用于产生化学品的方法技术

用于产生一种或多种化学化合物的方法，包括下列步骤：提供具有被膜分隔开的阳极和阴极的生物电化学系统，所述阳极和阴极彼此电连接；在阳极发生氧化并在阴极发生还原，从而在阴极产生还原当量；向微生物培养物提供所述还原当量并向微生物培养物提供二氧化碳，从而所述微生物产生一种或多种化学化合物；和回收所述一种或多种化学化合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及。更具体地，本专利技术涉及使用生物电化学系统产生化学品的方法。
技术介绍
全球范围内化石燃料资源的消耗以及日益增加地意识到人为效应可能对气候变化造成的影响正越来越多地驱动人们减少温室气体排放并发展更加可持续的社会。除了可再生的电能之外，这样的可持续社会还需要获得可再生地产生的燃料和化学品。为了达到真正的可再生，需要从可再生的原材料例如生物质或从废品例如废水和/或二氧化碳产生这些化学品。最近已经出现了生物电化学系统，例如微生物燃料电池和微生物电解池，所述生物电化学系统是用于产生能源和产品的潜在的受关注的技术。生物电化学系统是基于使用电化学活性微生物，其可以向阳极提供电子或者可以从阴极接受电子。如果电化学活性微生物与阳极发生电化学上的相互作用，则此类电极被称作生物的阳极(biological anode)、生物阳极(bioanode)或微生物的生物阳极。相反，如果电化学活性微生物与阴极发生电化学上的相互作用，则此类电极被称作生物的阴极(biological cathode)、生物阴极(biocathode)或微生物的生物阴极。生物电化学系统一般被认为是用于从存在于水性废物流(例如废水)中的有机物质产生能量的有前景的未来技术(Rozendal等人，Trends Biotechnol. 2008，26，450-459)。工业、农业和家庭废水通常含有需要在排放到环境中之前除掉的溶解的有机物质。通常而言，通过有氧处理将这些有机污染物除掉，有氧处理会消耗大量的电能以通风。可以通过将微生物的生物阳极与进行还原反应的相反的电极(阴极)进行电偶联来实现生物电化学废水处理。由于阳极与阴极之间的这种电连接，可以发生电极反应，电子可以从阳极流到阴极。此外，在阳极的电化学活性微生物将电子转移到电极(阳极)，同时它们将水性废物流(例如废水)中的有机污染物氧化(并由此除掉)。 生物电化学系统可以作为燃料电池来运行(在这种情况下产生电能——例如Rabaey and Verstraete,Trends Biotechnol. 2005,23,291-298)或者作为电解池来运行(在这种情况下，电能进入生物电化学系统——例如，专利W02005005981A2)。在2003年，Rozendal和Buisman获得了生物催化的电解的专利，其是用于从可生物氧化的材料产生氢气的生物电化学系统(W02005005981，其全部公开内容通过交叉引用方式并入本文)。用于生物催化的电解的可生物氧化的材料可以是例如，废水中的溶解的有机物质。在他们的专利技术中，Rozendal和Buisman将可生物氧化的材料导入反应器中，所述反应器中提供了阳极和阴极并且含有处于水性介质中的亲阳极(anodophilic)细菌；向阳极与阴极之间施加0. 1-1. 5伏的电压，同时保持水性介质的pH在3-9之间；并且从阴极收集氢气。虽然氢是在阴极产生的感兴趣的化学品，但更感兴趣的是，是否可以产生价值更高的化学物质，例如燃料和化学品。此类燃料和化学品的实例包括，醇，例如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等；羧酸，例如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等；生物聚合物，例如聚-β-羟基丁酸 (PHB)等等。然而，为了能够在阴极催化这类复杂的产生反应，需要高级的催化机制。可以为此目的开发化学催化剂，但是这些化学催化剂可能变得非常复杂并且非常昂贵，因为它们可能需要使用贵金属。可替代地，可以使用亲阴极(cathodophilic)微生物来催化阴极反应以产生有价值的化学品。亲阴极微生物是这样的微生物其能够与阴极相互作用从阴极接受电子或阴极反应产物(例如氢或还原的电子介体)并利用它们来产生有价值的化学品。此类电极被称作生物的阴极、生物阴极或微生物的生物阴极。电子和阴极反应产物 (例如氢或还原的电子介体)通常被称作还原当量(reducing equivalent)。还原当量允许还原电子受体并且可以作为微生物代谢的电子供体。电子介体是有氧化还原活性的有机化合物，并且是本领域技术人员已知的。它们包括化合物例如醌、中性红、甲基紫精等。电子介体在电极与微生物之间穿梭。在此穿梭过程中，电子介体持续被电极还原并且随后再被微生物氧化，以产生化学产品。已经证明微生物的生物阴极用于氧气还原(例如，Rabaey等人，ISME J. 2008， 2，1387-1396)，硝酸盐还原(例如，Clauwaert 等人，Environ. Sci. Technol.，2007， 41,7564-7569),脱氯作用(例如，Aulenta 等人，Environ. Sci. Technol.，2007，41， 2554-2559)，氢的产生(例如，Rozendal 等人，Environ. Sci. Technol.，2008，42，629-634)， 和甲烷的产生(例如，Clauwaert 等人，Water Sci. Technol.，2008，57，575-579)，但尚未描述其用于产生如上所述的那些更复杂的分子。—般而言，混合的微生物培养物(即多个物种)不可能大量地、以高浓度或纯度产生复杂的化学品，因为混合的微生物培养物中的天然末端产物通常是简单分子，例如，在厌氧条件下是甲烷；在有氧条件下是二氧化碳。因此，在实践中，复杂的分子通常是以确定的微生物培养物来产生的，例如纯的微生物培养物(即单一的物种)或至少是完全确定的共培养物(即，两种或更多种仔细选择的物种)。因此，除非可以抑制产甲烷的活性，否则能够产生复杂分子的微生物的生物阴极也需要确定的亲阴极微生物的微生物培养物(Rozendal 等人，Trends Biotechnol. 2008，26，450-459)，这种亲阴极微生物不可能从复杂的接种物例如废水中天然地富集而来。确定的亲阴极微生物的微生物培养物应该是经过仔细选择的或遗传工程化的纯的培养物，但是也可以是两种或更多种仔细选择的或遗传修饰的纯培养物的仔细选择的共培养物。这些纯培养物或共培养物应该由能够催化产生所需的复杂分子的反应的微生物物种组成。使用亲阴极微生物的确定的培养物的缺点是这些培养物易于被其它微生物污染。 所以，除非可以抑制这些其它微生物的活性，否则这些其它微生物将分解由亲阴极微生物的确定的培养物产生的产物，由此限制生物电化学系统的产物输出。可以通过在阳极与阴极之间施用离子交换膜而使生物电化学系统防止被其它微生物污染。离子交换膜的施用使阴极与生物电化学系统的其余部分分离，并且可以使亲阴极微生物的确定的培养物不易被污染。更进一步的原因是还原当量基本上是无菌地被递送至亲阴极的微生物，其形式为由阴极递送并最初来自于阳极的电子的形式。在微生物燃料电池的情况下，Torres等人(Torres等人，Environ. Sci. Technol.， 2008，42，8773-8777)提出了一种用来降低微生物燃料电池的阳极与阴极之间的pH差异的方法在阴极室之间放置阴离子交换膜并向气体阴极施加二氧化碳(用于还原氧气的钼催化剂)。该二氧化碳与氢氧根离子反应并形成碳酸盐种类。这会降低阴极的PH，碳酸盐种类也会从阴极迁移跨越阴离子交换膜至阳极并增加后者的PH。从而减少二者之间的PH差已
技术实现思路
在第一个方面，本专利技术提供了用于产生一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于产生一种或多种化学化合物的方法，包括下列步骤：提供具有被膜分隔开的阳极和阴极的生物电化学系统，所述阳极和阴极彼此电连接；在阳极发生氧化并在阴极发生还原，从而在阴极产生还原当量；向微生物培养物提供所述还原当量并向微生物培养物提供二氧化碳，从而所述微生物产生一种或多种化学化合物；和回收所述一种或多种化学化合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·罗森德尔，
申请(专利权)人：昆士兰大学，
类型：发明
国别省市：AU