[發明專利]用于產生化學品的方法

無效

• 申請號: 200980154511.6
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN102282295A
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發明（設計）人: R·羅森德爾;K·拉貝
• 申請（專利權）人: 昆士蘭大學
• 主分類號: C25B3/00
• 分類號: C25B3/00;C02F1/46;C12M1/42;C12N13/00;C12P1/00;C12P39/00;C12P41/00;C25B9/00;H01M8/06;H01M8/16
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 羅菊華

技術領域

本發明涉及用于產生化學品的方法。更具體地，本發明涉及使用生物電化學系統產生化學品的方法。

背景技術

全球范圍內化石燃料資源的消耗以及日益增加地意識到人為效應可能對氣候變化造成的影響正越來越多地驅動人們減少溫室氣體排放并發展更加可持續的社會。除了可再生的電能之外，這樣的可持續社會還需要獲得可再生地產生的燃料和化學品。為了達到真正的可再生，需要從可再生的原材料例如生物質或從廢品例如廢水和/或二氧化碳產生這些化學品。

最近已經出現了生物電化學系統，例如微生物燃料電池和微生物電解池，所述生物電化學系統是用于產生能源和產品的潛在的受關注的技術。生物電化學系統是基于使用電化學活性微生物，其可以向陽極提供電子或者可以從陰極接受電子。如果電化學活性微生物與陽極發生電化學上的相互作用，則此類電極被稱作生物的陽極(biological?anode)、生物陽極(bioanode)或微生物的生物陽極。相反，如果電化學活性微生物與陰極發生電化學上的相互作用，則此類電極被稱作生物的陰極(biological?cathode)、生物陰極(biocathode)或微生物的生物陰極。生物電化學系統一般被認為是用于從存在于水性廢物流(例如廢水)中的有機物質產生能量的有前景的未來技術(Rozendal等人，Trends?Biotechnol.2008，26，450-459)。工業、農業和家庭廢水通常含有需要在排放到環境中之前除掉的溶解的有機物質。通常而言，通過有氧處理將這些有機污染物除掉，有氧處理會消耗大量的電能以通風。可以通過將微生物的生物陽極與進行還原反應的相反的電極(陰極)進行電偶聯來實現生物電化學廢水處理。由于陽極與陰極之間的這種電連接，可以發生電極反應，電子可以從陽極流到陰極。此外，在陽極的電化學活性微生物將電子轉移到電極(陽極)，同時它們將水性廢物流(例如廢水)中的有機污染物氧化(并由此除掉)。生物電化學系統可以作為燃料電池來運行(在這種情況下產生電能——例如Rabaey?and?Verstraete，Trends?Biotechnol.2005，23，291-298)或者作為電解池來運行(在這種情況下，電能進入生物電化學系統——例如，專利WO2005005981A2)。

在2003年，Rozendal和Buisman獲得了生物催化的電解的專利，其是用于從可生物氧化的材料產生氫氣的生物電化學系統(WO2005005981，其全部公開內容通過交叉引用方式并入本文)。用于生物催化的電解的可生物氧化的材料可以是例如，廢水中的溶解的有機物質。在他們的發明中，Rozendal和Buisman將可生物氧化的材料導入反應器中，所述反應器中提供了陽極和陰極并且含有處于水性介質中的親陽極(anodophilic)細菌；向陽極與陰極之間施加0.1-1.5伏的電壓，同時保持水性介質的pH在3-9之間；并且從陰極收集氫氣。

雖然氫是在陰極產生的感興趣的化學品，但更感興趣的是，是否可以產生價值更高的化學物質，例如燃料和化學品。此類燃料和化學品的實例包括，醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等；羧酸，例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等；生物聚合物，例如聚-β-羥基丁酸(PHB)等等。然而，為了能夠在陰極催化這類復雜的產生反應，需要高級的催化機制。可以為此目的開發化學催化劑，但是這些化學催化劑可能變得非常復雜并且非常昂貴，因為它們可能需要使用貴金屬。可替代地，可以使用親陰極(cathodophilic)微生物來催化陰極反應以產生有價值的化學品。親陰極微生物是這樣的微生物：其能夠與陰極相互作用：從陰極接受電子或陰極反應產物(例如氫或還原的電子介體)并利用它們來產生有價值的化學品。此類電極被稱作生物的陰極、生物陰極或微生物的生物陰極。電子和陰極反應產物(例如氫或還原的電子介體)通常被稱作還原當量(reducing?equivalent)。還原當量允許還原電子受體并且可以作為微生物代謝的電子供體。電子介體是有氧化還原活性的有機化合物，并且是本領域技術人員已知的。它們包括化合物例如醌、中性紅、甲基紫精等。電子介體在電極與微生物之間穿梭。在此穿梭過程中，電子介體持續被電極還原并且隨后再被微生物氧化，以產生化學產品。