成为特别有吸引力的方法。由于VFAs的亲水本性，其向传统有机溶剂中分配受限。传统VFA回收依赖于选择合适的萃取剂（如有机胺）和稀释剂，并控制pH和温度等关键参数。近年来，DES作为有前景的替代品出现，提供简单廉价的制备、可调性质和改善的环境相容性。疏水性DES（HDES）表现出从发酵液中萃取VFAs的潜力，其萃取效率受pH影响，但某些HDES可同时吸引解离和未解离形式的羧酸，从而在宽pH范围内应用。HDES还可与膜萃取系统整合，实现连续萃取。萃取后，从DES相中回收VFA和溶剂再生是评估过程可行性的关键因素，再生途径主要包括蒸发/蒸馏和反萃取。尽管有这些进展，DES和HDES基萃取系统的大规模实施仍存在限制，包括对混合微生物群落的长期影响未知、某些HDES配方的经济可行性受限于组分成本和粘度高，以及再生策略可能增加化学品消耗。

5. VFA Esterification
DES在酯化反应中扮演多功能角色，可作为溶剂、底物储库、催化剂、催化剂促进剂或组合功能。例如，由季铵甲烷磺酸盐和对甲苯磺酸（PTSA）组成的DES可作为高效的双功能溶剂-催化剂，实现羧酸与醇的酯化，具有高活性、易回收和可重复使用性，操作条件温和（60-80°C）。基于三苯基溴化鏻/PTSA一水合物和ChCl/Gly的DES可增强低品位油中脂肪酸的酯化过程。在某些情况下，ChCl基DES的HBD可作为酯化反应中的底物。此外，某些DES表现出作为酶催化酯化适宜介质的潜力。脂肪酶因其在不同反应中的多功能性和鲁棒性，已在DES体系中得到广泛研究。在DES中，脂肪酶表现出有利特性，例如在含ChCl或甘油的特定DES中活性保持甚至增强。对于脂肪酶催化的DES酯化反应，DES不仅作为不同极性底物的有效溶剂，有时还作为底物的储库，实现更高的底物负荷和转化率。然而，脂肪酶催化的极性VFA（产自酸性发酵）在DES体系中的酯化尚未充分探索。将VFA萃取和酯化整合在DES中，可为整个VFA生产、回收和增值系统提供独特的过程强化机会。虽然脂肪酶是最耐溶剂的生物催化剂之一，但DES环境仍可能扰乱酶构象和水合层，导致活性或稳定性降低。酶工程和功能化对于在DES体系中实现稳健的脂肪酶催化至关重要。其中，酶固定化是最有效且最广泛应用的方法，通过吸附在疏水载体上、共价连接和交联酶聚集体（CLEAs）等方式创建保护性微环境。最新研究表明，固定化脂肪酶（特别是南极假丝酵母脂肪酶B（CALB））可在DES基体系中保持显著催化活性，在温和条件下实现高效酯化和酯交换。在最近一项研究中，Liu和Shi研究了纳米限域脂肪酶生物催化剂用于原位VFA酯化，在酸性条件下实现了>75%的酶保留率和>97%的稳定性。DES通过提供相容的反应介质，在温和条件下实现同时萃取和脂肪酶催化转化，从而增强VFA酯化。亲水性DES如氯化胆碱/乙二醇和氯化胆碱/乙酰丙酸可维持甚至增强脂肪酶活性，而某些疏水性DES可能抑制酶性能。

6. Perspectives and Conclusions
AAD是将有机废物转化为增值VFAs的有前景平台。提升VFA生产的两个关键杠杆是原料预处理和过程控制。预处理可有效破坏难降解木质纤维素结构，增加底物可及性，加速水解和产酸。同时，抑制产甲烷并维持有利发酵条件（如低pH、高温、高有机负荷和短水力停留时间）对于将碳流向VFA积累而非甲烷形成至关重要。尽管上游处理有所改进，但VFA积累带来的产物抑制可抑制微生物活性并限制整体生产力。解决此问题需整合原位产物去除策略。膜分离、吸附和液-液萃取等技术可连续从发酵液中去除VFA，从而稳定微生物环境并实现持续生产。其中，疏水性DES因其可调的物理化学性质、低挥发性和潜在生物相容性而成为有前景的萃取剂。某些疏水性天然DES甚至可在中性或弱碱性条件下选择性萃取解离形式的VFA，提供操作灵活性。然而，需进一步研究评估其在真实发酵系统中的性能，并整合互补分离技术。除萃取外，将VFA回收与下游增值耦合对于改善过程经济性和可持续性至关重要。原位酯化是一种引人注目的策略，可同时缓解酸抑制并将VFAs转化为更高价值的酯类产品，具有更好的分离性。疏水性DES在此背景下发挥多功能作用，既作为萃取介质，又作为酯化反应的溶剂、催化剂或共催化剂。近期研究表明，游离和固定化脂肪酶在含DES的体系中可保持活性，从而设计双相水-DES体系用于同时萃取和催化升级。尽管如此，对水相酯化和萃取-反应系统整合的系统研究仍有限，需进一步探索。从系统角度看，过程强化为将这些上下游策略整合成高效可扩展平台提供了统一框架。然而，工业实施仍需解决多项挑战，包括技术经济分析和分子水平理解DES-酶相互作用。分子动力学（MD）模拟为捕捉溶剂-酶-底物相互作用和指导相容系统合理设计提供了稳健方法。虽DES和HDES基回收系统在实验室规模表现出有希望的性能，但在中试和工业规模仍面临重大挑战。未来研究应进一步评估连续操作、溶剂再生效率、膜稳定性和工业相关发酵条件下的过程鲁棒性。总之，AAD、原料预处理、原位VFA去除和通过酯化的生物催化升级的整合，为推进以VFA为中心的生物精炼厂提供了令人信服的途径。疏水性DES尤其为耦合萃取和反应过程提供了多功能平台，可实现VFA的同步回收和增值，同时缓解产物抑制。然而，在过程整合、系统优化和经济可行性方面仍存在重大挑战。通过过程强化、先进分离技术、生物催化剂工程和分子水平建模的跨学科方法解决这些空白，对于将这些概念转化为可扩展和可持续的工业应用至关重要。