[发明专利]一种生物电合成系统及利用该系统合成乙酸和/或乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于减排、废物资源化能源化与生物合成技术领域，具体涉及一种气体阴极生物电合成反应装置及利用该反应装置进行二氧化碳高效利用以及快速调控的生物电合成有机物的方法。

背景技术

全球变暖和资源短缺是当今人类社会面临的两大难题。近年来，随着全球气候不断变暖，温室效应越来越受到人类关注，节能减排的呼声不断增强。但另一方面，化石燃料的大量使用导致大气层中二氧化碳含量持续升高，已创地球百万年来最高水平，如何减少二氧化碳的排放成为环境及能源领域一个重要的议题。同时，人类当今社会也面临着能源短缺的危机。煤、石油等化石燃料的快速枯竭促使各国迫切寻求替代能源，尤其是一些可再生的环境友好型的清洁能源。

微生物电合成(MES，microbial electrosynthesis)技术的诞生为这两个问题提供了一个潜在的完美解决方案。该技术利用电活性微生物在生物电化学系统的阴极获取电子，在胞内还原二氧化碳，同时转化为甲烷、酸、醇等能源物质。具有条件温和、环境友好等优点。微生物电合成不仅可以实现温室气体CO₂固定，而且还能合成一系列具有能源替代功能的多碳有机物，是一项兼具温室气体减排与能源再生的新型生物合成技术，发展前景广阔，意义重大。由于甲烷等气体能源在储存以及运输方面的劣势，通过生物电合成生产酸、醇等化学物质具有极其重要的意义。

目前利用生物电合成系统已经实现了CO₂向乙酸(mBio,2010,2,103-113；EST,2013,47,6023-6029)、丁酸(mBio,2014,5,1636-1650)等有机物的转化。

公开号为CN 103881905A的中国发明专利申请文献公开了一种嵌入式生物电合成系统与方法，将一个生物电合成系统内嵌入一个厌氧反应体系，构成一个耦合体系。通过外加电势，把厌氧反应体系中废水厌氧发酵产生的电子传递到生物电合成的阴极，阴极的电合成体系中微生物菌群获得这部分电子后将二氧化碳还原成甲烷、乙酸、乙酸、丙酸等有机物。

在这些公开的文献中，都是以直接向电合成体系通入二氧化碳气体或以向电合成培养液中添加碳酸氢盐的方式供给电合成的原料。然而，生物电合成的主要目的之一是二氧化碳的减排，所以直接添加碳酸氢盐的方式并不符合实际应用的需求；而以直接向电合成体系通入二氧化碳的原料供给方式更能模拟日后该体系扩大规模的实际运行情况。

对于直接向电合成体系阴极通入二氧化碳的原料供给方式，目前几乎所有的运行方式都是直接通过连接二氧化碳气瓶的导管向阴极室直接吹爆二氧化碳气体。例如前面所提的电合成乙酸的文献(mBio,2010,2,103-113)和公开号为CN 103881905A的中国发明专利申请都是采用这种方法。但这种供料方式存在原料供给量难控制，特别是在线控制的问题；而且二氧化碳向电极反应区传质也是该供料方式在生物电合成效率提升上面临的问题，特别是在今后系统放大过程中。

发明内容

为了解决生物电合成系统中传统的二氧化碳供气形式所存在的原料供给量控制繁琐、原料利用效率低成为整个电合成的限速步骤等问题，本发明提供了一种气体阴极为特征的三室生物电合成系统及其相对应的方法。

一种生物电合成系统，包括反应器、pH在线控制系统、供气系统和电源，

所述反应器为三室反应器，包括：

气体室，该气体室连接所述供气系统；

阴极室，该阴极室外接所述pH在线控制系统，阴极室与气体室之间由气体阴极相隔阴极室内还设有参比电极；

阳极室，该阳极室内设置阳极，阳极室与阴极室之间由阳离子交换膜相隔，阳极、所述气体阴极及参比电极均通过导线外接所述电源。

本发明中，二氧化碳作为电合成的原料，透过特制的阴极从反应体系的第三室气体到达阴极室，在阴极表面直接获得传递到阴极的电子或者利用阴极表面产生的氢气作为电子供体，实现二氧化碳的还原。二氧化碳从气体室扩散到阴极室后可以在阴极表面立即发生反应，避免了二氧化碳在液相中的传质过程。同时二氧化碳原料的输入量可以通过气压控制器控制调节，操作更简单，有利于规模化应用的在线传感控制。

参比电极是氢标准电极或Ag/AgCl参比电极。

优选地，所述供气系统包括：

二氧化碳气瓶，通过气体管路连通至所述气体室；

压力探头，伸入所述气体室内用于检测气体室内的二氧化碳浓度变化；