综述：促进厌氧消化过程中中链羧酸的产生：密度泛函理论与机器学习的协同策略

《Journal of Virus Eradication》：Promoting medium-chain carboxylic acids production in anaerobic digestion: Synergistic strategies of density functional theory and machine learning

厌氧消化生产中链羧酸（MCCA）面临电子转移效率低、微生物群落不稳定等挑战，本文提出DFT与机器学习（ML）协同设计框架，通过计算导电材料电子结构优化DIET过程，利用ML实时监控与参数优化，提升MCCA产率与工艺稳定性。

　　

张鸿宇|刘明庆|任玉晨|刘阳|徐浩|张浩珍|赵可可|席永兰

江苏大学农业工程学院，镇江，212000，中国

摘要

有机废物的厌氧消化（AD）用于生产中链羧酸（MCCA）是一种有前景的废物增值和生物基化学品供应途径。然而，其工业应用受到关键工艺工程挑战的阻碍，包括电子传递效率低下、微生物群落不稳定以及难以将碳流导向目标产物。本文系统地探讨了密度泛函理论（DFT）和机器学习（ML）的协同整合如何从工艺工程的角度解决这些瓶颈问题。首先，我们批判性地分析了限制MCCA产量和稳定性的工艺参数和竞争途径。随后，我们评估了导电材料（如生物炭、零价铁）作为工艺增强剂的作用，而不仅仅是作为添加剂，重点关注它们对直接种间电子传递（DIET）、微生物群落动态和长期反应器性能的影响。然后，我们展示了DFT如何通过电子结构预测实现高性能导电材料的合理设计，超越了传统的试错方法。此外，我们强调了ML在实时工艺监测、预测控制和优化操作参数方面的能力，通过解析AD系统内的复杂非线性关系来实现这些目标。这项工作的核心贡献是提出了一个针对AD工艺强化的闭环DFT-ML协同设计框架。该框架旨在加速稳健导电材料的发现，并动态优化操作条件，从而提高MCCA的体积产量、工艺韧性和经济可行性。最后，我们批判性地讨论了这一计算-实验协同作用在实际水和废物处理应用中的可扩展性、技术经济影响和未来研究重点。

章节摘录

缩写

AD	厌氧消化	NADH	烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
CE	链延长	NZVI	纳米零价铁
DIET	直接种间电子传递	ORL	有机负荷率
DFT	密度泛函理论	Pt@C	碳载铂
EPS	细胞外聚合物	RBO	反向β氧化
FAB	脂肪酸生物合成	SCCAs	短链羧酸
GAC	零价铁	VFAs	挥发性脂肪酸
MCCAs	中链羧酸	ZVI	零价铁

MCCA合成的代谢途径和工程机会

在AD过程中，有机废物向MCCA的生物转化通过多阶段进行，其中CE是关键的产物形成步骤[32]。在这个阶段，短链脂肪酸（如乙酸、丁酸）利用主要来自乙醇或乳酸等化合物的电子和碳单元进行延长。两种核心代谢途径驱动这一延长过程：反向β-氧化（RBO）和脂肪酸生物合成（FAB）[33]，[34]。

对于工艺工程师来说，这些途径的相对活性

关键参数及其工程意义

生产MCCA需要将几个关键参数控制在特定范围内[46]。广泛报道的最佳条件包括：温度在30–35°C[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，[52]，pH值在5.5到6.0之间（最佳pH值为5.5，可以抑制甲烷生成并增强酸的产生）[53]，[54]，[55]，[56]，[57]，碳氮（C/N）比为25–30[11]，[58]，[59]，[60]，[61]，以及有机

DFT计算

DFT是一种基于量子力学的计算模拟方法，通过求解电子密度分布来预测材料的物理化学性质，是研究人员探索原子和分子的结构、能量和电子性质常用的计算方法[113]。对于AD中的导电材料，DFT计算可以预测诸如能带结构、态密度和电子密度分布等关键性质。

局限性

尽管DFT和ML在优化MCCA生产方面具有广泛应用前景，但仍需认识到它们的一些固有局限性：DFT的交换相关近似使得难以再现生物系统中的复杂和可变电子相互作用，尤其是在处理大规模微生物-材料界面时[128]；此外，计算的计算成本高昂限制了计算的速度和准确性；在机器

展望与挑战

虽然基于碳和铁的材料已被证明可以提高MCCA的产量30–50%，但对新兴导电材料（如MOFs和导电聚合物）的系统研究仍然有限。这一差距部分归因于传统实验筛选方法效率低下[24]，[108]。同时，AD系统的多相复杂性给DFT模拟带来了挑战，特别是在可视化界面电荷传递和阐明跨尺度电子传递方面

结论

本文系统地研究了通过AD从有机废物中提高MCCA产量的策略。控制关键工艺参数至关重要。最佳温度（30–35°C）和pH值（5.5–6.0），以及C/N比（27.5–30）和OLR（15-20 g COD/L/d）参数的控制，决定了有效延长链长的适宜条件。引入导电材料可以促进DIET，从而使MCCA的产量提高两到三倍。在计算

CRediT作者贡献声明

张鸿宇：撰写——原始草案，验证，软件，数据管理，概念构思。刘明庆：指导，概念构思。任玉晨：指导，形式分析。刘阳：研究，形式分析。徐浩：研究，形式分析。张浩珍：研究。赵可可：研究。席永兰：撰写——审稿与编辑，验证，资金获取。

资助

我们感谢江苏省生物质与材料实验室（JSBEM-S-202320）、中央公共利益科学机构基础研究基金（GYZX250104）、国家自然科学基金（编号42377485）以及国家重点研发计划（编号2024YFD1700705）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。