获得亲阴极产氢微生物培养物的方法、微生物培养物及其用途的制作方法

专利名称：获得亲阴极产氢微生物培养物的方法、微生物培养物及其用途的制作方法
获得亲阴极产氢微生物培养物的方法、微生物培养物及其
用途 根据第一方面，本发明涉及一种获得亲阴极产氢微生物培养物的方法。 根据另一方面，本发明涉及一种亲阴极产氢微生物培养物以及该微生物培养物用
于产生氢的用途。 本发明的又一方面涉及一种应用亲阴极产氢微生物培养物的双功能生物电极的 制造方法，以及由该方法获得的双功能生物电极。 本发明的其他方面涉及一种应用电化学活性产氢微生物培养物的产氢装置。
产氢阴极通常用于水电解处理。在水电解中，水在施加到阳极和阴极之间的电势 差的影响下根据下面的反应分裂为氢气和氧气
H20 — H2+0. 502 (1)
在水电解中，发生下面的电极反应
阳极处的产氧反应 H20 — 0 . 502+2H++2e— (2a)或 20H—0 . 502+H20+2e— (2b)
阴极处的产氢还原反应 2H++2e— — H2 (3a)或 2H20+2e—H2+20H— (3b) 近来也发现产氢阴极在新式电解工艺(即，溶解(例如，在废水中)的可生物氧化 的材料的生物催化电解)中的应用。在生物催化电解中，可生物氧化的材料在施加到阳极 和阴极之间的电势差的影响下分裂为二氧化碳和氢气。这可以示意性地表示为
[CH20]+H20 — 2H2+C02 (4) 该工艺在第WO 2005/005981号国际专利申请以及署名为Rozendal，R. A. et al的 出片反物"Principle and perspectives of hydrogen producing through biocatelyzed electrolysis，，(International Journal of Hydrogen Energy 2006， 31， 1632-1640)中公开。 术语生物催化电解来自可生物氧化的材料在阳极的氧化由电化学活性微生物来 催化的事实。相反，在标准实施例中，如在水电解中那样，在阴极处的产氢还原反应通过化 学催化(例如，利用铂)。在溶解(例如，在废水中)的可生物氧化的材料的生物催化电解 中，发生下面的反应 阳极处的可生物氧化的材料的氧化，示意性地表示为 [CH20]+H20 — C02+4H++4e— (5) 阴极处的产氢还原反应 4H++4e— — 2H2 (6a)或 4H20+4e— — 2H2+40H— (6b) 由于产氢电解工艺在阳极和阴极之间的电势差的影响下发生，所以消耗能量。该 能量可通过电源引入。理论上，电解所需的电压越高，产生每份质量的氢气消耗的电量将越
4高。电解工艺中的能量损失增大了需要的电压，因此也增加了产生每份质量的氢气消耗的 电量。这样的能量损失也存在于电极反应中。阴极处的能量损失也称作阴极超电势并由伏 (V)来表达。 超电势通常具有随着电流密度增大(S卩，反应速度加快)而升高(即，能量损失增 大)的性质。对于阴极超电势也是这样。 阴极电势和电流密度之间的关系可由将阴极电势表示为电流密度(j)的函数的 所谓E-j曲线或极化曲线来表示。 阴极通常由两个元件组成，即，导电材料的电荷分布器和加快阴极反应的催化剂。 由于碳的价格低、导电性高且化学稳定性高，所以碳经常被用作电荷分布器。然而，仅使用 电荷分布器而不用催化剂，以动态的角度来说，阴极处的电化学产氢非常慢。因此在相对低 的电流密度下就已经出现大的超电势(即，大的能量损失)。经常使用铂作为在阴极处的电 化学产氢的催化剂。 对于水电解工艺，钼确实是一种非常有效的阴极催化剂，钼能够在非常高的电流 密度下限制超电势(例如，如由Kinoshita，K ;John Wiley&Sons Inc. :New York，1992写的 "Electrochemical oxygen technology，，一书中描述的，在1. 08A/cm2下超电势为0. 025V)。
遗憾的是，已经发现铂非常不适于作为生物催化电解的阴极催化剂的很多原因。 首先，钼是非常昂贵的材料。另外，生物催化电解的电流密度通常比水电解的电流密度低3 至5个数量级(即，数量级 0. 00001-0. 001A/cm2)。因此，生物催化电解中单位量的铂产 氢的量比水电解中产氢量低很多。这使得生物催化电解中使用铂来实现有商业吸引力的工 艺过于昂贵。 还发现了铂在生物催化电解中的效率远不及在水电解中的效率，如在署名为 Rozendal， R. A. et al的出片反物"Principle and perspectives of hydrogenproducing through biocatalyzed electrolysis"(International Journal of HydrogenEnergy 2006,31， 1632-1640)中描述的。仅仅在0. 00005A/cm2的电流密度下，阴极超电势就已经超 过0. 28V。通常出现在生物催化电解工艺中的相对温和的条件可以是生物催化电解中的铂 催化剂的这种低效率的可能原因。将相对温和的条件理解为表示除了别的以外，低温(例 如，室温)、低压(例如，大气压)和温和的pH(例如，pH 7)。 铂的高成本、在生物催化电解中的与相对低的电流密度结合、以及在生物催化电 解工艺的典型条件下的相对低的铂催化效率，使得有兴趣寻找催化在阴极处的电化学产氢 的替代方法。
背景技术：
过去已经将注意集中在使用铂作为上下文中的(生物)燃料电池和电解槽的阴 极催化剂的问题上。除了别的以外的生物催化剂已经在上下文中进行了研究。(生物)燃 料电池被理解为表示"只要供应燃料和氧化剂就连续地将化学能转化为电能(和一些热) 的电化学'装置，"(Hoogers， G，"Fuel Cell TechnologyHandbook"， CRC Press 2003)。相 反的过程在电解槽中发生耗费电能来引起期望的化学反应(Bard， A. J. ， Faulkner, L. R.， "Electrochemical MethodsFundamentals and Applications", Wiley 2001)，或将电會g转 化为化学能(和一些热)。电解工艺的示例是水电解和生物催化电解。
在第W02004/015806号国际专利申请中描述的是表面覆盖有生物膜(在 W02004/015806中限定为"包含来自诸如海水、河水等的生物水的微生物的自发地沉积在 表面上的膜")的不锈钢电极，生物膜用于催化燃料电池的电极处的反应。通过将电极浸 入到促进生物膜生长的培养基中，并同时将极化电势施加到电极(相对于标准甘汞电极 为-0.5V和0.0V之间的值)来形成生物膜。燃料电池的由生物膜覆盖的电极可以是负极 也可以是正极。在负极的情况下，生物膜催化氧化反应。在正极的情况下，生物膜催化正极 燃料电池反应。然而，该专利申请未涉及到生物膜能够应用于在电解槽的阴极处的产氢电 化学反应的催化剂，该申请也未描述如何能够获得适于产氢电化学反应的电化学活性微生 物培养物。 在第JP11057782号专利申请中以及Sakakibara&Kuroda (Biotechnolygyand Biogengineering，vol. 42，p. 535-537， 1993)也描述了在阴极上使用生物膜。然而，这些参 考资料描述了在阴极处非生物地产氢，然后生物膜使用该氢来将硝酸盐还原为氮气和水。 因而在这种情况下没有提到在阴极处的催化产氢的微生物培养物，而是提到了消耗电化学 地形成的氢气的生物膜。 Tatsumi et al. (Analytical Chemistry, vol. 71. p. 1753-1759， 1999)、 Tsujimuraet al. (Phys. Chem. Chem. Phys. ， vol. 3， p. 1331-1335,2001) 、 Lojou et al. (Electroanalysis， vol. 14， p. 913-922， 2002)描述了使用具有固定的普通脱硫弧菌 Hildenborough (Desulfovibrio vulgaris Hildenbrough, DvH)细胞的电极来产生禾口/或 氧化氢气。这些细胞通过在膜和导电载体材料之间包含具有相关细胞的悬浮液来固定。然 而，对于他们的对电极的催化效果，这些DvH细胞需要外部供应的氧化还原培养基。
除了生物膜的应用，在文献和专利申请中还描述了应用单独的酶(而不是整个微 生物)作为生物催化剂的系统。Guiral-Br卿a et al. (Journal ofElectro,lytical Chemistry, vol.510， p. 136-143，2001) 禾口 Morozov et al. (Interational Journal of Hydrogen Energy, vol. 27， p. 1502-1505,2002)描述了在由碳材料制成的电极处利用固定 的氢化酶来无培养基产氢。Morozov et al. (Russian Journal of Electrochemistry, vol. 38，p. 97-102,2002)还示出了一些这种电极的50%的初始活性在缓冲溶液中以fC保 存6个月之后得以保持。在第W02004/114494号专利申请中描述的是一种燃料电池，该燃 料电池在正极处使用固定的氢化酶来催化氢氧化，在负极处使用氧化酶来催化氧还原。可 通过从水溶液吸附的方式或化学结合的方式来导致该固定。US2006/0159981中描述的是一 种生物燃料电池，该生物燃料电池由具有附着的正极酶的正极和具有附着的负极酶的负极 组成。正极上的酶催化还原剂(未进一步描述)的氧化，负极上的酶催化氧化剂(未进一 步描述)的还原。 由上可知，在使用单独的氢化酶作为在阴极处的电化学产氢的催化剂的情况下， 不需要培养基来实现催化效果。然而，使用单独的氢化酶具有这样的缺点，即，只能在耗时 的提纯之后才能获得这些单独的氢化酶。单独的氢化酶还缺乏长期应用所需的稳定性，并 且它们不具有自我再生能力。当整个微生物被用作在阴极处的电化学产氢的催化剂时，至 今仍需要额外添加培养基(例如，甲基紫精或细胞色素c》以产生催化效果。使用培养基 具有这样的缺点，即，它们是昂贵的化合物，并且在许多情况下具有高毒性。

发明内容
本发明为其目的提供一种被描述为替换到目前为止所描述的用于电化学产氢的 阴极系统。根据第一方面，本发明为此目的提供一种获得亲阴极产氢微生物培养物的方法。 该方法包括以下步骤 (i)提供生物电极，包括在电导体上的电化学活性微生物培养物，该微生物培养物 能够氧化氢； (ii)将生物电极放置在培养基中，培养基能够支持微生物培养物的生理机能；
(iii)将电势施加到生物电极上，所述电势低于培养基中的HVU氧化还原对的平 衡电势。 本方法中提供的生物电极包括在电导体上的电化学活性微生物培养物。该微生 物培养物能够氧化氢。在本发明的上下文中，术语电化学活性微生物培养物表示能够直接 利用电极(即，不需要使用额外提供的氧化还原培养基)作为电子供体(亲阴极生物)或 作为电子受体(亲阳极生物)的微生物的培养物。这种亲阳极生物的存在在本领域中通过 (尤其是)署名为Rozendal， R. A. et al的"Principle and perspectives of hydrogen production through biocatalyzedelectrolysis，，(International Journal of Hydrogen Energy 2006， 31， 1632-1604)并通过署名为Bond, D. R.和Lovely, D. R.的"Electricity production by Geobactersulfurreducens attached to electrodes，，Applied and Environmental Microbiology2003，69， 1548-1555而知晓。 微生物培养物在电导体(即，能够传导电流的材料)上存在。碳(例如碳毡或碳 薄片的形式或者石墨毡或石墨薄片的形式)非常适于作为电导体。然而，技术人员可选择 其它合适的材料。在本说明书及权利要求书中也使用术语电荷分布器来表示电导体。
在生物电极上存在的电化学活性微生物培养物能够氧化氢。氧化氢是根据上面的 反应方程式(3a和/或3b)的逆反应将H2转化为质子和电子的过程。技术人员应该理解， 根据反应方程式3a和3b的反应是相似的反应，反应3a是从反应3b的左侧和右侧去掉2 个0H—来获得的。能够氧化氢的电化学活性微生物培养物中的生物在这里能够将形成的电 子直接释放(即，不需要额外供应的氧化还原培养基)到作为电子受体的阳极。
在根据本发明的方法中，生物电极被放置在培养基中，培养基适于支持微生物培 养物中的至少一部分生物的生理机能。支持生理机能在这里表示生物能够保持新陈代谢活 性。关于通过例如上面的反应3a或3b中的一个或多个的氢气形成的微生物培养物中的生 物的新陈代谢活性在本发明的上下文中非常重要。适于作为培养基的培养基对技术人员是 公知的。例如，这种合适的培养基是Postgate培养基。在示例1和示例2中描述了其它合 适的培养基。 培养基具有低的氧压在氢生产中也是重要的。因此，优选地，培养基为微需氧的， 更优选地，为厌氧的。 通常合适的是还包括碳源(例如，二氧化碳)的微量元素的水溶液，水溶液的pH 为2-10，例如，pH为3-9，优选地，pH为5-7。 为了限制消耗氢的产甲烷生物的生长，建议使用低于pH 5.0的低pH，例如，低于 pH 4.0。已知的是，产甲烷生物在这样的低pH值下受限制。另外，只要微生物培养物充分 生长就将二氧化碳的浓度最小化，通过这样能够限制产甲烷细菌的生长。为了这个目的，可以使用低于0. 0003atm的PC02，例如，低于0. 0002atm或低于0. OOOlatm。 根据本发明的方法，将电势施加到生物电极上，所述电势低于培养基中的H+/H2氧
化还原对的平衡电势。技术人员可根据理论基础(基于培养基的组分以及其它反应条件的
知识)来确定培养基中的HVU氧化还原对的平衡电势。在许多情况下，还可根据确定电池
的开路电压来确定平衡电势。可利用稳压器或其它合适的电源来施加该电势。 对于适于氢的氧化的电化学活性微生物，其中，电子被释放到作为阳极的电极的
电荷分布器，转换到比培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势低的电势表示它们的电化
学反应的逆反应。由于该电势保持为低于H7H2氧化还原对的平衡电势，所以电池将被迫沿
质子还原的方向来催化反应。因此它们以电活化的方式来产生氢气。 在本方法的步骤(iii)施加的电势为例如比培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡 电势低5mV、10mV、15mV、20mV、25mV、40mV、50mV、60mV，例如，比培养基中的H+/H2氧化还原 对的平衡电势低超过70mV、80mV、90mV、100mV、120mV、150mV、200mV、250mV、300mV、350mV、 400mV、450mV、500mV、550mV、600mV、650mV、700mV、750mV、800mV、850mV、900mV、950mV或比培
养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势低超过1000mV。对于确定的应用，由于这里选择了能够以低的能量投入产生H2的生物，所以施加
的电势与培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势之间的小的差距是有利的。 可利用电源来施加所述施加的电势。例如，稳压器适于作为电源。这种稳压器可
结合到参比电极(例如，标准氢电极、甘汞电极或Ag/AgCl电极)，以精确地调节生物电极的
相对于培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势的电势。然而，稳压器的使用不是必须的，
能够使用技术人员了解的适于将电势施加到生物电极的任何其它电源。 可选地，可这样地将电势调节为低于H+/H2氧化还原对的平衡电势，即，改变(例
如，降低)该H+/H2氧化还原对的平衡电势，例如，如技术人员所知的，可降低H+/H2氧化还
原对的pH或降低氢分压，或通过对反应条件(例如，温度)进行其它改变。例如，在pHO. 0
且在标准条件下(T = 25°C、 PH2 = latm) ， H+/H2氧化还原对的平衡电势为0. 0V。在pH7. 0
下，该平衡电势在相同的标准条件下为-0.42V。从这里可以推断每pH单位的电势升高为
士60mV。因此，培养基的pH降低可被用于给阴极处存在的电势赋予低于培养基中的H7H2
氧化还原对的平衡电势的值。 根据该方法的优选实施例，通过将包括电化学活性微生物培养物的生物阳极设置 电荷分布器上来获得生物电极，在能够支持微生物培养物的至少一部分的生理机能培养基 中，在高于培养基中的HVU氧化还原对的平衡电势的电势下，该微生物培养物能够使可 生物氧化的碳化合物氧化。这在可生物氧化的碳化合物的限制条件下在存在氢气时发生。 例如，施加的电势可以比培养基中的H7H2氧化还原对的平衡电势高，例如比平衡电势高 1000mV、800mV、500mV。优选地，施加的电势可比平衡电势高200mV，例如，高150V、 100mV或 50mV。 技术人员可选择合适的可生物氧化的碳化合物。例如，合适的可生物氧化的碳化 合物的示例为短链(Q-Ce)有机酸(例如，乳酸、乙酸以及它们的裂解形式)、短链(Q-C》醇 (例如，乙醇和丙醇)或碳水化合物(例如，葡萄糖、果糖、乳糖或蔗糖)。
由于该步骤在生物阳极处选择了能够氧化氢的电化学活性微生物培养物，例如通 过上面示出的标准反应方程式3a或3b中的反应的逆反应。本发明的发明人发现这种能够
8氧化氢的电化学活性微生物培养物能够以低于它们所存在的培养基中的H+/H2氧化还原对 的平衡电势的电势电化学地产氢。 根据该方法的又一优选实施例，在可生物氧化的碳化合物的限制条件下可存在诸 如二氧化碳源的不可生物氧化的碳源。碳源的存在使得微生物能够生长。例如，二氧化碳 源是二氧化碳或者包含H2C03和/或HC03—和/或C032—的溶液。 又一优选实施例包括将亲阴极产氢微生物培养物接种到电荷分布器。接种亲阴极 产氢微生物培养物使其能够以简单的方式扩大其培养物，和/或从而获得多个具有亲阴极 微生物培养物的电极。可以以技术人员所知的用于接种微生物的目的的任何合适的方式来 进行接种。 本发明的又一方面涉及一种亲阴极产氢微生物培养物。这种能够以电化学的方式
产生氢气而不是用外部的氧化还原培养基的微生物培养物在前面未进行描述。该微生物培
养物包括能够以质子还原和/或水还原的方式来产生氢气的微生物，例如，像反应方程式
3a和3b中描述的那样。微生物培养物可以是单一培养物或混合培养物。根据优选实施例，
可利用根据本发明的用于形成微生物培养物的方法来获得所述微生物培养物。 本发明的又一方面涉及一种根据本发明的用于产氢的微生物培养物的用途。如上
所述，所述微生物培养物适于产生氢气。 本发明的其它方面涉及一种用于制造生物电极的方法，例如，所述生物电极适于
作为生物阴极，例如，所述生物电极用于水的生物催化电解。该方法包括以下步骤提供导 电材料主体；在导电材料的表面上布置亲阴极产氢微生物培养物。 根据优选实施例，在该方法中 (i)提供的导电材料主体包括分隔开的两个表面； (ii)将亲阴极产氢生物培养物布置在第一表面(阴极表面)上； (iii)将用于电化学氧化反应的催化剂布置在第二表面(阳极表面)上。 因此，在该方法中使用根据本发明的亲阴极产氢微生物培养物。 在该方法中提供了导电材料的主体或电荷分布器。在本发明的上下文中，术语电
荷分布器被理解为表示能够传导电荷的材料。例如，合适的电荷分布器是碳，优选地，碳薄
片、碳板、石墨薄片、石墨板，或者是诸如铜或钛的导电材料。 在该方法中，根据本发明的亲阴极产氢微生物培养物被布置在电导体的主体的表 面上。可以以技术人员所知的适于布置微生物培养物的任何方式来进行该布置。
根据优选实施例，主体包括分隔开的两个表面。这被理解为表示必须能够将两个 表面彼此分隔开，使得一个表面能够被用作阴极，另一个表面能够被用作阳极。这通过例如 将主体选择为基本呈二维主体(例如，板状(优选地，平板)主体)而成为可能。
在该优选实施例中，将根据本发明的亲阴极产氢生物培养物布置在第一表面(阴 极表面)上。将用于电化学氧化反应的催化剂(例如，厌氧氧化反应)布置在第二表面(阳 极表面)上。催化剂可以是合适的催化剂，可以以技术人员所知的适于布置所使用的类型 的催化剂的任何方式来进行该布置。例如，催化剂可从能够使可生物氧化的物质(例如， 可生物氧化的碳化合物)电化学氧化(例如，厌氧氧化)的铂和/或电化学活性微生物培 养物的组中选择。后面的微生物培养物可包括从下面的组中选择的生物，即，硫还原地杆 菌(Geobactersulfurreducens)、腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)、铁还原地杆菌(Geobactermetallireducens)禾口 Rhodoferax ferrireducens或来自这些描述的禾中所在的 属的其它生物，或者这些生物的聚生体。 利用上述本方法的优选实施例获得的双功能生物电极包括电荷分布器主体，该主 体包括分隔开的两个表面，第一表面(阴极表面)上有亲阴极产氢微生物培养物，在第二表 面(阳极表面)上有用于电化学氧化反应的催化剂。 本发明还涉及一种生物电极，具体地说，涉及一种由该方法获得的双功能生物电
极。通过与制造该双功能生物电极的方法的描述，该生物电极和双功能生物电极的特性以
及权利要求书中陈述的优选实施例的特性对本领域技术人员来说将变得明显。 根据又一方面，本发明涉及一种装置。该装置适于用作电解装置。该装置包括多
个分隔间，在每个分隔间中具有以共有距离设置的阳极和阴极。在阳极上具有用于可氧化
基质(substrate)的电化学氧化的催化剂，在阴极上具有亲阴极产氢微生物培养物。在阳
极和阴极之间还存在离子传导分隔件，将所述多个分隔间分为在阳极侧的阳极子分隔间
(sub-compartment)和在阴极侧的阴极子分隔间。在阴极子分隔间中存在的是适于支持亲
阴极产氢微生物培养物的生理机能的培养基。该装置还包括将包括可氧化基质的培养基供
应到阳极子分隔间的装置和使氢气从阴极子分隔间排放的装置。在多个阳极之间和多个阴
极之间还有电连接件。 离子传导分隔件可以是阳离子或阴离子传导材料，例如，阴离子选择性膜、阳离子 选择性膜或双极性膜。诸如微滤膜、超滤膜或纳米滤膜的多(微)孔膜也可适用。这些材 料是技术人员公知的。 上述种类的用于电解的装置本身是在本领域内公知的。然而，根据本发明的电解 装置由于在阴极上具有亲阴极产氢微生物培养物而与现有技术中已知的电解装置不同。在 本发明的上下文中，术语"多个"表示一个或更多个。 根据电解装置的优选实施例，所述多个分隔间为许多个分隔间。所述许多个分隔
间细分为第一端分隔间、第二端分隔间和多个设置在第一端分隔间和第二端分隔间之间的
中间分隔间。所述多个阳极和阴极在此以可交替的方式在装置中存在。在该实施例中，所述
多个阳极和所述多个阴极之间的电连接还适用于相邻的中间分隔间的阳极和阴极之间的
电连接、第一端分隔间的阴极和与第一端分隔间相邻的中间分隔间的阳极之间的电连接、
第二端分隔间的阳极和与第二端分隔间相邻的中间分隔间的阴极之间的电连接、端分隔间
的阳极和阴极之间的电连接。这些电连接使得每个阳极电连接到一个阴极。 可以将根据该实施例的电解装置设计为电解槽堆。 根据又一优选实施例，多个阳极与多个阴极之间的电连接包括用于调节阴极电势 的电源。如果存在电源，可使其适于端分隔间的阳极和阴极之间的电连接的堆。
根据电解装置的另一优选实施例，用于在阳极上的可氧化物质的电化学氧化 的催化剂包括从由铂和/或微生物组成的组中选择，所述微生物可从由下面的组中选 择的生物，艮P，硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)、腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)、 铁还原 地杆 菌 (Geobacter metallireducens) 禾口 Rhodoferax ferrireducens或来自这些描述的种所在的属的其它生物，或者这里的一种或多种生物的 聚生体。对这些生物已知的是他们可具有亲阳极性。 根据电解装置的又一优选实施例，中间分隔间的阳极和阴极适于用作根据本发明
10的双功能电极。由于双功能电极的低内阻，所以与现有技术的具有相同的电极表面及的电 解装置相比，电解装置的内阻也降低。
根据又一方面，本发明涉及一种用于产氢的方法。该方法包括以下步骤 (i)提供根据本发明的用于电解的装置； (ii)将包含可氧化基质的培养基供应到阳极子分隔间； (iii)向多个阴极施加电势，所述电势低于培养基中的HVU氧化还原对的平衡电 势； (iv)排放在阴极处产生的氢气。 可以以任何合适的方式来进行将基质培养基(substrate medium)供应到阳极子 分隔间的步骤，例如，利用(连续)泵输送。可氧化基质可以是技术人员所知的任何合适的 物质。基质培养基可以是例如具有高的有机化合物含量的废水流。 可利用任意电源来向多个阴极施加电势，所述电势低于培养基中的HVU氧化还 原对的平衡电势，在根据本发明的电解装置中，阳极和阴极连接到所述电源。如上所述，能 够可选择地将电势调节为低于H+/H2氧化还原对的平衡电势，例如通过改变(例如降低)H7 H2氧化还原对的平衡电势，例如，通过降低培养基的pH和/或降低氢分压。
优选地，施加到阴极的电势使每单位时间产生期望的H2的量。可确定该期望的H2 的量。产氢的另一可比的标准是以施加的电势的形式投入的能量。较高的能量投入会导致 产生的4的成本价格提高。技术人员将能够就氢气的成本价格而言使施加的电势最优化。
可通过任何合适的方法使在阴极子分隔间处产生的氢气排放，以直接使用和/或 储存。


将基于下面的示例和附图来进一步描述本发明，示例和附图给出了本发明的非限 制性示例性实施例。
图1A至图1C示出了本发明的获得亲阴极产氢微生物培养物的方法的总体示图；
图2示出了根据本发明的电解装置的实施例；
图3示出了图2的电解装置的生物阴极的细节；
图4示出了穿过根据本发明的双功能电极的剖面；
图5示出了穿过图4的双功能电极的剖面的细节； 图6示出了根据本发明的使用双功能电极的电解装置的另一实施例； 图7示出了电流密度作为利用亲阴极产氢微生物培养物以及两个参照试验获得
的阴极电势的函数的极化曲线； 图8示出了对使用了亲阴极微生物培养物的测试以及对比试验的氢气的体积作 为时间的函数。 在根据本发明的方法中，使用了如图1A、图1B、图1C中示出的电化学槽1的实施
例。该槽包括利用离子传导分隔件4(例如，Nafior^117)分隔的两个分隔间2、3。分隔间 3包括碳棒电极5。该电极作为生物电极(工作电极)并连接到用作电源的稳压器6。另一 分隔间2包括连接到电源并作为对电极的铂电极7。参比电极(在图A、图1B、图1C中未示 出)也可设置在生物电极分隔间中。分隔间2、3均填充有合适的培养基(例如包含O. 74g/LKC1、1. 36g/LKH2P04、0. 28g/L NH4C1、0. 84g/L NaHC03—、0. lg/L CaCl2 *2H20、lg/LMgS04 *7H20、 和lmL/L微量元素的培养基)。 电化学槽1的生物电极分隔间3被接种有来自生物催化电解槽的阳极分隔间的 电化学活性微生物。在示出的实施例中，然后向该培养物通入乙酸和氢气，并在电势为 +0. 1V(相对于标准氢电极；NHE)且pH 7下监控。在这些条件下，电化学活性微生物在生物 电极上形成生物膜8，并产生阳极电流。然后将pH降低至例如pH 6且电势降低至-0. 1V(相 对于NHE)，在使生物膜8适应这些条件之后，将生物电极与氢气和其中仅碳酸氢盐分解作 为唯一碳源的培养基联通，以选择氢氧化微生物8a(图IB)。 一旦在这些条件下产生恒定的 电流，则将生物电极的电势降低至-0. 65V(相对于NHE，pH为6)，使得阳极电流变为阴极电 流(图1C)。在这样降低电势之后，生物膜8a将产生氢气。因而获得亲阴极产氢微生物培 养物8a。 图2示出了生物催化电解装置的总体示图。生物催化电解槽包括与图1C的电化 学槽相似的分隔间，即，利用离子传导分隔件4分隔开的两个分隔间2、3。在这种情况下， 分隔间2、3均包括生物电极。分隔间3中的生物电极5包括根据本发明的亲阴极产氢微生 物培养物8a。分隔间2(阳极)中的生物电极7包括能够将可生物氧化的碳化合物转化为 C02、 H+和电子的亲阳极微生物培养物10。在阳极7处产生的电子通过电路传导到阴极5。 这里，电子被亲阴极微生物培养物8a用于将质子还原为H2。用于供应需要的能量的电源6 包括在电路中。质子在阳极分隔间2中形成，并通过离子传导分隔件4(例如，Nafion膜) 流动到阴极分隔间3。可生物氧化的碳化合物OM来自通过入口 11进入阳极分隔间2的废 水。经处理的废水作为出水(effluent)通过出口 12离开阳极分隔间。C02和H2分别通过 出口 13和14离开阳极分隔间和阴极分隔间。还可将排出的氢气存储和/或利用。
图3示出了利用阴极5上的生物膜8a中的亲阴极产氢微生物培养物催化的质子 还原反应的示意性总体示图。示意性总体示图不意图表现该反应的化学计量关系。
图4示出了根据本发明的双功能电极15。双功能电极15包括电导体16(这里为 碳板)。亲阴极微生物培养物8a的膜设置在碳板16的一个表面上。用于氧化反应的催化 剂设置在碳板16的另一表面上。在这种情况下，是亲阳极微生物培养物的膜。
图5示意性地示出了在双功能电极15的两侧上发生的反应。该示意性性总体示 图仍然不意图示出反应的化学计量关系。可以看出，在阳极侧，亲阳极微生物将可生物氧化 的碳化合物(OM)转化为电子丄02和H+。电子经过电导体16流至阴极侧，在阴极侧，电子被 亲阴极产氢微生物培养物8a用于将质子还原为H2。 双功能电极可被应用于根据本发明的电解装置。图6中示出了电解装置的实施 例。该电解装置17包括多个根据本发明的双功能电极15。双功能电极15设置在端阳极18 和端阴极19之间。双功能电极15形成了端阳极18和端阴极19之间的分隔间。这些分隔 间被离子传导分隔件4细分为阳极子分隔间20和阴极子分隔间21。包含废水的进入流22 被供应到阳极子分隔间。废水中的可生物氧化的碳化合物被亲阳极生物膜IO转化为质子、 (A和电子。质子穿过质子传导分隔件4流至阴极子分隔间21。 (A通过出口 22(例如，与 来自废水的出水一起)离开阳极子分隔间。 双功能电极的阳极侧上产生的电子被双功能电极的导电材料直接传导到双功能 电极的阴极侧。在单功能端阳极处产生的电子通过电路传导到单功能端阴极。电源6设置
12在该电路中。在双功能电极15的阴极侧上，电子被亲阴极产氢微生物培养物8a利用以还 原质子。这里产生通过出口23离开阴极子分隔间21的氢气。电源6供应在该系统中用于 产生氢气的足够的电能。由于双功能电极中的低电阻，所以该装置中的电阻比现有技术中 具有相同的电极表面积的装置的电阻低。
示例
示例1由玻璃制造电化学槽。所述池由面积为9. 5cm2的阳离子选择膜(Nafion 117)
分隔的两个分隔间组成。 一个分隔间(体积1L)包括面积为10cm2的碳棒电极。该电极 作为生物电极(工作电极)并连接到稳压器6(iiAutolablII，EcoChemie B.V.，荷兰)。另 一分隔间(体积100mL)包括铂电极7(1. 25cm2)，铂电极7连接到稳压器并相对于生物电 极垂直地定向并且作为对电极。两个电极距离膜的距离总计为lcm。在生物电极分隔间中 还设置Ag/AgCl、3M KC1参比电极。两个分隔间均填充有由O. 74g/L KCl、1.36g/L KH2P04、 0. 28g/LNH4Cl、0. 84g/L NaHC03—、0. lg/L CaCl2 *2H20、lg/L MgS04 *7H20^P lmL/L微量元素 组成的培养基。 电化学槽的生物电极分隔间被接种有来自生物催化电解槽的阳极分隔间的电化 学活性微生物，然后向该微生物通入乙酸和氢气，并在电势为+0. 1V(相对于标准氢电极； NHE)且pH 7下监控。在这些条件下，电化学活性微生物在生物电极上形成生物膜，并产 生阳极电流。然后将PH降低至例如pH 6且电势降低至-0. 1V(相对于NHE)，在使生物膜 适应这些条件之后，将生物电极与氢气和其中仅碳酸氢盐分解作为唯一碳源的培养基联 通，以选择氢氧化微生物。 一旦在这些条件下产生恒定的电流，则将生物电极的电势降低 至-0. 65V(相对于NHE，pH为6)，使得阳极电流变为阴极电流。在接下来的一周期间，阴极 电流增大到按照生物电极表面积计算为1A/m2，同时电势被保持为-0. 65V(相对于NHE)。在 不变的条件下增大的阴极电流密度指示了生物膜中的微生物群落的变化。测量到的阴极 电流密度(1A/m2)是在相似条件下(pH 7并且阴极电势为-0. 71V)的现有研究(Rozendal et al. ， International Journalof Hydrogen Energy, vol. 31， p. 1632-1640)中利用钼催 化电极测量的阴极电流密度的超过两倍高。在生物电极分隔间的气相中检测到氢气(利用 ShimadzuGC-2010气相色谱仪)。
示例2 在略微修改的装置中重复示例1中描述的试验。现在将使用由四个树脂玻璃板 组成的槽设计。两个内板形成阳极分隔间和阴极分隔间，而两个外板用作加热套和加强 件。内板包括用于传输液体的沟道(沟道深度1cm)(体积0. 25L)和用于气体聚集的顶 部空间(体积0.029L)。利用阳离子选择性膜(Fumasep FKE， 20cm X 30cm)分开的两 个石墨毡电极(有效面积250cm2)设置在内板之间。两个电极均连接到稳压器(Wenking Potentiostat/GalvanostatKP5V3A， Bank IC，德国)。生物电极是工作电极。Ag/AgCl、3M KC1参比电极(QM710X， ProSense BV，荷兰)连接到哈伯-鲁金毛细管。哈伯_鲁金毛细 管设置为距离电极近，以使参比电极和工作电极之间或参比电极和对电极之间的欧姆电压 损失最小化。生物电极分隔间填充有如示例l所例举的培养基。当生物电极作为阳极工作 时，对电极分隔间填充有铁氰化物(III)的溶液，当生物电极作为阴极工作时，对电极分隔 间填充有铁氰化物(II)的溶液。
电化学槽的生物电极分隔间接种有来自生物催化电解槽的阳极分隔间的电化学 活性微生物，然后向该微生物通入乙酸和氢气，并在电势为+O. 1V(相对于标准氢电极；
NHE)且pH 7下监控。在这些条件下，电化学活性微生物在生物电极上形成生物膜，并产生 阳极电流。然后将生物电极与氢气和其中仅碳酸氢盐分解作为唯一碳源的培养基联通，以 选择氢氧化微生物。 一旦在电势为-0. 2V(相对于NHE)时产生恒定电流，则将生物电极的 电势降低至-0. 7V(相对于NHE，pH为7)，使得阳极电流变为阴极电流。在接下来的时间段 期间，阴极电流增大到按照生物电极表面积计算为1. 1A/m2，同时电势被保持为-0. 7V(相对 于NHE)。在不变的条件下增大的阴极电流密度指示了生物膜中的微生物群落的变化。因 此，之后将形成的生物阴极与制备的不含碳源的培养基联通。 在阴极电势为-0.7V(相对于NHE，pH为7)下，如图7所示，发现生物阴极(闭环) 的阴极电流密度为未接种电化学活性微生物的控制电极(开环)的阴极电流的4倍。测量 的生物阴极的阴极电流(1. 1A/m2)比得上示例1中测量的电流。在相似条件下(pH 7并且 阴极电势为-O. 71V)的现有研究(Rozendal et al. ， International Journal of Hydrogen Energy, vol. 31， p. 1632-1640,2006)的铂催化电极的阴极电流密度在图7中示出为X。分 析产生的气体(利用ShimadzuGC-2010气相色谱仪)示出了氢气以测定的50%的效率(基 于电子至tf)产生。图8中示出了产生的氢气的量。生物阴极(闭环)产生的氢气的量为 控制电极(开环)产生的氢气的量的大约10倍。在生物阴极联通一氧化碳的实施例中，生 物阴极的阴极电流降低。已知一氧化碳是氢化酶(在产氢微生物中催化氢气的氧化的酶) 的抑制剂。阴极电流的降低指示了电化学活性微生物催化在生物阴极处产氢。在通过利用 氮气冲洗的方式来从生物阴极去除一氧化碳之后，阴极电流恢复到1. 1A/m2。通过使来自生 物阴极的出水与控制阴极的入水混合，可使控制阴极接种有电化学活性微生物。8天之后， 使控制阴极与生物阴极分开，并将控制阴极与上述的lOmM的重碳酸盐培养基联通。在接下 来的10天中，"控制"阴极处的电流从-0. 3A/m2升高到-1. 0A/m2。这表示在"控制"阴极处 的电化学活性微生物的生长。电子显微镜也表明生物膜存在于生物阴极和后来接种的"控 制"阴极上。这证明了也可以通过从已经用于产氢操作的生物阴极接种电化学活性微生物 来获得用于产氢的生物阴极。
1权利要求
一种获得亲阴极产氢微生物培养物的方法，所述方法包括以下步骤(i)提供生物电极，所述生物电极包括在电导体上的电化学活性微生物培养物，该微生物培养物能够氧化氢；(ii)将生物电极放置在培养基中，所述培养基能够支持微生物培养物的生理机能；(iii)将电势施加到生物电极上，所述电势低于培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，通过以下步骤来获得生物电极a) 提供生物阳极，所述生物电极包括在电导体上的亲阳极电化学活性微生物培养物， 该微生物培养物能够氧化氢，将所述生物阳极放置在能够支持微生物培养物的生理机能的 培养基中；b) 将电势施加到生物阳极上，所述电势高于在可生物氧化的碳化合物的限制条件下在 存在氢气时的培养基中的H+/H2氧化还原对的平衡电势。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，在可生物氧化的碳化合物的限制条件下，存在诸如 二氧化碳源的不可生物氧化的碳源。
4. 一种亲阴极产氢微生物培养物。
5. —种利用如权利要求1-3中任一项所述方法获得的如权利要求4所述的微生物培养物。
6. 如权利要求4-5中任一项的微生物培养物作为用于产氢的电化学催化剂的用途。
7. —种制造生物电极的方法，所述方法包括以下步骤提供导电材料主体；在导电材 料的表面上布置亲阴极产氢微生物培养物。
8. 如权利要求7所述的方法，其中(iv) 提供的导电材料主体包括分隔开的两个表面；(v) 亲阴极产氢生物培养物布置在第一表面上，第一表面是阴极表面；(vi) 用于电化学氧化反应的催化剂布置在第二表面上，第二表面是阳极表面。
9. 如权利要求7-8中任一项所述的方法，其中，主体基本为二维，例如，优选地为板状 主体。
10. 如权利要求7-9中的任意一项所述的方法，其中，厌氧氧化反应的催化剂从由铂和 /或能够氧化可生物氧化的碳化合物的电化学活性微生物培养物的组中选择。
11. 一种双功能生物电极，所述双功能生物电极包括导电材料的主体，所述主体包括分 隔开的两个表面，在第一表面上有亲阴极产氢微生物培养物，在第二表面上有用于电化学 氧化反应的催化剂，第一表面为阴极表面，第二表面为阳极表面。
12. 如权利要求ll所述的双功能电极，其中，主体基本为二维，例如，优选地为板状主 体，更优选地为平板。
13. 如权利要求11-12中的任意一项所述的双功能生物电极，其中，厌氧氧化反应的催 化剂从由铂和/或能够氧化可生物氧化的碳化合物的电化学活性微生物培养物的组中选 择。
14. 一种装置，包括多个分隔间，在每个分隔间中具有以共有距离设置的阳极和阴极， 在阳极上具有用于可氧化的基质的电化学氧化的催化剂，在阴极上具有亲阴极产氢微生物 培养物，其中，在阳极和阴极之间还存在离子传导分隔件，将所述多个分隔间分为在阴极侧的阴极子分隔间和在阳极侧的阳极子分隔间，在阴极子分隔间中存在适于支持亲阴极产氢微生物培养物的生理机能的培养基，其中，该装置还包括将包括可氧化的基质的培养基供应到阳极子分隔间的装置和使氢气从阴极子分隔间排放的装置，在多个阳极之间和多个阴极之间还有电连接件。
15. 如权利要求14所述的装置，其中，阳极和阴极之间的电连接件包括电源。
16. 如权利要求14所述的装置，其中，所述多个分隔间为许多个分隔间，所述许多个分隔间细分为第一端分隔间、第二端分隔间和多个设置在第一端分隔间和第二端分隔间之间的中间分隔间，其中，阳极和阴极以交替的方式在装置中存在，所述多个阳极和所述多个阴极之间的电连接适用于相邻的中间分隔间的阳极和阴极之间的电连接、第一端分隔间的阴极和与第一端分隔间相邻的中间分隔间的阳极之间的电连接、第二端分隔间的阳极和与第二端分隔间相邻的中间分隔间的阴极之间的电连接、端分隔间的阳极和阴极之间的电连接，这些电连接使得每个阳极电连接到 一个阴极。
17. 如权利要求16所述的装置，其中，端分隔间的阳极和阴极之间的电连接件包括电源。
18. 如权利要求14-17中任一项所述的装置，其中，用于在阳极上的可氧化的基质的电化学氧化的催化剂包括从由铂和/或微生物组成的组中选择，所述微生物包括从下面的组中选择的生物，即，硫还原地杆菌，腐败希瓦菌，铁还原地杆菌和Rhodofrax ferrireducens或来自所描述的种所在的属的其它生物，或者这些生物的一种或多种的聚生体。
19. 如权利要求16-18中任一项所述的装置，其中，中间分隔间的阳极和阴极适于用作如权利要求11-13所述的双功能电极。
20. —种产氢的方法，所述方法包括以下步骤(i) 提供如权利要求14-19中任一项所述的用于电解的装置；(ii) 将包含可氧化的基质的培养基供应到阳极子分隔间；(iii) 向多个阴极施加电势，所述电势低于培养基中的HVU氧化还原对的平衡电势；(iv) 排放在阴极处产生的氢气。
全文摘要
根据第一方面，本发明涉及一种获得亲阴极产氢微生物培养物的方法。根据另一方面，本发明涉及一种亲阴极产氢微生物培养物以及该微生物培养物用于产氢的用途。本发明的又一方面涉及一种制造双功能电极的方法以及利用该方法获得的双功能电极，所述双功能电极中应用了亲阴极产氢微生物培养物。本发明的其它方面涉及一种产氢的装置，在该装置中应用了电化学活性产氢微生物培养物。
文档编号C12N11/14GK101784661SQ200880104114
公开日2010年7月21日 申请日期2008年7月8日 优先权日2007年7月12日
发明者塞斯·简·尼可·比伊斯曼, 胡伯特斯·维克托·玛丽·哈米勒斯, 阿德里安·威廉·杰尔麦斯, 雷内·亚历山大·罗森达尔 申请人:可持续水处理卓越技术威特斯中心基金会