[发明专利]电促碳链生物延伸方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于环境保护和资源综合利用领域，尤其是涉及一种电促碳链生物延伸方法及其装置。

背景技术

生物质废物可以通过厌氧降解途径被转化为衍生资源化(含能源化)产品，主要包括发酵过程产生的甲烷、氢气和液体发酵产物。但是，这些废物衍生产品的资源品级相对较低：甲烷和氢气标准状态下的能量密度仅为0.0375和0.01005MJ/L，不利于燃料的贮存和运输；目前，较普遍的液体发酵产物是以乙酸、丙酸、丁酸为主和少量乙醇的短链有机酸/醇。但是，由于生物质废物本身组成的混合度高，微生物混合生长，使得短链有机酸/醇等目标发酵产物浓度较低、废物源引入的杂物量高、非目标性中间代谢产物混杂；并且，因短链有机酸/醇的高度亲水性导致可分离性能差，采用过滤、蒸发或蒸馏分离的成本高【Mumtaz T,Abd-Aziz S,Rahman NAA,Yee PL,Shirai Y,Hassan MA.2008.Pilot-scale recovery of low molecular weight organic acids from anaerobically treated palm oil mill effluent(POME)with energy integrated system.African Journal of Biotechnology 7:3900-3905.】。因此，这些液体发酵产物更多应用于对进料纯度要求不高的场合，如作为废水处理脱氮除磷的碳源【Lee WS,Chua ASM,Yeoh HK,Ngoh GC.2014.A review of the production and applications of waste-derived volatile fatty acids.Chemical Engineering Journal235:83-99.】。

为了解决上述生物质废物液体发酵产物的产品混杂、分离困难、以及小分子产物保存输送不便的问题，可以通过生物再聚合技术，使其有机物的碳链得到延伸，以合理的成本进一步提升废物衍生产品的资源品级。即将短链有机酸/醇转化为碳原子数更高的中、长链有机酸/醇。由于氧碳比降低，中、长链有机物可以获得更高的能量密度，疏水性更强，便于分离操作。比如【Agler MT,Spirito CM,Usack JG,Werner JJ,Angenent LT.2012.Chain elongation with reactor microbiomes:Upgrading dilute ethanol to medium-chain carboxylates.Energy&Environmental Science5:8189-8192.】利用以Clostridium为主的混合微生物将低浓度乙醇和乙酸转化为己酸，并通过液—液萃取实现已酸的在线连续分离，由于疏水性的显著差异，可以利用pH梯度作为驱动力加速己酸的分离。

但是，上述碳链延伸生物反应需要H₂或乙醇或甲醇作为外部电子供体才能进行。氢或醇会大幅增加制造成本，而且氢运输不便，且存在安全风险。而且以氢或醇作为外部电子供体能实现碳链延伸生物反应的微生物菌源非常稀缺，难以获得，需要非常长的驯化周期(数月至数年)，并且在培养过程中很容易被环境中的杂菌污染，导致目标碳链延伸产物产率低、浓度低、反应速率低。因此，需要为低品级的液态废物寻求低成本、易养护的高效碳链生物延伸技术。

中国发明专利“一种有机废弃物联产氢气和电的方法及其装置”(专利号201110166598.8)属于微生物燃料电池，利用生物阳极产电。

中国发明专利“一种生物阴极自然充氧的微生物燃料电池”(专利号201110214160.2)属于微生物燃料电池，利用生物阳极产电，其生物阴极处于好氧状态。

中国发明专利“一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统”(专利号201110345001.6)利用外加电源使处于阴极室的硝化污泥和投加包埋好氧反硝化细菌颗粒在富氧条件下去除废水的有机物和氨氮。

与上述专利相比，本发明的技术特征是利用外加电源和附着在生物阴极上的厌氧电呼吸微生物在无氧条件下将低碳链有机酸转化为中长碳链有机物，目标不是去除有机物，而是将低经济价值的有机物转化成高经济价值的有机物。

发明内容