CN104673843A - 电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法 - Google Patents

电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，利用微生物电解池控制氧化还原电位控制电活性甲烷氧化菌脱氢酶活性，在获得化工产品甲醇或甲酸的同时实现维持电活性甲烷氧化菌的活性与稳定性。微生物电解池阳极电极表面附着的电活性甲烷氧化菌代谢甲烷产生甲醇或甲酸的同时产生H+和电子，同时在电辅助及阴极催化剂作用下，产生的H+及电子在阴极电极表面结合产生H2。该方法可解决传统化学反应合成甲醇或甲酸能耗高与阴极催化剂效率低的问题，以及防止生物催化氧化甲烷生成甲醇或甲酸过程中甲醇和甲酸进一步深度氧化为CO2。该方法整个反应过程处于温和条件下，并且是环境友好的。

Description

电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法
技术领域
本发明涉及一种甲烷氧化生成甲醇或甲酸的方法，具体涉及电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法。
背景技术
甲醇广泛应用于化学工业的各个领域，是重要的有机化工基础原料。甲醇可由甲烷、煤炭和重油等通过多步化学反应合成。迄今尚没有一种化学催化剂可一步直接氧化甲烷生成甲醇，已有的合成方法不仅需要多步反应，而且反应要在900oC高温下进行，反应的选择性和转化率都很低。如使用汞催化体系在180oC下甲烷的转化率约为43%，且汞催化体系对环境造成严重污染（Periana R. A., Taube D.J., Evitt E.R., Loftier D.G., Wentrcek P.R., Voss G., Masuda T. Science, 1993, 259(5093): 340.）。生物催化具有反应条件温和、选择性高等特点，因而近年来许多研究者致力于生物催化甲烷制甲醇过程的研究。甲烷氧化细菌可在常温、常压下将甲烷一步氧化为甲醇，但是整细胞中包含的甲醇脱氢酶、甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶会将甲烷氧化得到的甲醇继续氧化生成CO2，此过程中释放的电子用于细胞中三磷酸腺苷(ATP)的合成。若想积累甲醇或甲酸，必须抑制它的继续氧化，因此生物催化合成甲醇或甲酸的研究没有取得令人满意的结果。CO2是甲烷深度氧化的最终产物。崔俊儒等（崔俊儒，辛嘉英，牛建中，夏春谷，李树本. 二氧化碳存在下甲烷氧化细菌催化甲烷生物合成甲醇. 催化化学，2004，25(6):471-474.）通过在反应物中加入适量的CO2部分抑制脱氢酶系的活性，造成甲醇在细胞外积累；同时，部分甲醇仍可以继续氧化产生还原当量的NADH以维持甲烷氧化菌的活性和稳定性，其甲烷转化率大约为20%。因此，如何抑制甲烷氧化生成的甲醇或甲酸进一步氧化生成CO2和维持甲烷氧化菌的活性与稳定性是生物催化氧化甲烷生成甲醇或甲酸前提条件。
发明内容
为了解决传统化学反应合成甲醇或甲酸转化效率低及防止生物催化氧化甲烷生成的甲醇进一步深度氧化为CO2，本发明提供了一种通过控制微生物电解池阴极电位来控制电活性甲烷氧化菌脱氢酶活性和甲烷的氧化程度的方法，在获得化工产品甲醇或甲酸的同时实现维持电活性甲烷氧化菌的活性与稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于：本发明采用单室微生物电解池，在单室微生物电解池内分别放置阳极电极和阴极电极，阳极电极和阴极电极通过导线分别与稳压电源的高电位端和低电位端连接，阳极电极表面附着有电活性甲烷氧化菌，阴极电极为镀铂钛网电极。电活性甲烷氧化菌基础培养基去除氧气后注入单室微生物电解池内，并不断鼓充CH4作为阳极电活性甲烷氧化菌生长的营养源，阳极电活性甲烷氧化菌氧化CH4产生CH3OH或HCOOH的同时产生H+及电子，同时在电辅助及阴极催化剂作用下，产生的H+及电子在阴极电极表面结合生成H2。
所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，所述阳极功能微生物为电活性甲烷氧化菌，其可以以水底沉积物、厌氧活性污泥及厌氧消化污泥为接种物富集获得。
所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于：单室微生物电解池壳体采用有机玻璃、PVC、玻璃或混凝土等材质制成。
所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于：所述的阳极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阳极电极表面附着电活性甲烷氧化菌。
所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于：所述的阴极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且阴极电极的表面用Pt修饰。
所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于：设定阴极电极电位为-0.2V~-2.0V（vs. NHE）。
本发明提出了一种通过控制微生物电解池阴极电位来控制电活性甲烷氧化菌脱氢酶活性和甲烷的氧化程度的方法，进而在获得化工产品甲醇或甲酸的同时实现辅酶NADH的原位再生，并维持电活性甲烷氧化菌的活性与稳定性。在有O2情况下，无论是电活性甲烷氧化菌或一般甲烷氧化菌氧化甲烷时首先产生甲醇，然后甲醇进一步氧化为甲酸，最后甲酸氧化为最终产物CO2，O2作为电子和质子受体与其结合产生H2O。但是在没有O2的情况下，电活性甲烷氧化菌氧化甲烷时首先产生甲醇、电子和质子，该反应有一个氧化还原电位，当微生物电解池阴极电位稍低于该氧化还原电位时，产生电子和质子不断被转移到微生物电解池阴极合成氢气，此时在电活性甲烷氧化菌不会造成电子和质子的积累，从而不会对胞内脱氢酶的活性造成反馈抑制，反应能够持续进行；如果微生物电解池阴极电位继续降低，并低于甲醇氧化产生甲酸、电子和质子这一反应的氧化还原电位，此时胞内生成的甲醇被胞内脱氢酶进一步脱氢而氧化为甲酸，产生电子和质子不断被转移到微生物电解池阴极合成氢气，此时在电活性甲烷氧化菌不会造成电子和质子的积累，从而不会对胞内脱氢酶的活性造成反馈抑制，反应能够持续进行；如果微生物电解池阴极氧化还原电位继续降低，此时生成的甲酸被胞内脱氢酶进一步脱氢而氧化为二氧化碳。因此，通过控制微生物电解池阴极的氧化还原电位可以获得不同的产物。整个反应过程处于温和条件下，并且是环境友好的。
本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明解决了传统化学反应合成甲醇或甲酸转化效率低及防止生物催化氧化甲烷生成的甲醇进一步深度氧化为CO2的技术问题，并通过控制微生物电解池阴极电位来控制电活性甲烷氧化菌脱氢酶活性和甲烷的氧化程度，在获得化工产品甲醇或甲酸的同时实现维持电活性甲烷氧化菌的活性与稳定性，采用本发明方法能够保证甲烷转化为甲醇的转化率达65%，库仑效率达95%；甲烷转化为甲酸的转化率达70%，库仑效率达95%。
附图说明
图1为电辅助电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图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
图1为电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法示意图。本实施例利用电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，具体按以下顺序和步骤进行操作：
（1）单室微生物电解池构建
参见图1，电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其装置包括：直流稳压电源1，单室微生物电解池腔室2，阴极电极3，钛丝导线4，导线5，电阻6，钛丝导线7，阳极电极8，电活性甲烷氧化菌9，进气管10及排气管11。阴极电极3通过钛丝导线4与直流稳压电源1的低电位端连接，阳极电极8通过钛丝导线7、电阻6及导线5与直流稳压电源1的高电位端连接。所述的进水管10、出水管11及单室微生物电解池腔室2都采用有机玻璃材质制成。阳极电极8为导电碳纤维刷，阴极电极3为镀铂钛网。
（2）单室微生物电解池系统的启动
本发明提出的电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸系统的启动过程如下：
① 电活性甲烷氧化菌的富集
电活性甲烷氧化菌培养基1组成（每升溶液含）：MnO2 5 g，Fe(OH)3 5 g；NaHCO3 2.5 g；NH4Cl 0.25 g；NaH2PO4·H2O 0.6 g；KCl0.1 g；Wolfe 微量维生素溶液10 mL；Wolfe 微量矿物元素溶液10 mL；pH=7.0。
电活性甲烷氧化菌培养基2组成（每升溶液含）：NaHCO3 2.5 g；NH4Cl 0.25 g；NaH2PO4·H2O 0.6 g；KCl0.1 g；Wolfe 微量维生素溶液10 mL；Wolfe 微量矿物元素溶液10 mL；pH=7.0。
Wolfe 微量维生素溶液组成：生物素2.0 mg；叶酸 2.0 mg；维生素B6盐酸盐 10.0 mg；盐酸硫胺素 5.0 mg；核黄素 5.0 mg；烟酸 5.0 mg；D-泛酸钙 5.0 mg；维生素B12 0.1 mg；对氨基苯甲酸 5.0 mg；硫辛酸 5.0 mg；去离子水1.0 L。
Wolfe 微量矿物元素溶液组成：氨三乙酸 1.5 g；MgSO4·7H2O 3.0 g；MnSO4·H2O 0.5 g；NaCl 1.0 g；FeSO4·7H2O 0.1 g；CoCl2·6H2O 0.1 g；CaCl2 0.1 g；ZnSO4·7H2O 0.1 g；CuSO4·5H2O 0.01 g；AlK(SO4)2·12H2O 0.01 g；H3BO3 0.01 g；Na2MoO4·2H2O 0.01 g；去离子水1.0 L。
电活性甲烷氧化菌培养基1利用N2与CO2体积比为80:20的混合气除去培养基中的氧气后，分装入250 mL 厌氧培养瓶中密封，于121oC湿热灭菌20 min 后（Wolfe 微量维生素混合液、微量矿物元素混合液应过滤灭菌后最后加入），以青岛白沙河入海口处中沉积物（沉积物与水体交界面以下5 cm的沉积物）为接种物，接种沉积物污泥量（质量分数）为10%，连续不断鼓充CH4（30 mL/min），以未接种为空白对照，于30oC静置避光厌氧培养，定时取样，用可见分光光度计测Mn2+和Fe2+浓度。经过15 d 的厌氧避光培养，菌液逐渐变得浑浊，厌氧管中的棕红色Fe(OH)3颗粒逐渐变为黑色颗粒，此时认为已从厌氧沉积物污泥中分离筛选出电活性甲烷氧化菌。以初步富集获得的电活性甲烷氧化菌为接种物进一步富集、分离筛选电活性甲烷氧化菌。
② 生物阳极制作
以富集、分离筛选电活性甲烷氧化菌为接种物，电活性甲烷氧化菌培养基2经N2/CO2混合气（体积比为80:20）除去培养基中的氧气，然后接种物与电活性甲烷氧化菌培养基2按1:9（v/v）的比例接种单室微生物电解池，连续不断鼓充CH4（30 mL/min）。单室微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与电活性甲烷氧化菌培养基2的混合液。直流稳压电源1的电压固定为-0.9 V，定期对单室微生物电解池的电流数据进行采样，待单室微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了电活性甲烷氧化菌，此时生物阳极极的制作完成。
（3）电活性甲烷氧化菌催化氧化甲烷产甲醇或甲酸
待生物阳极制作完成后，将电活性甲烷氧化菌培养基2除去氧气后置于单室微生物电解池内，同时不断鼓充CH4（30 mL/min），同时直流稳压电源1的电压固定为-0.6 V。阳极电极7表面附着的电活性甲烷氧化菌氧化CH4产生CH3OH的同时产生H+及电子，同时在电辅助及阴极催化剂作用下，产生的H+及电子在阴极电极表面结合生成H2。甲烷转化为甲醇的转化率可达65%，库仑效率可达95%。具体化学反应方程式如下：
阳极电极                                                  
阴极电极   
直流稳压电源1的电压固定为-0.9 V时，阳极电极7表面附着的电活性甲烷氧化菌氧化CH4产生HCOOH的同时产生H+及电子，同时在电辅助及阴极催化剂作用下，产生的H+及电子在阴极电极表面结合生成H2。甲烷转化为甲酸的转化率可达70%，库仑效率可达95%。具体化学反应方程式如下：
阳极电极   
阴极电极   。

Claims (7)

1.一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，采用单室微生物电解池，在单室微生物电解池内分别放置阳极电极和阴极电极，阳极电极和阴极电极通过导线分别与稳压电源的高电位端和低电位端连接，阳极电极表面附着有电活性甲烷氧化菌，阴极电极为镀铂钛网电极；微生物电解池阳极电极表面附着的电活性甲烷氧化菌代谢甲烷产生甲醇或甲酸的同时产生H+和电子，同时在电辅助及阴极催化剂作用下，产生的H+及电子在阴极电极表面结合产生H2。
2.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，所述阳极功能微生物为电活性甲烷氧化菌，其可以以水底沉积物、厌氧活性污泥及厌氧消化污泥为接种物富集获得。
3.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，通过控制微生物电解池阴极电位来控制电活性甲烷氧化菌脱氢酶活性和甲烷的氧化程度，进而在获得化工产品甲醇或甲酸的同时实现维持电活性甲烷氧化菌的活性与稳定性。
4.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，微生物电解池壳体采用有机玻璃、PVC、玻璃或混凝土材质制成。
5.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，所述的阳极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阳极电极表面附着电活性甲烷氧化菌。
6.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，所述的阴极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且阴极电极的表面用Pt修饰。
7.如权利要求1所述的一种电辅助电活性甲烷氧化菌催化甲烷生成甲醇或甲酸的方法，其特征在于，设定阴极电极电位为-0.2V~-2.0V。
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