综述：用于强化微生物电合成中电子传递、传质及产物产率的创新生物反应器设计

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Innovative bioreactor designs for enhancing electron transfer, mass transfer, and product yields in microbial electrosynthesis

　　

微生物电合成（MES）是生物电化学系统（BES）的一种形式，是一个新兴的多功能平台，用于将CO₂和各种有机废物电生物转化为燃料和化学品。然而，其实际部署存在一些缺点，包括细胞外电子传递（EET）差、传质受限、内阻高和产物抑制。工程化生物反应器设计可帮助克服这些限制。新型生物反应器设计，如零间隙流动反应器、板式反应器、气体扩散阴极、多孔流通式电极、填充床电极、旋转无膜生物反应器和电渗析集成装置，已改善了电流密度、电子通量、氢保留、离子传输、库仑效率（CE）、底物利用和原位产物回收。本迷你综述介绍了微生物电合成生物反应器设计的最新进展，重点介绍了增强电子与质量传递、产物滴度和体积产率的工程策略。MES的未来进展将依赖于集成反应器架构和分离策略，以实现碳中性生物制造。

2 Electron transfer and mass transfer bottlenecks in MES
MES的性能取决于电子传递和传质。电子传递主要通过两种途径：直接电子传递（DET），即阴极与生物膜之间的直接电子转移；以及H₂介导传递，即通过电化学产生的氢传递电子。DET受生物膜导电性和电子摄取动力学限制，而H₂介导途径在高电流密度下有利于避免厚且高导电的生物膜，但增加了对H₂传质的依赖。传质瓶颈包括阴极液中的物理化学梯度，如H₂和CO₂低溶解度（H₂约0.75 mM）、气体停留时间短、隔膜阻力、气泡形成和离子传输受限，导致过电位增加并抑制产乙酸和产甲烷过程。单纯增加电极表面积并不能提高效率，因为微生物可用的有效表面积可能下降。因此，MES强化需要协调增强界面电子通量、气体传递和离子传输。

3 State-of-the-art reactor architectures for MES intensification
多种反应器架构被开发用于缓解电子和传质限制。零间隙板式反应器通过缩短电极间距降低内阻；气体扩散阴极直接供应CO₂；气泡塔、气升式和膜接触器强化H₂传质；填充床和流化床提供大比表面积；旋转无膜反应器增强混合；电渗析集成装置实现原位产物回收。然而，每种设计都有权衡，例如增强气体传递可能导致流体力学复杂性、膜污染或离子损失。代表性高性能系统包括零间隙Ni-Mo镀层多孔阴极反应器、气体扩散三室反应器、电解气升反应器、电渗析耦合反应器等，这些系统实现了较高的甲烷/乙酸产率和电流密度，但存在产物抑制、膜污染、电极润湿等问题。

3.1 Zero-gap and compact plate reactors
零间隙板式反应器将电极和隔膜靠近放置，缩短离子路径并降低内阻，从而获得高甲烷和乙酸生产率。例如，Ni-Mo镀层多孔阴极的紧凑零间隙板式反应器实现了甲烷产率>10 L L^-1 d^-1和乙酸产率3.5 g L^-1 h^-1，表明MES具有工业规模的潜力。但此类系统面临局部pH梯度和靠近膜界面的离子积累，导致放大和复杂进料操作困难。优化多孔阴极结构和流动分布可减少死区，强化传质。

3.2 Gas-diffusion and gas-fed systems
气体扩散阴极将CO₂直接输送到催化剂-生物膜界面，绕过传质限制。三室构