电化学生物反应器模块和使用所述模块的方法
【专利说明】电化学生物反应器模块和使用所述模块的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年9月9日提交的美国临时申请号61/698, 702的优先权和权益， 该申请的公开内容在此以全文引用的方式并入本文中。
[0003] 发明技术领域
[0004] 本发明总体上涉及使用生物介导的反应，其改变化合物的氧化状态，并且具体地 说改变给定化合物中的碳原子的氧化状态。
[0005] 背景
[0006] 在化学反应的情形下，还原是特定化学物质获得电子，而氧化是特定化 学物质失去电子。一般术语氧化还原反应（redoxreaction)是氧化-还原反应 (oxidation-reductionreaction)的缩写。氧化还原反应是涉及电子从一种化学 物质传递至另一种化学物质的反应。电化学电池被定义为如下的系统，其利用氧化 还原反应的组合以产生有用的电能，或使用电能来驱动有用的氧化还原反应的组合 (Silberberg,Martin(2009)Chemistry:TheMolecularNatureofMatterandChange(第 5 版）NewYork,NY:McGraw-Hi11) 〇
[0007] 电化学电池含有被称为阳极和阴极的两个电极。在阴极处发生电子从电极到化学 物质的传递，即还原反应，而在阳极处发生电子从化学物质到电极的传递，即氧化反应。为 了平衡阴极处电子的损耗与阳极处电子的累积，在电化学电池的外部的电子必须以某种方 式从阳极流向阴极，即通过导线或允许电子移动的一些其它材料。电子的这种流动是电流， 并且可以被利用来执行工作，例如驱动电子装置。相反地，电子从阳极流向阴极可由诸如电 池的外部电源驱动，从而使得在阳极或阴极或两者处发生有用的化学反应。
[0008] 电化学电池可以被构建成产生电流，即由发生在阳极和阴极处的自发氧化还原反 应引起的电子通过诸如导线的导电元件的单向流动，或者它可以被构建成消耗由诸如电池 的外部来源提供的电流，以驱动在阳极和阴极处的非自发反应。在后一种情况下，电驱动、 非自发反应可称为电合成。
[0009] 电化学电池需要发生两个反应，一个在阳极处，且一个在阴极处，每个电极处发生 的反应称为半电池反应，或半反应。不管电化学电池是被消耗还是产生电流，阳极与阴极处 均必需同时发生半电池反应。
[0010] 半电池反应被认为具有正的或负的还原/氧化电位，称为氧化还原电位；其为半 电池反应的氧化型和还原型物质之间的平衡常数，其以伏特表示并且是相对于氢离解为质 子和电子来说的，氢离解为质子和电子被认为具有零伏的氧化还原电位。
[0011] 使得环境的氧化还原电位比给定半电池反应的氧化还原电位更正的条件将迫使 半电池反应朝向反应的氧化型物质进行。使得环境的氧化还原电位比给定半电池反应的氧 化还原电位更负的条件将迫使半电池反应朝向半电池反应的还原型物质进行。
[0012] 通过供应来自外部来源的电子，即在电化学电池的阴极室施加来自外部电源的负 电压时，可使得阴极室中环境的氧化还原电位更负。这种效应可用于迫使半电池反应朝向 还原型物质。为了平衡这种情况，半电池反应必需在阳极室中在相应的正电压下发生，从而 迫使阳极处的半电池反应朝向氧化型物质进行。
[0013] 因此，向电化学电池的阴极室中的环境中提供电子将迫使半电池反应产生其还原 型物质。
[0014] 导致特定化学物质的还原或氧化的任何反应均可提供有用的半电池反应。这包括 生命系统，其中所要的半反应存在于执行有机化合物的转化并且由酶催化的代谢途径中。 如前面所指出，半电池反应一般称为氧化还原反应，因此催化此类半反应的酶通常称为氧 化还原酶。典型地，但不排他地，氧化还原酶需要称为辅酶或辅因子的其它生物组分，并且 正是这些辅酶或辅因子在催化给定生物系统中的半电池反应（氧化还原反应）的各种氧化 还原酶之间以物理方式传输电子。
[0015] 为了使微生物产生对微生物本身有用（诸如对于细胞膜来说的脂肪酸）或适用作 市售产品（诸如乙醇）的有机分子，必要的是使微生物消耗向微生物提供的一些形式的碳。 典型地，这是糖或碳水化合物，但也可以是可以由微生物代谢的基本上任何有机分子。另 外，微生物必须改变存在于向微生物提供的含碳分子中的碳原子的氧化状态，并且这个行 为是基本细胞代谢的主要部分。为了氧化给定的碳原子，微生物的代谢过程必须从相关碳 原子中去除电子，而为了还原给定的碳原子，代谢过程必须向相关碳原子提供电子。
[0016] 在氧化的情况下，这容易通过使用来自环境（例如来自空气）的分子氧作为电子 "池"来实现，并且在所述过程中，氧分子被电化学还原，典型地产生两个水分子。
[0017] 在还原的情况下，微生物的代谢过程必须氧化一些其它化学物质，以提供电子来 执行所要的还原。在依靠诸如碳水化合物的碳源生长的微生物的情况下最通常的是，通过 将碳水化合物的一部分完全氧化为co2来产生还原性等效物，即向微生物提供的碳水化合 物中的一些被牺牲氧化，以便为微生物提供用于代谢过程中的电子，所述代谢过程产生还 原程度更高的有机分子。虽然所得电子是所希望的并且对微生物有用，但因氧化为〇) 2而 牺牲的碳原子损失了。
[0018] 存在于起初输入的糖或碳水化合物中的碳原子的这种损失使微生物可以从给定 质量的所输入的例如糖或碳水化合物的碳质材料制备的产物的量减少。举例来说，为了使 微生物从葡萄糖产生乙醇，必要的是使微生物产生电子，用于使葡萄糖转化为乙醇的代谢 步骤。这是通过将葡萄糖中的一些牺牲氧化为C02以使剩余的葡萄糖可以转化为乙醇来实 现。在这个过程中，对于向微生物提供的用于转化为乙醇的每180g葡萄糖来说，88g以C02 形式损失，并且生产仅92g乙醇。因此，对于向商业发酵过程中提供的每公吨葡萄糖来说， 可以产生最多仅511kg乙醇，同时产生489kgC02。
[0019] 仅考虑存在于葡萄糖分子中的碳原子，即6个碳原子，仅4个碳原子存在于所要的 乙醇产物，同时所述碳原子中有两个以co2形式被损失。因此，葡萄糖到乙醇的发酵的"碳 效率"仅为三分之二。
[0020] 在理论上是可能在不形成co2的情况下将葡萄糖转化为乙醇的（参见美国专利申 请公布号20120052542(2012年3月1日）），但这需要以电化学方式供应必需的还原性等效 物。
[0021] 类似的计算将适用于牺牲一些所输入的碳质材料以提供用于所要的代谢过程中 的电子的所有代谢过程。
[0022] 如果可以由外部来源（即电流）提供电子，那么对牺牲所输入的碳质材料以提供 电子的需要会降低或消除，并且诸如刚才关于产生乙醇所给出的实例的过程的碳效率可以 达到100%。对于由葡萄糖产生乙醇的实例来说，如果可以提供足够的电子来促使碳效率为 100%，那么从一公吨葡萄糖可以产生700kg乙醇，而不是仅511kg。此外，未产生C02。
[0023] 在用于产生琥珀酸、正丁醇、异丁醇、甲烷、己二酸以及需要从向发酵过程中提供 的碳水化合物起始物质产生还原性等效物的任何其它产物的发酵过程中可以实现显著提 高的碳效率。
[0024]因此，非常理想的是由外部来源向生物系统提供电子，否则将牺牲一些所输入的 碳质材料用于产生有用的化合物。在所述理想过程中，来自所输入材料的向代谢过程提供 的碳原子全部可以转化为所要的产物。这肯定使一般情况（即未提供外部电子并且所输入 的碳质材料中的一些必须被牺牲氧化）下的化学反应的化学计量变为碳效率为100%的化 学计量。结果是在给定化学反应中氢化学计量与碳化学计量"解耦"。
[0025] 一些生物系统可以直接利用氢气作为还原剂，即作为电子源。然而，氢气的物理储 存、运输以及处理是没有吸引力的。现场产生氢气可以避免那些没有吸引力的问题中的一 些，但氢气在发酵系统中的必要的混合受氢气在水中的极低溶解度以及氢气气泡与周围的 水性流体之间的气/液界面的表面积的限制。为实现有用的氢转移速率，必须考虑发酵器 设计和用于搅拌的能量输入，并且这些也没有吸引力。因此，需要引入还原性等效物作为固 有地与异构水性生物系统相容的电化学物质。
[0026]自然界已具有至少一种由外部来源提供电子的方法，用于产生对活细胞有用的化 合物，而这是经由光合作用实现。显然，此类电子提供仅对具有光合代谢并且曝露于光源的 生物体有效。通过由外部驱动的电流向生物系统供应电子，可以为需要还原性等效物的基 本上任何化学反应带来由光合作用驱动的化学反应的产率优势。然而，光合作用的生物效 率被限制在小于10%，并且在整个生物圈，光合作用通常被认为仅具有介于4%与5%之间 的效率（参见Zhu等，Annu.Rev.PlantBiol.61:235-61，2010)。因此，通过用以电化学方 式供应的还原性等效物来驱动化学反应，不仅从根本上改变了所述反应的化学计量，而且 新的电化学过程可以比天然光合作用过程更大的总能量效率运行。
[0027] 其他人已认识到这一希望，并且已公布了许多为向生物系统递送电子而进行的尝 试。
[0028]Zeikus等，JournalofBacteriology, 181 (8)，第 2403-2410 页，（1999 年 4 月） 提供了以下证据：来自还原性等效物的碳源的分离可以有利地改变通过微生物的碳通量， 从而增加碳效率并且因此增加产物产率，并且使浪费掉碳的不需要的C02形成减少。
[0029] 据记载，丁醇可以通过发酵产生，但产率低仍然是一个难关（参见 Machado,C.,"TechnicalCharacteristicsandCurrentStatusofButanol ProductionandUseasBiofuel,''BIOVSeminarioLatinoamericanoydelCaribe deBiocombustibles2010,Santiago,Chile(2010 年 8 月 17 日至 18 日））。在UCLA， JamesLiao和同事正试图通过向罗尔斯顿菌（Rolstonia)馈送以电化学方式产生的甲酸 酯以制造生物燃料来解决这个问题。然而，对于商业上可行的工艺来说，目前的产率、生产 率以及效价需要显著增加（参见