[實用新型]微生物電化學(xué)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720654042.6
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN207038635U
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張紅飛;康鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 碳能科技（北京）有限公司
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16
• 代理公司: 北京律智知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11438
• 代理人: 李華,崔香丹

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及微生物電化學(xué)裝置。

背景技術(shù)

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料替代品，如高級醇類(異丁醇及3-甲基-1-丁醇等)作為汽油代替品使用，是一種具有重要社會經(jīng)濟意義的新興技術(shù)，既能降低二氧化碳減排壓力，又能彌補化石燃料短缺。然而，從二氧化碳到高級醇類的轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的綜合工藝系統(tǒng)，這決定了該技術(shù)在走向成熟的過程中必然要遭遇和克服諸多問題。這種技術(shù)的工藝路線既需要電化學(xué)反應(yīng)裝置，又需要微生物發(fā)酵裝置，對反應(yīng)器的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)工業(yè)并沒有滿足該需要的反應(yīng)裝置。該工藝關(guān)鍵在于一個中間產(chǎn)物(甲酸或甲酸鹽)和兩個轉(zhuǎn)化步驟(電化學(xué)轉(zhuǎn)化和微生物轉(zhuǎn)化)為特征和核心。目前其所面臨的問題之一，同時也是技術(shù)發(fā)展的重點之一，是如何將電化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)兩個核心步驟更好地對接起來，以便簡化合成工藝，精簡合成裝置，降低合成成本。

電化學(xué)轉(zhuǎn)化是將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為甲酸或甲酸鹽，微生物轉(zhuǎn)化是將甲酸鹽或甲酸進一步轉(zhuǎn)化為高級醇。對這兩個步驟采取的常規(guī)的對接方案是引入一個中間處理過程，用物理及化學(xué)等方法將甲酸鹽或甲酸酸化、分離、濃縮和提純等。這個對接方案實際上是將兩個核心步驟作為聯(lián)系松散的兩個獨立工藝來處理，處理后的甲酸或甲酸鹽再作為微生物轉(zhuǎn)化的原料。由于甲酸或甲酸鹽的強易溶性以及電化學(xué)陰極液體的多組分性，這一額外處理過程的引入造成了整體工藝系統(tǒng)和裝置的龐雜化，并推高了最終產(chǎn)品的合成成本。因此，設(shè)計高效、一體化的反應(yīng)裝置對于該工藝的推廣尤為關(guān)鍵。

鑒于甲酸鹽或甲酸分離的中間處理過程帶來的負面作用，電化學(xué)和生物過程的直接耦合應(yīng)是技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先選擇，但是，這又帶來了如何處理兩個核心步驟的轉(zhuǎn)化條件和轉(zhuǎn)化環(huán)境的交互影響等問題。2012年，美國加利福尼亞大學(xué)給出了一個直接耦合方案(Integrated electromicrobial conversion of CO₂ to higher alcohols,Science,Vol 335,P1596.和專利申請WO 2013/123454A1)，兩個核心步驟集成在一個裝置中完成，兩種轉(zhuǎn)化同處一個液體環(huán)境下進行。這種耦合方案盡管簡單，但兩種轉(zhuǎn)化融合在一個物理空間進行，兩個過程互相干擾，使得各自不能最優(yōu)化地進行。盡管其通過簡單的陽極屏蔽措施削弱了陽極反應(yīng)對發(fā)酵過程的影響，但發(fā)酵過程對電化學(xué)轉(zhuǎn)化的影響卻無法消除。另外，因為陰極沉浸在發(fā)酵液中，難以保證兩個轉(zhuǎn)化在各自的最優(yōu)轉(zhuǎn)化條件下進行。

簡化合成工藝和裝置與滿足兩個核心步驟所需是一個矛盾問題的兩個方面。引入中間處理工藝的普通對接方案和加利福尼亞大學(xué)提出的直接對接方案均較好地解決了問題的一個方面但卻忽視了問題的另一方面。本實用新型將提供一個新的方案以平衡處理這一矛盾。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的目的是提供一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料的微生物電化學(xué)一體化裝置，既能較好地滿足兩個核心轉(zhuǎn)化各自所需的環(huán)境和條件，又能有效地簡化合成工藝和降低合成成本。

一種微生物電化學(xué)裝置，包括電化學(xué)反應(yīng)器和微生物發(fā)酵器。所述電化學(xué)反應(yīng)器，包括陽極室、陽極、離子導(dǎo)電膜、陰極、陰極室。所述微生物發(fā)酵器，包括交換室、微生物隔膜和發(fā)酵室。所述電化學(xué)反應(yīng)器的所述陰極室與所述微生物發(fā)酵器的所述交換室相連通。

根據(jù)本實用新型的一實施方式，所述電化學(xué)反應(yīng)器的所述陰極室與所述微生物發(fā)酵器的所述交換室共用同一室。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，所述電化學(xué)反應(yīng)器的所述陰極室與所述微生物發(fā)酵器的所述交換室為相連通的不同室。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，所述電化學(xué)反應(yīng)器由多個電解池串聯(lián)組成。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，還包括陽極循環(huán)系統(tǒng)、陰極循環(huán)系統(tǒng)和/或發(fā)酵液循環(huán)系統(tǒng)。所述陽極循環(huán)系統(tǒng)，包括所述陽極室、陽極循環(huán)管路、陽極循環(huán)泵和陽極循環(huán)罐。所述陰極循環(huán)系統(tǒng)，包括所述陰極室、陰極循環(huán)管路、陰極循環(huán)泵和陰極循環(huán)罐。所述發(fā)酵液循環(huán)系統(tǒng)，包括所述發(fā)酵室、發(fā)酵液循環(huán)管路、發(fā)酵液循環(huán)泵和發(fā)酵罐。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，所述發(fā)酵液循環(huán)系統(tǒng)還包括加熱或冷卻元件。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，所述微生物隔膜是聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、尼龍、聚醚砜或纖維素有機多孔膜。

根據(jù)本實用新型的另一實施方式，所述微生物隔膜是多孔石墨、玻璃纖維和多孔陶瓷無機多孔膜。