[实用新型]微生物电化学装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及电化学领域，具体涉及微生物电化学装置。

背景技术

将二氧化碳转化为化学品和燃料替代品，如高级醇类(异丁醇及3-甲基-1-丁醇等)作为汽油代替品使用，是一种具有重要社会经济意义的新兴技术，既能降低二氧化碳减排压力，又能弥补化石燃料短缺。然而，从二氧化碳到高级醇类的转化是一个复杂的综合工艺系统，这决定了该技术在走向成熟的过程中必然要遭遇和克服诸多问题。这种技术的工艺路线既需要电化学反应装置，又需要微生物发酵装置，对反应器的设计提出了挑战，传统工业并没有满足该需要的反应装置。该工艺关键在于一个中间产物(甲酸或甲酸盐)和两个转化步骤(电化学转化和微生物转化)为特征和核心。目前其所面临的问题之一，同时也是技术发展的重点之一，是如何将电化学反应和生物反应两个核心步骤更好地对接起来，以便简化合成工艺，精简合成装置，降低合成成本。

电化学转化是将二氧化碳和水转化为甲酸或甲酸盐，微生物转化是将甲酸盐或甲酸进一步转化为高级醇。对这两个步骤采取的常规的对接方案是引入一个中间处理过程，用物理及化学等方法将甲酸盐或甲酸酸化、分离、浓缩和提纯等。这个对接方案实际上是将两个核心步骤作为联系松散的两个独立工艺来处理，处理后的甲酸或甲酸盐再作为微生物转化的原料。由于甲酸或甲酸盐的强易溶性以及电化学阴极液体的多组分性，这一额外处理过程的引入造成了整体工艺系统和装置的庞杂化，并推高了最终产品的合成成本。因此，设计高效、一体化的反应装置对于该工艺的推广尤为关键。

鉴于甲酸盐或甲酸分离的中间处理过程带来的负面作用，电化学和生物过程的直接耦合应是技术发展的优先选择，但是，这又带来了如何处理两个核心步骤的转化条件和转化环境的交互影响等问题。2012年，美国加利福尼亚大学给出了一个直接耦合方案(Integrated electromicrobial conversion of CO₂ to higher alcohols,Science,Vol 335,P1596.和专利申请WO 2013/123454A1)，两个核心步骤集成在一个装置中完成，两种转化同处一个液体环境下进行。这种耦合方案尽管简单，但两种转化融合在一个物理空间进行，两个过程互相干扰，使得各自不能最优化地进行。尽管其通过简单的阳极屏蔽措施削弱了阳极反应对发酵过程的影响，但发酵过程对电化学转化的影响却无法消除。另外，因为阴极沉浸在发酵液中，难以保证两个转化在各自的最优转化条件下进行。

简化合成工艺和装置与满足两个核心步骤所需是一个矛盾问题的两个方面。引入中间处理工艺的普通对接方案和加利福尼亚大学提出的直接对接方案均较好地解决了问题的一个方面但却忽视了问题的另一方面。本实用新型将提供一个新的方案以平衡处理这一矛盾。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种将二氧化碳转化为化学品和燃料的微生物电化学一体化装置，既能较好地满足两个核心转化各自所需的环境和条件，又能有效地简化合成工艺和降低合成成本。

一种微生物电化学装置，包括电化学反应器和微生物发酵器。所述电化学反应器，包括阳极室、阳极、离子导电膜、阴极、阴极室。所述微生物发酵器，包括交换室、微生物隔膜和发酵室。所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室相连通。

根据本实用新型的一实施方式，所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室共用同一室。

根据本实用新型的另一实施方式，所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室为相连通的不同室。

根据本实用新型的另一实施方式，所述电化学反应器由多个电解池串联组成。

根据本实用新型的另一实施方式，还包括阳极循环系统、阴极循环系统和/或发酵液循环系统。所述阳极循环系统，包括所述阳极室、阳极循环管路、阳极循环泵和阳极循环罐。所述阴极循环系统，包括所述阴极室、阴极循环管路、阴极循环泵和阴极循环罐。所述发酵液循环系统，包括所述发酵室、发酵液循环管路、发酵液循环泵和发酵罐。

根据本实用新型的另一实施方式，所述发酵液循环系统还包括加热或冷却元件。

根据本实用新型的另一实施方式，所述微生物隔膜是聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚醚砜或纤维素有机多孔膜。

根据本实用新型的另一实施方式，所述微生物隔膜是多孔石墨、玻璃纤维和多孔陶瓷无机多孔膜。