CN103881905A - 一种嵌入式生物电合成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种嵌入式生物电合成系统，主要由厌氧氧化反应器、生物电合成反应器、培养液循环控制系统、电源和外电路等组成；生物电合成反应器从内到外由导电的反应器壁、隔膜和阳极构成，导电反应器壁同时也是反应器的阴极；培养液循环控制系统用来控制调节培养液的pH值、温度、CO2浓度等。利用本系统，通过外加电势，把废弃物、废水厌氧氧化与生物还原合成进行偶联，厌氧氧化反应器内的废弃物、废水厌氧氧化产生的电子传递到作为导电器壁的阴极后，电子流通过器壁向电合成反应器内的微生物菌群传递，微生物菌群获得电子后，将CO2还原合成有机化学品。

Description

一种嵌入式生物电合成系统及方法
技术领域
本发明属于废弃物、废水资源化能源化利用与生物合成技术领域，具体涉及一种嵌入式生物电合成装置，及其利用废弃物、废水厌氧氧化产生的能量进行生物合成有机化学品的方法。
技术背景
工农业生产以及人民生活过程中，都会排放大量的含各种有机污染物以及氨氮等无机还原性污染物的废弃物和废水。这些废弃物与废水中都蕴藏大量的以还原态物质形式的还原能。这些废弃物、废水中的还原能，仅有部分生物质废弃物以及高浓度有机废水通过发酵产甲烷等生物质能源的形式回收。绝大多数废弃物、废水主要通过终端处理手段，即通过好氧氧化为二氧化碳、水或无毒的氧化态物质。这些处理方法需要鼓风曝气、生物转盘等提供大量氧气作为电子受体，氧化废水中的还原性物质，供氧费用占到废水生物处理成本的一大半。
近年来，生物电化学系统已经成为国际生物能源领域研究的热点。生物电化学系统可以通过微生物催化，分解废弃物、废水将电子传递给电极后，通过产电、产氢、有机物合成等方式回收其中的还原能。目前，在产电微生物、胞外电子传递、电池结构、电极材料等研究领域已获得重大进展，有机碳的电子回收率高达96.8%（AEM，2003，69，1548–1555）。利用生物阴极的生物电化学系统还原二氧化碳来生产甲烷的研究已有报道（WO2009/155587A2）。该方法使用生物阴极作为催化剂，无需氢气及有机物的添加便可以合成甲烷。纯培养研究表明，多种产乙酸菌均能利用太阳能电池产生的电能合成乙酸（mBio,2010，e00103-10）。在生物阴极混合菌能够通过电极与微生物间的直接和间接电子传递同时合成甲烷、乙酸（AEM，2013,78,8412-8420，International Journal of Hydrogen Energy，2013，38-3497-3502）。通过生物阳极与生物阴极偶联，已经成功利用废水中硫化物的还原能来合成乙酸（EST，2013,47,568-573）。至今，这些生物电合成的研究目前还停留在实验室水平。主要原因在于生物电合成系统基于传统的双室生物电解池的基本结构，尽管近年来在电池结构优化、离子交换膜、载铂电极催化等领域取得大的进展，但由于受制于材料成本、反应器结构强度、膜的气体渗透缺陷、能量转化效率等瓶颈。无论是MFC还是以MEC为基础的生物电合成系统难于放大和规模化应用。
发明内容
为了解决现有废弃物、废水处理过程需要耗费大量能源的问题，以及现有生物电化学系统由于结构、材料限制难于放大等问题，本发明提供了一种生物电合成系统及其方法，通过该系统可将废弃物、废水的厌氧氧化与甲烷、有机酸、醇等有机化学品的生物合成偶联。本发明通过导电的反应器器壁（阴极）、隔膜与外层包裹的集流网、阳极构成一个生物电合成反应器，该反应器阳极室内进行废弃物、废水的厌氧氧化，阴极室内进行CO2的还原与生物合成，阳极室与阴极室之间除了外电路的电子流动外，没有离子或其他物质交换，可保证阴极室的生物合成过程与阳极室厌氧氧化过程互不干扰。该生物电合成反应器的主体结构由不锈钢等金属材料制作，其结构强度可保证有效放大。本发明可广泛应用于各类工业废水、生活废水以及剩余污泥以及其他农业、工业废弃物处理领域。
为达到上述发明目的，本发明采取了如下技术方案：
一种嵌入式生物电合成系统，它包括厌氧氧化反应器（1）、生物电合成反应器（2）、培养液循环控制系统、电源（7）和外电路；
厌氧氧化反应器（1）用于废弃物、废水氧化处理，内设搅拌装置；
生物电合成反应器（2）从内到外由导电的反应器壁（3）、隔膜（4）和阳极（6）构成，导电反应器壁同时也是反应器的阴极，反应器壁（3）和阳极（6）分别接电源的阴极和阳极，生物电合成反应器作为独立的密封构件嵌入到厌氧氧化反应器中；生物电合成反应器（2）封闭的空间构成阴极室；厌氧氧化反应器（1）和嵌入的生物电合成反应器（2）之间的空隙构成阳极室；
培养液循环控制系统包括循环液多参数调节罐（8）、循环泵（9）、在线pH控制器（10）、在线CO2控制补充系统（11）、在线温度控制器（12）、液位控制器（13）、加酸泵（14）、酸液储罐（15）、CO2储罐（16）以及培养基储罐（17）；循环泵（9）连接密闭的生物电合成反应器（2）和循环液多参数调节罐（8）；加酸泵（14）连接酸液储罐（15）和循环液多参数调节罐（8）;循环液多参数调节罐（8）具有搅拌装置、循环液进出口、CO2气体和培养基补充进口、产物排出口。
进一步，根据厌氧反应器的体积以及废弃物、废水的处理负荷，一个厌氧氧化反应器中可嵌入多个生物电合成反应器。厌氧氧化反应器采用传统的生物处理构筑物或直接利用现有废水处理池。
进一步，隔膜（4）采用但不限于无纺布、石棉纤维、离子交换膜、合成纤维等材料制作。
进一步，生物电合成反应器（2）器壁也是反应器的阴极（3），采用但不限于导电的不锈钢、铁、铝、铜、铅等金属导电材料制作。生物电合成反应器（2），既可是圆柱形结构，也可是矩形结构或者其它形状。
进一步，阴极室内可填充但不限于不锈钢、铁、铜、镍、铅等金属丝、网、活性炭颗粒、无定型碳纤维等填料构建三维阴极。
进一步，生物电合成反应器（2）的阳极（6）采用但不限于碳毡、碳纸、碳布、无定型碳纤维、活性炭等碳素材料。
进一步，阳极室内可填充但不限于不锈钢、铁、铜、镍、铅等金属丝、网、活性炭颗粒、无定型碳纤维等填料构建三维阳极。
进一步，生物电合成反应器（2）的外加电源（7）采用稳压电源或恒电位仪。
进一步，隔膜（4）和阳极（6）之间设有阳极集流网（5），阳极集流网采用不锈钢、钛或合金金属导电丝网制作。
进一步，培养液循环控制系统负责培养液储存、循环、pH调节、CO2气体调节及培养基补充、产物排出。
进一步，阳极室和培养液循环控制系统通过管道连接，阳极室产生的CO2、H2可以供给阴极室进行生物电合成。
进一步，其培养液循环控制系统通过循环泵（9）对嵌入式生物电合成反应器（2）与培养液多参数调节罐（8）的培养液进行循环；pH控制器（10）对培养液pH进行实时监测并控制加酸泵（14）从酸液储罐（15）补充酸液到培养液内以维持合适pH；CO2控制补充系统（11）对培养液CO2进行实时监测并控制CO2补充致合适的浓度；在线温度控制器（12）进行实时监测并控制加热或冷却系统维持培养液合适的温度；液位控制器（13）控制培养基储罐（17）的培养液对系统进行补充，培养基储罐（17）内设置搅拌、加料、加水等设施。
本发明同时提供一种嵌入式生物电合成方法，利用生物电合成系统，通过外加电势，把废弃物、废水厌氧氧化与生物还原合成进行偶联，将废弃物、废水中的还原能用于生物还原CO2合成甲烷、脂肪酸（醇）等有机化学品。其中优先合成乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸中的一种或多种有机化学品组合，也可合成甲烷、甲醇、乙醇。其原理是：厌氧氧化反应器内的废弃物、废水厌氧氧化产生的电子传递到作为导电器壁的阴极后，电子流通过器壁向电合成反应器内的微生物菌群传递，微生物菌群获得电子后，将CO2还原合成有机化学品。电子流也可通过导电器壁传递到厌氧氧化反应器内共存的微生物菌群，还原质子合成H2或直接将阳极室内的CO2还原为甲烷。废弃物、废水中的还原性污染物经氧化后排出。
合成方法包括以下主要步骤：
a)将用于合成的培养液泵入生物电合成反应器中
b)将废弃物、废水导入厌氧氧化反应器中
c)阴极室和阳极室分别接种相应的微生物
d)通过循环泵对生物电合成反应器以及多参数调节罐内的培养液进行循环，培养液循环控制系统对多参数调节罐内培养液进行pH调节，并补充CO2
e)电源在阳极和阴极间外加电势
f)监测生物电合成反应器中的产物达到一定浓度后从多参数调节罐排出
进一步，其生物电合成反应器合成产物中需要抑制甲烷，可在培养基中加入但不限于2-溴乙烷磺酸钠（BES）作为甲烷抑制剂。
进一步，生物电合成反应器内用于还原的CO2优先来源于厌氧氧化反应器内含碳有机废弃物、废水的厌氧氧化。厌氧氧化反应器合成的H2、甲烷连同CO2一并导入阴极室内参与生物合成。如厌氧氧化反应器内还原性污染物不含有机碳时，通过管道和储罐从外源补充CO2到生物电合成反应器内。
进一步，根据废弃物、废水来源不同，厌氧反应器中附着的厌氧氧化的微生物菌群也不同，微生物菌群包括但不限于异养微生物菌群、自养微生物菌群等。
本发明所述的异养微生物菌群包括但不限于Pseudomonas，klebsiella,Alcaligenes,Bacillus，Bacillus brevis，Aeromonas,Comamonas，Geobacter，Shewanella等的一种或以上种类的任意组合。
本发明所述的自养微生物菌群包括但不限于氨氧化菌群Nitrosomonas,Nitrosococcus,Nitrosospira,Nitrosolobus,Nitrobacter,Nitrospira中的细菌等；自养硫杆菌群如硫杆菌属的Thiobacillus ferrooxidans，Thiobacillus thiooxidans，Thiobacillusdenitrificans等；以及一些兼性自养的微生物菌群如Pseudomonas,Sulfolobus等中的一种或以上种类的任意组合。
合成甲烷的微生物菌群包括但不限于Methanobacterium，Methanocorpusculum，Methanococcus，Geobacter，Methanobrevibacter，Methanosphaera，Methanomicrobium，Methanoculleus，Methanosarcina和Methanococcoides等中的一种或以上种类的任意组合。
阴极室内合成乙醇、乙酸的微生物菌群包括但不限于Clostridium,Moorella，Carboxydothermus，Acetobacterium和Acetogenium。合成甲醇、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸的微生物菌群包括但不限于Clostridium、Acetobacterium、Acetogenium、Acetoanaerobium、Butyribacterium，Pseudomonas，Citrobacter，Hydrogenophaga，Sporomusa和Megasphaera。
根据阴极电子传递途径的不同，参与CO2还原与合成的微生物菌群可通过电极与微生物细胞、纤毛间的直接电子传递，也包括但不限于利用H2、吩嗪、核黄素、醌类、中性红、甲基紫、木素磺酸盐、Fe3+、Mn4+、Co3+作为电子传递体。
进一步，嵌入式生物电合成方法中还原能还来源于污染物或还原性物质的电化学催化氧化反应。通过电化学催化氧化的污染物包括但不限于含硫化物、氨氮、芳香族污染物的废水，含硫化氢、CO、二氧化硫的废气、葡萄糖、木糖、乙二醛、甲苯等还原性物质。
进一步，采用稳压电源外加电势时，阳极与阴极间的电势在100mv-2000mv之间。
进一步，采用恒电位仪外加电势时，如通过控制阳极电势进行生物电合成，控制阳极电势在-400mv—+1200mv（VS.Ag/AgCl）之间；如控制阴极电势进行生物电合成，控制阴极电势在-400mv—-1200mv（VS.Ag/AgCl）之间。
进一步，厌氧氧化反应器通过调节废水处理负荷、或通过加碱方式维持pH4-9之间。
进一步，培养液循环控制系统中培养液控制pH4-8之间、温度在15-60℃之间，根据温度不同，在一个标准压力下，CO2维持过饱和浓度。
进一步，在运行过程中，系统优选温度范围20-40℃。
与传统废水处理以及生物燃料电池、生物电解池相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明通过嵌入式生物电合成反应器，可将废弃物、废水中的还原能通过厌氧氧化与电子传递等方式用于甲烷、脂肪酸（醇）等有机化学品的合成。避免了还原能被氧气消耗，实现了废弃物、废水还原能的资源化和能源化。
（2）本发明提供的嵌入式生物电合成反应器，可有效解决中低浓度污染废水的还原能提取难题，在获取有机化学品的同时，实现了废水的终端处理。
（3）本发明提供的嵌入式生物电合成反应器，通过对废弃物、废水的生物电解合成有机化学品，避免了单独利用电能电解水并通过生物电合成有机化学品造成的阳极腐蚀难题。
（4）本发明的生物电合成系统内，厌氧氧化反应器进行废弃物、废水的厌氧氧化，生物电合成反应器内进行CO2的还原与生物合成，除厌氧氧化产生的CO2等气体引入生物电合成反应器参与合成外，两个反应器的其他环境与运行参数互不干扰。
（5）本发明的生物电合成系统内，厌氧氧化反应器内进行废弃物、废水的生物催化氧化时，废弃物、废水厌氧氧化积累的质子在阴极低于产氢电势下合成H2和甲烷。可有效改善厌氧氧化反应器内的质子积累以及低pH对微生物活性带来的抑制。H2和甲烷可随CO2导入到阴极室内进行生物合成。
（6）本发明的生物电合成反应器阴极通过隔膜与阳极紧紧贴合在一起，较现有生物电解池具有更小的极距，隔膜可采用价廉的无纺布、石棉纤维等，可大幅降低因使用离子交换膜带来的材料费用。反应器主体结构由不锈钢等金属材料制作，其结构强度可保证有效放大。
（7）本发明的嵌入式反应器可与现有废弃物、废水处理系统结合应用，与传统的双室生物电解池相比，在规模化放大和应用方面更加灵活。
附图说明：
图1：嵌入式生物电合成系统的结构示意图
其中:（1）厌氧氧化反应器；（2）生物电合成反应器；（3）导电器壁（阴极）；（4）隔膜；（5）阳极集流网；（6）阳极；（7）外加电源；（8）循环液多参数调节罐；（9）循环泵；（10）在线pH控制器；（11）在线CO2控制补充系统；（12）在线温度控制器；（13）液位控制器；（14）加酸泵；（15）酸液储罐；（16）CO2储罐；（17）培养基储罐
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不限于下列实施例。
实施例1：嵌入式生物电合成系统的构建
嵌入式生物电合成系统主要由一个用于废弃物、废水厌氧氧化的反应器(1)、生物电合成反应器(2)、以及培养液循环控制系统构成。其中生物电合成反应器(2)嵌入厌氧氧化反应器(1)中。废水厌氧氧化反应器(1)采用传统的生物处理构筑物或直接利用现有废水处理池，经与嵌入式生物电合成反应器配套改造后密封，用于废弃物、废水厌氧氧化。生物电合成反应器(2)由导电的不锈钢管作为导电器壁（阴极）(3)、器壁外侧包括隔膜(4)、阳极集流网(5)、阳极(6)，其中，阳极采用碳毡构建，阳极与阴极之间的隔膜采用无纺布，反应器壁与隔膜、阳极集流网和阳极紧贴，为了提高生物电合成反应器阴极的电子传递效率，反应器壁内衬碳毡。生物电合成反应器还包括电源(7)以及外电路构成，电源的选用依据废弃物、废水的水质特征与还原污染物的氧化还原电位来确定。培养液循环控制系统包括循环液多参数调节罐（8），循环泵（9），在线pH控制器（10），在线CO2控制补充系统（11），在线温度控制器（12），液位控制器（13），加酸泵（14），酸液储罐（15），CO2储罐（16）以及培养基储罐（17）构成。培养液循环控制系统可对1台至更多台生物电合成反应器的培养液进行循环控制，通过循环泵以串联或/和并联方式进行循环。多参数调节罐配套的pH控制采用工业在线pH控制器、CO2控制采用工业在线CO2实时监测与补充系统。
实施例2：嵌入式生物电合成系统合成有机酸
（1）系统的构建
本实施例构建的生物电合成系统如附图1所示，主要包括一个由PVC塑料制作的废水厌氧氧化反应器(1)，由不锈钢管制作的生物电合成反应器(2)，以及由蠕动泵连接的培养液循环控制系统构建。其中废水厌氧氧化反应器为圆柱形，高230mm、外径110mm、壁厚4mm，总容积为1800mL（有效容积1000mL）。由不锈钢管制作的生物电合成反应器高200mm、外径50mm、壁厚1mm，总容积360ml,有效容积200mL，生物电合成反应器采用橡胶塞密封，并设置进出管路。不锈钢器壁外侧包裹3层无纺布，无纺布外侧包裹200mm×160mm的碳毡作为阳极，生物电合成反应器放入到厌氧氧化反应器内，随后厌氧氧化反应器采用PVC塑料帽以及密封胶密封。采用钛丝连接不锈钢器壁（阴极）和碳毡（阳极），采用稳压电源外加电势。
采用高180mm、外径80mm，壁厚0.5mm的透明塑料管制作多参数调节罐，配套型号为AD18的工业在线pH控制器的探头置入调节罐内，调节罐密封并设置液体、气体进出管路，多参数调节罐有效容积为300mL。通过蠕动泵连接生物电合成反应器和多参数调节罐，并对培养液进行循环。利用蠕动泵将气袋内的CO2泵入多参数调节罐的培养液内，使其中的CO2处于饱和浓度。实验在室温条件下进行，温度为20-30℃。
（2）生物合成培养基以及人工配制废水组分
生物电合成反应器培养基组分：NH4Cl,1.0g/L；KCl,0.1g/L；MgSO4.7H2O,0.2g/L；NaCl,0.8g/L；KH2PO4,0.1g/L；CaCl2,20mg/L；NaHCO3,2.0g/L；另外，1L培养基中加入矿质元素溶液2mL；维生素溶液1mL。
矿质元素溶液：氨基三乙酸2.0g；MnSO4.H2O1.0g；Fe(SO4)2(NH4)2.6H2O0.8g；CoCl2.6H2O0.2g；ZnSO4.7H2O0.2mg；CuCl2.2H2O10mg；NiCl2.6H2O30mg；Na2MoO4.2H2O10mg；Na2SeO420mg；Na2WO420mg；蒸馏水1L。
维生素溶液：维生素H2.0mg；维生素B2.0mg；维生素B610mg；维生素B15.0mg；维生素B25.0mg；烟酸5.0mg；泛酸盐5.0mg；维生素B120.1mg；对氨基苯甲酸5.0mg；硫辛酸5.0mg；蒸馏水1L
厌氧氧化反应器内人工配制废水组分：CH3COONa,1g/L；KH2PO4,15mg/L；(NH4)2SO4,30mg/L；MgSO4.7H2O,50mg/L；CaCl2,3.75mg/L；FeCl3.6H2O,0.25mg/L；MnSO4·H2O,5mg/L；NaHCO3,105mg/L。另外，1L培养基中加入矿质元素溶液2mL；维生素溶液1mL。
（3）系统的启动
将人工配制废水900mL加入到厌氧氧化反应器中，加入100mL的城市污水处理厂厌氧污泥混合液作为接种物。将合成培养基200mL加入到生物电合成反应器内，接入来自酿酒厂的窖泥作为生物电合成的接种物。另外加入300mL培养基到多参数调节罐内，通过稳压电源外加0.9V的电势，同时外电路链接10Ω的电阻，并利用数据采集器记录电阻两端电势的变化。启动蠕动泵对生物电合成反应器以及多参数调节罐内的培养液进行循环。利用在线pH控制器实时监测pH，生物电合成过程中，生物电合成反应器维持pH在5.5-6.0、厌氧氧化反应器维持pH5.0-8.0、以及室温环境。在启动过程中，采集废水和培养液样品，分析其中COD以及合成产物的变化，当COD降解负荷达到0.1g/L.d以上，而培养液内检测出有机产物浓度大于100mg/L时，表明启动成功。
（3）系统运行
将1000mL上述配制有机废水加入到厌氧氧化反应器中，200mL合成培养基加入到生物电合成反应器内、300mL合成培养基加入到多参数调节罐内，按照启动过程中的条件和参数运行。定时采集水样和培养液分析COD降解和有机物的合成情况，视COD降解情况定时更换新鲜废水。稳定运行5个批次后，检测其中1个批次的废水COD降解以及生物电合成结果为：经5天的运行，厌氧氧化反应器进水COD800mg/L，出水COD浓度降到20mg/L，生物电合成反应器合成培养液内乙酸达到306mg/L,此外还有浓度较低的有机酸，如丙酸15mg/L，异丁酸25mg/L，正丁酸35mg/L，异戊酸28mg/L。
实施例3：嵌入式生物电合成系统高COD负荷下运行同时合成甲烷和乙酸
如实施例2所述的生物电合成系统，随着运行时间的延长，厌氧氧化反应器内的COD降解负荷大幅上升，同时有大量甲烷产生。在高COD负荷条件下，进行了生物电合成实验。进水COD浓度增加到约10000mg/L，其他条件和运行参数保持不变。检测1个批次运行过程COD降解以及生物电合成的结果为：经过6天的运行，厌氧氧化反应器内进水COD由9900mg/L降到40mg/L，运行过程中，收集厌氧氧化产生的气体约2500mL，气相产物中甲烷浓度为50%，生物电合成反应器内培养液中乙酸浓度达到1000mg/L。
本发明的一种嵌入式生物电合成系统及方法，已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本发明内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种嵌入式生物电合成系统，其特征在于：包括厌氧氧化反应器（1）、生物电合成反应器（2）、培养液循环控制系统、电源（7）和外电路； 
厌氧氧化反应器（1）用于废弃物、废水氧化处理，内设搅拌装置； 
生物电合成反应器（2）从内到外由导电的反应器壁（3）、隔膜（4）和阳极（6）构成，导电反应器壁同时也是反应器的阴极，反应器壁（3）和阳极（6）分别接电源的阴极和阳极，生物电合成反应器作为独立的密封构件嵌入到厌氧氧化反应器中；生物电合成反应器（2）封闭的空间构成阴极室；厌氧氧化反应器（1）和嵌入的生物电合成反应器（2）之间的空隙构成阳极室； 
培养液循环控制系统包括循环液多参数调节罐（8）、循环泵（9）、在线pH控制器（10）、在线CO2控制补充系统（11）、在线温度控制器（12）、液位控制器（13）、加酸泵（14）、酸液储罐（15）、CO2储罐（16）以及培养基储罐（17）；循环泵（9）连接密闭的生物电合成反应器（2）和循环液多参数调节罐（8）；加酸泵（14）连接酸液储罐（15）和循环液多参数调节罐（8）;循环液多参数调节罐（8）具有搅拌装置、循环液进出口、CO2气体和培养基补充进口、产物排出口。 
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：厌氧氧化反应器（1）中有多个生物电合成反应器（2）。 
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：隔膜（4）采用无纺布、石棉纤维、离子交换膜、合成纤维材料制作。 
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：作为阴极的反应器壁（3）采用导电的不锈钢、铁、铝、铜或铅制作，生物电合成反应器的形状是圆柱形或者矩形。 
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：阴极室内填充不锈钢、铁、铜、镍或铅的金属丝或网、活性炭颗粒、无定型碳纤维填料构建三维阴极。 
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：生物电合成反应器（2）的阳极（6）采用碳毡、碳纸、碳布、无定型碳纤维或活性炭制作。 
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：阳极室内填充不锈钢、铁、铜、镍或铅的金属丝或网、活性炭颗粒、无定型碳纤维填料构建三维阳极。 
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：电源（7）是稳压电源或恒电位仪。 
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：隔膜（4）和阳极（6）之间设有阳极集流网（5），阳极集流网采用不锈钢、钛或合金金属导电丝网制作。 
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：培养液循环控制系统负责培养液储存、循环、pH调节、CO2气体调节及培养基补充、产物排出。 
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：阳极室和培养液循环控制系统通过管道连接，阳极室产生的CO2、H2可以供给阴极室进行生物电合成。 
12.一种嵌入式生物电合成的方法，其特征在于：利用权利要求1到11的任何一种系统，通过如下步骤实现： 
a)将用于合成的培养液泵入生物电合成反应器中 
b)将废弃物、废水导入厌氧氧化反应器中 
c)阴极室和阳极室分别接种相应的微生物 
d)通过循环泵对生物电合成反应器以及多参数调节罐内的培养液进行循环，培养液循环控制系统对多参数调节罐内培养液进行pH调节，并补充CO2
e)电源在阳极和阴极间外加电势 
f)监测生物电合成反应器中的产物达到一定浓度后从多参数调节罐排出。 
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：采用稳压电源外加电势时，阳极与阴极间的电势在100mv-2000mv之间。 
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：采用恒电位仪外加电势时，如通过控制阳极电势进行生物电合成，控制阳极电势在-400mv—+1200mv（VS.Ag/AgCl）之间；如控制阴极电势进行生物电合成，控制阴极电势在-400mv—-1200mv（VS.Ag/AgCl）之间。 
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：厌氧氧化反应器维持pH4-9之间。 
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：培养液循环控制系统中培养液控制pH4-8之间、温度在15-60℃之间，根据温度不同，在一个标准压力下，CO2维持过饱和浓度。 
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：温度在20-40℃之间。 
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104828938A (zh) * 2015-04-28 2015-08-12 华南理工大学 一种含磷有机废水多段除磷产磷化氢的装置
CN104862730A (zh) * 2015-06-12 2015-08-26 广东航鑫科技股份公司 一种离子膜电解制备高锰酸钾的方法及应用于该方法的专用电解槽
CN105695319A (zh) * 2016-03-16 2016-06-22 浙江工商大学 一种生物电合成系统及利用该系统合成乙酸和/或乙醇的方法
CN105733938A (zh) * 2016-04-18 2016-07-06 浙江工商大学 一种可连续运行的生物电合成装置及生物电合成方法
CN108570689A (zh) * 2018-04-24 2018-09-25 大连交通大学 电解法制备二氧化氯的装置及方法
CN110106062A (zh) * 2019-05-05 2019-08-09 上海交通大学 一种模块化控制orp反应器的装置
CN110183029A (zh) * 2019-03-18 2019-08-30 内蒙古科技大学 一种将有机废水转化为乙酸的装置与方法
CN110528017A (zh) * 2019-07-25 2019-12-03 西安交通大学 一种电解氢气鼓泡塔微生物电合成反应器及其使用方法
CN111172024A (zh) * 2019-12-31 2020-05-19 福建农林大学 一种原位表征种间直接电子传递的装置
CN115851427A (zh) * 2023-02-21 2023-03-28 北京林业大学 一种培养生长有超高电导率生物纳米导线的地杆菌的装置及方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3085971B1 (fr) * 2018-09-13 2020-09-11 Institut National De Recherche En Sciences Et Tech Pour Lenvironnement Et Lagriculture Irstea Reacteur bio-electrochimique comportant une bio-anode et une anode abiotique et son utilisation pour l'electrosynthese microbienne

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1907886A (zh) * 2006-08-09 2007-02-07 江南大学 产沼气的废水处理装置及该装置所用的自循环厌氧反应器
CN101710624A (zh) * 2009-11-10 2010-05-19 四川大学 连续高效废水处理微生物燃料电池
JP2010113831A (ja) * 2008-11-04 2010-05-20 Ace Bio Product Kk バイオ燃料電池
CN202888321U (zh) * 2012-07-19 2013-04-17 南昌大学 一种处理猪场废水的双圆筒型微生物燃料电池的实验平台

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1907886A (zh) * 2006-08-09 2007-02-07 江南大学 产沼气的废水处理装置及该装置所用的自循环厌氧反应器
JP2010113831A (ja) * 2008-11-04 2010-05-20 Ace Bio Product Kk バイオ燃料電池
CN101710624A (zh) * 2009-11-10 2010-05-19 四川大学 连续高效废水处理微生物燃料电池
CN202888321U (zh) * 2012-07-19 2013-04-17 南昌大学 一种处理猪场废水的双圆筒型微生物燃料电池的实验平台

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104828938A (zh) * 2015-04-28 2015-08-12 华南理工大学 一种含磷有机废水多段除磷产磷化氢的装置
CN104862730A (zh) * 2015-06-12 2015-08-26 广东航鑫科技股份公司 一种离子膜电解制备高锰酸钾的方法及应用于该方法的专用电解槽
CN105695319A (zh) * 2016-03-16 2016-06-22 浙江工商大学 一种生物电合成系统及利用该系统合成乙酸和/或乙醇的方法
CN105695319B (zh) * 2016-03-16 2018-04-27 浙江工商大学 一种生物电合成系统及利用该系统合成乙酸和/或乙醇的方法
CN105733938A (zh) * 2016-04-18 2016-07-06 浙江工商大学 一种可连续运行的生物电合成装置及生物电合成方法
CN108570689A (zh) * 2018-04-24 2018-09-25 大连交通大学 电解法制备二氧化氯的装置及方法
CN110183029A (zh) * 2019-03-18 2019-08-30 内蒙古科技大学 一种将有机废水转化为乙酸的装置与方法
CN110183029B (zh) * 2019-03-18 2022-04-01 内蒙古科技大学 一种将有机废水转化为乙酸的装置与方法
CN110106062A (zh) * 2019-05-05 2019-08-09 上海交通大学 一种模块化控制orp反应器的装置
CN110528017A (zh) * 2019-07-25 2019-12-03 西安交通大学 一种电解氢气鼓泡塔微生物电合成反应器及其使用方法
CN111172024A (zh) * 2019-12-31 2020-05-19 福建农林大学 一种原位表征种间直接电子传递的装置
CN115851427A (zh) * 2023-02-21 2023-03-28 北京林业大学 一种培养生长有超高电导率生物纳米导线的地杆菌的装置及方法

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