连续流动中的光生物催化

光生物催化

尽管阳光一直作为一种自然、清洁和丰富的能源和（当然）光可供我们使用，但直到最近几年，光的使用才被完全纳入化学反应和实验室过程的工具。由于阳光强度随天气、季节和纬度而变化，因此需要人工光源。然而，由于现在我们可以从可持续能源中获取光，它似乎是环保化学过程的最佳试剂。幸运的是，多亏了许多研究小组的辛勤工作，为过渡金属配合物、有机染料、天然颜料和纳米结构半导体的应用铺平了道路，从而可以从电磁光谱的可见部分收集能量，光和光氧化还原催化在过去几年都经历了显着的增长。

最近值得注意的例子是可见光光氧化还原催化与金配合物的结合（Hopkinson 等人，2016 年），使用多孔 Ni 5 P 4加速光催化析氢反应（HER）（Liu 等人，2020 年） , 以及助催化剂在 TiO 2光催化中的使用 ( Meng et al., 2019）。从这些例子中可以看出，使用双催化系统是一种非常有趣的方法。因此，光催化和生物催化的结合也是一个越来越重要的话题也就不足为奇了。这种组合导致开发了改进的可持续合成途径，其中光可以成为原位产生和/或再生辅因子或辅底物的有用工具，为（化学）酶级联提供动力（Meyer 等人，2021 年）。

然而，尽管在过去 20 年中，生物转化已被广泛研究并被认为是合成化学的可持续工具，但光催化和生物催化的结合直到最近才引起了科学界的兴趣（Schmermund 等人，2019 年）。光生物反应可以分为两个不同的组：体外和体内。同样，在第一类中，我们可以区分两种不同的类型，一种是底物被光化学激发，然后反应进行，由生物催化剂催化，另一种是生物催化剂直接或间接进入激发态，形成“活性”生物催化剂 ( Hong, 2020 ; Meyer et al., 2021）。为了达到这种“活性”状态，光敏剂或光介体被光激发，这意味着它们的电子被提升到最低未占分子轨道（LUMO）。这可以通过牺牲电子供体间接再生酶促辅因子，将电子直接转移到酶的辅基，或通过介质将电子间接转移到酶（Maciá Agulló 等人，2015 年；Lee J.-C. 等人，2018 年）。到目前为止，只有四种类型的光驱动酶是已知的，光系统 I 和 II ( Chitnis, 2001 ; Vinyard et al., 2013 ; Barber, 2016 )，光解酶 ( Sancar, 2003 ; Sancar, 2016 )）、原叶绿素还原酶（Schoefs 和 Franck，2003 年； Schmermund等人，2020 年）和光脱羧酶（Sorigue 等人，2017 年）。不幸的是，前三种酶在生物催化中仍然没有广泛的应用（Scruton，2017）。另一方面，最近发现的光脱羧酶在利用蓝光通过天然脂肪和油中存在的脂肪酸脱羧生产直接燃料中的应用显示出有希望的结果（Huijbers等人，2018 年；Santner等人，2021）。尽管是一个有趣的领域；需要注意的是，与光生物催化的其他领域的应用相比，光酶的使用仍处于起步阶段（Björn，2018）。

尽管酶的光化学活化和辅因子的光化学再生是很好的方法，但它们的应用仍然存在许多挑战，例如高反应性自由基的产生、低总周转数 (TTN) 和低周转频率。 TOFs) 的光催化剂（Hollmann 等人，2010 年；Schmermund 等人，2019 年）。这些问题可以使用不同的光敏剂或应用酶工程来解决，但这可能是成本密集型的，在某些情况下，不实用或效率不高。作为不存在这些问题的替代方案，在体内光生物催化，例如使用微藻或蓝细菌等自养生物，因其在几种不同化合物的合成中的应用非常有吸引力。这些微生物中存在的光系统能够进行光合作用，将光转化为氧化还原等价物，而细胞本身提供专门的电子传输链，控制自由基等反应性物质，并在受损时再生系统。通常，使用微藻进行的生物转化具有高度选择性，具有良好的原子经济性，并允许设计用于辅助因子再生的系统（Schmermund 等人，2019 年）。但也存在与活体相关的挑战由于不同的生物体需要不同的条件，并且通常培养物对温度、盐度、pH、光强度、营养浓度和搅拌的变化非常敏感，因此光生物催化及其升级和标准化过程的难度很大（Yen 等人， 2019 年）。

光（生物）反应器技术

培养微生物进行光生物转化最常见的方法是使用开放式光生物反应器 (PBR) 系统，该系统在建设、运行和维护方面都很经济，但对生长条件的控制较差，这使得它们不适用于精细化学品的生产。Chisti，2007 年；Chanquia 等人，2021 年）。这些 PBR 通常是跑道形的浅水池。相反，封闭式 PBR 作为一种替代方案兴起，在过去几年中引起了极大的关注。它们需要较高的初始投资，并且其运维成本高于开放系统；然而，它们可以很好地控制栽培条件，通常会提高生产力（Zhu et al., 2018）。封闭式 PBR 可以有许多不同的配置和形状，可以是水平或垂直的管状容器、平板甚至塑料袋，仅举一些最常见的（Chanquia 等人，2020 年；Chanquia 等人，2021 年）。

另一方面，连续流动反应器在过去的 20 年中得到了深入研究，但尤其是在过去几年中，该学科的出版物数量急剧增加，如图 1 所示，并报告了几种不同的应用技术，并特别强调小型流动反应器以及进行分批性能不佳的反应（Valera 等人，2010 年；Plutschack 等人，2017 年；De Santis 等人，2020 年）。如果我们考虑到流动系统相对于间歇式系统的许多优势，这并不奇怪，尤其是在考虑微型反应器时（Bolivar 等人，2011；Žnidaršič-Plazl，2021a；Žnidaršič-Plazl，2021b）。在这些优势中，我们必须提到它们适用于涉及多相催化的过程，例如使用固定化酶的过程（Gkantzou 等人，2018 年；Thompson 等人，2018 年），它们具有非常快的混合和热交换速率（Hartman 等人） al., 2011 ; Gürsel et al., 2015 ; Cambie et al., 2016 )，处理多相系统时的大界面面积 ( Noël 和 Hessel, 2013 ; Mallia 和 Baxendale, 2016 )，提高了反应选择性和重现性 ( Hartman et al., 2016)等人，2011 年；Talla 等人，2015 年；Cambie 等人，2016 年)、简化甚至自动化的下游处理 ( 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 )，并且在光反应的情况下，可靠的放大和改进的反应混合物辐照 ( Geyer et al., 2006 ; Wegner et al., 2011 ; Su et al., 2011)等人，2014 年；苏等人，2016 年）。

图 1。2001-2020 年期间相关出版物的数量，其中可以看到人们对连续流动策略的应用越来越感兴趣。在 2021 年 8 月 11 日使用“Web of Science”数据库搜索“continuous flow reactors”作为主题进行分析。

最近有很多优秀的评论集中在连续流动化学、连续流动光催化和一般的光生物催化，但据我们所知，没有文章概述这些学科组合的最新进展，即“光生物催化在流动。” 在这些评论中，我们想强调Schmermund 等人发表的出版物。(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） ，其中涵盖了有关体外光生物催化的最新进展。此外，Chanquia 等人。(2021)描述了不同的光生物反应器设置，以及与之相关的挑战和观点。另一方面，我们也认为提及Özgen 等人的出版物很重要。（2021 年），重点关注如何在处理光（化学）酶促反应时克服挑战，而Seel 和 Gulder（2019 年）回顾了几种不同的相关光催化转化。在连续流动化学和光化学领域，我们认为特别值得注意的是Plutschack 等人的工作。（2017 年），他为流动化学撰写了令人惊叹的指南，Buglioni 等人进行了全面审查。（2021），涵盖了在有机合成中应用的光化学的最新创新，最近的工作德桑蒂斯等人。（2020 年），回顾了流动中生物催化的最新发展，Britton 等人的工作。(2018)对合成不同产品的固定化方法进行了有趣的概述，以及Cambie 等人的评论。(2016)，重点研究连续流动光化学在有机合成、材料科学和水处理中的应用。此外，Žnidaršič-Plazl (2021b)最近的一项研究概述了酶的异质化、过程的小型化和过程集成。

这篇综述旨在填补当前文献中存在的空白，以简洁直接的方式涵盖了一些最新进展和连续流动中光生物催化反应的最新技术，以及最重要的用于执行这些过程的不同反应器的特征和可能的改进。此外，还将概述流式光催化反应器的设计和优化原理，旨在提供一些通用指南，以促进光生物催化从间歇式到流动式的过渡。

流动光生物催化

在本节中，将讨论流动光生物催化在选定的重点研究领域的最新应用，例如 1) 有机合成、2) 能源载体生产和 3) 用于空气和水处理的环境生物技术。

有机合成中的流动光生物催化

到目前为止，连续流动中光生物催化的主要研究重点一直是体内应用。这种方法有几个优点，因为这些生物转化具有高度选择性，具有良好的原子经济性，并允许设计用于辅因子再生的系统（例如 NADPH），如图 2所示（Köninger 等人，2016 年；Özgen 等人，2021 年））。

图 2.通过使用存在于光养微生物细胞内的光系统以及异源氧化还原酶来表示体内光生物催化 NADPH 再生。Ctb6 f：细胞色素 b6 f 复合物，Fd：铁氧还蛋白，FnR：末端还原酶，PC：质体花青，PQ：质体醌，PSI：光系统 I，PSII：光系统 II。改编自Özgen 等人。（2021 年）。

在这一领域，关于使用光养生物生产生物燃料的研究数量在过去几年中越来越多（Sero 等人，2020 年），尽管其中大多数都涉及间歇式光生物反应器，但也有一些关于流动的有趣例子微藻的培养和脂质的生产。费尔南德斯等人发表的评论（2015 年）涵盖了光养生物连续培养的方法和应用，而Remmers 等人的一篇文章（2017 年）定量比较了Acutodesmus obliquus培养物中脂质的连续生产与批量生产。在最后一种情况下，作者得出结论，分批操作是首选的培养策略。Hai （Dasan et al., 2020 ) 最近开发了一种顺序流系统，该系统使用多个间歇式光生物反应器来培养普通小球藻，由于增加了保留时间，因此提高了微藻的生长和 CO 2固定效率。该系统由四个气泡柱光生物反应器组成，通过连续流动的大气空气串联连接，事实证明它是碳捕获的良好选择。此外，当微藻在循环培养基中培养时，脂质积累增加，它们获得了高质量的脂肪酸甲酯（FAME），可用作生物燃料。

为了实现光养生物的高密度培养，这是扩大光生物过程的条件，Hoschek 等人。(2019)引入了毛细管生物膜反应器，用于将环己烷连续氧化为环己醇。该生物膜由含有重组环己烷单加氧酶的产O 2的集胞藻属sp.与会呼吸的O 2台湾假单胞菌组合而成。通过这种方式，他们避免了 O 2在反应器中的积累，这是发展工业规模光生物过程的主要障碍（Vonshak 和 Torzillo，2004 年））。应用这种方法，他们实现了 51.8 g生物质干重× L -1的密度，环己醇的生产率为 3.76 g × m -2 × day -1一个多月，转化率为 98%。这些都是极好的结果，但应该注意的是，这些实验中环己醇的总入口浓度相对较低（1 mM）。

如本节开头所述，由于光酶存在稳定性问题，并且可能还因为难以使级联或辅因子再生系统适应流动设置，因此体内策略在流动光生物催化中使用最多。尽管如此，还是有一些有趣的体外耦合系统例子，例如Gu 等人发表的例子。(2020) ，他们在其中提出了从 CO 2合成甲酸盐的综合过程。为了实现这一目标，他们使用中空纤维膜固定甲酸脱氢酶与 UV/TiO 2偶联光催化NADH再生系统。应用这种方法，他们提高了辅因子的利用效率，并且初始反应速率和甲酸盐的产量都成倍增加。

用于 H 2合成的流动光生物催化

在研究替代或至少减少使用化石燃料的不同替代品中，H 2是一种非常有前途的清洁能源载体，因为它的燃烧不产生污染物并且还产生大量能量（143 GJ × tonne -1） （Kayahan 等人，2017 年；Bolatkhan 等人，2019 年）。矛盾的是，目前约 98% 的 H 2工业生产来自不可再生资源（Muradov，2017 年），这表明迫切需要替代生产 H 2，这将是朝着循环可持续发展迈出的重要一步经济。在这种情况下，H 2的光发酵生产光养生物显示出巨大的潜力，因为它们可以仅使用（太阳）光从有机物质中产生氢气（Sağır 等人，2018 年）。

最近，王等人。(2019)使用带有聚甲基丙烯酸甲酯网格柱状的平板 PBR，他们在其中生长了沼泽红假单胞菌生物膜，用于连续流动光发酵生产 H 2。在优化条件下使用这种设置，作者报告了 32.6 mmol × L -1 × d -1的最大产氢率，大约是之前文献报道的三倍（Zhang et al., 2010），并且1.15 mol H 2 × mol 葡萄糖-1的氢气产量. 值得一提的是他们使用的反应器的一些特性，例如用硅烷修饰柱表面，这增加了它们的疏水性，提高了反应器中的细胞附着率。张等人。(2019)还致力于持续可持续的氢气生产，在这种情况下，通过开发用于沼泽红假单胞菌生物膜形成的肺泡平板 PBR ，报告 H 2平均产率为 1.8 mol H 2 × mol 葡萄糖-1。

最近，江等人。(2020)使用玉米浆水解物作为底物，这是一种成本非常低的有机材料，以及由从淤泥中分离出的五种细菌菌株（ Rhodospirillum rubrum、Rhodopseudomonas capsulata、Rhodopseudomonas pulastris、Rhodobacter sphaeroides和Rhodobacter capsulatus ）组成的光合联合体污水、猪粪和牛粪作为接种物，在自行设计的长管式 PBR 中连续光发酵生产 H 2 。他们报告了在 30°C 下 24 小时后的最大氢气生产速率为 37 mmol × L -1 × d -1 。

空气和水处理中的流动光生物催化

废水的产生和大气污染已成为过去几十年来最大的两个环境问题，需要采取紧急措施来减少它们对地球的影响，带来可怕的后果，如水环境富营养化、酸雨、O 3消耗在平流层，以及全球变暖等（Mudliar 等人，2010 年；Mathur 和 Balomajumder，2013 年；Choudhary 等人，2016 年；Sánchez-Morales 等人，2018 年）。

在这种情况下，奥利瓦等人(2019)研究了一种新型细菌 LED 照明管状 PBR，并将其与传统的生物滴滤器进行了比较，用于连续去除甲苯，甲苯被选为模型挥发性有机化合物。在这项研究中，他们使用来自废水处理厂的由微藻和细菌组成的活性污泥作为两种 PBR 的接种物。平均去除效率为 86 ± 9%，这与他们还评估的传统生物滴滤器非常相似。他们的方法的优点是传统过滤器对次级抑制代谢物的积累更加敏感，这会显着影响工艺性能。这种方法表明，这两种不同微生物类型之间的协同作用可用于挥发性化合物和 CO 的生物降解2固定。

关于水的处理（Lee SH 等人，2018 年），已经使用在半连续状态下工作的浸没式膜光生物反应器来处理牲畜废水，具有出色的氮 (96%) 和磷 (85%) 去除效率，并且产生的生物质浓度高达 3,500 mg × L -1（干重）。最近，Sánchez-Contreras 等人。(2021)研究了混合微藻培养从工业废水中去除有机底物的能力，同时在半连续搅拌罐 PBR 中生产富含碳水化合物的生物质。在这种情况下，他们报告了高达 72% 的氮和 100% 的磷的去除效率，同时实现了 0.033 g L -1 × d的最大产量-1的生物质。

用于连续流动应用的光生物反应器

光生物反应器 (PBR) 的设计和优化是光生化过程的一个主要方面，为反应器提供光是主要挑战之一，因为它随着与光源的距离成批地呈指数下降（见图 3）。在这方面，连续流动过程具有优势，因为无论反应器规模如何，光穿透都是均匀的（Cambie 等人，2016 年；Loubiere 等人，2016 年）。然而，尽管有大量评论可用于设计用于微生物细胞生长和光发酵过程的连续运行的光生物反应器（Adessi 和 De Philippis，2014 年；Zhou 等人，2015 年；Yen 等人，2019 年）) 关于如何设计用于光生物催化目的的反应器的信息非常少，特别是对于连续流动应用。尽管如此，文献中报道了一些用于流动光催化反应的新型反应器设计的例子，这些例子有可能应用于生物催化（Visan 等人，2019 年；Sambigio 和 Noël，2020 年；Sundar 和 Kanmani，2020 年）。

图 3。根据 Lambert-Beer 相关性，绘制作为与光源的无量纲距离函数的光透射率。

反应器设计和工艺优化

PBR 设计的出发点是研究感兴趣的光生物催化反应的动力学。这是任何反应器设计方法的一般原则，因为了解反应动力学允许选择适当的反应器几何形状和体积以实现所需的转化率。在光生物催化过程的情况下，这意味着在第一阶段有必要分批确定动力学参数（例如 Michaelis-Menten 参数），以便估计特征反应时间。对于光化学反应，这些参数不仅取决于反应物浓度或反应速率，还取决于为光催化过程提供燃料的入射光束的强度。所以，应研究光波长和强度对反应的影响。最佳光强一般在一个特定范围内，因为增加光强可以加速反应；然而，超过一定限度可能会在光养生物中引起光应激，使光酶失活或导致光催化剂的早期漂白。Assil-Companioni 等人，2020 年；Lakavath 等人，2020 年）。光源的选择还应能提供这些最佳值，同时保持低能耗。

典型的流动光催化装置如图 4所示，包括其主要部分，即混合、反应和淬火单元 ( Su et al., 2014 )。此外，在设计连续过程时，应考虑在反应器内部实施或在反应器输出处使用流通池的在线传感器。使用这种方法，实时测量和监控关键过程参数是可行的。如果仔细评估生物过程特征和参数，则可以将连续流动中光催化过程的设计原则转化为 PBR。一些与 PBR 设计和优化最相关的参数列于表 1中，并将在以下部分中进行讨论。

图 4. 光催化应用的典型流程设置。使用两个或多个泵将起始材料（包括在溶液中使用的生物催化剂）引入混合单元，在那里它们在进入光反应器之前被适当地均化。在那里，反应在最佳波长和强度的光下发生，理想情况下可以通过 PC 或微控制器远程控制和设置。温度也可以通过市售的传感器进行监测，例如连接到冷却风扇以减少由于灯的散热而导致的温升。在出口处，可以通过在线分析实时监控反应结果。

表 1.PBR 设计和优化的相关参数列表。

光源的选择

关于可能的可见光源及其特性（见表 2)，可以列出四个备选方案，每个备选方案都有其优缺点。1）紧凑型荧光灯因其低成本和高可用性而被广泛应用于光化学；然而，它们的寿命很短，它们对能量的需求很高，并且会散发热量。2) 激光器提供高功率光源；但是，它们太笨重且太昂贵。3）阳光似乎是最好的选择，成本低，可用且可持续；然而，它具有高度波动的辐照度，这使得它难以用作连续光源，并且在实验室规模上不太实用。4) 发光二极管 (LED) 因其高光强和低散热而被指定为最佳解决方案，但不幸的是，它们的价格在某些情况下仍然令人望而却步（苏等人，2014）。格罗根等人(2019)列举了使用 LED 作为光源的 PBR 在照明方面应满足的标准：1) 系统在使用单个光源的可扩展性方面必须具有灵活性，2) 光强必须是可变的，以便能够理解过程的光功率要求，3) PBR 应该有一个强大的冷却系统，以便光化学和热过程可以解耦，最后，4) LED 必须是单色的，以便可以识别用于生物转化的波长。Winkler 等人最近发表了一种关于波长优化的有趣方法。(2021)，其中他们使用定制的多通道 PBR 同时评估多个波长，以使用可变小球藻光脱羧酶对棕榈酸进行光脱羧。Baer 等人对光照条件进行了另一种有趣的方法。(2016)，其中他们评估了不同的红绿蓝 (RGB) 比率，同时保持整体光子通量密度恒定，以便在气泡柱 PBR 中连续培养不同的藻类。此外，需要优化光照位置以实现最佳照射。一般来说，光源是在反应器外部提供的，可以使用反射镜收集器来收集尽可能多的光。在这方面，海宁等人。(2015)已经提出了一种替代方法，其中无线光发射器 (WLE) 可以用作内部光源，以优化光养微生物培养物 PBR 中的光吸收。在他们的工作中，作者报告了使用 WLE 与外部照明 PBR 相比的重复增长率。霍比施等人。(2021)在最近的一项工作中实施了 WLE，以改善使用蓝藻作为全细胞生物催化剂的气泡柱反应器中的光分布和产物形成。通过使用浮动 WLE，与使用外部光源相比，产物形成率可以翻倍，比活度高达 65.5 U g干电池重量-1获得。对于连续流动应用，例如在填充床反应器中，内部照明方法将非常有趣和有希望。

表 2。可用于光（生物）催化的不同可见光源的比较

反应器材料选择

由于光分布是 PBR 设计的关键参数，因此不仅需要找到可能的最佳光源，还需要优化反应器几何形状以实现均匀的光分布，以及选择理想的透明材料以最大化传播。光催化应用中最常用的材料之一当然是玻璃，根据所需的特性（例如，截止波长和耐化学性），它有多种变体可供选择。尽管玻璃具有出色的光学性能，但它非常脆弱，很难通过微机械加工成型和成型，这使得它难以用于定制反应器。聚合物材料也被广泛使用，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、全氟烷氧基烷烃 (PFA) 或聚四氟乙烯 (PTFE)。坎比等人，2016 年）。耐化学性不如玻璃高，但是由于在生物催化应用中主要使用水基反应介质，因此这不是问题。同样重要的是要考虑选择的材料应该是化学惰性的，并且应该评估与生物催化剂的相容性，因为反应器材料浸出到反应溶液中可能会降低酶活性和/或稳定性。

生物催化剂制备形式

在 PBR 设计中要考虑的另一个关键参数是催化剂的形式，即它是自由使用还是固定使用。使用游离的生物催化剂避免了传质限制，但是从反应溶液中去除生物催化剂可能并非易事。因此，由于易于处理、分离以及在多个循环中重复使用生物催化剂的可能性，固定化生物催化剂通常是优选的。然而，在这种情况下，需要考虑传质限制，以及与游离形式相比，固定化生物催化剂的催化活性较低，这可能是由于固定化过程中的构象变化（Zhu et al., 2020））。在生物催化流动应用中，在分离酶和全细胞的固定化方面取得了许多进展，这些进展已在优秀评论中进行了总结（Kim 和 Herr，2013 年）。对于连续流动应用，迄今为止最常见的固定方法是 1) 共价或非共价结合，无论是在颗粒上还是在反应器表面上；2) 封装在生物相容性基质中，例如海藻酸钠和无载体交联 ( De Santis et al., 2020 )。甚至一些光养生物已被固定化，例如用于 H 2的光发酵生产，在生产力方面取得了良好的效果（Tsygankov 和 Kosourov，2014 年））。问题仍然存在，这些固定化技术是否可以在未来应用于其他类型的光生物催化过程，特别是在流动反应器中，但需要针对生物催化剂和手头的过程逐个评估固定化策略。

可能的反应器几何形状

在为特定的光生物催化应用选择合适的反应器几何形状时，已经在流动光催化中使用的一些示例可以适用于所研究的过程（Su 等人，2014 年；Sambigio 和 Noël，2020 年）。图 5描绘了一些典型的反应器几何形状，表 3总结了不同的特征测量。在本次审查中，由于光线分布不佳，我们不考虑经典的搅拌釜反应器，如图 3所示. 盘管反应器是流动光化学中最简单且最常用的反应器：它由直接缠绕在光源周围的柔性管（通常为 PTFE）组成，以最大限度地扩大照射表面。由于通道直径小（通常 < 1 毫米），反应器内的光分布比间歇式反应器内的光分布更均匀，从而缩短反应时间，从而减少因过度照射而形成的副产物，这通常是分批观察到的。催化剂可以固定在管壁上或泵入反应溶液中。通过增加反应器长度也可以很容易地调整反应器的生产量。另一种类型是填充床反应器，如果生物催化剂固定在固体颗粒上或包埋在基质（例如海藻酸钠）中，这是一个可行的选择。它由一个装有固定化生物催化剂的透明管组成。反应器的长度和直径可以调整大小以适应所需的反应体积；然而，反应器壁需要很薄，并且是透明材料，允许几乎 100% 的入射光透射。光分布可以通过使用镜面收集器最大化，但是光催化填充床反应器的内在问题仍然是管芯部分内部的光分布不佳。事实上，如果使用外部光源，反应器核心中的催化剂颗粒可能无法吸收足够的光来催化反应，从而导致暗区和总产率下降。此外，根据催化剂的大小，背压和传质可能是整个过程效率的限制参数。这些缺点使光催化填充床反应器难以扩大规模。允许更高照明效率的填充床反应器的变体是环形反应器。在这种情况下，反应器以管中管模式围绕光源构建，具有选定的有效区域厚度，以实现最佳光分布。然而，背压和传质仍然是一个问题，特别是如果流体没有沿着反应器长度正确分布。其他两种可能性是平板和芯片状微反应器。在第一种情况下，催化剂可以填充在两个保持固定（短）距离的平面之间，而光源可以放置在反应器外部所需的距离处。这也可以用来最大化收集到的光；但是，如果反应器装得太紧，可能会导致高背压。然而，通过在反应器两端使用多个流体端口可以实现均匀的流体分布。最后，芯片微反应器在流动化学中已经是一种既定的几何形状，因为它可以很容易地用定制的通道形状和透明材料（如硅或 PDMS）进行加工。这种反应器也可以应用于光生物催化过程，其中催化剂可以被固定或作为悬浮液泵送通过。此外，按照所谓的编号放大方法，可以通过并联多个微反应器轻松进行放大。如果反应器装得太紧，可能会导致高背压。然而，通过在反应器两端使用多个流体端口可以实现均匀的流体分布。最后，芯片微反应器在流动化学中已经是一种既定的几何形状，因为它可以很容易地用定制的通道形状和透明材料（如硅或 PDMS）进行加工。这种反应器也可以应用于光生物催化过程，其中催化剂可以被固定或作为悬浮液泵送通过。此外，按照所谓的编号放大方法，可以通过并联多个微反应器轻松进行放大。

图 5。选定的常用于流动光催化的光反应器，可应用于光生物催化应用。(A)线圈电抗器。(B)填充床反应器。(C)环形反应堆。(D)平板反应器。(E)芯片微反应器。

表 3。这项工作中提出的不同反应堆几何形状的特征测量列表。对于线圈，对长度为 1 m、内径为 1 mm 的线圈估计表面积/体积比。

流程优化

在选择了反应器几何形状后，为了优化给定 PBR 的生产率，要考虑的主要参数是时空产率 (STY)，这意味着在反应器体积和运行时间中形成的产物/试剂转化量（参见表格1）。通过确保反应器内的充分混合和优化光分布以最小化黑暗区域的范围来改善传质，可以提高生产率。此外，如果为反应提供了足够的停留时间以达到所需的产率，则可以增加流速，或者可以增加反应器长度以具有更高的处理体积。在 PBR 的特定情况下，还有光催化时空产率 (PSTY)，这意味着需要优化 STY 与灯功率之间的比率。这意味着需要最大限度地减少为灯供电所需的能量，以保持工艺对环境的低影响：因此，应该只使用高效的光源（如 LED）。另外，如前所述，必须最大化传递到该过程的光量以达到高量子产率，这意味着形成的高产物与吸收的光子比率。这可以通过找到最佳光强度和位置，以及考虑最佳反应器几何形状和材料来减少未吸收光子的程度来实现。Sundar 和 Kanmani，2020 年）。还需要考虑反应动力学，因为可能有其他反应与感兴趣的光化学转化竞争，或者催化剂可能在一段时间后失活，在这两种情况下，量子产率都会降低（Loubiere et al., 2016）。

关于光的收集和使用， Hutton 等人发表了一篇值得推荐的评论。(2017)涵盖了有关使用碳纳米点 (CND) 作为光敏剂进行太阳能驱动催化的进展。CND 具有许多优点，使其非常适合用作光收集器，例如 1) 价格低廉，2) 优异的表面积体积面积，3) 良好的光稳定性和 4) 可调特性。尽管与其他光敏剂相比，CNDs 开始具有竞争力，但仍有一些挑战需要解决，例如其激发态的半衰期短、CNDs 结构和合成机制的不确定性等。尽管如此，这是一项令人兴奋的技术，未来可以与生物催化剂相结合，以连续流动的方式进行过程。

最后，比活度也是工艺优化的一个非常重要的参数。这通常用于生物催化，不仅要考虑起始材料的转化，还要将其与所用生物催化剂的量相关联。因此，需要在用于节省资源的生物催化剂的量和实现显着的生产率之间达成折衷。如该领域的最新进展所示（Schmermund等人，2019 年；Seel 和 Gulder，2019 年），还可以通过蛋白质工程来提高比活性。

为了协助工艺设计，许多实验室规模的光反应器可从各种供应商处购得，例如康宁公司的 Advanced-Flow™ 反应器；来自 Vapourtec Ltd. 的光化学反应器 UV-150；或 HepatoChem Inc. 的 Lucent360™ 反应器，如图 6所示。尽管这些 PBR 没有明确用于光生物催化，但它们仍然可以适用。可靠的开源系统也可用，例如Winkler 等人已经提到的平台。（2021）以及Böse 等人实现的 3DP 系统。(2021)，这还允许轻松更换反应堆容器和光源。由于对于开源项目，所有文件、部件和代码都可用，因此这些系统很容易适应手头的流程。此外，由于增材制造知识的增加，定制的光反应器也可以通过 3D 打印实现，用于特定目的（Capel 等人，2018 年；Maier 等人，2020 年）。通过将 3D 打印部件与低成本微控制器和电子设备相结合，可以实现定制和集成工艺，其中可以控制和研究一些选定的工艺参数（例如，浓度、温度和光强度）（Valotta 等人，2021 年））。3D 打印部件和生物催化剂的相容性已经在文献中得到证明（Peris 等人，2017 年；Ye 等人，2019 年），但直到今天，光生物催化仍然是一种开放的、未探索的可能性。对于想要深入研究照明进展和反应器设计的读者，我们还推荐Williams 和 Kappe (2020)的评论，涉及流动光化学领域的进展。

图 6。不同的市售光反应器设置。(A)：Corning ®的AdvancedFlow™ 光反应器，由串联连接的不同玻璃微反应器组成，易于放大，可用于不同的光源。(B)：来自Vapourtec Ltd.的UV150光反应器，由缠绕在光源周围的小氟聚合物线圈制成的线圈反应器。它可以与 Vapourtec 提供的其他流动系统连接，如图所示。(C)：来自 HepatoChem Inc. 的 Lucent360™ 反应器，可用于分批和流动。反应器被插入一个用光照射的绝热室中，设置为所需的波长和强度。

最后，值得一提的是数学模拟取得的进展，这也有助于更好地了解不同参数对反应堆的影响，从而设计出更好的 PBR 和控制系统。关于这个主题，值得注意的是Skoneczny 等人最近的工作。(2021)，他制定了连续流动 PBR 的数学模型，可以研究稀释率、入射辐照度、进水氮浓度和生物反应器厚度对其合成中性脂质的稳态特性的影响。此外（Borella 等人，2021 年），从蓝藻最大节旋藻培养物中检索了动力学生长参数在使用增加光强度的红/蓝 LED 灯下，并在数学模型上实现它们，该模型能够可接受地再现实验数据。根据他们的模拟，他们能够通过调整停留时间将生物质生产率提高约 15%。尽管使用彩色 LED 的生产率与使用白色 LED 的生产率相当，但光合效率要高得多，高达 33.42 ± 1.58%，这使得过程更加节能。

放大

与典型的热反应不同，对于光（生物）催化反应，在扩大反应器尺寸（例如，直径/长度）的常识中，由于光在反应器中的穿透深度随着距反应器距离的增加而减小，因此按比例放大是相当有限的。光源。事实上，可以从微反应器 (ID < 1 mm) 切换到中反应器 (ID > 1 mm)，但是需要进一步优化工艺参数，因为反应的产率不能直接随通道直径扩展. 产生更多产品的其他三种可能性： 1) 运行更长时间的过程，或所谓的“横向扩展方法”；2) 增加反应器的流速或长度，以及 3) 使用多个并联单元，也称为编号向上 ( Anderson, 2012 ;Sambiagio 和 Noël，2020 年）。横向扩展可能是最简单的方法，因为不需要进一步优化工艺条件。但是，如果所涉及的催化剂或其他物种随着时间的推移容易发生光降解，则不是一种选择（Sambigio 和 Noël，2020）。第二个选项与第一个选项类似，但是需要进一步优化，因为改变流速意味着改变反应器内的流动行为，这可能会对产量产生负面影响。此外，增加流速或反应器长度也可能导致系统中更高的压降。第三种选择可以在外部和内部编号上进行区分：第一种是指并联使用多个单独的单元，第二种是增加一个反应器内的通道数。这种策略非常方便，因为通道尺寸保持不变，因此反应结果和流动行为不受影响。然而，设计合适的流体输送系统以避免可能影响反应单元中停留时间的流动分布不均是至关重要的。Saber 等人，2010 年）并降低了系统的整体性能。

尽管连续过程有许多列举的优点，但需要根据具体情况评估将生物转化从批次转变为流动的可能性。

一般来说，出于动力学筛选的目的，仍然建议从批次开始，特别是在生物催化中，活性测定方法已经完善，反应可以在 96 孔板或小瓶中快速筛选。然而，如果最终目标是提高生产力，那么流动绝对值得考虑（Valera 等人，2010 年；Hartman 等人，2011 年）。

与传统的间歇式反应器相比，流动反应器的主要优势确实是更高的表面积，因为它们的特征尺寸更小（Su et al., 2014）。结果，化合物在反应溶液中扩散的距离更短，因此传质增强，意味着可以获得更好的混合。这对于非常快速和混合受限的反应特别有趣，因为可以防止形成局部浓度梯度并因此产生副产物，从而提高产率（Cambie 等人，2016 年）。在多相反应的情况下也是有利的，因为更高的界面接触，因此可以实现更高的传输速率（Plutschack 等人，2017）。最重要的是，在光化学反应的特定情况下，流动反应器中较高的表面积和较小的内部尺寸可以增加光穿透并改善光分布，因为来自光源的光扩散路径减少。这是流动反应器的主要资产，如图 3所示。烧瓶内的光强度变化更大，导致形成暗区，从而降低整体反应产率（Cambie 等人，2016 年）。此外，可以通过调节流速和反应器体积来精确控制曝光时间，这对于避免催化剂或参与反应的化合物的过度照射降解特别有利（Knowles 等，2012）。

改进的热传递是流动反应器几何形状带来的另一个优势。尽管温度不是光化学反应的驱动力，但将光反应器保持在恒定和受控的温度仍然很重要，特别是对于热不稳定的生物催化剂。因此，需要快速热交换来补偿光源可能的散热（Cambie 等人，2016 年）。

但是，连续应用存在一些限制。固体处理经常被指定为实施连续设备的一个问题，但需要解决不同情况之间的区别。对于涉及一种或多种物质沉淀的反应，或者在一种或多种试剂由于溶解度限制而处于悬浮状态的情况下，反应器通道或其他反应设备（例如，混合器和压力调节器）很可能堵塞，因此，间歇式反应器更可取（Plutschack 等人，2017）。在线过滤器可用，可用于在进入反应器之前澄清进入的流，但是需要在操作程序中计划在一定操作时间后过滤器的清洁和更换。尽管如此，如果（光）生物催化剂固定在固体载体上，连续反应器（如填充床）可能更有利，因为可以实现更高的生物催化剂负载，因此可以减少反应时间，从而提高整体工艺效率（Zhu et等人，2020 年）。

当处理受动力学限制的缓慢反应时，会出现连续流动的另一个限制。事实上，如果混合或传质速率对动力学的影响很小，那么留在批次中可能仍然更方便。如果反应在产率、规模和反应时间方面已经被报告为令人满意的，则同样适用。然而，应该考虑的是，在处理光生物催化系统时，流动系统提供的改进的光分布可能会导致更有效的反应。（Plutschack 等人，2017 年）。

结论与展望

考虑到世界迈向可持续循环经济的迫切需要，联合国关于全球变暖的最新报告（IPCC，2021）直接证明了这一点，很明显，我们生产和制造商品的方式必须发生改变，化学过程也不例外。

在这种情况下，生物催化和连续流动化学的结合已经取得了良好的效果，由于其一些重要特性，例如出色的温度控制、高表面积体积比和良好的质量，提高了多个过程的效率和生产率转让等。这些特点导致更高的生产力，更好地利用可用资源以及在更温和的条件下工作的可能性，与经典策略相比，这最终对环境有利得多。尽管连续流动在光生物催化中的应用是一门尚处于起步阶段的学科，但它已经在社区引起了极大的轰动，有几篇文章提出将其作为光生物催化所带来的一些挑战的解决方案。施默蒙德等人，2019；迈耶等人，2021；Özgen 等人，2021 年）。

我们相信，未来对流动光生物催化的研究将致力于设计更高效的反应器。最大的挑战仍然是开发新技术以提供更好的光，其中应包括优化低影响光源和透明材料以提高量子产率。另一个问题是光生物催化剂的寿命，然而，随着蛋白质工程的最新进展，可以设计出更活跃、更稳定的生物催化剂，这也可能使连续光生物反应器在工业中的实施更加可行。此外，固定化策略在过去几年中取得了很大的进步，这可能为光催化应用增加生物催化剂的可重复使用性打开了可能性。

在这篇综述中，我们简要概述了流动光生物催化领域的最新进展以及光反应器设计原理，并相信流动技术的这些应用在不久的将来具有广泛应用的巨大潜力。

关键词：连续处理，微藻，光酶，光生物反应器，光生物催化，流动生物催化

Photobiocatalysis in Continuous Flow （2022）

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