[发明专利]用于二氧化碳的生物转化的无膜反应器设计和工艺

说明书

本发明公开了用于由二氧化碳(CO₂)微生物电合成醇的无膜反应器设计。因此，无膜反应器设计经由单罐微生物电合成促进更高效地将CO₂转化为醇。反应器设计有效地运行，在不使用膜的情况下避免在工作电极处的氧接触，进而增加CO₂溶解度及其生物利用度以随后以更快的速率将CO₂转化为醇。本发明还提供了用于二氧化碳的生物转化的反应器的运行工艺。

技术领域

本发明涉及用于由二氧化碳(CO₂)微生物电合成醇的无膜反应器设计。新的系统不具有膜(其是对于对这些系统扩大规模的限制之一)，并且还配备有用于更快且有效的CO₂转化的生物电活性过滤器。这样的反应器设计将适合于实现使下游加工容易的选择性产物合成。

背景技术

微生物电合成(Microbial electrosynthesis，MES)是通过电极辅助的微生物过程将CO₂转化为附加值产品例如燃料如醇和化学品的过程。虽然概念的验证建立于2010年并且一些研究报道了使用不同细菌由CO₂合成产物，但由于一些固有的限制(例如反应器设计中的膜的要求、由有限的CO₂溶解度生物利用度引起的传质限制、产物的混合物的合成、慢的反应速率等)，该过程尚未从实验室规模进一步发展。因此，迫切需要开发可以解决所有这些问题并且最终可以提供选择性产物的反应器设计。

文献中很少可获得试图解决这些问题中的一者或更多者的研究。然而，它们并未完全解决所有上述相关问题。

Next Fuel Inc.的US20120199492公开了将二氧化碳生物电化学转化和封存(sequestration)为有机化合物，公开了用于将CO₂转化为附加值产品的简单的双室生物电化学系统。该发明涉及在阴极处的微生物电合成及其用于CO₂的转化的运行条件。该发明确实解决了以上讨论的缺点。

Mantra Energy Alternatives Ltd的WO2015035521A1公开了用于将CO₂电还原为产物例如甲醇和其他低分子质量的有机化合物的无膜电化学反应器。反应器可以具有单个或多个电化学电池，其中阳极具有选自钛的电催化表面，3D阴极包括电子传导的气体扩散阴极层。此外，进料气体可以包含约1体积％至100体积％的CO₂。然而，该过程集中于电化学还原。

Zhejiang Technology and Business University的CN105776502B公开了用于使用三电极系统复原(restore)CO₂的金属氧化物改性的电极生物膜。在三电极系统中，使用Fe²⁺或Cu²⁺的前体溶液作为电解质，使用导电基底作为工作电极，钛电极为对电极，使用Ag/AgCl电极作为参比电极。然而，该发明基于生物膜的使用。

CG Giddings等，2015公开了用于有效地将CO₂转化为有机商品的微生物电合成。在此描述的研究的目的是确定是否可以通过去除阴极的恒电位仪控制并重新配置阳极和阴极来简化微生物电合成反应器以使得可以避免间隔物膜。然而，其未公开气体扩散电极的使用。

Bajracharya等，2016公开了气体扩散生物阴极在由CO₂进行的微生物电合成中的应用，是基于气体扩散电极(gas diffusion electrode，GDE)用于CO₂转化的应用的研究文章(来自本申请的一些发明人)。它们在基于膜的反应器中使用GDE并且研究了CO₂到产物的转化。该研究的主要限制是生物膜与GDE的活性层的分离，并且此外，它们仅产生乙酸作为主要产物。