微生物电化学装置的制作方法

本实用新型涉及电化学领域，具体涉及微生物电化学装置。

背景技术：

将二氧化碳转化为化学品和燃料替代品，如高级醇类(异丁醇及3-甲基-1-丁醇等)作为汽油代替品使用，是一种具有重要社会经济意义的新兴技术，既能降低二氧化碳减排压力，又能弥补化石燃料短缺。然而，从二氧化碳到高级醇类的转化是一个复杂的综合工艺系统，这决定了该技术在走向成熟的过程中必然要遭遇和克服诸多问题。这种技术的工艺路线既需要电化学反应装置，又需要微生物发酵装置，对反应器的设计提出了挑战，传统工业并没有满足该需要的反应装置。该工艺关键在于一个中间产物(甲酸或甲酸盐)和两个转化步骤(电化学转化和微生物转化)为特征和核心。目前其所面临的问题之一，同时也是技术发展的重点之一，是如何将电化学反应和生物反应两个核心步骤更好地对接起来，以便简化合成工艺，精简合成装置，降低合成成本。

电化学转化是将二氧化碳和水转化为甲酸或甲酸盐，微生物转化是将甲酸盐或甲酸进一步转化为高级醇。对这两个步骤采取的常规的对接方案是引入一个中间处理过程，用物理及化学等方法将甲酸盐或甲酸酸化、分离、浓缩和提纯等。这个对接方案实际上是将两个核心步骤作为联系松散的两个独立工艺来处理，处理后的甲酸或甲酸盐再作为微生物转化的原料。由于甲酸或甲酸盐的强易溶性以及电化学阴极液体的多组分性，这一额外处理过程的引入造成了整体工艺系统和装置的庞杂化，并推高了最终产品的合成成本。因此，设计高效、一体化的反应装置对于该工艺的推广尤为关键。

鉴于甲酸盐或甲酸分离的中间处理过程带来的负面作用，电化学和生物过程的直接耦合应是技术发展的优先选择，但是，这又带来了如何处理两个核心步骤的转化条件和转化环境的交互影响等问题。2012年，美国加利福尼亚大学给出了一个直接耦合方案(Integrated electromicrobial conversion of CO₂ to higher alcohols,Science,Vol 335,P1596.和专利申请WO 2013/123454A1)，两个核心步骤集成在一个装置中完成，两种转化同处一个液体环境下进行。这种耦合方案尽管简单，但两种转化融合在一个物理空间进行，两个过程互相干扰，使得各自不能最优化地进行。尽管其通过简单的阳极屏蔽措施削弱了阳极反应对发酵过程的影响，但发酵过程对电化学转化的影响却无法消除。另外，因为阴极沉浸在发酵液中，难以保证两个转化在各自的最优转化条件下进行。

简化合成工艺和装置与满足两个核心步骤所需是一个矛盾问题的两个方面。引入中间处理工艺的普通对接方案和加利福尼亚大学提出的直接对接方案均较好地解决了问题的一个方面但却忽视了问题的另一方面。本实用新型将提供一个新的方案以平衡处理这一矛盾。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种将二氧化碳转化为化学品和燃料的微生物电化学一体化装置，既能较好地满足两个核心转化各自所需的环境和条件，又能有效地简化合成工艺和降低合成成本。

一种微生物电化学装置，包括电化学反应器和微生物发酵器。所述电化学反应器，包括阳极室、阳极、离子导电膜、阴极、阴极室。所述微生物发酵器，包括交换室、微生物隔膜和发酵室。所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室相连通。

根据本实用新型的一实施方式，所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室共用同一室。

根据本实用新型的另一实施方式，所述电化学反应器的所述阴极室与所述微生物发酵器的所述交换室为相连通的不同室。

根据本实用新型的另一实施方式，所述电化学反应器由多个电解池串联组成。

根据本实用新型的另一实施方式，还包括阳极循环系统、阴极循环系统和/或发酵液循环系统。所述阳极循环系统，包括所述阳极室、阳极循环管路、阳极循环泵和阳极循环罐。所述阴极循环系统，包括所述阴极室、阴极循环管路、阴极循环泵和阴极循环罐。所述发酵液循环系统，包括所述发酵室、发酵液循环管路、发酵液循环泵和发酵罐。

根据本实用新型的另一实施方式，所述发酵液循环系统还包括加热或冷却元件。

根据本实用新型的另一实施方式，所述微生物隔膜是聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚醚砜或纤维素有机多孔膜。

根据本实用新型的另一实施方式，所述微生物隔膜是多孔石墨、玻璃纤维和多孔陶瓷无机多孔膜。

本实用新型的微生物电化学一体化装置采用两膜三室的三腔室结构将阴极反应、阳极反应和发酵过程分割在三个液体环境之中进行，同时用离子导电膜将阴阳极反应连接起来，用微生物隔膜将阴极反应和发酵过程连接起来，有效简化了合成工艺和装置并较好满足了两个核心步骤的要求。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本实用新型一实施的三腔室微生物电化学转化装置；

图2是本实用新型另一实施的三腔室微生物电化学转化装置；以及

图3是本实用新型另一实施的三腔室微生物电化学转化装置。

其中，附图标记说明如下：

0三室联合转化器；1阳极排气口；2阳极循环罐；3阳极排液口；4阳极室；5阳极；6离子导电膜；7阴极；8阴极室；8'交换室；9微生物隔膜；10发酵室；11发酵液循环泵；12发酵液补给口；13发酵罐；14发酵液排放口；15阴极排气口；16阴极循环罐；17阴极排液口；18阳极补液口；19阳极循环泵；20二氧化碳进气口；21阴极补液口；22阴极循环泵；23微生物发酵器；24电化学反应器；25阳极循环管路；26阴极循环管路；27发酵液循环管路。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本实用新型的微生物电化学装置，包括电化学反应器和微生物发酵器。

电化学反应器，包括阳极室、阳极、离子导电膜、阴极、阴极室。二氧化碳经过电化学反应器在阴极室产生甲酸或甲酸盐。

微生物发酵器，包括交换室、微生物隔膜和发酵室。微生物发酵器的交换室与电化学反应器的阴极室相连通。交换室中的液体就是阴极室中的含有甲酸或甲酸盐的液体。微生物隔膜将交换室和发酵室分隔开。交换室中的甲酸或甲酸盐通过微生物隔膜向微生物发酵器的传递，在微生物的作用下形成高级醇。微生物隔膜不允许微生物发酵器内的微生物通过。

电化学反应器的阴极室和微生物发酵器的交换室可以共用一室。两者共用一室时，电化学反应器和微生物发酵器形成三室联合反应器(如图1和图2所示)。电化学反应器的阴极室和微生物发酵器的交换室也可以是分隔开的不同室(如图3所示)。

根据实际需要，本实用新型的微生物电化学装置还可以包括阳极循环系统、阴极循环系统、和发酵液循环系统。阳极循环系统包括阳极室、阳极循环管路、阳极循环泵和阳极循环罐。阳极循环系统为阳极室补充阳极反应消耗的反应物。阴极循环系统，包括阴极室、阴极循环管路、阴极循环泵和阴极循环罐。阴极循环系统为阴极室补充阴极反应消耗的反应物。发酵液循环系统，包括发酵室、发酵液循环管路、发酵液循环泵和发酵罐。通过发酵液循环管路将富含甲酸或甲酸盐的发酵液从发酵室导入发酵罐进行充分微生物转化，转化完成后形成富含高级醇、贫含甲酸或甲酸盐的发酵液。本领域技术人员可以根据实际需要选择包括阳极循环系统、阴极循环系统、和发酵液循环系统中的一者、两者、或者全部。

本领域技术人员可以理解，本实用新型的微生物电化学装置不包含循环系统也可以实现本实用新型的目的。以下实施例以包括循环系统来解释本实用新型的构思，但并不意在限定本实用新型。

实施例1和2中电化学反应器的阴极室和微生物发酵器的交换室共用一室，因此在实施例1和2中所述阴极室8是指当其用于电化学反应器时是阴极室；当其用于微生物发酵器时是交换室。

实施例1

图1为一个将二氧化碳转化为高级醇的典型的三腔式微生物电化学一体化装置，包括三室联合反应器0，阳极循环管路25，阳极循环泵19，阳极循环罐2，阴极循环管路26，阴极循环泵22，阴极循环罐16，发酵液循环管路27，发酵液循环泵11和发酵罐13。

三室联合反应器0按顺序由阳极室4、阳极5、离子导电膜6、阴极7、阴极室8、微生物隔膜9和发酵室10构成。阳极室4、阳极5、离子导电膜6、阴极7、阴极室8组成电化学反应器。阴极室8、微生物隔膜9和发酵室10组成微生物发酵器。

阳极室4、阳极循环管路25、阳极循环泵19和阳极循环罐2一起构成阳极循环系统。阳极反应产生的气体在阳极循环罐2内与液体分离后经由阳极排气口1排出，阳极反应消耗的反应物由阳极补液口18进行补充，当阳极循环罐2内液位过高或需其他操作时可通过阳极排液口3进行排液。阴极室8、阴极循环管路26、阴极循环泵22和阴极循环罐16一起构成阴极循环系统。阴极反应产生的气体及没有反应完的二氧化碳气体在阴极循环罐16内与液体分离后经由阴极排气口15排出，阴极反应消耗的二氧化碳和有关液体分别由二氧化碳进气口20和阴极补液口21进行补充，当阴极循环罐16内液位过高或需其他操作时可通过阴极排液口17进行排液。发酵室10、发酵液循环管路27、发酵液循环泵11和发酵罐13一起构成发酵液循环系统。通过发酵液循环管路27将富含甲酸或甲酸盐的发酵液从发酵室10导入发酵罐13进行充分微生物转化，转化完成后形成富含高级醇、贫含甲酸或甲酸盐的发酵液，部分间歇性或连续性地通过发酵液排放口14排出发酵罐13，部分通过发酵液循环泵11和发酵液循环管路27返回发酵室10吸收由阴极室8传递过来的甲酸或甲酸盐。排出发酵罐13的发酵液在其他工艺分离出高级醇后再通过发酵液补给口12返回发酵罐13(或直接注入发酵室10)。

图1中的一体化装置在结构上是属于三腔式的。阳极循环罐2、阴极循环罐16和发酵罐13尽管在空间上与三室联合转化器分离，但它们在实质上分别是阳极室4、阴极室8和发酵室10在容积上的扩展(这是这些罐体的功能之一)。两膜三室的结构把电化学转化和微生物转化分割在三个液体环境之中，保证了两个转化(电化学转化包括阴极反应和阳极反应)具有一定的独立性。由于有阴极室相隔，阳极反应与微生物转化之间相互影响均很小，甚至微乎其微；由于有微生物隔膜相隔，阴极反应和微生物转化之间的相互影响也大幅削弱。由于有微生物隔膜的隔离，微生物转化与电化学转化的液体环境温度和液体环境压力都具有了一定的独立可调性。由于发酵罐的外部存在，可以通过在微生物循环管路上增设加热或冷却等功能实现微生物转化和电化学转化具有更大的温度差异。

两个膜的使用仍可保持阴阳极之间的离子连通以及电化学转化和微生物转化之间的物质连通。离子导电膜是选择透过性膜，可允许离子和水通过以保证阴阳极反应进行，但可以阻碍其他小分子和大分子物质通过。微生物隔膜是多孔滤膜，可允许甲酸或甲酸盐等阴性小分子或离子通过，但不允许细菌等大体积物质通过，保证了甲酸或甲酸盐从阴极室向微生物室的传递，阻止了细菌等物质从微生物室向阴极室的传递。微生物隔膜，可以是聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙、聚醚砜和纤维素等有机多孔膜，也可以是多孔石墨、玻璃纤维和多孔陶瓷等无机多孔膜。

实施例2

为了简化装置，也可以去掉发酵罐13、发酵液循环泵11和发酵液循环管路27，如图2所示。微生物转化速度与发酵液的体积成正比，为了保证微生物转化的速度，发酵室10容积应加大。阴阳极循环罐2,16的一个功能是气液分离，阴阳极循环泵19,22是为了增进阴阳极室4,8的液体流动速度、促进阴阳极5,7内的传质和电极反应速度，因而简化装置时阴阳极循环系统不宜撤销。

去掉发酵液循环系统可以简化装置，且整个装置仍保持三腔式结构，其整体优势没有损失，另外，在简化后电化学转化产生的热量可以更充分地为微生物转化所用。

实施例3

微生物转化速度可以通过加大发酵罐或发酵室的体积来增加，而电化学转化速度与电极面积成正比，提高转化速度不能靠增大循环罐的容积来解决。增大单片电解池的尺寸是一条增大电极面积的途径，但更好的选择是采用由多个单片电解池以串联形式集成的电堆。由于微生物隔膜大多是绝缘材料，不适宜再像图1中的三室转化器那样将微生物隔膜与电堆集成在一起(集成在一起也可以，但是将改变电堆的集流结构)。为此，可以采用另一种形式的三腔式装置，如图3所示。

图3中，三室转化器分裂为在空间上分离的两个装置，电化学反应器24(其可以是单片电解池，也可以是电解池堆，本实施例以单片电解池为例)和微生物发酵器23。微生物发酵器23按顺序由交换室8'、微生物隔膜9和发酵室10构成；微生物发酵器23中交换室8'的进口通过阴极循环管路26与电化学反应器24中交换室8'的出口保持连通，微生物发酵器23中交换室加入8的出口通过阴极循环管路26接入阴极循环罐16的顶部。

本实施例采用电化学反应器和微生物发酵器代替三室联合反应器，尽管装置集成度减小，但微生物转化条件与电化学转化条件之间的独立可调性将有所增加。由于电化学反应器中的阴极室和交换器中的阴极室实际上是由三室反应器中的阴极室分割而来，故整个装置仍是三腔式结构。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。