[发明专利]电催化耦合生物催化反应集成装置及CO2

说明书

本发明提出一种电催化耦合生物催化反应集成装置及CO₂利用的方法，装置包括电催化反应器系统、生物催化反应器系统和连续反应控制系统，所述连续反应控制系统通过管路上设置的电磁阀来调节和控制电催化反应器系统的物料进口压力、电催化反应器系统阴极生成的混合碳源的循环次数、CO₂气体和电解液的添料流量和通入生物催化反应器系统混合碳源的添料流量，从而实现电催化耦合生物催化反应集成装置连续有效进行电催化反应并生成终端产物。该装置通过设置控制装置及控制系统，进行反应过程控制，实现反应液高效循环使用，大大提高了集成装置的反应效率，实现部分替代工程化大设备的效果，便于大规模推广应用。

技术领域

本发明涉及碳中和技术领域，具体涉及一种电催化耦合生物催化反应集成装置及CO₂利用的方法。

背景技术

作为21世纪最艰巨的挑战之一，温室效应导致全球气候变暖和海平面上升，严重威胁着人类和其他物种的生存空间。作为主要的温室气体，减少CO₂排放被公认为是缓解或避免温室效应最直接的举措。为应对气候变化问题，开发高效稳定经济环保的减排技术具有十分重要的意义。

目前，减少碳排放主要有两种途径，一是转型能源结构，以低碳或零碳的可再生能源代替化石能源，其中以氢能为主，但因其高昂的成本与氢气储运安全性的问题，氢能的发展也任重道远。二是发展碳捕获、利用与封存（CCUS, Carbon Capture，Utilization andStorage）技术，将排放的CO₂进行收集和捕获并加以资源化利用，转化为高附加值的燃料和化学产品，这样不仅能够实现碳减排，而且还能缓解温室效应和能源危机。

碳捕获封存与利用技术当中，CO₂的利用技术至为关键。目前，CO₂利用的方式主要有驱油、化学利用、生物利用、地质利用等方式，其中以驱油为主，采用这种方式可以就地利用，管道运输也方便，但是应用领域局限，主要是石油领域，并且利用价值有限。

化学利用可分为光催化、热催化和电催化。光催化转化效率低，受天气影响比较大，稳定性差。热催化主要涉及加氢反应，需要氢气作为氢源，通常具有较高的成本。相对而言，电催化过程中水就可以作为氢源。迄今为止，电催化二氧化碳还原成一碳产品已经取得了不错的进展，但是对高附加值的二碳以上的产品却缺乏选择性。而生物转化具有独特高效的底物选择性，反应条件温和，但是其不足之处便是反应周期较长，影响其产业化进程。为此，开发高效快速、高稳定性和高选择性的CO₂资源化利用技术和设备具有深刻的意义。

本发明发明人长期致力于电化学催化和生物催化的相关研究，首创电催化和生物催化一体化的电合成体系，通过电催化高效快速地还原CO₂合成生物反应的液体前驱体，再利用具有高选择性的菌种强化体系对于高附加值二碳产品的催化转化能力，并且在专利申请中202210281897.4已经公开了基于该技术开发的电化学联动合成生物发酵系统。

然而现有的这种电化学联动合成生物发酵系统通常是工程化设备，体积大，安装不便，投资成本高，开发小型化、集成式、可移动便携设备是行业发展的一个方向。

与大型工程设备相比，集成化设备由于体积小，内部构成一个自循环体系，必须施加控制系统对体系内的设备进行控制，实现连续循环电催化并耦合合成生物发酵体系，进而提高整个设备的利用效率，如何有针对性的实现集成化设备中的电化学装置和合成生物发酵装置控制联动，从而最优的控制电催化反应和生物发酵反应，实现反应的最优效率是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电催化耦合生物催化反应集成装置，通过在集成装置中设置控制装置及控制系统，进行反应过程控制，实现反应液高效循环使用，大大提高了集成装置的反应效率，实现部分替代工程化大设备的效果，便于大规模推广应用。