光生物催化

盡管陽(yáng)光一直作為一種自然、清潔和豐富的能源和（當(dāng)然）光可供我們使用，但直到最近幾年，光的使用才被完全納入化學(xué)反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)室過(guò)程的工具。由于陽(yáng)光強(qiáng)度隨天氣、季節(jié)和緯度而變化，因此需要人工光源。然而，由于現(xiàn)在我們可以從可持續(xù)能源中獲取光，它似乎是環(huán)?；瘜W(xué)過(guò)程的最佳試劑。幸運(yùn)的是，多虧了許多研究小組的辛勤工作，為過(guò)渡金屬配合物、有機(jī)染料、天然顏料和納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的應(yīng)用鋪平了道路，從而可以從電磁光譜的可見(jiàn)部分收集能量，光和光氧化還原催化在過(guò)去幾年都經(jīng)歷了顯著的增長(zhǎng)。

最近值得注意的例子是可見(jiàn)光光氧化還原催化與金配合物的結(jié)合（Hopkinson 等人，2016 年），使用多孔 Ni 5 P 4加速光催化析氫反應(yīng)（HER）（Liu 等人，2020 年） , 以及助催化劑在 TiO 2光催化中的使用 ( Meng et al., 2019）。從這些例子中可以看出，使用雙催化系統(tǒng)是一種非常有趣的方法。因此，光催化和生物催化的結(jié)合也是一個(gè)越來(lái)越重要的話題也就不足為奇了。這種組合導(dǎo)致開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的可持續(xù)合成途徑，其中光可以成為原位產(chǎn)生和/或再生輔因子或輔底物的有用工具，為（化學(xué)）酶級(jí)聯(lián)提供動(dòng)力（Meyer 等人，2021 年）。

然而，盡管在過(guò)去 20 年中，生物轉(zhuǎn)化已被廣泛研究并被認(rèn)為是合成化學(xué)的可持續(xù)工具，但光催化和生物催化的結(jié)合直到最近才引起了科學(xué)界的興趣（Schmermund 等人，2019 年）。光生物反應(yīng)可以分為兩個(gè)不同的組：體外和體內(nèi)。同樣，在第一類中，我們可以區(qū)分兩種不同的類型，一種是底物被光化學(xué)激發(fā)，然后反應(yīng)進(jìn)行，由生物催化劑催化，另一種是生物催化劑直接或間接進(jìn)入激發(fā)態(tài)，形成“活性”生物催化劑 ( Hong, 2020 ; Meyer et al., 2021）。為了達(dá)到這種“活性”狀態(tài)，光敏劑或光介體被光激發(fā)，這意味著它們的電子被提升到最低未占分子軌道（LUMO）。這可以通過(guò)犧牲電子供體間接再生酶促輔因子，將電子直接轉(zhuǎn)移到酶的輔基，或通過(guò)介質(zhì)將電子間接轉(zhuǎn)移到酶（Maciá Agulló 等人，2015 年；Lee J.-C. 等人，2018 年）。到目前為止，只有四種類型的光驅(qū)動(dòng)酶是已知的，光系統(tǒng) I 和 II ( Chitnis, 2001 ; Vinyard et al., 2013 ; Barber, 2016 )，光解酶 ( Sancar, 2003 ; Sancar, 2016 )）、原葉綠素還原酶（Schoefs 和 Franck，2003 年； Schmermund等人，2020 年）和光脫羧酶（Sorigue 等人，2017 年）。不幸的是，前三種酶在生物催化中仍然沒(méi)有廣泛的應(yīng)用（Scruton，2017）。另一方面，最近發(fā)現(xiàn)的光脫羧酶在利用藍(lán)光通過(guò)天然脂肪和油中存在的脂肪酸脫羧生產(chǎn)直接燃料中的應(yīng)用顯示出有希望的結(jié)果（Huijbers等人，2018 年；Santner等人，2021）。盡管是一個(gè)有趣的領(lǐng)域；需要注意的是，與光生物催化的其他領(lǐng)域的應(yīng)用相比，光酶的使用仍處于起步階段（Bj?rn，2018）。

盡管酶的光化學(xué)活化和輔因子的光化學(xué)再生是很好的方法，但它們的應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn)，例如高反應(yīng)性自由基的產(chǎn)生、低總周轉(zhuǎn)數(shù) (TTN) 和低周轉(zhuǎn)頻率。 TOFs) 的光催化劑（Hollmann 等人，2010 年；Schmermund 等人，2019 年）。這些問(wèn)題可以使用不同的光敏劑或應(yīng)用酶工程來(lái)解決，但這可能是成本密集型的，在某些情況下，不實(shí)用或效率不高。作為不存在這些問(wèn)題的替代方案，在體內(nèi)光生物催化，例如使用微藻或藍(lán)細(xì)菌等自養(yǎng)生物，因其在幾種不同化合物的合成中的應(yīng)用非常有吸引力。這些微生物中存在的光系統(tǒng)能夠進(jìn)行光合作用，將光轉(zhuǎn)化為氧化還原等價(jià)物，而細(xì)胞本身提供專門的電子傳輸鏈，控制自由基等反應(yīng)性物質(zhì)，并在受損時(shí)再生系統(tǒng)。通常，使用微藻進(jìn)行的生物轉(zhuǎn)化具有高度選擇性，具有良好的原子經(jīng)濟(jì)性，并允許設(shè)計(jì)用于輔助因子再生的系統(tǒng)（Schmermund 等人，2019 年）。但也存在與活體相關(guān)的挑戰(zhàn)由于不同的生物體需要不同的條件，并且通常培養(yǎng)物對(duì)溫度、鹽度、pH、光強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)濃度和攪拌的變化非常敏感，因此光生物催化及其升級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程的難度很大（Yen 等人， 2019 年）。

光（生物）反應(yīng)器技術(shù)

培養(yǎng)微生物進(jìn)行光生物轉(zhuǎn)化最常見(jiàn)的方法是使用開(kāi)放式光生物反應(yīng)器 (PBR) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)方面都很經(jīng)濟(jì)，但對(duì)生長(zhǎng)條件的控制較差，這使得它們不適用于精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)。Chisti，2007 年；Chanquia 等人，2021 年）。這些 PBR 通常是跑道形的淺水池。相反，封閉式 PBR 作為一種替代方案興起，在過(guò)去幾年中引起了極大的關(guān)注。它們需要較高的初始投資，并且其運(yùn)維成本高于開(kāi)放系統(tǒng)；然而，它們可以很好地控制栽培條件，通常會(huì)提高生產(chǎn)力（Zhu et al., 2018）。封閉式 PBR 可以有許多不同的配置和形狀，可以是水平或垂直的管狀容器、平板甚至塑料袋，僅舉一些最常見(jiàn)的（Chanquia 等人，2020 年；Chanquia 等人，2021 年）。

另一方面，連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器在過(guò)去的 20 年中得到了深入研究，但尤其是在過(guò)去幾年中，該學(xué)科的出版物數(shù)量急劇增加，如圖 1 所示，并報(bào)告了幾種不同的應(yīng)用技術(shù)，并特別強(qiáng)調(diào)小型流動(dòng)反應(yīng)器以及進(jìn)行分批性能不佳的反應(yīng)（Valera 等人，2010 年；Plutschack 等人，2017 年；De Santis 等人，2020 年）。如果我們考慮到流動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)于間歇式系統(tǒng)的許多優(yōu)勢(shì)，這并不奇怪，尤其是在考慮微型反應(yīng)器時(shí)（Bolivar 等人，2011；?nidar?i?-Plazl，2021a；?nidar?i?-Plazl，2021b）。在這些優(yōu)勢(shì)中，我們必須提到它們適用于涉及多相催化的過(guò)程，例如使用固定化酶的過(guò)程（Gkantzou 等人，2018 年；Thompson 等人，2018 年），它們具有非常快的混合和熱交換速率（Hartman 等人） al., 2011 ; Gürsel et al., 2015 ; Cambie et al., 2016 )，處理多相系統(tǒng)時(shí)的大界面面積 ( No?l 和 Hessel, 2013 ; Mallia 和 Baxendale, 2016 )，提高了反應(yīng)選擇性和重現(xiàn)性 ( Hartman et al., 2016)等人，2011 年；Talla 等人，2015 年；Cambie 等人，2016 年)、簡(jiǎn)化甚至自動(dòng)化的下游處理 ( Webb and Jamison, 2010 ; Pastre et al., 2013 ; Fabry et al., 2014 ; Ley et al., 2015 ; Fabry et al., 2016 ), 提高操作安全性 ( Gutmann et al., 2016) al., 2015 ; Cambie et al., 2016 )，并且在光反應(yīng)的情況下，可靠的放大和改進(jìn)的反應(yīng)混合物輻照 ( Geyer et al., 2006 ; Wegner et al., 2011 ; Su et al., 2011)等人，2014 年；蘇等人，2016 年）。

圖 1。2001-2020 年期間相關(guān)出版物的數(shù)量，其中可以看到人們對(duì)連續(xù)流動(dòng)策略的應(yīng)用越來(lái)越感興趣。在 2021 年 8 月 11 日使用“Web of Science”數(shù)據(jù)庫(kù)搜索“continuous flow reactors”作為主題進(jìn)行分析。

最近有很多優(yōu)秀的評(píng)論集中在連續(xù)流動(dòng)化學(xué)、連續(xù)流動(dòng)光催化和一般的光生物催化，但據(jù)我們所知，沒(méi)有文章概述這些學(xué)科組合的最新進(jìn)展，即“光生物催化在流動(dòng)?！?在這些評(píng)論中，我們想強(qiáng)調(diào)Schmermund 等人發(fā)表的出版物。(2019)概述了在生物催化中使用光的不同可能策略，以及Meyer 等人。（2021 年） ，其中涵蓋了有關(guān)體外光生物催化的最新進(jìn)展。此外，Chanquia 等人。(2021)描述了不同的光生物反應(yīng)器設(shè)置，以及與之相關(guān)的挑戰(zhàn)和觀點(diǎn)。另一方面，我們也認(rèn)為提及?zgen 等人的出版物很重要。（2021 年），重點(diǎn)關(guān)注如何在處理光（化學(xué)）酶促反應(yīng)時(shí)克服挑戰(zhàn)，而Seel 和 Gulder（2019 年）回顧了幾種不同的相關(guān)光催化轉(zhuǎn)化。在連續(xù)流動(dòng)化學(xué)和光化學(xué)領(lǐng)域，我們認(rèn)為特別值得注意的是Plutschack 等人的工作。（2017 年），他為流動(dòng)化學(xué)撰寫了令人驚嘆的指南，Buglioni 等人進(jìn)行了全面審查。（2021），涵蓋了在有機(jī)合成中應(yīng)用的光化學(xué)的最新創(chuàng)新，最近的工作德桑蒂斯等人。（2020 年），回顧了流動(dòng)中生物催化的最新發(fā)展，Britton 等人的工作。(2018)對(duì)合成不同產(chǎn)品的固定化方法進(jìn)行了有趣的概述，以及Cambie 等人的評(píng)論。(2016)，重點(diǎn)研究連續(xù)流動(dòng)光化學(xué)在有機(jī)合成、材料科學(xué)和水處理中的應(yīng)用。此外，?nidar?i?-Plazl (2021b)最近的一項(xiàng)研究概述了酶的異質(zhì)化、過(guò)程的小型化和過(guò)程集成。

這篇綜述旨在填補(bǔ)當(dāng)前文獻(xiàn)中存在的空白，以簡(jiǎn)潔直接的方式涵蓋了一些最新進(jìn)展和連續(xù)流動(dòng)中光生物催化反應(yīng)的最新技術(shù)，以及最重要的用于執(zhí)行這些過(guò)程的不同反應(yīng)器的特征和可能的改進(jìn)。此外，還將概述流式光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化原理，旨在提供一些通用指南，以促進(jìn)光生物催化從間歇式到流動(dòng)式的過(guò)渡。

流動(dòng)光生物催化

在本節(jié)中，將討論流動(dòng)光生物催化在選定的重點(diǎn)研究領(lǐng)域的最新應(yīng)用，例如 1) 有機(jī)合成、2) 能源載體生產(chǎn)和 3) 用于空氣和水處理的環(huán)境生物技術(shù)。

有機(jī)合成中的流動(dòng)光生物催化

到目前為止，連續(xù)流動(dòng)中光生物催化的主要研究重點(diǎn)一直是體內(nèi)應(yīng)用。這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@些生物轉(zhuǎn)化具有高度選擇性，具有良好的原子經(jīng)濟(jì)性，并允許設(shè)計(jì)用于輔因子再生的系統(tǒng)（例如 NADPH），如圖 2所示（K?ninger 等人，2016 年；?zgen 等人，2021 年））。

圖 2.通過(guò)使用存在于光養(yǎng)微生物細(xì)胞內(nèi)的光系統(tǒng)以及異源氧化還原酶來(lái)表示體內(nèi)光生物催化 NADPH 再生。Ctb6 f：細(xì)胞色素 b6 f 復(fù)合物，F(xiàn)d：鐵氧還蛋白，F(xiàn)nR：末端還原酶，PC：質(zhì)體花青，PQ：質(zhì)體醌，PSI：光系統(tǒng) I，PSII：光系統(tǒng) II。改編自?zgen 等人。（2021 年）。

在這一領(lǐng)域，關(guān)于使用光養(yǎng)生物生產(chǎn)生物燃料的研究數(shù)量在過(guò)去幾年中越來(lái)越多（Sero 等人，2020 年），盡管其中大多數(shù)都涉及間歇式光生物反應(yīng)器，但也有一些關(guān)于流動(dòng)的有趣例子微藻的培養(yǎng)和脂質(zhì)的生產(chǎn)。費(fèi)爾南德斯等人發(fā)表的評(píng)論（2015 年）涵蓋了光養(yǎng)生物連續(xù)培養(yǎng)的方法和應(yīng)用，而Remmers 等人的一篇文章（2017 年）定量比較了Acutodesmus obliquus培養(yǎng)物中脂質(zhì)的連續(xù)生產(chǎn)與批量生產(chǎn)。在最后一種情況下，作者得出結(jié)論，分批操作是首選的培養(yǎng)策略。Hai （Dasan et al., 2020 ) 最近開(kāi)發(fā)了一種順序流系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用多個(gè)間歇式光生物反應(yīng)器來(lái)培養(yǎng)普通小球藻，由于增加了保留時(shí)間，因此提高了微藻的生長(zhǎng)和 CO 2固定效率。該系統(tǒng)由四個(gè)氣泡柱光生物反應(yīng)器組成，通過(guò)連續(xù)流動(dòng)的大氣空氣串聯(lián)連接，事實(shí)證明它是碳捕獲的良好選擇。此外，當(dāng)微藻在循環(huán)培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)，脂質(zhì)積累增加，它們獲得了高質(zhì)量的脂肪酸甲酯（FAME），可用作生物燃料。

為了實(shí)現(xiàn)光養(yǎng)生物的高密度培養(yǎng)，這是擴(kuò)大光生物過(guò)程的條件，Hoschek 等人。(2019)引入了毛細(xì)管生物膜反應(yīng)器，用于將環(huán)己烷連續(xù)氧化為環(huán)己醇。該生物膜由含有重組環(huán)己烷單加氧酶的產(chǎn)O 2的集胞藻屬sp.與會(huì)呼吸的O 2臺(tái)灣假單胞菌組合而成。通過(guò)這種方式，他們避免了 O 2在反應(yīng)器中的積累，這是發(fā)展工業(yè)規(guī)模光生物過(guò)程的主要障礙（Vonshak 和 Torzillo，2004 年））。應(yīng)用這種方法，他們實(shí)現(xiàn)了 51.8 g生物質(zhì)干重× L -1的密度，環(huán)己醇的生產(chǎn)率為 3.76 g × m -2 × day -1一個(gè)多月，轉(zhuǎn)化率為 98%。這些都是極好的結(jié)果，但應(yīng)該注意的是，這些實(shí)驗(yàn)中環(huán)己醇的總?cè)肟跐舛认鄬?duì)較低（1 mM）。

如本節(jié)開(kāi)頭所述，由于光酶存在穩(wěn)定性問(wèn)題，并且可能還因?yàn)殡y以使級(jí)聯(lián)或輔因子再生系統(tǒng)適應(yīng)流動(dòng)設(shè)置，因此體內(nèi)策略在流動(dòng)光生物催化中使用最多。盡管如此，還是有一些有趣的體外耦合系統(tǒng)例子，例如Gu 等人發(fā)表的例子。(2020) ，他們?cè)谄渲刑岢隽藦?CO 2合成甲酸鹽的綜合過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們使用中空纖維膜固定甲酸脫氫酶與 UV/TiO 2偶聯(lián)光催化NADH再生系統(tǒng)。應(yīng)用這種方法，他們提高了輔因子的利用效率，并且初始反應(yīng)速率和甲酸鹽的產(chǎn)量都成倍增加。

用于 H 2合成的流動(dòng)光生物催化

在研究替代或至少減少使用化石燃料的不同替代品中，H 2是一種非常有前途的清潔能源載體，因?yàn)樗娜紵划a(chǎn)生污染物并且還產(chǎn)生大量能量（143 GJ × tonne -1） （Kayahan 等人，2017 年；Bolatkhan 等人，2019 年）。矛盾的是，目前約 98% 的 H 2工業(yè)生產(chǎn)來(lái)自不可再生資源（Muradov，2017 年），這表明迫切需要替代生產(chǎn) H 2，這將是朝著循環(huán)可持續(xù)發(fā)展邁出的重要一步經(jīng)濟(jì)。在這種情況下，H 2的光發(fā)酵生產(chǎn)光養(yǎng)生物顯示出巨大的潛力，因?yàn)樗鼈兛梢詢H使用（太陽(yáng)）光從有機(jī)物質(zhì)中產(chǎn)生氫氣（Sa??r 等人，2018 年）。

最近，王等人。(2019)使用帶有聚甲基丙烯酸甲酯網(wǎng)格柱狀的平板 PBR，他們?cè)谄渲猩L(zhǎng)了沼澤紅假單胞菌生物膜，用于連續(xù)流動(dòng)光發(fā)酵生產(chǎn) H 2。在優(yōu)化條件下使用這種設(shè)置，作者報(bào)告了 32.6 mmol × L -1 × d -1的最大產(chǎn)氫率，大約是之前文獻(xiàn)報(bào)道的三倍（Zhang et al., 2010），并且1.15 mol H 2 × mol 葡萄糖-1的氫氣產(chǎn)量. 值得一提的是他們使用的反應(yīng)器的一些特性，例如用硅烷修飾柱表面，這增加了它們的疏水性，提高了反應(yīng)器中的細(xì)胞附著率。張等人。(2019)還致力于持續(xù)可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)，在這種情況下，通過(guò)開(kāi)發(fā)用于沼澤紅假單胞菌生物膜形成的肺泡平板 PBR ，報(bào)告 H 2平均產(chǎn)率為 1.8 mol H 2 × mol 葡萄糖-1。

最近，江等人。(2020)使用玉米漿水解物作為底物，這是一種成本非常低的有機(jī)材料，以及由從淤泥中分離出的五種細(xì)菌菌株（ Rhodospirillum rubrum、Rhodopseudomonas capsulata、Rhodopseudomonas pulastris、Rhodobacter sphaeroides和Rhodobacter capsulatus ）組成的光合聯(lián)合體污水、豬糞和牛糞作為接種物，在自行設(shè)計(jì)的長(zhǎng)管式 PBR 中連續(xù)光發(fā)酵生產(chǎn) H 2 。他們報(bào)告了在 30°C 下 24 小時(shí)后的最大氫氣生產(chǎn)速率為 37 mmol × L -1 × d -1 。

空氣和水處理中的流動(dòng)光生物催化

廢水的產(chǎn)生和大氣污染已成為過(guò)去幾十年來(lái)最大的兩個(gè)環(huán)境問(wèn)題，需要采取緊急措施來(lái)減少它們對(duì)地球的影響，帶來(lái)可怕的后果，如水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化、酸雨、O 3消耗在平流層，以及全球變暖等（Mudliar 等人，2010 年；Mathur 和 Balomajumder，2013 年；Choudhary 等人，2016 年；Sánchez-Morales 等人，2018 年）。

在這種情況下，奧利瓦等人(2019)研究了一種新型細(xì)菌 LED 照明管狀 PBR，并將其與傳統(tǒng)的生物滴濾器進(jìn)行了比較，用于連續(xù)去除甲苯，甲苯被選為模型揮發(fā)性有機(jī)化合物。在這項(xiàng)研究中，他們使用來(lái)自廢水處理廠的由微藻和細(xì)菌組成的活性污泥作為兩種 PBR 的接種物。平均去除效率為 86 ± 9%，這與他們還評(píng)估的傳統(tǒng)生物滴濾器非常相似。他們的方法的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)過(guò)濾器對(duì)次級(jí)抑制代謝物的積累更加敏感，這會(huì)顯著影響工藝性能。這種方法表明，這兩種不同微生物類型之間的協(xié)同作用可用于揮發(fā)性化合物和 CO 的生物降解2固定。

關(guān)于水的處理（Lee SH 等人，2018 年），已經(jīng)使用在半連續(xù)狀態(tài)下工作的浸沒(méi)式膜光生物反應(yīng)器來(lái)處理牲畜廢水，具有出色的氮 (96%) 和磷 (85%) 去除效率，并且產(chǎn)生的生物質(zhì)濃度高達(dá) 3,500 mg × L -1（干重）。最近，Sánchez-Contreras 等人。(2021)研究了混合微藻培養(yǎng)從工業(yè)廢水中去除有機(jī)底物的能力，同時(shí)在半連續(xù)攪拌罐 PBR 中生產(chǎn)富含碳水化合物的生物質(zhì)。在這種情況下，他們報(bào)告了高達(dá) 72% 的氮和 100% 的磷的去除效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 0.033 g L -1 × d的最大產(chǎn)量-1的生物質(zhì)。

用于連續(xù)流動(dòng)應(yīng)用的光生物反應(yīng)器

光生物反應(yīng)器 (PBR) 的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是光生化過(guò)程的一個(gè)主要方面，為反應(yīng)器提供光是主要挑戰(zhàn)之一，因?yàn)樗S著與光源的距離成批地呈指數(shù)下降（見(jiàn)圖 3）。在這方面，連續(xù)流動(dòng)過(guò)程具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)論反應(yīng)器規(guī)模如何，光穿透都是均勻的（Cambie 等人，2016 年；Loubiere 等人，2016 年）。然而，盡管有大量評(píng)論可用于設(shè)計(jì)用于微生物細(xì)胞生長(zhǎng)和光發(fā)酵過(guò)程的連續(xù)運(yùn)行的光生物反應(yīng)器（Adessi 和 De Philippis，2014 年；Zhou 等人，2015 年；Yen 等人，2019 年）) 關(guān)于如何設(shè)計(jì)用于光生物催化目的的反應(yīng)器的信息非常少，特別是對(duì)于連續(xù)流動(dòng)應(yīng)用。盡管如此，文獻(xiàn)中報(bào)道了一些用于流動(dòng)光催化反應(yīng)的新型反應(yīng)器設(shè)計(jì)的例子，這些例子有可能應(yīng)用于生物催化（Visan 等人，2019 年；Sambigio 和 No?l，2020 年；Sundar 和 Kanmani，2020 年）。

圖 3。根據(jù) Lambert-Beer 相關(guān)性，繪制作為與光源的無(wú)量綱距離函數(shù)的光透射率。

反應(yīng)器設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化

PBR 設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是研究感興趣的光生物催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。這是任何反應(yīng)器設(shè)計(jì)方法的一般原則，因?yàn)榱私夥磻?yīng)動(dòng)力學(xué)允許選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器幾何形狀和體積以實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)化率。在光生物催化過(guò)程的情況下，這意味著在第一階段有必要分批確定動(dòng)力學(xué)參數(shù)（例如 Michaelis-Menten 參數(shù)），以便估計(jì)特征反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于光化學(xué)反應(yīng)，這些參數(shù)不僅取決于反應(yīng)物濃度或反應(yīng)速率，還取決于為光催化過(guò)程提供燃料的入射光束的強(qiáng)度。所以，應(yīng)研究光波長(zhǎng)和強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)的影響。最佳光強(qiáng)一般在一個(gè)特定范圍內(nèi)，因?yàn)樵黾庸鈴?qiáng)可以加速反應(yīng)；然而，超過(guò)一定限度可能會(huì)在光養(yǎng)生物中引起光應(yīng)激，使光酶失活或?qū)е鹿獯呋瘎┑脑缙谄住?/span>Assil-Companioni 等人，2020 年；Lakavath 等人，2020 年）。光源的選擇還應(yīng)能提供這些最佳值，同時(shí)保持低能耗。

典型的流動(dòng)光催化裝置如圖 4所示，包括其主要部分，即混合、反應(yīng)和淬火單元 ( Su et al., 2014 )。此外，在設(shè)計(jì)連續(xù)過(guò)程時(shí)，應(yīng)考慮在反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)施或在反應(yīng)器輸出處使用流通池的在線傳感器。使用這種方法，實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)是可行的。如果仔細(xì)評(píng)估生物過(guò)程特征和參數(shù)，則可以將連續(xù)流動(dòng)中光催化過(guò)程的設(shè)計(jì)原則轉(zhuǎn)化為 PBR。一些與 PBR 設(shè)計(jì)和優(yōu)化最相關(guān)的參數(shù)列于表 1中，并將在以下部分中進(jìn)行討論。

圖 4. 光催化應(yīng)用的典型流程設(shè)置。使用兩個(gè)或多個(gè)泵將起始材料（包括在溶液中使用的生物催化劑）引入混合單元，在那里它們?cè)谶M(jìn)入光反應(yīng)器之前被適當(dāng)?shù)鼐?。在那里，反?yīng)在最佳波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光下發(fā)生，理想情況下可以通過(guò) PC 或微控制器遠(yuǎn)程控制和設(shè)置。溫度也可以通過(guò)市售的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如連接到冷卻風(fēng)扇以減少由于燈的散熱而導(dǎo)致的溫升。在出口處，可以通過(guò)在線分析實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)結(jié)果。

表 1.PBR 設(shè)計(jì)和優(yōu)化的相關(guān)參數(shù)列表。

光源的選擇

關(guān)于可能的可見(jiàn)光源及其特性（見(jiàn)表 2)，可以列出四個(gè)備選方案，每個(gè)備選方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)。1）緊湊型熒光燈因其低成本和高可用性而被廣泛應(yīng)用于光化學(xué)；然而，它們的壽命很短，它們對(duì)能量的需求很高，并且會(huì)散發(fā)熱量。2) 激光器提供高功率光源；但是，它們太笨重且太昂貴。3）陽(yáng)光似乎是最好的選擇，成本低，可用且可持續(xù)；然而，它具有高度波動(dòng)的輻照度，這使得它難以用作連續(xù)光源，并且在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上不太實(shí)用。4) 發(fā)光二極管 (LED) 因其高光強(qiáng)和低散熱而被指定為最佳解決方案，但不幸的是，它們的價(jià)格在某些情況下仍然令人望而卻步（蘇等人，2014）。格羅根等人(2019)列舉了使用 LED 作為光源的 PBR 在照明方面應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)：1) 系統(tǒng)在使用單個(gè)光源的可擴(kuò)展性方面必須具有靈活性，2) 光強(qiáng)必須是可變的，以便能夠理解過(guò)程的光功率要求，3) PBR 應(yīng)該有一個(gè)強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)，以便光化學(xué)和熱過(guò)程可以解耦，最后，4) LED 必須是單色的，以便可以識(shí)別用于生物轉(zhuǎn)化的波長(zhǎng)。Winkler 等人最近發(fā)表了一種關(guān)于波長(zhǎng)優(yōu)化的有趣方法。(2021)，其中他們使用定制的多通道 PBR 同時(shí)評(píng)估多個(gè)波長(zhǎng)，以使用可變小球藻光脫羧酶對(duì)棕櫚酸進(jìn)行光脫羧。Baer 等人對(duì)光照條件進(jìn)行了另一種有趣的方法。(2016)，其中他們?cè)u(píng)估了不同的紅綠藍(lán) (RGB) 比率，同時(shí)保持整體光子通量密度恒定，以便在氣泡柱 PBR 中連續(xù)培養(yǎng)不同的藻類。此外，需要優(yōu)化光照位置以實(shí)現(xiàn)最佳照射。一般來(lái)說(shuō)，光源是在反應(yīng)器外部提供的，可以使用反射鏡收集器來(lái)收集盡可能多的光。在這方面，海寧等人。(2015)已經(jīng)提出了一種替代方法，其中無(wú)線光發(fā)射器 (WLE) 可以用作內(nèi)部光源，以優(yōu)化光養(yǎng)微生物培養(yǎng)物 PBR 中的光吸收。在他們的工作中，作者報(bào)告了使用 WLE 與外部照明 PBR 相比的重復(fù)增長(zhǎng)率。霍比施等人。(2021)在最近的一項(xiàng)工作中實(shí)施了 WLE，以改善使用藍(lán)藻作為全細(xì)胞生物催化劑的氣泡柱反應(yīng)器中的光分布和產(chǎn)物形成。通過(guò)使用浮動(dòng) WLE，與使用外部光源相比，產(chǎn)物形成率可以翻倍，比活度高達(dá) 65.5 U g干電池重量-1獲得。對(duì)于連續(xù)流動(dòng)應(yīng)用，例如在填充床反應(yīng)器中，內(nèi)部照明方法將非常有趣和有希望。

表 2。可用于光（生物）催化的不同可見(jiàn)光源的比較

反應(yīng)器材料選擇

由于光分布是 PBR 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此不僅需要找到可能的最佳光源，還需要優(yōu)化反應(yīng)器幾何形狀以實(shí)現(xiàn)均勻的光分布，以及選擇理想的透明材料以最大化傳播。光催化應(yīng)用中最常用的材料之一當(dāng)然是玻璃，根據(jù)所需的特性（例如，截止波長(zhǎng)和耐化學(xué)性），它有多種變體可供選擇。盡管玻璃具有出色的光學(xué)性能，但它非常脆弱，很難通過(guò)微機(jī)械加工成型和成型，這使得它難以用于定制反應(yīng)器。聚合物材料也被廣泛使用，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、全氟烷氧基烷烴 (PFA) 或聚四氟乙烯 (PTFE)?？脖鹊热耍?016 年）。耐化學(xué)性不如玻璃高，但是由于在生物催化應(yīng)用中主要使用水基反應(yīng)介質(zhì)，因此這不是問(wèn)題。同樣重要的是要考慮選擇的材料應(yīng)該是化學(xué)惰性的，并且應(yīng)該評(píng)估與生物催化劑的相容性，因?yàn)榉磻?yīng)器材料浸出到反應(yīng)溶液中可能會(huì)降低酶活性和/或穩(wěn)定性。

生物催化劑制備形式

在 PBR 設(shè)計(jì)中要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是催化劑的形式，即它是自由使用還是固定使用。使用游離的生物催化劑避免了傳質(zhì)限制，但是從反應(yīng)溶液中去除生物催化劑可能并非易事。因此，由于易于處理、分離以及在多個(gè)循環(huán)中重復(fù)使用生物催化劑的可能性，固定化生物催化劑通常是優(yōu)選的。然而，在這種情況下，需要考慮傳質(zhì)限制，以及與游離形式相比，固定化生物催化劑的催化活性較低，這可能是由于固定化過(guò)程中的構(gòu)象變化（Zhu et al., 2020））。在生物催化流動(dòng)應(yīng)用中，在分離酶和全細(xì)胞的固定化方面取得了許多進(jìn)展，這些進(jìn)展已在優(yōu)秀評(píng)論中進(jìn)行了總結(jié)（Kim 和 Herr，2013 年）。對(duì)于連續(xù)流動(dòng)應(yīng)用，迄今為止最常見(jiàn)的固定方法是 1) 共價(jià)或非共價(jià)結(jié)合，無(wú)論是在顆粒上還是在反應(yīng)器表面上；2) 封裝在生物相容性基質(zhì)中，例如海藻酸鈉和無(wú)載體交聯(lián) ( De Santis et al., 2020 )。甚至一些光養(yǎng)生物已被固定化，例如用于 H 2的光發(fā)酵生產(chǎn)，在生產(chǎn)力方面取得了良好的效果（Tsygankov 和 Kosourov，2014 年））。問(wèn)題仍然存在，這些固定化技術(shù)是否可以在未來(lái)應(yīng)用于其他類型的光生物催化過(guò)程，特別是在流動(dòng)反應(yīng)器中，但需要針對(duì)生物催化劑和手頭的過(guò)程逐個(gè)評(píng)估固定化策略。

可能的反應(yīng)器幾何形狀

在為特定的光生物催化應(yīng)用選擇合適的反應(yīng)器幾何形狀時(shí)，已經(jīng)在流動(dòng)光催化中使用的一些示例可以適用于所研究的過(guò)程（Su 等人，2014 年；Sambigio 和 No?l，2020 年）。圖 5描繪了一些典型的反應(yīng)器幾何形狀，表 3總結(jié)了不同的特征測(cè)量。在本次審查中，由于光線分布不佳，我們不考慮經(jīng)典的攪拌釜反應(yīng)器，如圖 3所示. 盤管反應(yīng)器是流動(dòng)光化學(xué)中最簡(jiǎn)單且最常用的反應(yīng)器：它由直接纏繞在光源周圍的柔性管（通常為 PTFE）組成，以最大限度地?cái)U(kuò)大照射表面。由于通道直徑小（通常 < 1 毫米），反應(yīng)器內(nèi)的光分布比間歇式反應(yīng)器內(nèi)的光分布更均勻，從而縮短反應(yīng)時(shí)間，從而減少因過(guò)度照射而形成的副產(chǎn)物，這通常是分批觀察到的。催化劑可以固定在管壁上或泵入反應(yīng)溶液中。通過(guò)增加反應(yīng)器長(zhǎng)度也可以很容易地調(diào)整反應(yīng)器的生產(chǎn)量。另一種類型是填充床反應(yīng)器，如果生物催化劑固定在固體顆粒上或包埋在基質(zhì)（例如海藻酸鈉）中，這是一個(gè)可行的選擇。它由一個(gè)裝有固定化生物催化劑的透明管組成。反應(yīng)器的長(zhǎng)度和直徑可以調(diào)整大小以適應(yīng)所需的反應(yīng)體積；然而，反應(yīng)器壁需要很薄，并且是透明材料，允許幾乎 100% 的入射光透射。光分布可以通過(guò)使用鏡面收集器最大化，但是光催化填充床反應(yīng)器的內(nèi)在問(wèn)題仍然是管芯部分內(nèi)部的光分布不佳。事實(shí)上，如果使用外部光源，反應(yīng)器核心中的催化劑顆粒可能無(wú)法吸收足夠的光來(lái)催化反應(yīng)，從而導(dǎo)致暗區(qū)和總產(chǎn)率下降。此外，根據(jù)催化劑的大小，背壓和傳質(zhì)可能是整個(gè)過(guò)程效率的限制參數(shù)。這些缺點(diǎn)使光催化填充床反應(yīng)器難以擴(kuò)大規(guī)模。允許更高照明效率的填充床反應(yīng)器的變體是環(huán)形反應(yīng)器。在這種情況下，反應(yīng)器以管中管模式圍繞光源構(gòu)建，具有選定的有效區(qū)域厚度，以實(shí)現(xiàn)最佳光分布。然而，背壓和傳質(zhì)仍然是一個(gè)問(wèn)題，特別是如果流體沒(méi)有沿著反應(yīng)器長(zhǎng)度正確分布。其他兩種可能性是平板和芯片狀微反應(yīng)器。在第一種情況下，催化劑可以填充在兩個(gè)保持固定（短）距離的平面之間，而光源可以放置在反應(yīng)器外部所需的距離處。這也可以用來(lái)最大化收集到的光；但是，如果反應(yīng)器裝得太緊，可能會(huì)導(dǎo)致高背壓。然而，通過(guò)在反應(yīng)器兩端使用多個(gè)流體端口可以實(shí)現(xiàn)均勻的流體分布。最后，芯片微反應(yīng)器在流動(dòng)化學(xué)中已經(jīng)是一種既定的幾何形狀，因?yàn)樗梢院苋菀椎赜枚ㄖ频耐ǖ佬螤詈屯该鞑牧希ㄈ绻杌?/span> PDMS）進(jìn)行加工。這種反應(yīng)器也可以應(yīng)用于光生物催化過(guò)程，其中催化劑可以被固定或作為懸浮液泵送通過(guò)。此外，按照所謂的編號(hào)放大方法，可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)微反應(yīng)器輕松進(jìn)行放大。如果反應(yīng)器裝得太緊，可能會(huì)導(dǎo)致高背壓。然而，通過(guò)在反應(yīng)器兩端使用多個(gè)流體端口可以實(shí)現(xiàn)均勻的流體分布。最后，芯片微反應(yīng)器在流動(dòng)化學(xué)中已經(jīng)是一種既定的幾何形狀，因?yàn)樗梢院苋菀椎赜枚ㄖ频耐ǖ佬螤詈屯该鞑牧希ㄈ绻杌?/span> PDMS）進(jìn)行加工。這種反應(yīng)器也可以應(yīng)用于光生物催化過(guò)程，其中催化劑可以被固定或作為懸浮液泵送通過(guò)。此外，按照所謂的編號(hào)放大方法，可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)微反應(yīng)器輕松進(jìn)行放大。

圖 5。選定的常用于流動(dòng)光催化的光反應(yīng)器，可應(yīng)用于光生物催化應(yīng)用。(A)線圈電抗器。(B)填充床反應(yīng)器。(C)環(huán)形反應(yīng)堆。(D)平板反應(yīng)器。(E)芯片微反應(yīng)器。

表 3。這項(xiàng)工作中提出的不同反應(yīng)堆幾何形狀的特征測(cè)量列表。對(duì)于線圈，對(duì)長(zhǎng)度為 1 m、內(nèi)徑為 1 mm 的線圈估計(jì)表面積/體積比。

流程優(yōu)化

在選擇了反應(yīng)器幾何形狀后，為了優(yōu)化給定 PBR 的生產(chǎn)率，要考慮的主要參數(shù)是時(shí)空產(chǎn)率 (STY)，這意味著在反應(yīng)器體積和運(yùn)行時(shí)間中形成的產(chǎn)物/試劑轉(zhuǎn)化量（參見(jiàn)表格1）。通過(guò)確保反應(yīng)器內(nèi)的充分混合和優(yōu)化光分布以最小化黑暗區(qū)域的范圍來(lái)改善傳質(zhì)，可以提高生產(chǎn)率。此外，如果為反應(yīng)提供了足夠的停留時(shí)間以達(dá)到所需的產(chǎn)率，則可以增加流速，或者可以增加反應(yīng)器長(zhǎng)度以具有更高的處理體積。在 PBR 的特定情況下，還有光催化時(shí)空產(chǎn)率 (PSTY)，這意味著需要優(yōu)化 STY 與燈功率之間的比率。這意味著需要最大限度地減少為燈供電所需的能量，以保持工藝對(duì)環(huán)境的低影響：因此，應(yīng)該只使用高效的光源（如 LED）。另外，如前所述，必須最大化傳遞到該過(guò)程的光量以達(dá)到高量子產(chǎn)率，這意味著形成的高產(chǎn)物與吸收的光子比率。這可以通過(guò)找到最佳光強(qiáng)度和位置，以及考慮最佳反應(yīng)器幾何形狀和材料來(lái)減少未吸收光子的程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。Sundar 和 Kanmani，2020 年）。還需要考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，因?yàn)榭赡苡衅渌磻?yīng)與感興趣的光化學(xué)轉(zhuǎn)化競(jìng)爭(zhēng)，或者催化劑可能在一段時(shí)間后失活，在這兩種情況下，量子產(chǎn)率都會(huì)降低（Loubiere et al., 2016）。

關(guān)于光的收集和使用， Hutton 等人發(fā)表了一篇值得推薦的評(píng)論。(2017)涵蓋了有關(guān)使用碳納米點(diǎn) (CND) 作為光敏劑進(jìn)行太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)催化的進(jìn)展。CND 具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其非常適合用作光收集器，例如 1) 價(jià)格低廉，2) 優(yōu)異的表面積體積面積，3) 良好的光穩(wěn)定性和 4) 可調(diào)特性。盡管與其他光敏劑相比，CNDs 開(kāi)始具有競(jìng)爭(zhēng)力，但仍有一些挑戰(zhàn)需要解決，例如其激發(fā)態(tài)的半衰期短、CNDs 結(jié)構(gòu)和合成機(jī)制的不確定性等。盡管如此，這是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)，未來(lái)可以與生物催化劑相結(jié)合，以連續(xù)流動(dòng)的方式進(jìn)行過(guò)程。

最后，比活度也是工藝優(yōu)化的一個(gè)非常重要的參數(shù)。這通常用于生物催化，不僅要考慮起始材料的轉(zhuǎn)化，還要將其與所用生物催化劑的量相關(guān)聯(lián)。因此，需要在用于節(jié)省資源的生物催化劑的量和實(shí)現(xiàn)顯著的生產(chǎn)率之間達(dá)成折衷。如該領(lǐng)域的最新進(jìn)展所示（Schmermund等人，2019 年；Seel 和 Gulder，2019 年），還可以通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)提高比活性。

為了協(xié)助工藝設(shè)計(jì)，許多實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的光反應(yīng)器可從各種供應(yīng)商處購(gòu)得，例如康寧公司的 Advanced-Flow? 反應(yīng)器；來(lái)自 Vapourtec Ltd. 的光化學(xué)反應(yīng)器 UV-150；或 HepatoChem Inc. 的 Lucent360? 反應(yīng)器，如圖 6所示。盡管這些 PBR 沒(méi)有明確用于光生物催化，但它們?nèi)匀豢梢赃m用。可靠的開(kāi)源系統(tǒng)也可用，例如Winkler 等人已經(jīng)提到的平臺(tái)。（2021）以及B?se 等人實(shí)現(xiàn)的 3DP 系統(tǒng)。(2021)，這還允許輕松更換反應(yīng)堆容器和光源。由于對(duì)于開(kāi)源項(xiàng)目，所有文件、部件和代碼都可用，因此這些系統(tǒng)很容易適應(yīng)手頭的流程。此外，由于增材制造知識(shí)的增加，定制的光反應(yīng)器也可以通過(guò) 3D 打印實(shí)現(xiàn)，用于特定目的（Capel 等人，2018 年；Maier 等人，2020 年）。通過(guò)將 3D 打印部件與低成本微控制器和電子設(shè)備相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)定制和集成工藝，其中可以控制和研究一些選定的工藝參數(shù)（例如，濃度、溫度和光強(qiáng)度）（Valotta 等人，2021 年））。3D 打印部件和生物催化劑的相容性已經(jīng)在文獻(xiàn)中得到證明（Peris 等人，2017 年；Ye 等人，2019 年），但直到今天，光生物催化仍然是一種開(kāi)放的、未探索的可能性。對(duì)于想要深入研究照明進(jìn)展和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的讀者，我們還推薦Williams 和 Kappe (2020)的評(píng)論，涉及流動(dòng)光化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展。

圖 6。不同的市售光反應(yīng)器設(shè)置。(A)：Corning ?的AdvancedFlow? 光反應(yīng)器，由串聯(lián)連接的不同玻璃微反應(yīng)器組成，易于放大，可用于不同的光源。(B)：來(lái)自Vapourtec Ltd.的UV150光反應(yīng)器，由纏繞在光源周圍的小氟聚合物線圈制成的線圈反應(yīng)器。它可以與 Vapourtec 提供的其他流動(dòng)系統(tǒng)連接，如圖所示。(C)：來(lái)自 HepatoChem Inc. 的 Lucent360? 反應(yīng)器，可用于分批和流動(dòng)。反應(yīng)器被插入一個(gè)用光照射的絕熱室中，設(shè)置為所需的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。

最后，值得一提的是數(shù)學(xué)模擬取得的進(jìn)展，這也有助于更好地了解不同參數(shù)對(duì)反應(yīng)堆的影響，從而設(shè)計(jì)出更好的 PBR 和控制系統(tǒng)。關(guān)于這個(gè)主題，值得注意的是Skoneczny 等人最近的工作。(2021)，他制定了連續(xù)流動(dòng) PBR 的數(shù)學(xué)模型，可以研究稀釋率、入射輻照度、進(jìn)水氮濃度和生物反應(yīng)器厚度對(duì)其合成中性脂質(zhì)的穩(wěn)態(tài)特性的影響。此外（Borella 等人，2021 年），從藍(lán)藻最大節(jié)旋藻培養(yǎng)物中檢索了動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)參數(shù)在使用增加光強(qiáng)度的紅/藍(lán) LED 燈下，并在數(shù)學(xué)模型上實(shí)現(xiàn)它們，該模型能夠可接受地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)他們的模擬，他們能夠通過(guò)調(diào)整停留時(shí)間將生物質(zhì)生產(chǎn)率提高約 15%。盡管使用彩色 LED 的生產(chǎn)率與使用白色 LED 的生產(chǎn)率相當(dāng)，但光合效率要高得多，高達(dá) 33.42 ± 1.58%，這使得過(guò)程更加節(jié)能。

放大

與典型的熱反應(yīng)不同，對(duì)于光（生物）催化反應(yīng)，在擴(kuò)大反應(yīng)器尺寸（例如，直徑/長(zhǎng)度）的常識(shí)中，由于光在反應(yīng)器中的穿透深度隨著距反應(yīng)器距離的增加而減小，因此按比例放大是相當(dāng)有限的。光源。事實(shí)上，可以從微反應(yīng)器 (ID < 1 mm) 切換到中反應(yīng)器 (ID > 1 mm)，但是需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，因?yàn)榉磻?yīng)的產(chǎn)率不能直接隨通道直徑擴(kuò)展. 產(chǎn)生更多產(chǎn)品的其他三種可能性： 1) 運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，或所謂的“橫向擴(kuò)展方法”；2) 增加反應(yīng)器的流速或長(zhǎng)度，以及 3) 使用多個(gè)并聯(lián)單元，也稱為編號(hào)向上 ( Anderson, 2012 ;Sambiagio 和 No?l，2020 年）。橫向擴(kuò)展可能是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)椴恍枰M(jìn)一步優(yōu)化工藝條件。但是，如果所涉及的催化劑或其他物種隨著時(shí)間的推移容易發(fā)生光降解，則不是一種選擇（Sambigio 和 No?l，2020）。第二個(gè)選項(xiàng)與第一個(gè)選項(xiàng)類似，但是需要進(jìn)一步優(yōu)化，因?yàn)楦淖兞魉僖馕吨淖兎磻?yīng)器內(nèi)的流動(dòng)行為，這可能會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，增加流速或反應(yīng)器長(zhǎng)度也可能導(dǎo)致系統(tǒng)中更高的壓降。第三種選擇可以在外部和內(nèi)部編號(hào)上進(jìn)行區(qū)分：第一種是指并聯(lián)使用多個(gè)單獨(dú)的單元，第二種是增加一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的通道數(shù)。這種策略非常方便，因?yàn)橥ǖ莱叽绫３植蛔?，因此反?yīng)結(jié)果和流動(dòng)行為不受影響。然而，設(shè)計(jì)合適的流體輸送系統(tǒng)以避免可能影響反應(yīng)單元中停留時(shí)間的流動(dòng)分布不均是至關(guān)重要的。Saber 等人，2010 年）并降低了系統(tǒng)的整體性能。

盡管連續(xù)過(guò)程有許多列舉的優(yōu)點(diǎn)，但需要根據(jù)具體情況評(píng)估將生物轉(zhuǎn)化從批次轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)的可能性。

一般來(lái)說(shuō)，出于動(dòng)力學(xué)篩選的目的，仍然建議從批次開(kāi)始，特別是在生物催化中，活性測(cè)定方法已經(jīng)完善，反應(yīng)可以在 96 孔板或小瓶中快速篩選。然而，如果最終目標(biāo)是提高生產(chǎn)力，那么流動(dòng)絕對(duì)值得考慮（Valera 等人，2010 年；Hartman 等人，2011 年）。

與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器相比，流動(dòng)反應(yīng)器的主要優(yōu)勢(shì)確實(shí)是更高的表面積，因?yàn)樗鼈兊奶卣鞒叽绺。?/span>Su et al., 2014）。結(jié)果，化合物在反應(yīng)溶液中擴(kuò)散的距離更短，因此傳質(zhì)增強(qiáng)，意味著可以獲得更好的混合。這對(duì)于非?？焖俸突旌鲜芟薜姆磻?yīng)特別有趣，因?yàn)榭梢苑乐剐纬删植繚舛忍荻炔⒁虼水a(chǎn)生副產(chǎn)物，從而提高產(chǎn)率（Cambie 等人，2016 年）。在多相反應(yīng)的情況下也是有利的，因?yàn)楦叩慕缑娼佑|，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率（Plutschack 等人，2017）。最重要的是，在光化學(xué)反應(yīng)的特定情況下，流動(dòng)反應(yīng)器中較高的表面積和較小的內(nèi)部尺寸可以增加光穿透并改善光分布，因?yàn)閬?lái)自光源的光擴(kuò)散路徑減少。這是流動(dòng)反應(yīng)器的主要資產(chǎn)，如圖 3所示。燒瓶?jī)?nèi)的光強(qiáng)度變化更大，導(dǎo)致形成暗區(qū)，從而降低整體反應(yīng)產(chǎn)率（Cambie 等人，2016 年）。此外，可以通過(guò)調(diào)節(jié)流速和反應(yīng)器體積來(lái)精確控制曝光時(shí)間，這對(duì)于避免催化劑或參與反應(yīng)的化合物的過(guò)度照射降解特別有利（Knowles 等，2012）。

改進(jìn)的熱傳遞是流動(dòng)反應(yīng)器幾何形狀帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。盡管溫度不是光化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，但將光反應(yīng)器保持在恒定和受控的溫度仍然很重要，特別是對(duì)于熱不穩(wěn)定的生物催化劑。因此，需要快速熱交換來(lái)補(bǔ)償光源可能的散熱（Cambie 等人，2016 年）。

但是，連續(xù)應(yīng)用存在一些限制。固體處理經(jīng)常被指定為實(shí)施連續(xù)設(shè)備的一個(gè)問(wèn)題，但需要解決不同情況之間的區(qū)別。對(duì)于涉及一種或多種物質(zhì)沉淀的反應(yīng)，或者在一種或多種試劑由于溶解度限制而處于懸浮狀態(tài)的情況下，反應(yīng)器通道或其他反應(yīng)設(shè)備（例如，混合器和壓力調(diào)節(jié)器）很可能堵塞，因此，間歇式反應(yīng)器更可?。?/span>Plutschack 等人，2017）。在線過(guò)濾器可用，可用于在進(jìn)入反應(yīng)器之前澄清進(jìn)入的流，但是需要在操作程序中計(jì)劃在一定操作時(shí)間后過(guò)濾器的清潔和更換。盡管如此，如果（光）生物催化劑固定在固體載體上，連續(xù)反應(yīng)器（如填充床）可能更有利，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)更高的生物催化劑負(fù)載，因此可以減少反應(yīng)時(shí)間，從而提高整體工藝效率（Zhu et等人，2020 年）。

當(dāng)處理受動(dòng)力學(xué)限制的緩慢反應(yīng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)的另一個(gè)限制。事實(shí)上，如果混合或傳質(zhì)速率對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響很小，那么留在批次中可能仍然更方便。如果反應(yīng)在產(chǎn)率、規(guī)模和反應(yīng)時(shí)間方面已經(jīng)被報(bào)告為令人滿意的，則同樣適用。然而，應(yīng)該考慮的是，在處理光生物催化系統(tǒng)時(shí)，流動(dòng)系統(tǒng)提供的改進(jìn)的光分布可能會(huì)導(dǎo)致更有效的反應(yīng)。（Plutschack 等人，2017 年）。

結(jié)論與展望

考慮到世界邁向可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的迫切需要，聯(lián)合國(guó)關(guān)于全球變暖的最新報(bào)告（IPCC，2021）直接證明了這一點(diǎn)，很明顯，我們生產(chǎn)和制造商品的方式必須發(fā)生改變，化學(xué)過(guò)程也不例外。

在這種情況下，生物催化和連續(xù)流動(dòng)化學(xué)的結(jié)合已經(jīng)取得了良好的效果，由于其一些重要特性，例如出色的溫度控制、高表面積體積比和良好的質(zhì)量，提高了多個(gè)過(guò)程的效率和生產(chǎn)率轉(zhuǎn)讓等。這些特點(diǎn)導(dǎo)致更高的生產(chǎn)力，更好地利用可用資源以及在更溫和的條件下工作的可能性，與經(jīng)典策略相比，這最終對(duì)環(huán)境有利得多。盡管連續(xù)流動(dòng)在光生物催化中的應(yīng)用是一門尚處于起步階段的學(xué)科，但它已經(jīng)在社區(qū)引起了極大的轟動(dòng)，有幾篇文章提出將其作為光生物催化所帶來(lái)的一些挑戰(zhàn)的解決方案。施默蒙德等人，2019；邁耶等人，2021；?zgen 等人，2021 年）。

我們相信，未來(lái)對(duì)流動(dòng)光生物催化的研究將致力于設(shè)計(jì)更高效的反應(yīng)器。最大的挑戰(zhàn)仍然是開(kāi)發(fā)新技術(shù)以提供更好的光，其中應(yīng)包括優(yōu)化低影響光源和透明材料以提高量子產(chǎn)率。另一個(gè)問(wèn)題是光生物催化劑的壽命，然而，隨著蛋白質(zhì)工程的最新進(jìn)展，可以設(shè)計(jì)出更活躍、更穩(wěn)定的生物催化劑，這也可能使連續(xù)光生物反應(yīng)器在工業(yè)中的實(shí)施更加可行。此外，固定化策略在過(guò)去幾年中取得了很大的進(jìn)步，這可能為光催化應(yīng)用增加生物催化劑的可重復(fù)使用性打開(kāi)了可能性。

在這篇綜述中，我們簡(jiǎn)要概述了流動(dòng)光生物催化領(lǐng)域的最新進(jìn)展以及光反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理，并相信流動(dòng)技術(shù)的這些應(yīng)用在不久的將來(lái)具有廣泛應(yīng)用的巨大潛力。

關(guān)鍵詞：連續(xù)處理，微藻，光酶，光生物反應(yīng)器，光生物催化，流動(dòng)生物催化

Photobiocatalysis in Continuous Flow （2022）

https://doi.org/10.3389/fctls.2021.816538