J. Clean. Prod.综述:基于木质纤维素生物质的微生物燃料电池:性能和应用
背景介绍
木质纤维素生物质具有替代化石燃料作为能源生产的可持续和可再生原料的潜力。微生物燃料电池（MFCs）技术提供了一种来自木质纤维素生物质的能源生产系统。该综述探讨了不同微生物燃料电池的设计，主要包括无膜单室、双室和集成微生物燃料电池及其操作模式。在利用木质纤维素生物质作为饲料时，不同的微生物燃料电池设计存在一些兼容性问题，具有集成预处理或同时降解木质纤维素生物质的微生物燃料电池装置可以提供解决方案。根据微生物燃料电池的运行条件仔细选择微生物群落以及系统的升级可能有助于有效利用可再生能源。因此，基于木质纤维素生物质的微生物燃料电池可潜在地用于生物修复、生物燃料和工业上重要的增值产品的生产以及同时生产电力。
图文解读
1. 微生物燃料电池的类型
MFC技术在过去几年中越来越重要，研究工作在过去几年中不断增加，主要针对其在生物电生产和废水处理方面的潜力。为了提高MFC的性能、易操作性和实用价值，演示了不同的MFC配置。在生物修复、发电、生物燃料生产、各种副产品回收、作为电源和作为生物传感器等方面，已经开发了几种潜在的应用结构。大多数MFC配置仅限于研究和研究目的的实验室规模。尽管如此，工业规模的MFC仍然需要考虑，因为一种MFC不能熟练地用于各种应用。如图1展示了不同类型MFC的配置。MFC的不同模型配置如下：
（1）双臂MFC：它主要由两个不同的室，即阳极和阴极。两个腔室通过分离器/膜或盐桥连接于离子电导率和用于电子流动的外部电路。微生物或电原生长在阳极电极的表面。
（2）单室MFC：在单室MFC中，没有单独的阳极室和阴极室，因此也不需要不同的电解质。由外电微生物产生的电子流向阳极，然后进一步流向阴极。
（3）多室MFC：研究了多室MFC以增加功率输出。首先，这种MFC设计包括两个阳极和阴极的外室和一个缓冲区的内室。每个隔间都用透析膜分开。然而，氮和氧气不断被冲洗到外面的隔间。
（4）混合MFC：混合MFC正在出现，以克服在独立过程中发生的能量损失，并且仍处于早期发育阶段。将两种技术作为系统配置可以通过共享一些公共的部件或组件来降低总体成本。
（5）堆叠MFC：堆叠配置是一种MFC，它需要一个燃料电池作为一个电池，可以彼此串联或并行堆叠。在这两种情况下，可以观察到高效的发电，并可用于实际应用。
（6）小型化MFC：小型化MFC或小型MFC被开发为具有较低的体积，通常在微升或毫升的范围内。高电流密度输出已在几个小型MFC中得到证明。
图1. MFC不同配置的示意图：(a)多室，(b)单室，(c)堆叠型(d)双室，(e)微型MFC。
2. 木质纤维素生物质作为MFC饲料
木质纤维素是一种富含碳的来源，包括农业残留物、能源作物、草等。高度复杂和顽固的成分共同构成了一个密集的纤维素-半纤维素-木质素连接结构的网络，这在使用它们作为饲料之前需要一个预处理或水解步骤。预处理后的LCB具有生产生物电、生物燃料和生物产品的潜力，包括化学品、生物污染物、酶、纤维等。如图2描述了LCB的预处理及其在MFC中的应用以及可能的电子转移机制和不同的应用。微生物在生物预处理中起着重要的作用，可用于几种MFC设计。
图2. LCB预处理及其在MFC中的应用以及在不同应用中可能存在的电子转移机制。
通过微生物生物膜的形成，提高了电极和衬底之间的电导率，理想的阳极材料应具有超导性、生物相容性、化学稳定、无腐蚀性、机械稳定和刚性样参数。它应该能够为生物膜的形成和粘附提供一个很大的表面积。就阳极材料而言，碳质材料已被广泛应用，如碳布、碳毡、碳毡、碳刷、石墨板、网状玻璃碳(RVC)、碳网、纳米管、棒或棒、不锈钢；阴极是MFC的另一个重要成分，它进行氧化还原反应(ORR)，理想的阴极电极应具有高催化性、高稳定性、无腐蚀性、经济效益。如图3所示，电子可以通过两种不同的方式转移到阳极表面：1）通过膜结合的氧化还原蛋白或菌毛的直接电子转移(DET)，以及2）介导的电子转移。有几种技术和工艺选择可用于生物质能转换，例如热化学、生化和酯交换反应。与酯交换技术相比，转换通常使用热化学和生化技术进行。热化学方法通常是基于利用热对生物质中的有机成分进行分解，而生化方法则利用微生物或酶将生物质转化为有价值的生物能量（图3）。
图3. LCB在MFC中的生化转化和利用外膜跨MTR（蛋白质的生物分子线）复合物以及内膜MQ和MQH2（甲萘醌和甲喹啉）进行生物电子转移。
3. 木质纤维素基MFC的应用
LCB在可持续发展中发挥着重要作用。各种有用的材料，如乙醇、丁醇、山梨醇、甘油、VFAs和其他从富含木质素的生物质生产的有价值的产品。LCB的结构在发电、生物燃料和增值产品方面有潜在的应用价值，这进一步标志着它们在生物能源、生物医学、生物塑料、制药和生物材料等方面的应用。LCB预处理及其在MFC中的应用，以及可能的电子转移机制和不同的应用。
LCB在MFC中的发电和在可充电电池中的存储也引起了人们的关注。作为LCB及其组成部分的可再生能源正在成为一种可持续的发电和储存材料。一种理想的存储材料需要电化学性能、低成本、健壮性、高容量和耐用性，才能获得电能存储设备。纤维素、半纤维素和木质素及其衍生物的存在有助于支撑材料的制造。富含碳质木质素的生物质具有通过碳化过程提供良好的导电性的潜力。这种天然生物质的典型多孔结构通过提供较大的表面积，有助于电极性能和电子转移。当它们作为聚合物进行储能时，它们往往能提供机械强度。
预处理步骤和分馏步骤对于LCB的生物转化为气体，固体和液体生物燃料是必须的。基于LCB的气态生物燃料包括生物氢和生物甲烷，而液体生物燃料包括生物乙醇、生物乙醇和生物丁醇，固体生物燃料包括生物炭。电发酵或微生物电化学系统是一种新兴的技术，涉及到MFC中的外电生成微生物通过废物降解发电。这些系统可以作为一种潜在的可再生能源来发电，并同时进行发酵。
4. 系统的局限性和未来的各个方面
目前的技术的主要局限性是电压不稳定。这可能会导致运行任何系统的电源供应不足。另一个主要的限制是在氧化还原反应过程中的高内抗性，氧化活化损失；还有一个质量运输损失，同时影响微生物及其代谢的季节变化也可能影响MFC。因此，在连续操作过程中使用基于膜的MFC时，需要周期性的膜变化。这将往往会增加整个过程的成本，这对MFC技术是至关重要的。所有这些因素以及一些相关因素可能会限制MFC在更大的实际应用中的应用。因此，在制造和操作MFC时，应牢记这些要点。
MFC中生物质的微生物降解需要通过使用外部木质纤维素降解酶或有效的微生物降解策略来改进。储存在生物质中的能量用于碳中和能量，生物质中存在的营养物质和糖成分作为外电原的生长来源。为了开发一种高效和兼容的技术，需要开发具有连续操作的好氧或厌氧设计，以提高使用不同微生物的系统的适用性。大量可用的生物质可以单独用作饲料，从经济的角度来看，这是相当有益的。该技术的升级和集成可能为今后微生物电化学系统领域的研究提供一个方向。基于木质纤维素生物质的MFC可能涉及到零废物产生技术，这可能导致一个绿色的未来。
总结与展望
MFC是一种潜在的技术，具有开发零放电系统。通过热电联产系统，除了生物修复外，还可以生产生物电、生物燃料和其他有价值化学品的产品。迄今为止，使用基于LCB的MFC已经产生了最大值高达2000mW/m2的功率密度。为了进一步改进LCB，需要在初始阶段有效地降解或预处理LCB。从LCB中生产生物燃料和生物能源需要一种强大的转换技术，特别是使用MFC。该技术仍局限于LCB的降解，然而该研究建议使用LCB水解物在MFC中生产酒精和氢气。具有工业重要性的高效微生物也可以评估其外电特性，以整合MFC在现有的生物反应器中。正在进行的研究必须直接填补现有燃料电池技术的不足，以提高系统的效率和有效性，同时也考虑到经济方面。为了成功开发基于LCB的MFC，建议采用一种平衡的方法，使微生物以这种方式参与其中，使它们与系统及其操作条件兼容，从而开发一个真正的“微生物电化学系统”。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132269
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