[發明專利]改進的電化學生物反應器模塊及其用途

有效

• 申請號: 201580072037.8
• 申請日: 2015-11-02
• 公開（公告）號: CN107250436B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: W·B·阿米格;D·R·道茨
• 申請（專利權）人: 百奧堪引賽股份有限公司
• 主分類號: C25B9/19
• 分類號: C25B9/19;C25B3/25
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 胡燁;胡嘉倩

本文提供了一種裝置和用于使用該裝置的方法，通過需要添加還原當量的氧化還原酶系統來生產日用、專用、功能或精細化學品。該裝置允許方便地改變操作條件以實現最大電化學效率以供給定的酶促介導的氧化還原反應或一系列反應。

相關申請的交叉引用

本申請要求2014.11.02提交的美國臨時申請號62/074,065的優先權和權益，其全部內容通過引用納入本文。

技術領域

本發明通常涉及生物介導的反應的用途，所述生物介導的反應能改變化合物的氧化態，特別是給定化合物中的碳原子的氧化態。更特別地，本發明涉及改進的電化學生物反應器模塊(EBM)及其用于制造所需產品的用途。

背景技術

在化學反應中，還原是由特定化學物質得到電子，并且氧化是從特定化學物質失去電子。通用術語“氧化還原”反應是氧化-還原反應的簡寫。氧化還原反應涉及電子從一種化學物質向另一種化學物質的轉移。電化學電池被定義為利用氧化還原反應組合的系統，以產生有用的電能，或利用電能來驅動有用的氧化還原反應的組合(Silberberg,Martin(2009)《化學：分子物質的性質和變化(Chemistry:The Molecular Nature of Matter andChange)》(第五版)紐約，紐約麥格希出版)。

電化學電池包括稱為陽極和陰極的兩個電極。電子從電極向化學物質的轉移是還原反應，發生在陰極；電子從化學物質向電極的轉移是氧化反應，發生在陽極。為了平衡電子在陰極的消耗以及電子在陽極的累積，電子必須以電化學電池外部的某種方式(即通過電線或一些允許電子移動的其他材料)從陽極流動到陰極。該電子的流動就是電流，并可經利用以執行工作，例如驅動電子設備。反之，電子從陽極向陰極的流動可由外部能源驅動，如電池或電動勢(EMF)，造成發生在陽極或陰極或兩者處的有用的化學反應。

電化學電池可被構建用于產生電流，即來源于在陽極和陰極進行的自發的氧化還原反應的通過傳導性的元件(如電線)的單向的電子流，或其也可被構建用于消耗由外部來源(如電池或EMF)提供的電流，以驅動陽極和陰極處的非自發反應。在后一種情況下，該電力驅動的、非自發的反應可被稱為電合成。

電化學電池要求發生兩個反應，一個發生在陽極，一個發生在陰極，在各電極發生的反應被稱為半電池反應，或半反應。不論電化學電池是消耗還是產生電流，半電池反應都必然在陽極和陰極處同時進行。

半電池反應被認為具有正或負的還原/氧化電勢，稱為氧化還原電勢；這是半電池反應的氧化和還原的物質之間的平衡常數，以伏特表示，且相對于氫被解離為質子和電子，其被認為具有零伏特的氧化還原電勢。

在環境氧化還原電勢比給定的半電池反應的氧化還原電勢更正的條件下，會使半電池反應朝向反應的氧化的物質。在環境氧化還原電勢比給定的半電池反應的氧化還原電勢更負的條件下，會使半電池反應朝向半電池反應的還原的物質。

通過從外部源提供電子，即，從外部電源(例如電池)對電化學電池的陰極施加負電壓，可使陰極附近的環境的氧化還原電勢變得更負。該效應可用于使半電池反應產生還原的物質。為了平衡這一點，半電池反應必須以相應的正電壓在陽極進行，從而使陽極的半電池反應產生氧化的物質。

因此，電化學電池的陰極室中提供到環境中的電子會導致半電池反應以從基質產生還原的物質。

任何導致特定化學物質的還原或氧化的反應都可提供有用的半電池反應。這包括生命系統，其中所需的半反應存在于對有機化合物進行轉化的代謝途徑，并被酶催化。如前所述，半電池反應通常被稱為氧化還原反應；因此催化這樣的半反應的酶通常被稱為氧化還原酶。典型但非排他地，氧化還原酶需要稱為輔酶或輔因子的其他生物組分，這些輔酶或輔因子在催化對給定的生物系統中的半電池反應(氧化還原反應)的各種氧化還原酶之間物理傳輸電子。