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文|黎瓔珞
編輯|黎瓔珞
前言
全世界的工廠使用可再生資源生產化學品和燃料的趨勢一直是在增加，而從廢物和二氧化碳中提取的有機材料是可再生的，并可以作為生產生物燃料和生物化學品的替代來源。在這篇綜述中，我們將調查通過微生物電合成 (MES) 從有機物中生產溶劑和醇類，這是一項新興技術。
MES 涉及在厭氧微生物（生物催化劑）的新陳代謝中使用電輔助系統，與傳統發酵方法相比，它在溶劑生產方面表現出改進。特別感興趣的是電養生物，它們是能夠從陰極接收電子以將有機碳源還原成有價值的生化物質的微生物菌株。
MES的環境效益和演變
微生物電合成 (MES) 的應用超出了生化生產，它還可用于廢水處理和污染物去除。
在微生物電化學（MEC）領域，出現了各種新的應用，包括微生物電滲析電池、微生物鹽水-廢水電解電池、微生物電解脫鹽和化學品生產電池以及微生物反電滲析電解電池。
這些不同的配置和設置允許微生物過程與電化學系統的集成，以解決與廢水處理、脫鹽和化學品生產相關的挑戰，同時利用微生物和電力的潛力。
廢水雖然是環境污染物的來源，但也可以被視為具有多種潛在應用的可再生資源。
其中一項應用是微生物燃料電池 (MFC)，微生物可以利用廢水中的有機物發電，這個過程不僅產生清潔能源，而且有助于廢水處理。
同時廢水可以作為通過微生物電合成 (MES) 過程生產商品生物化學品的寶貴來源，通過將 MES 與廢物生物精煉廠相結合，可以從廢水中回收和再利用資源，從而實現更可持續和更有效的廢物管理方法，MES 過程提供了生物修復的潛力，其中涉及從廢水中去除污染物。
MES 中發生的反應可以定制以選擇性地針對特定污染物，從而處理和凈化廢水流。
廢物生物精煉廠的整合為資源回收、水再利用、發電、有價值的生物化學品的生產以及廢水中污染物的去除提供了機會，有助于采用更可持續和循環的廢水管理方法。
各種來源的氨基酸可以用作溶劑發酵的底物，例如農業殘留物或廢物流，而微生物可以代謝這些氨基酸，產生丁醇或丙酮等溶劑。
纖維素生物質，例如農業廢棄物、木屑或專用能源作物，可以通過酶促水解成可發酵糖，然后微生物可以利用這些糖生產溶劑。
這些示例突出了可用于溶劑發酵過程的生物質來源的多功能性，從而能夠利用各種廢物流和未充分利用的資源進行可持續的化學生產。
微生物電解細胞
微生物電合成 (MES) 的一個優點是它不需要大量的水，并且還能將生物材料加工成生物燃料或生物化學品，這可以對環境產生積極影響，特別是在水資源短缺的地區。
傳統的生物質加工方法，如大規模發酵或水解，通常需要大量的水來進行生物質預處理、酶促反應和分離過程。
MES 利用與微生物的電化學反應，可以在較低的水需求下運行，通過減少生物質到生物燃料轉化過程中對大量水的需求，MES 有助于節約水資源，并最大限度地減少與水消耗相關的環境影響，例如淡水枯竭和廢水產生。
考慮到全球對化石燃料的可持續替代品的需求不斷增加，這一點尤為重要。
而且MES 可以潛在地利用各種生物質原料，包括廢料或非糧食作物，這進一步減少了與用于燃料或化學目的的大規模生物質生產相關的環境影響。
通過最大限度地提高生物質轉化效率和最大限度地減少用水量，MES 為更可持續和更環保的生物燃料生產提供了一條有前途的途徑。
生物氫和甲烷被認為是可持續的清潔燃料，可以使用尖端的微生物電解池 (MEC) 技術生產。MEC 利用電化學和微生物過程的組合將各種原料（包括不同的廢水、二氧化碳、有機物和生物材料）轉化為生物氫和甲烷。
MEC 技術的一個關鍵方面是使用氫營養型微生物，它們能夠直接利用氫氣生產甲烷或其他有價值的副產品。
這些微生物參與 MEC 陰極的電化學反應，在那里它們消耗產生的氫氣并因此產生甲烷。
MEC 性能，包括提高制氫和甲烷生成的效率。這涉及優化反應器設計、電極材料和操作條件，以增強電化學和微生物過程。
另一個挑戰是選擇和維護能夠有效地將氫氣轉化為甲烷的強健的氫營養型微生物。研究工作的重點是識別和表征具有高氫利用率和甲烷產量的微生物群落。
MEC 系統的可擴展性和成本效益需要提高，以使其在經濟上適用于大規模生物制氫和甲烷生產。
這包括開發高效耐用的電極材料、優化系統配置以及將 MEC 與其他工藝集成以提高整體能量轉換效率。
盡管存在這些挑戰，MEC 技術仍有望實現可持續和清潔燃料的生產，因為它可以利用廢物流和溫室氣體作為原料，同時生產有價值的能源載體。
與傳統發酵工藝相比，工程微生物有可能生產出具有增強能力的特殊產品，一個例子是纖維素分解細菌和產乙酸細菌，特別是梭狀芽孢桿菌屬物種的工程改造，可以將纖維素、CO2 和 H2 高產率地轉化為正丁醇。
傳統的發酵工藝，例如丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 發酵，在利用纖維素作為底物方面存在局限性。
通過基因工程技術，可以修飾纖維素分解梭菌菌株以有效降解纖維素并產生正丁醇作為所需產物。這使得能夠利用富含纖維素的原料來生產生物燃料和生物化學品。
微生物電化學電池 (MEC) 提供了利用 CO2 和生產高級醇的潛力。
Ralstonia eutropha H16 是一種產乙酸菌，經過改造可使用 CO2 作為碳源，并將其轉化為高級醇，如 MEC 中的異丁醇和 3-甲基-1-丁醇 (3MB)。
這種電化學方法為從 CO2 中生產有價值的化合物提供了一種替代和可持續的方法，有助于碳捕獲和利用策略的發展，可以探索和優化各種特殊產品的生產，包括生物燃料、生物化學品和其他高價值化合物。
通過基因操作定制微生物的能力允許開發更高效和可持續的生物過程，從而有助于向生物經濟的過渡。
微生蟲
在電輔助發酵中，我們已經研究了各種微生物產生溶劑（例如醇）的能力。
我們常研究的微生物中就包括梭菌屬物種，例如丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌，因為它們以產生溶劑的能力而聞名。
用于溶劑生產的介質的選擇可以根據特定的微生物和所需的最終產品而變化，通常，培養基由碳源、營養素和支持微生物生長和溶劑產生的適當條件組成。常用的碳源包括碳水化合物，例如葡萄糖、木糖或纖維素，它們可以從不同的生物質原料中獲得。
請務必注意，介質組成、工藝條件和電化學參數（如果適用）的優化對于實現高溶劑收率和生產率至關重要。具體細節和結果可能因研究和調查目標而異。
產溶劑梭菌是革蘭氏陽性菌，能夠通過其代謝途徑產生溶劑，例如丁醇、乙醇和丙酮。這些細菌可以利用單糖和多糖（例如葡萄糖或纖維素）作為溶劑生產的碳源。
產溶劑梭菌生產溶劑需要高氧化還原電位，這可以通過提供額外的動力或在發酵過程中保持適當的條件來實現。這可以通過多種方式實現，例如電化學輔助或優化發酵條件以增強微生物細胞內的氧化還原平衡。
產溶劑梭菌因其在生物燃料生產中的潛力而被廣泛研究，特別是丁醇。與乙醇相比，丁醇具有更高的能量密度和與現有燃料基礎設施的相容性，因此被認為是一種很有前途的生物燃料。
丁醇的生產面臨產品毒性大、收率低等挑戰。研究人員探索了各種策略，包括基因工程和工藝優化，以提高產溶劑梭菌的丁醇產量。
通過了解產溶劑梭菌的代謝途徑和要求，研究人員旨在開發更高效、經濟上可行的生物燃料生產工藝。底物選擇、工藝條件和菌株工程的優化有助于提高溶劑產量，并使可再生資源的生物燃料生產更具可持續性。
產溶劑梭狀芽胞桿菌是厭氧菌，可以在無氧條件下代謝碳水化合物。它們擁有一種獨特的代謝途徑，稱為“丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 發酵途徑”，這使它們能夠產生一系列初級代謝物，包括丁醇以及丙酮和乙醇。
在 ABE 發酵途徑中，葡萄糖或其他碳水化合物首先通過糖酵解轉化為丙酮酸，然后丙酮酸通過一系列酶促反應進一步代謝，從而產生丙酮、丁醇和乙醇。
該途徑涉及將乙酰輔酶 A 還原轉化為丁醇，這需要在細胞內提供還原當量和受控的氧化還原平衡。
產溶劑梭菌擁有獨特的酶和調節機制，使它們能夠將碳通量轉移到溶劑生產而不是其他代謝途徑。
丁醇的生產尤為引人注目，因為它是一種有價值的生物燃料和具有多種應用的工業化學品。
我們一直在研究不同的策略來優化產溶劑梭菌的發酵條件、碳源和基因改造，以提高丁醇生產的產量和選擇性。
這包括探索替代原料、代謝工程方法和發酵過程優化，產溶劑梭菌利用碳水化合物和生產丁醇的能力，能夠使它們成為生物燃料生產和可持續生物精煉廠發展的有吸引力的候選者。
微生物生物催化劑，通常稱為電養生物或電活性微生物，具有從外部來源（陰極）接受電子并在其代謝過程中利用它們的能力。
他們可以利用各種電子供體，如有機化合物或分子氫，來驅動電化學反應并產生目標化學品。
在電化學反應中使用微生物生物催化劑有幾個優點。
它提供了一種可持續且環保的化學品生產方法，因為它依賴于可再生資源并在溫和的條件下運行，它還可以利用廢物流和溫室氣體作為原料，有助于廢物修復和碳捕獲。
在優化電化學系統中微生物生物催化劑的性能、穩定性和效率方面仍然存在挑戰需要克服。
結論
廢水中存在的生物質營養素可以作為燃料和化學品生產的可再生和替代來源，富含營養的廢物流，例如來自生物柴油生產的粗甘油，有可能被用作能源，在未來的全球能源生產中發揮重要作用。
在生產化學品，特別是酒精的背景下，微生物發酵和電化學合成的整合受到了關注。
這種方法將微生物的代謝能力與電化學過程相結合，以提高目標化合物的產量，這一綜合過程的一個重要方面是細胞外電子轉移，它涉及微生物和電極之間的電子交換。
酒精、溶劑或生物燃料的微生物發酵確實有某些缺點，包括產品濃度低、生產率低和回收成本高。
電子輔助過程，如電化學合成，提供了一種提高產量和解決這些限制的替代方法，通過電化學系統提供額外的電子，該過程可以提高目標化學品的生產效率和產量。
微生物發酵和電化學合成的結合有望實現化學品和燃料的可持續高效生產，需要進一步的研究來優化工藝條件，改進電子轉移機制，并開發具有成本效益的回收策略。
所以這種方法提供了一種潛在的解決方案，可以提高廢水中生物質養分所需產品的產量和生產率，從而有助于發展更具可持續性和經濟可行性的生物基經濟。
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轉載自頭條號：黎瓔洛。（侵刪）
