電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種甲烷氧化生成甲醇或甲酸的裝置,具體涉及電輔助電活性甲 烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 甲醇廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,是重要的有機(jī)化工基礎(chǔ)原料。甲醇可由甲 烷、煤炭和重油等通過(guò)多步化學(xué)反應(yīng)合成。迄今尚沒(méi)有一種化學(xué)催化劑可一步直接氧化甲 烷生成甲醇,已有的合成方法不僅需要多步反應(yīng),而且反應(yīng)要在900° C高溫下進(jìn)行,反應(yīng)的 選擇性和轉(zhuǎn)化率都很低。如使用汞催化體系在180°C下甲烷的轉(zhuǎn)化率約為43%,且汞催化 體系對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染(Periana R. A.,Taube D.J., Evitt E.R., Loftier D.G., WentrcekP.R., Voss G., MasudaT. Science, 1993, 259(5093): 340.)。生物催化具 有反應(yīng)條件溫和、選擇性高等特點(diǎn),因而近年來(lái)許多研宄者致力于生物催化甲烷制甲醇過(guò) 程的研宄。甲烷氧化細(xì)菌可在常溫、常壓下將甲烷一步氧化為甲醇,但是整細(xì)胞中包含的甲 醇脫氫酶、甲醛脫氫酶和甲酸脫氫酶會(huì)將甲烷氧化得到的甲醇繼續(xù)氧化生成C0 2,此過(guò)程中 釋放的電子用于細(xì)胞中三磷酸腺苷(ATP)的合成。若想積累甲醇或甲酸,必須抑制它的繼 續(xù)氧化,因此生物催化合成甲醇或甲酸的研宄沒(méi)有取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。C0 2是甲烷深度氧 化的最終產(chǎn)物。崔俊儒等(崔俊儒,辛嘉英,牛建中,夏春谷,李樹(shù)本.二氧化碳存在下甲烷 氧化細(xì)菌催化甲烷生物合成甲醇.催化化學(xué),2004, 25(6) :471-474.)通過(guò)在反應(yīng)物中加入 適量的C02部分抑制脫氫酶系的活性,造成甲醇在細(xì)胞外積累;同時(shí),部分甲醇仍可以繼續(xù) 氧化產(chǎn)生還原當(dāng)量的NADH以維持甲烷氧化菌的活性和穩(wěn)定性,其甲烷轉(zhuǎn)化率大約為20%。 因此,如何抑制甲烷氧化生成的甲醇或甲酸進(jìn)一步氧化生成C0 2和維持甲烷氧化菌的活性 與穩(wěn)定性是生物催化氧化甲烷生成甲醇或甲酸前提條件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 為了解決傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)合成甲醇或甲酸轉(zhuǎn)化效率低及防止生物催化氧化甲烷生 成的甲醇進(jìn)一步深度氧化為C0 2,本實(shí)用新型提供了一種通過(guò)控制微生物電解池陰極電位 來(lái)控制電活性甲烷氧化菌脫氫酶活性和甲烷的氧化程度的裝置,在獲得化工產(chǎn)品甲醇或甲 酸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)維持電活性甲烷氧化菌的活性與穩(wěn)定性。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0005] 本實(shí)用新型提供了一種電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝 置,其特征在于,所述裝置包括單室微生物電解池,在單室微生物電解池內(nèi)分別放置陽(yáng)極 電極和陰極電極,陽(yáng)極電極和陰極電極通過(guò)導(dǎo)線分別與穩(wěn)壓電源的高電位端和低電位端連 接,陽(yáng)極電極表面附著有電活性甲烷氧化菌,陰極電極為鍍鉑鈦網(wǎng)電極;微生物電解池陽(yáng)極 電極表面附著的電活性甲烷氧化菌代謝甲烷產(chǎn)生甲醇或甲酸的同時(shí)產(chǎn)生H+和電子,同時(shí)在 電輔助及陰極催化劑作用下,產(chǎn)生的H+及電子在陰極電極表面結(jié)合產(chǎn)生H 2;所述裝置通過(guò) 控制微生物電解池陰極電位來(lái)控制電活性甲烷氧化菌脫氫酶活性和甲烷的氧化程度,進(jìn)而 在獲得化工產(chǎn)品甲醇或甲酸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)維持電活性甲烷氧化菌的活性與穩(wěn)定性。
[0006] 所述的單室微生物電解池殼體采用有機(jī)玻璃、PVC、玻璃或混凝土等材質(zhì)制成。
[0007] 所述的一種電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝置,其特征在 于:所述的陽(yáng)極電極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆?;钚蕴炕蛱祭w維刷,且在陽(yáng)極電極 表面附著電活性甲烷氧化菌。
[0008] 所述的一種電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝置,其特征在 于:所述的陰極電極為碳布、顆粒石墨、網(wǎng)狀玻璃碳、顆?;钚蕴炕蛱祭w維刷,且陰極電極的 表面用Pt修飾。
[0009] 所述的一種電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的裝置,其特征在 于:設(shè)定陰極電極電位為_(kāi)〇. 2V~-2. 0V (vs. NHE)。
[0010] 本實(shí)用新型提出了一種通過(guò)控制微生物電解池陰極電位來(lái)控制電活性甲烷氧化 菌脫氫酶活性和甲烷的氧化程度的裝置,進(jìn)而在獲得化工產(chǎn)品甲醇或甲酸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輔酶 NADH的原位再生,并維持電活性甲烷氧化菌的活性與穩(wěn)定性。在有0 2情況下,無(wú)論是電活 性甲烷氧化菌或一般甲烷氧化菌氧化甲烷時(shí)首先產(chǎn)生甲醇,然后甲醇進(jìn)一步氧化為甲酸, 最后甲酸氧化為最終產(chǎn)物C0 2,02作為電子和質(zhì)子受體與其結(jié)合產(chǎn)生H20。但是在沒(méi)有02的 情況下,電活性甲烷氧化菌氧化甲烷時(shí)首先產(chǎn)生甲醇、電子和質(zhì)子,該反應(yīng)有一個(gè)氧化還原 電位,當(dāng)微生物電解池陰極電位稍低于該氧化還原電位時(shí),產(chǎn)生電子和質(zhì)子不斷被轉(zhuǎn)移到 微生物電解池陰極合成氫氣,此時(shí)在電活性甲烷氧化菌不會(huì)造成電子和質(zhì)子的積累,從而 不會(huì)對(duì)胞內(nèi)脫氫酶的活性造成反饋抑制,反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行;如果微生物電解池陰極電位 繼續(xù)降低,并低于甲醇氧化產(chǎn)生甲酸、電子和質(zhì)子這一反應(yīng)的氧化還原電位,此時(shí)胞內(nèi)生成 的甲醇被胞內(nèi)脫氫酶進(jìn)一步脫氫而氧化為甲酸,產(chǎn)生電子和質(zhì)子不斷被轉(zhuǎn)移到微生物電解 池陰極合成氫氣,此時(shí)在電活性甲烷氧化菌不會(huì)造成電子和質(zhì)子的積累,從而不會(huì)對(duì)胞內(nèi) 脫氫酶的活性造成反饋抑制,反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行;如果微生物電解池陰極氧化還原電位繼 續(xù)降低,此時(shí)生成的甲酸被胞內(nèi)脫氫酶進(jìn)一步脫氫而氧化為二氧化碳。因此,通過(guò)控制微生 物電解池陰極的氧化還原電位可以獲得不同的產(chǎn)物。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程處于溫和條件下,并且 是環(huán)境友好的。
[0011] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案具有如下有益效果:本實(shí)用新型解決了傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)合成 甲醇或甲酸轉(zhuǎn)化效率低及防止生物催化氧化甲烷生成的甲醇進(jìn)一步深度氧化為co 2的技術(shù) 問(wèn)題,并通過(guò)控制微生物電解池陰極電位來(lái)控制電活性甲烷氧化菌脫氫酶活性和甲烷的氧 化程度,在獲得化工產(chǎn)品甲醇或甲酸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)維持電活性甲烷氧化菌的活性與穩(wěn)定性, 采用本實(shí)用新型方法能夠保證甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)65%,庫(kù)侖效率達(dá)95% ;甲烷轉(zhuǎn)化 為甲酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)70%,庫(kù)侖效率達(dá)95%。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014] 實(shí)施例1
[0015] 圖1為電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法示意圖。本實(shí)施 例利用電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法,具體按以下順序和步驟 進(jìn)行操作:
[0016] (1)單室微生物電解池構(gòu)建
[0017] 參見(jiàn)圖1,電輔助電活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法,其裝置包 括:直流穩(wěn)壓電源1,單室微生物電解池腔室2,陰極電極3,鈦絲導(dǎo)線4,導(dǎo)線5,電阻6,鈦絲 導(dǎo)線7,陽(yáng)極電極8,電活性甲烷氧化菌9,進(jìn)氣管10及排氣管11。陰極電極3通過(guò)鈦絲導(dǎo) 線4與直流穩(wěn)壓電源1的低電位端連接,陽(yáng)極電極8通過(guò)鈦絲導(dǎo)線7、電阻6及導(dǎo)線5與直 流穩(wěn)壓電源1的高電位端連接。所述的進(jìn)水管10、出水管11及單室微生物電解池腔室2都 采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制成。陽(yáng)極電極8為導(dǎo)電碳纖維刷,陰極電極3為鍍鉑鈦網(wǎng)。
[0018] (2)單室微生物電解