JP2024510000A - MEC system - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも1のガス入口と少なくとも1の脱ガス要素を含む複数のMECセルを有するMECスタック、およびそれらのMECスタックにおいてバイオ触媒により触媒されるバイオ電気化学的メタン化反応を改善する方法を提供する。【選択図】図5The present invention provides MEC stacks having a plurality of MEC cells including at least one gas inlet and at least one degassing element, and methods for improving biocatalyst-catalyzed bioelectrochemical methanation reactions in those MEC stacks. I will provide a. [Selection diagram] Figure 5

Description

本発明は、微生物電解セル(MEC)システムに関し、特に、バイオ電気化学的メタン生成反応を行うために複数のMECをMECスタックに積層したMECシステムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to microbial electrolysis cell (MEC) systems, and more particularly to MEC systems in which multiple MECs are stacked in an MEC stack for performing bioelectrochemical methanogenesis reactions.

メタンは化石燃料の中で炭素原子1個当たりのエネルギー密度が最も高く、そのエネルギー変換の潜在力は、酸素の存在下での燃焼や燃料電池を使用した発電によって直接得られる他の天然ガスよりも遥かに大きい。メタンのエネルギー生成の潜在力は、世界市場でますます重要性を増している。 Methane has the highest energy density per carbon atom of any fossil fuel, and its energy conversion potential is greater than that of other natural gases, which can be obtained directly by combustion in the presence of oxygen or by power generation using fuel cells. is also much larger. The energy production potential of methane is gaining increasing importance in the global market.

再生可能資源から生成されるメタン(再生可能メタン)は、持続可能で再生可能なエネルギー源であり、今日すでに石炭や他の化石燃料の代替となりつつある。このため、再生可能メタンを生成するための多くの様々なプロセス、いわゆるメタン化プロセスが、先行技術において開発および最適化されている。 Methane produced from renewable sources (renewable methane) is a sustainable and renewable energy source that is already becoming an alternative to coal and other fossil fuels today. For this reason, many different processes for producing renewable methane, so-called methanation processes, have been developed and optimized in the prior art.

一つのメタン化プロセスは、例えば、バイオ電気化学的メタン化と呼ばれる微生物電気化学技術(MET)に基づくことができる。このプロセスは、微生物を触媒として用いながら電気エネルギーを化学エネルギーに変換することができる特有のシステムである微生物電解セル(MEC)で実現される。このシステムは、電気分解とメタン生成の組合せを単一の反応器、いわゆるMECで実現する。MEC内でメタン生成微生物が例えばカソードコンパートメントまたはカソードに存在する場合、MECはバイオ電気化学的メタン化セルとみなされる。 One methanation process, for example, can be based on microbial electrochemical technology (MET), called bioelectrochemical methanation. This process is realized in a microbial electrolysis cell (MEC), a unique system capable of converting electrical energy into chemical energy using microorganisms as catalysts. This system combines electrolysis and methane production in a single reactor, the so-called MEC. If within the MEC a methanogenic microorganism is present, for example in the cathode compartment or cathode, the MEC is considered a bioelectrochemical methanation cell.

反応器は、例えば半透膜を介してアノードコンパートメントまたはチャンバから分離される単一のコンパートメント、すなわちカソードコンパートメントまたはチャンバを含むことができる。先行技術のいくつかの実施形態では、メタン生成微生物(例えば、メタン生成菌または古細菌)によるメタン生成が、バイオカソードコンパートメントで直接行われ、CO2からメタンへのカソード還元に必要な電子流が、アノードコンパートメントにおいて水の酸化によって補われる。 The reactor can include a single compartment, a cathode compartment or chamber, separated from an anode compartment or chamber, for example via a semi-permeable membrane. In some embodiments of the prior art, methane production by methanogenic microorganisms (e.g., methanogens or archaea) occurs directly in the biocathode compartment, and the electron flow required for cathodic reduction of CO2 to methane is It is supplemented by water oxidation in the anode compartment.

より詳細には、このプロセスでは、電力を使用して、MECのアノードとカソードとの間の電位差を高め、バイオ電気化学的メタン化反応を可能にしている。 More specifically, the process uses electrical power to increase the potential difference between the anode and cathode of the MEC to enable the bioelectrochemical methanation reaction.

カソードMECプロセスでは、例えば水素の形態で、電子供与体として利用される電子が発生し、炭素源、例えば二酸化炭素を価値ある生成物、例えばメタンに還元する。関連するバイオ電気化学的メタン化反応は、微生物、いわゆるバイオ触媒によって触媒される。 In cathodic MEC processes, electrons are generated, eg in the form of hydrogen, which are utilized as electron donors to reduce carbon sources, eg carbon dioxide, to valuable products, eg methane. The relevant bioelectrochemical methanation reactions are catalyzed by microorganisms, so-called biocatalysts.

本発明では、「入力ガス」という用語が使用され、化学反応を達成するためにMEC内の触媒に必要な任意のガスまたは触媒に適した任意のガスを包含するものとして理解される。適切な入力ガスは、CO2やCOのような典型的な炭素供与体のなかから選択することができるが、他の適切な炭素供与体を含む廃棄ガスからも選択することができる。 In the present invention, the term "input gas" is used and is understood to include any gas required or suitable for the catalyst in the MEC to accomplish the chemical reaction. Suitable input gases can be selected from typical carbon donors such as CO2 and CO, but also from waste gases containing other suitable carbon donors.

本発明によれば、入力ガスは、例えばエタノール生成における微生物発酵、例えば石炭燃焼エネルギープラントにおける化石燃料の燃焼、あるいは例えば地熱発電所の副産物として、あるいは例えば牧畜や他の農業活動のような、大気中に拡散するガス組成物の放出をもたらすあらゆる人間の産業活動の結果として、化石燃料または農産業などの産業プロセスで実行される活動中に副産物として見出されるまたは生成されるCO2リッチ放出物および/または廃棄ガスとしても理解される。そのようなガスは、その発生源に応じて、非常に異なるガス組成を含み得る。それらは主に、空気と比較して比較的多量のCO2を含むという点で共通している。 According to the invention, the input gas may be an atmospheric gas, e.g. from microbial fermentation in ethanol production, the combustion of fossil fuels, e.g. in a coal-fired energy plant, or as a by-product of e.g. a geothermal power plant, or from atmospheric gas, e.g. CO2-rich emissions found as by-products or produced during activities carried out in industrial processes such as fossil fuel or agricultural industries, as a result of any human industrial activity that results in the release of gaseous compositions that diffuse into the Also understood as waste gas. Such gases, depending on their source, can contain very different gas compositions. They mainly have in common that they contain relatively large amounts of CO2 compared to air.

本発明の別の実施形態によれば、入力ガスの代わりに、電子等価物を含む別の無機炭素源を使用することもでき、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよび炭酸アンモニウム、またはそれらの組合せからなる群のなかから選択される。 According to another embodiment of the invention, instead of the input gas, another inorganic carbon source containing electronic equivalents can also be used, consisting of the group consisting of sodium carbonate, potassium carbonate and ammonium carbonate, or combinations thereof. selected from among.

バイオ電気化学的メタン化を用いてメタンの生成量を増加させるために、MECはいわゆるMECスタックに積み重ねられる。MECスタックは、本明細書ではMECセルとも呼ばれる複数のMECから構成される。MECは層から構築することができる。層とは、例えば、膜、電極、シーリング、(多孔質)輸送層、乱流促進材、電極-膜アセンブリ、バイポーラプレートなどである。この設計により、MECの拡張性が簡素化され、必要に応じて個々のMECや壊れたMECを容易に交換することができる。したがって、この設計により、たとえオペレータがバイオ電気化学システム全般の専門知識を有していなくても、オペレータによるメンテナンスを簡略化することができる。先行技術のMECスタックは、すべてのMECセルの反応に必要な入力ガスが、通常は最初のMECセルにある1つの入口に送られ、後続のMECを移動または流れるように構築される。このため、入力ガスは、ガス生成プロセス(例えば、メタン化)のそれぞれの反応のために、MECセル全体で順次使用される。 To increase the production of methane using bioelectrochemical methanation, MECs are stacked in so-called MEC stacks. A MEC stack is composed of multiple MECs, also referred to herein as MEC cells. MEC can be built from layers. Layers are, for example, membranes, electrodes, sealings, (porous) transport layers, turbulence promoters, electrode-membrane assemblies, bipolar plates, etc. This design simplifies MEC scalability and allows for easy replacement of individual or broken MECs as needed. Therefore, this design can simplify maintenance by the operator, even if the operator does not have specialized knowledge of bioelectrochemical systems in general. Prior art MEC stacks are constructed such that the input gases required for the reactions of all MEC cells are routed to one inlet, usually at the first MEC cell, and then moved or flowed through subsequent MECs. Thus, the input gas is used sequentially throughout the MEC cell for each reaction of the gas production process (eg, methanation).

先行技術では、MECスタックの使用および動作により、いくつかの問題が生じる。 In the prior art, the use and operation of MEC stacks poses several problems.

第一に、容積の問題が生じる。すべてのMECセル全体で実質的に最適な反応を行うためには大量の入力ガスが必要であり、それによりMECスタックに関連するサイズとコストの両方が増大する。 Firstly, the issue of volume arises. Large amounts of input gas are required for substantially optimal reaction throughout all MEC cells, thereby increasing both the size and cost associated with the MEC stack.

第二の問題は、MECスタック内の反応効率に関連する。先行技術のMECスタックの連続動作中、非効率が常に付きまとう。例えば、炭素供給戦略は通常、各MECセル内の微生物の炭素源需要を満たさない。このため、MECセル内の電子供与体、例えば水素(還元力)が使用されないか、または非効率的に使用されることが多く、その結果、メタン生成量が低下し、出力ガス中に未使用の水素が実質的に多く含まれることになる。 The second issue is related to reaction efficiency within the MEC stack. During continuous operation of prior art MEC stacks, inefficiencies are always present. For example, carbon supply strategies typically do not meet the carbon source needs of microorganisms within each MEC cell. For this reason, the electron donor in the MEC cell, e.g. hydrogen (reducing power), is often not used or is used inefficiently, resulting in low methane production and unused This results in a substantial amount of hydrogen being contained.

更なる問題は、システムへの入力ガスの導入によって引き起こされる微生物/菌株の物理化学的条件の変化に関連する。先行技術のMECスタックは、存在する菌株のための物理化学的条件の勾配を経験し、それにより微生物の代謝または例えばメタン生成に最適な条件を提供しないスタック内の領域をもたらし、その結果、そのようなMECスタックの理論的に計算された最大出力と比較して、CO2およびH2のメタンへの変換が明らかに減少する。 A further problem relates to changes in the physicochemical conditions of the microorganisms/strains caused by the introduction of input gases into the system. Prior art MEC stacks experience gradients of physicochemical conditions for the bacterial strains present, resulting in regions within the stack that do not provide optimal conditions for microbial metabolism or e.g. methane production, resulting in Compared to the theoretically calculated maximum output of such an MEC stack, the conversion of CO2 and H2 to methane is clearly reduced.

本発明の目的は、先行技術の非効率に関する問題を少なくとも部分的に解決または改善する、MECスタック全体で最適化されたメタン生成プロセスを実行するための方法およびシステムを提供することである。 It is an object of the present invention to provide a method and system for carrying out an optimized methane production process across the MEC stack that at least partially solves or ameliorates the inefficiency problems of the prior art.

このような方法およびシステムは、MECを用いたバイオ電気化学的メタン生成に関する独立請求項によって規定される。従属請求項は、方法およびシステムの両方の実施形態をそれぞれ特定する。 Such a method and system is defined by the independent claim relating to bioelectrochemical methane production using MEC. The dependent claims each specify embodiments of both a method and a system.

すなわち、少なくとも2のMECセルを含む微生物電解セル(MEC)スタック内のプロセスにおけるガス勾配を調整する方法が提供される。この方法は、
a.測定するステップであって、
i.水素生成速度を決定するために、MECセルおよび/またはMECスタックの電流および電圧、
ii.任意選択的に、カソライト回路中のカソライトのpH値、および/または
iii.任意選択的に、カソライトの酸化還元電位、および/または
iv.任意選択的に、カソライトの温度を測定するステップと、
b.ステップa)で評価した情報に基づいて、1または複数のガス入力点の入力ガス量を決定するステップと、
c.1または複数のガス入力点を介して、決定した入力ガス量を供給し、それによりMECスタックにおける効率的なメタン生成のための体積要件を調整するステップと、
d.任意選択的に、MECスタックでの効率的なメタン生成のための物理化学的条件、例えばpH値および/または温度および/またはカソライトの酸化電位を調整するステップと、
e.MECスタックのMECセルの後に配置された1または複数の脱ガス要素を介してMECスタックを脱ガスするステップとを備える。
That is, a method is provided for adjusting gas gradients in a process within a microbial electrolysis cell (MEC) stack that includes at least two MEC cells. This method is
a. a step of measuring,
i. MEC cell and/or MEC stack current and voltage, to determine the hydrogen production rate;
ii. Optionally, the pH value of the catholyte in the catholyte circuit, and/or iii. optionally, the redox potential of the catholyte, and/or iv. Optionally, measuring the temperature of the catholyte;
b. determining an input gas amount for one or more gas input points based on the information evaluated in step a);
c. supplying the determined input gas amount via one or more gas input points, thereby adjusting volume requirements for efficient methane production in the MEC stack;
d. Optionally, adjusting the physicochemical conditions for efficient methane production in the MEC stack, such as the pH value and/or temperature and/or the oxidation potential of the catholyte;
e. degassing the MEC stack via one or more degassing elements disposed after the MEC cells of the MEC stack.

本方法は、存在する微生物に対して改善された反応条件を提供し、MECスタック全体を通してバイオ電気化学的メタン生成プロセスのメタン生成の効率を改善する。 The method provides improved reaction conditions for the microorganisms present and improves the efficiency of methane production of the bioelectrochemical methane production process throughout the MEC stack.

本発明において、「ガス勾配」という用語は、個々のMECだけでなく、MECスタック内の相互接続されたMECの一定の容積を占めるガスの可変量または質量として理解されるべきである。さらに、「ガス勾配」は気相組成の勾配を指している。そのような勾配は、カソライトの圧力および温度の物理的パラメータだけでなく、微生物の代謝や反応物の利用可能性などの生物学的パラメータにも依存し、それらによって変動する。 In the present invention, the term "gas gradient" is to be understood as a variable amount or mass of gas occupying a certain volume of interconnected MECs in an MEC stack, as well as individual MECs. Furthermore, "gas gradient" refers to a gradient in gas phase composition. Such gradients depend on and vary not only on the physical parameters of catholyte pressure and temperature, but also on biological parameters such as microbial metabolism and reactant availability.

本発明のMECスタックは、少なくとも2のMECセルを含むが、2に限定されるものではない。3、4、5、6、7、8、9、10またはそれ以上のMECセルを有するMECスタックも想定される。MECスタックの少なくとも2のMECセルは、MECセルのカソードコンパートメントを通過するカソライト回路を共有する。カソライトは、入力ガスも含む増殖培地が微生物(菌株)に供給される流体、および/または反応中にMECセル内で生成されるガスが輸送される流体である。 The MEC stack of the present invention includes at least two MEC cells, but is not limited to two. MEC stacks with 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more MEC cells are also envisioned. At least two MEC cells of the MEC stack share a catholyte circuit that passes through the cathode compartment of the MEC cells. The catholyte is the fluid in which the growth medium, which also contains the input gases, is supplied to the microorganisms (strains) and/or in which the gases produced within the MEC cell are transported during the reaction.

本方法によれば、第1のステップは電流およびセル電圧を測定することを含む。本発明によれば、水素生成速度を決定するためのMECセルおよび/またはMECスタックの電流および電圧は、HPR=CE×e-1×N -1×Iに基づいて、mol/秒で測定される。ここで、HPRは水素生成速度、CEはクーロン効率、eは素電荷、Nはアボガドロ数、Iは電流を示している。クーロン効率は、生成物(すなわち、水素)中の電子数と移動した電子の総数の比(電流×時間/e)で与えられ、MECの動作電圧範囲におけるMECの水素質量バランスに基づいて実験的に特定される必要がある。 According to the method, the first step includes measuring current and cell voltage. According to the present invention, the current and voltage of the MEC cell and/or MEC stack for determining the hydrogen production rate is measured in mol/sec based on HPR=CE×e −1 ×N A −1 ×I be done. Here, HPR is hydrogen production rate, CE is Coulombic efficiency, e is elementary charge, NA is Avogadro's number, and I is current. Coulombic efficiency is given by the ratio of the number of electrons in the product (i.e., hydrogen) to the total number of electrons transferred (current x time/e), and is calculated experimentally based on the MEC's hydrogen mass balance over the MEC's operating voltage range. need to be specified.

追加的および/または代替的には、カソードコンパートメント内の水素濃度は、溶存水素センサによって測定することができる。溶存水素センサの配置、すなわち、MECセルまたはスタックの前および/または後および/または内部への配置は、水素生成速度を決定するための生成プロセスの調整にとって重要である。 Additionally and/or alternatively, the hydrogen concentration within the cathode compartment can be measured by a dissolved hydrogen sensor. The placement of the dissolved hydrogen sensor, ie, before and/or after and/or within the MEC cell or stack, is important for tuning the production process to determine the hydrogen production rate.

このカソードコンパートメント内の水素濃度の測定と、更なる実施形態においては、カソライトのpH値、カソライトの酸化還元電位、および/またはカソライトの温度の任意選択的な測定はすべて、MEC内の反応条件を決定することを可能にし、よってMECスタック内のMECの反応プロセスおよびその結果としての生成能力を調整、改善および予測することを可能にする。 This measurement of the hydrogen concentration in the cathode compartment and, in a further embodiment, the optional measurement of the catholyte pH value, the catholyte redox potential, and/or the catholyte temperature all control the reaction conditions within the MEC. The reaction process of the MEC within the MEC stack and the resulting production capacity can thus be adjusted, improved and predicted.

いくつかの実施形態によれば、MEC中のメタン生成微生物は水素とCO2をメタンに変換する。単一のMECセルのメタンの生成速度は、メタン生成微生物に供給される水素とCO2の比率、および菌株/微生物に提供される物理化学的条件に依存する。 According to some embodiments, methanogenic microorganisms in the MEC convert hydrogen and CO2 to methane. The rate of methane production in a single MEC cell depends on the hydrogen to CO2 ratio supplied to the methanogenic microorganism and the physicochemical conditions provided to the strain/microorganism.

理論的には、メタン生成微生物が4部の水素と1部のCO2を利用できるときに、それらによって実質的に最適なメタン生成が達成される。理想的な条件下では、これにより、本発明によるエダクトからメタンへの転化率が実質的に100%になる。転化率は、MEC内の物理化学的条件に依存する生体触媒の活性によって決定される。したがって、最適化された転化率を達成するために、菌株にとって実質的に最適な条件を保証することが主な目的である。 Theoretically, substantially optimal methane production is achieved by methanogenic microorganisms when 4 parts hydrogen and 1 part CO2 are available to them. Under ideal conditions, this results in essentially 100% conversion of starting material to methane according to the present invention. The conversion rate is determined by the activity of the biocatalyst which depends on the physicochemical conditions within the MEC. Therefore, the main objective is to ensure substantially optimal conditions for the strain in order to achieve an optimized conversion rate.

本発明によれば、それら条件を制御する非常に効果的な方法の一つは、MEC内で生じる(例えば、生成される)水素の量、よって更なる反応に利用可能な水素の量を監視および測定することである。そのような測定は、上述したように、1または複数のMECのカソードコンパートメントにおける電流および/または電圧を測定することによって最も効果的に達成される。 According to the present invention, one very effective way to control these conditions is to monitor the amount of hydrogen occurring (e.g., produced) within the MEC and thus available for further reactions. and to measure. Such measurements are most effectively accomplished by measuring current and/or voltage in the cathode compartment of one or more MECs, as described above.

測定した電流および/または電圧に応じて、MECセルで生成される水素の理論量が計算され、それに対応する量のCO2が提供され、それにより、ほぼ実質的に最適な反応条件および転化率が達成される。 Depending on the measured current and/or voltage, the theoretical amount of hydrogen produced in the MEC cell is calculated and a corresponding amount of CO2 is provided, thereby providing almost substantially optimal reaction conditions and conversion. achieved.

菌株の物理化学的条件に影響を与える更なる要因は、カソライトのpH値および酸化還元電位である。本発明の方法によれば、それらの追加的な測定も、カソライト中の菌株の物理化学的条件を調節および改善するのに有用である。 Further factors influencing the physicochemical conditions of the strain are the pH value and redox potential of the catholyte. According to the method of the invention, those additional measurements are also useful for regulating and improving the physicochemical conditions of the bacterial strain in the catholyte.

カソライトは、好ましくは6~9のpH値、特に7.5~8.5のpH値、特に約8のpH値を有するべきである。pH値がそれよりも高いまたは低いと、メタン生成の背後にある最適な成長と代謝機能が阻害される。このため、適切なバランスは、本方法の任意のpH測定によって補助される。pH測定システムは、市販のpHセンサであってもよい。 The catholyte should preferably have a pH value of 6 to 9, especially a pH value of 7.5 to 8.5, especially a pH value of about 8. Higher or lower pH values inhibit optimal growth and metabolic function behind methane production. For this reason, proper balance is assisted by the optional pH measurement of the method. The pH measurement system may be a commercially available pH sensor.

カソライトなどの水溶液の酸化還元電位(ORP)は、溶液が電子を獲得または失う傾向を決定する。MECセルでは、アノードとカソードの間に電位差を与えるために電力が使用される。アノードでは、水が電気化学的にプロトン、電子、酸素に分解される。カソードでは、電子が還元力として使用され、例えばH2が電子キャリアとして、電子受容体、例えばCO2がCH4に還元される。ORP測定システムは、市販のORPセンサであってもよい。 The redox potential (ORP) of an aqueous solution, such as a catholyte, determines the tendency of the solution to gain or lose electrons. In MEC cells, power is used to provide a potential difference between the anode and cathode. At the anode, water is electrochemically split into protons, electrons, and oxygen. At the cathode, electrons are used as a reducing force, e.g. H2 as an electron carrier, and an electron acceptor, e.g. CO2, is reduced to CH4. The ORP measurement system may be a commercially available ORP sensor.

pH測定システムおよびORP測定システムは、カソライト回路上に配置される。これらの測定システムは、例えば脱ガス要素に包含させることができる。したがって、カソライトの測定は、カソライトが脱気された後に行われる。 A pH measurement system and an ORP measurement system are placed on the catholyte circuit. These measuring systems can be included in the degassing element, for example. Therefore, catholyte measurements are performed after the catholyte has been degassed.

ORPを規定値、好ましくは約-100mV以下に維持することが、水素の最適な生成、ひいてはメタンの最適な生成に重要である。 Maintaining the ORP below a specified value, preferably about −100 mV, is important for optimal production of hydrogen, and thus methane.

また、カソライトの温度を測定および調整することは、菌株の環境を改善して転化率を向上させるのに役立つ。MECセルのカソード側は熱を発生し、カソライトを温める。通常は、カソードコンパートメントから流出するカソライトは、MECセル内の微生物や後続のMECセル内の微生物にとって温度が高過ぎるため、CO2とH2を効率的にメタンに変換することができない。したがって、カソライト温度の上昇による悪影響により、MECスタックのサイズが否定的に制限される。 Also, measuring and adjusting the temperature of the catholyte helps to improve the environment of the strain and improve the conversion rate. The cathode side of the MEC cell generates heat, warming the catholyte. Typically, the catholyte exiting the cathode compartment is too hot for the microorganisms in the MEC cell and subsequent MEC cells to efficiently convert CO2 and H2 to methane. Therefore, the adverse effect of increased catholyte temperature negatively limits the size of the MEC stack.

上述したように、ステップa.で測定したすべての可能性のある物理化学的条件は、MECセルまたはMECスタック全体のメタン生成反応に単独および/または共同で影響を及ぼす。したがって、MECスタックで生成されるメタンを含むガスの量および質は、個々のMECセル内の条件およびカソライトの特性に少なくとも部分的に依存する。 As mentioned above, step a. All possible physicochemical conditions measured in the MEC cell or MEC stack as a whole influence the methanogenesis reaction singly and/or jointly. The quantity and quality of methane-containing gas produced in a MEC stack therefore depends, at least in part, on the conditions within the individual MEC cells and the properties of the catholyte.

本発明に係る方法の次のステップは、ステップa)において評価した情報に基づいて、少なくとも1のガス入力点においての入力ガス量を決定することを含む。 The next step of the method according to the invention comprises determining the amount of input gas at at least one gas input point on the basis of the information evaluated in step a).

特に、入力ガス量は、MECスタックのMECセルで生成される水素の量に応じて、例えば、水素とCO2の比率が菌株に最適になるように、有利には調整されるべきである。 In particular, the input gas amount should advantageously be adjusted depending on the amount of hydrogen produced in the MEC cells of the MEC stack, eg so that the ratio of hydrogen to CO2 is optimal for the strain.

システム、特にカソライトに入力ガスを供給することは、カソライトのpH値、ORPおよび温度に影響を与え、よってカソードコンパートメント内の菌株の物理化学的条件にも影響を与える。 Supplying the input gas to the system, particularly the catholyte, influences the pH value, ORP and temperature of the catholyte, and thus also the physicochemical conditions of the bacterial strain in the cathode compartment.

このため、ステップa)で収集した情報に基づいて、システムで好ましくは必要とされる入力ガスの全体量が決定され、システムのバランスをとるために必要な入力ガスの相対量が計算され得る。特に、どれくらいの量の入力ガスがシステムに供給されるべきか、任意選択的には、システムの1または複数のガス入口に供給されるべきかが決定される。 Therefore, based on the information collected in step a), the overall amount of input gas preferably required by the system can be determined and the relative amount of input gas required to balance the system can be calculated. In particular, it is determined how much input gas is to be supplied to the system and optionally to one or more gas inlets of the system.

したがって、本方法の次のステップは、決定した入力ガス量を、少なくとも1のガス入力点、任意選択的には少なくとも2以上のガス入力点を介して供給することを含み、それによってMECにおける効率的なメタン生成のための体積要件を調整する。さらに、いくつかの実施形態では、決定した入力ガス量の供給は、カソライトのpH値および/または温度および/または酸化電位の調整にも使用され、それによりメタン生成のための反応条件が改善される。 Accordingly, the next step of the method comprises supplying the determined amount of input gas through at least one gas input point, optionally at least two or more gas input points, thereby increasing efficiency in the MEC. Adjust the volume requirements for organic methane production. Furthermore, in some embodiments, the supply of the determined input gas amount is also used to adjust the pH value and/or temperature and/or oxidation potential of the catholyte, thereby improving the reaction conditions for methane production. Ru.

少なくとも1または複数のガス入口に必要な入力ガスを決定して、少なくとも1または複数のガス入口から入力ガスを供給することは、特に有利であり、予期せぬ相乗効果をもたらすことが証明されている。 Determining the required input gas for at least one or more gas inlets and supplying the input gas from at least one or more gas inlets has proven to be particularly advantageous and to provide unexpected synergistic effects. There is.

例示的な目的のために、例えば2以上のガス入口で入力ガスを供給することを含む本発明の方法は、CH4の効率的な量をもたらし、また、必要な全体的エネルギー入力を実質的に低減し、特に水素の生成およびMECスタックの冷却を含む最適動作のために必要とされる電圧および/または電流を低減し、それでもなお、先行する公知のバイオ電気化学的メタン化設備と比較して、明らかに効率的なメタン生成をもたらすことができる。 For exemplary purposes, methods of the invention, including, for example, supplying an input gas at two or more gas inlets, provide an efficient amount of CH4 and also substantially reduce the overall energy input required. reducing the voltage and/or current required for optimal operation, including in particular hydrogen production and cooling of the MEC stack, yet still compared to prior known bioelectrochemical methanation equipment. , can result in apparently efficient methane production.

さらに、本明細書では「活性電極表面領域」または単に「活性領域」とも呼ばれる、MECセルの電極液体界面領域(面積)が増加することも利点である。入力ガスが広範囲に分布することにより、個々のMECセルは平均して入力ガスが少なくなり、それによりガス勾配が低くなると同時に、液相の量が多くなり、よって活性領域が増加する。 Additionally, it is also advantageous to increase the electrode-liquid interfacial area (area) of the MEC cell, also referred to herein as "active electrode surface area" or simply "active area." Due to the wide distribution of input gas, individual MEC cells receive on average less input gas, thereby lowering the gas gradient, while at the same time increasing the amount of liquid phase and thus increasing the active area.

活性領域を増加させることで、MECスタックのMECセルに予め規定された電流を流すのに必要なスタック電圧がより少なくなるか、または、予め規定された電圧でのMECスタックを介したH2生成量の増加とともに、より高い電流を達成することができる。このため、MECスタックの全体的なエネルギー消費は、効率を損なうことなく、大幅に削減される。 By increasing the active area, less stack voltage is required to drive a predefined current through the MEC cells of the MEC stack, or the amount of H2 produced through the MEC stack at a predefined voltage is reduced. With the increase of , higher currents can be achieved. Therefore, the overall energy consumption of the MEC stack is significantly reduced without compromising efficiency.

この電力消費の改善は、MECスタックに2つのガス入口が存在することで既に達成することができ、MECスタックにより多くのガス入口、例えば各MECセルの前に1つのガス入口を追加すると増加する。よって、本方法によれば、メタン生成反応プロセスをより少ない電力で達成することができ、環境への影響を最小限に抑えることができる。このため、本方法により、より効率的なメタン生成とより少ない電力消費を達成することができ、より小型のMECセルを構築して使用することができる。 This power consumption improvement can already be achieved with the presence of two gas inlets in the MEC stack and increases by adding more gas inlets to the MEC stack, e.g. one gas inlet before each MEC cell. . Therefore, according to the present method, the methane production reaction process can be achieved with less electric power, and the impact on the environment can be minimized. Therefore, the method can achieve more efficient methane production and lower power consumption, allowing smaller MEC cells to be constructed and used.

入力ガスのために1または複数のガス入口、例えば2以上のガス入口を使用すると、入力ガスがカソライトに与える影響が分散されるという利点がある。例えば、CO2の局所的な導入によるカソライトのpHへの影響は、pH値の低下である。先行技術で行われているように、単一のガス入口から入力ガスを投入すると、カソライトでのバイオメタン化反応をサポートするために好ましくないpH値が確立される。そのため、そのようなガス入口の後に位置するMECセルは、物理化学的条件に乱れを生じ、それが転化率に悪影響を及ぼす。 The use of one or more gas inlets, for example two or more gas inlets, for the input gas has the advantage that the influence of the input gas on the catholyte is distributed. For example, the effect of local introduction of CO2 on the pH of the catholyte is a decrease in the pH value. Injecting the input gas through a single gas inlet, as done in the prior art, establishes an unfavorable pH value to support the biomethanation reaction at the catholyte. Therefore, the MEC cell located after such a gas inlet will experience disturbances in the physicochemical conditions, which will adversely affect the conversion rate.

その代わりに、MECスタックの様々な位置にある複数のガス入口からガスを注入すると、ガスがより均一に分布し、カソライトのpHに対する入力ガスの局所的な影響が軽減される。その結果、菌株にとってより良い状態が形成され、それにより転化率が向上する。 Instead, injecting the gas through multiple gas inlets at different locations in the MEC stack provides a more uniform distribution of the gas and reduces the local influence of the input gas on the pH of the catholyte. As a result, better conditions are created for the strain, thereby increasing the conversion rate.

同様の概念は、当然のことながら、温度の調節にも当てはまる。供給ガス温度は通常、生物学的メタン化反応に最適な温度から外れている。(先行技術で行われているように)1つの入口から一度にガスを投入すると、カソライトの温度に勾配が生じ、最初のMECセル(例えば、より低温のカソライトを受け入れるセル)が非効率的な反応を示す。 Similar concepts naturally apply to regulating temperature. The feed gas temperature is typically outside the optimum temperature for biological methanation reactions. Injecting gas through one inlet at a time (as is done in the prior art) creates a gradient in the temperature of the catholyte, causing the first MEC cell (e.g., the cell that receives the cooler catholyte) to become inefficient. Show reaction.

この場合も、複数の入口(例えば、少なくとも2の入口)から入力ガスを注入することで、より均一な温度分布が得られる。そのため、2以上の入口のうちの1つの直後にMECセルに循環するカソライトの温度は、先行技術よりも、最適条件からの逸脱が少なくなり、反応がより効率的になる。また、外部熱発生器および/または冷却要素の必要性も最小限に抑えられるため、製造コストを最小化すると同時に、環境に対してより肯定的な効果をもたらすことができる。 Again, injecting the input gas through multiple inlets (eg, at least two inlets) provides a more uniform temperature distribution. Therefore, the temperature of the catholyte circulated into the MEC cell immediately after one of the two or more inlets deviates less from the optimum conditions than in the prior art, making the reaction more efficient. The need for external heat generators and/or cooling elements is also minimized, thereby minimizing manufacturing costs while providing a more positive impact on the environment.

pH値および温度の測定および影響に関して述べたのと同様の効率的な利点が、ORPでも生じる。増殖培地中の低い酸化還元電位(ORP)は、メタン生成にとって重要であると考えられている。このパラメータは、Na2Sなどの化学還元剤の添加によって制御することができる。CO2の量とそのpHへの影響により、Na2SがH2Sとして剥離しやすくなり、その結果、濃度が低下する可能性がある。この事実により、好ましくない条件までORPが上昇するであろう。培養条件は、酸化還元電位を約-100mV以下に適切に維持すべきである。 Efficiency advantages similar to those mentioned regarding the measurement and influence of pH values and temperature occur with ORP. Low redox potential (ORP) in the growth medium is believed to be important for methane production. This parameter can be controlled by the addition of chemical reducing agents such as Na2S. The amount of CO2 and its effect on pH may make it easier for Na2S to be stripped off as H2S, resulting in a decrease in concentration. This fact will increase the ORP to unfavorable conditions. Culture conditions should suitably maintain the redox potential below about -100 mV.

菌株(例えば、メタン生成微生物)にとって実質的に最適な環境を作り出すことにより、メタン転化率がより高くなる。したがって、本方法によれば、より多くのメタンを生成することができ、その生成がより効率的となる。 By creating a substantially optimal environment for bacterial strains (eg, methanogenic microorganisms), higher methane conversion rates are achieved. Therefore, according to the present method, more methane can be produced and the production is more efficient.

本方法で複数のガス入口を使用することの更なる利点は、そのような最適化法で使用できるMECセルのサイズが小さくなることである。 A further advantage of using multiple gas inlets in the present method is that the size of the MEC cell that can be used in such an optimization method is reduced.

先行技術では、入力ガスが、増殖培地とともに、MECスタック内で接続されたすべてのMECセルを通って流れる。これは、メタン化反応のためのすべてのMECセルの要求を満たすのに十分な入力ガスを最初のMECセルに供給する必要があることを意味する。このため、MECセルは必要以上に大きくなる。 In the prior art, the input gas flows through all connected MEC cells in the MEC stack along with the growth medium. This means that sufficient input gas needs to be supplied to the first MEC cell to meet the demands of all MEC cells for the methanation reaction. Therefore, the MEC cell becomes larger than necessary.

先行技術のMECセルのサイズにおける条件に関する実現可能な境界のために、適切な反応条件を損なうことなく、MECスタック全体の実質的に最適な反応のためのガス量を可能にする必要な量の入力ガスを供給することができない。これらすべてにより、MECスタック内のメタン生成反応に関する生成効率の低下が生じ、潜在的な能力を完全に使い切ることができない。 Due to the feasible boundaries on the conditions in the size of prior art MEC cells, the required amount of gas to allow a substantially optimal reaction of the entire MEC stack without compromising proper reaction conditions. Unable to supply input gas. All of this results in a reduction in production efficiency for the methanogenic reactions within the MEC stack, which prevents full utilization of the potential.

バイオ電気化学的メタン生成プロセスにおけるガス勾配を調節する本発明および本方法により、そのような問題が克服され、最小限に抑えられる。特に、全体としてより多くの入力ガスをシステムに供給することが可能になり、その結果、メタン化プロセスに関与する反応がより効率的になり、メタンの生成速度が向上する。 The present invention and method of regulating gas gradients in bioelectrochemical methanogenesis processes overcome and minimize such problems. In particular, it is possible to feed more input gas into the system overall, so that the reactions involved in the methanation process are more efficient and the rate of methane production is increased.

本方法の最後のステップは、MECスタックのMECセルの後に配置された少なくとも1の脱ガス要素を通してMECスタックを脱ガスすることを含む。このステップでは、少なくともMECスタックの最後のセルで、出力ガスの第1の部分である第1のガスが抜かれる。第1のガスは、例えばメタンであり得るが、これに限定されるものではない。また、個々のMECセルの反応中に生成される様々なプロセスガスの組合せとすることもできる。カソライトの脱ガスは、例えば、最後のMECセルの後に位置するカソライトリザーバで行うものであってもよい。 The final step of the method includes degassing the MEC stack through at least one degassing element positioned after the MEC cells of the MEC stack. In this step, at least the last cell of the MEC stack is vented with a first gas, a first portion of the output gas. The first gas may be, for example, methane, but is not limited thereto. It can also be a combination of various process gases produced during the reactions of individual MEC cells. Catholyte degassing may take place, for example, in a catholyte reservoir located after the last MEC cell.

本方法によれば、図3にも見られるように、リソースがより効率的かつ実質的に完全に使用されるため、ガス生成(例えば、メタン生成)のエネルギー効率が向上する。これにより、本方法およびシステムは、リソースの有効利用を通じて生成コストを最小限に抑え、また、生成プロセスのより良い制御および調節を可能にすることにより、生成されたガス(例えば、メタン)の品質を向上させることができる。 The method improves the energy efficiency of gas production (eg, methane production) because resources are used more efficiently and substantially completely, as can also be seen in FIG. Thereby, the present method and system minimize the production costs through efficient utilization of resources and also improve the quality of the produced gas (e.g. methane) by allowing better control and regulation of the production process. can be improved.

一実施形態によれば、ステップa)、すなわちカソライトの様々なパラメータの少なくとも1の測定は、上述したように、MECスタックの少なくとも2のMECセルにおける水素生成量を測定および/または計算することを含む。これは、例えば、それぞれのカソードコンパートメントにおける電流を測定することによって行うことができる。 According to one embodiment, step a), i.e. measuring at least one of the various parameters of the catholyte, comprises measuring and/or calculating the hydrogen production in at least two MEC cells of the MEC stack, as described above. include. This can be done, for example, by measuring the current in each cathode compartment.

上述したように、生成される水素の量に関する知識は、理想的な反応効率を達成するためにカソライトに供給する必要がある入力ガス(例えば、CO2)の実質的に最適な量を決定するのに役立つ。測定は、例えば、最初と最後のMECセル、最初と中間のMECセル、または任意の2以上の異なるMECセルで行うことができる。さらに、電流に基づいて計算することもできる。 As mentioned above, knowledge of the amount of hydrogen produced helps determine the virtually optimal amount of input gas (e.g., CO2) that needs to be fed to the catholyte to achieve the ideal reaction efficiency. useful for. Measurements can be performed, for example, at the first and last MEC cells, at the first and intermediate MEC cells, or at any two or more different MEC cells. Furthermore, it can also be calculated based on current.

また、すべてのMECセルの水素生成量の測定および/または計算は意図されており、本出願に包含される。前述したように、本発明によれば、よりエネルギー効率の高いプロセスが得られ、これは、MECセルでのより高い電流が可能になるか、またはスタック電圧を下げることができることを意味する。したがって、与えられた電気エネルギーの投入により、より多くの水素を製造することができる。このデータに基づくCO2の目標追加量により、より多くのメタンを生成することもできる。特に、電圧を介して電流を制御することで、MECセルおよび/またはMECスタックにおける水素生成を調整することができる。このため、生成される水素の量を設定することができ、本発明によれば、水素の量に基づいてCO2の目標追加を行うことができるため、MECスタックの効率を高めることができる。 Also, measurements and/or calculations of hydrogen production for all MEC cells are contemplated and included in this application. As mentioned above, the present invention provides a more energy efficient process, which means higher currents in the MEC cells are possible or the stack voltage can be lowered. Therefore, more hydrogen can be produced with a given input of electrical energy. The targeted addition of CO2 based on this data also allows for the production of more methane. In particular, by controlling the current via the voltage, hydrogen production in the MEC cell and/or the MEC stack can be regulated. Therefore, the amount of hydrogen to be generated can be set, and according to the present invention, target addition of CO2 can be performed based on the amount of hydrogen, so the efficiency of the MEC stack can be increased.

本方法の更なる実施形態によれば、ステップa)は、2以上のガス入力点の前および/または後に配置されたpH測定システムを通じてカソライトのpH値を追加的に測定することを含む。 According to a further embodiment of the method, step a) comprises additionally measuring the pH value of the catholyte through a pH measuring system placed before and/or after the two or more gas input points.

pH測定システムがガス入力点の前に配置されている場合、例えば必要な入力ガス量を決定するのに適している。測定システムは、例えば、カソライトリザーバ内に配置するか、ガス入口の直前のカソライト回路上に直接配置することができる。 If the pH measuring system is arranged before the gas input point, it is suitable for example to determine the required input gas amount. The measurement system can be placed, for example, in the catholyte reservoir or directly on the catholyte circuit just before the gas inlet.

pH測定システムがガス入口の後にある場合、入力ガスがカソライトのpH値に与える影響を確認することも有用である。これは、別のガス入口から供給される入力ガス量を決定するために使用される可能性があり、かつ/またはpH測定システムの前にガス入口から供給される入力ガスの量が、実際に、カソライトのpH値に対して期待された影響を確実に与えるようにするための制御機構として機能する可能性がある。 If the pH measurement system is after the gas inlet, it is also useful to check the effect of the input gas on the pH value of the catholyte. This may be used to determine the amount of input gas delivered from another gas inlet and/or whether the amount of input gas delivered from the gas inlet before the pH measurement system is actually , may act as a control mechanism to ensure the expected influence on the pH value of the catholyte.

また、位置の組合せも本願に包含される。pH測定デバイスは、いくつかのガス入口の前、および/または他のガス入口の後に配置することができる。また、pH測定システムは、あるガス入口の前後、または各ガス入口の前後も想定される。 Combinations of positions are also encompassed by this application. The pH measuring device can be placed before some gas inlets and/or after other gas inlets. Further, the pH measurement system is also envisioned before and after a certain gas inlet, or before and after each gas inlet.

このため、それらは、カソライトの物理化学的条件を制御および/または調節し、微生物または菌株の増殖条件を安定化および改善するための機構である。 They are therefore mechanisms for controlling and/or regulating the physicochemical conditions of the catholyte and for stabilizing and improving the growth conditions of microorganisms or fungal strains.

更なる実施形態によれば、本方法は、更なる脱ガス要素を用いてMECスタックをさらに脱気するステップを含む。更なる脱ガス要素は、例えば、MECのスタックの個々のMECセルでの生成直後に出力ガス(例えば、メタン)の脱ガス効果を有するように、いくつかのMECセルまたはすべてのMECセルの後に配置され得る。 According to a further embodiment, the method includes further degassing the MEC stack using a further degassing element. A further degassing element can be added, for example after some MEC cells or all MEC cells, so as to have the effect of degassing the output gas (e.g. methane) immediately after its generation in the individual MEC cells of the MEC stack. may be placed.

このようにして、生成ガスなどの一部のガスは、1または複数の位置でシステムから抽出される。MECスタックの複数の位置でガスを抽出することにより、それぞれのMECセルにおけるそれぞれのガスの必要貯蔵量の最小化が達成され、同時にそれぞれのMECにおける活性領域が増大する。 In this way, some gas, such as product gas, is extracted from the system at one or more locations. By extracting gases at multiple locations in the MEC stack, minimizing the storage requirements of each gas in each MEC cell is achieved while increasing the active area in each MEC.

例えば、生成されたメタンは、流体接続されたすべてのMECセルを通ってカソライトにより輸送される代わりに、各MECセルから脱気される。そのため、MECセルは、先行するMECセルによって生成されたメタンを保持するための追加の容積を必要としない。したがって、MECセルをより小さくすることができ、または、追加の容積を、例えば水素および/または二酸化炭素のメタンへの追加の変換のためにより効率的に使用することができる。これにより、生成効率が大幅に向上する。 For example, the produced methane is degassed from each MEC cell instead of being transported by the catholyte through all fluidly connected MEC cells. Therefore, the MEC cell does not require additional volume to hold the methane produced by the preceding MEC cell. Therefore, the MEC cell can be made smaller, or the additional volume can be used more efficiently, for example, for additional conversion of hydrogen and/or carbon dioxide to methane. This greatly improves production efficiency.

このため、菌株にとって実質的に最適な増殖および/またはメタン化条件を作り出すように、条件をさらに安定化させ、カソライトを調節するために、脱ガスを使用することができる。 Therefore, degassing can be used to further stabilize conditions and adjust the catholyte to create substantially optimal growth and/or methanation conditions for the strain.

さらに、様々な位置でMECスタックを脱気することも、菌株のための物理化学的条件に影響を及ぼす。MECスタックを脱気することにより、pH値、温度および/またはORPが、ガスの排出を通じて影響を受け、その結果、菌株に対する条件の改善または最適化が達成され得る。 Additionally, degassing the MEC stack at various locations also affects the physicochemical conditions for the strain. By degassing the MEC stack, the pH value, temperature and/or ORP can be influenced through the evacuation of gases, so that an improvement or optimization of the conditions for the bacterial strain can be achieved.

したがって、ガス勾配を調節する本方法は、カソライトの物理化学的条件、ひいてはMECスタックの各MECセルにおけるメタン化反応の制御および調整を最大化する。このため、メタン生成効率に関連する微生物のための物理化学的条件における多くの自由度は、1または複数のガス入口および1または複数の脱ガス要素の存在によって影響を受ける。 Therefore, the present method of adjusting gas gradients maximizes control and regulation of the physicochemical conditions of the catholyte and thus of the methanation reaction in each MEC cell of the MEC stack. For this reason, many degrees of freedom in the physicochemical conditions for the microorganisms related to methanogenic efficiency are influenced by the presence of one or more gas inlets and one or more degassing elements.

したがって、本方法およびその実施形態は、より効率的に、実質的に少ないエネルギーでメタンを生成する。 Accordingly, the present method and embodiments thereof produce methane more efficiently and with substantially less energy.

本発明によれば、バイオ電気化学的メタン生成プロセスにおけるガス勾配の調節を達成することができるシステムも提供される。 According to the invention, there is also provided a system that can achieve regulation of gas gradients in a bioelectrochemical methanogenesis process.

本発明の一態様によれば、バイオ電気化学的メタン生成プラントにおけるMECスタックが提供される。MECスタックは、少なくとも2のMECセルを備え、各MECセルが、カソードコンパートメントおよびアノードコンパートメントを備える。MECセルは並列または直列に流体接続され、MECスタックは、MECスタックの2以上のMECセルのカソードコンパートメントを接続する少なくとも1のカソライト回路を備える。本発明は、少なくとも1のカソライト回路内に2以上のガス入口が配置されていることを特徴とする。 According to one aspect of the invention, an MEC stack in a bioelectrochemical methane production plant is provided. The MEC stack comprises at least two MEC cells, each MEC cell comprising a cathode compartment and an anode compartment. The MEC cells are fluidically connected in parallel or series, and the MEC stack includes at least one catholyte circuit connecting cathode compartments of two or more MEC cells of the MEC stack. The invention is characterized in that two or more gas inlets are arranged in at least one catholyte circuit.

本出願によれば、バイオ電気化学的メタン生成プラントは、少なくとも1のMECスタックを使用してメタンを生成するプロセスが実施されるシステム、プラント、コンテナ、施設などである。 According to the present application, a bioelectrochemical methane production plant is a system, plant, container, facility, etc. in which a process for producing methane using at least one MEC stack is carried out.

前述したように、本発明に係るMECスタックは、流体接続された少なくとも2のMECセルを含む。各MECセルは、カソードコンパートメントおよびアノードコンパートメントを備える。MECセルは、互いに並列または直列に流体接続されている。 As mentioned above, the MEC stack according to the present invention includes at least two MEC cells that are fluidly connected. Each MEC cell includes a cathode compartment and an anode compartment. MEC cells are fluidly connected to each other in parallel or series.

本出願において、「MECの接続」について議論する場合、少なくとも1のカソライト回路を介した並列または直列の流体接続が意図される。本発明に係る2つのMECセル間の流体接続は、少なくとも1の流体(例えば、カソライトおよび/またはガス)が、接続されたMECセルを通過して到達することができるような接続である。流体の接続は、例えば導管を使用して達成することができる。 In this application, when discussing "MEC connections", parallel or series fluid connections via at least one catholyte circuit are intended. A fluidic connection between two MEC cells according to the invention is such that at least one fluid (eg catholyte and/or gas) can pass through and reach the connected MEC cells. Fluid connections can be achieved using, for example, conduits.

MECスタック内のMECセルも電気的に接続されているが、本発明は、明示的に述べられていない限り、電気的接続には言及しない。 Although the MEC cells in the MEC stack are also electrically connected, the present invention does not refer to electrical connections unless explicitly stated.

本発明によれば、MECスタックは、MECセルが専ら並列または直列に接続されることに限定されるものではない。また、MECセルの少なくとも2のグループが直列に接続されたスタックや、少なくとも2のグループが互いに並列に接続されたスタックも想定される。 According to the invention, the MEC stack is not limited to having MEC cells connected exclusively in parallel or in series. Further, a stack in which at least two groups of MEC cells are connected in series, and a stack in which at least two groups of MEC cells are connected in parallel are also envisioned.

本発明によれば、MECスタックは、MECスタックの2以上のMECセルのカソードコンパートメントを接続する少なくとも1のカソライト回路を備える。カソライト回路は、メタン生成微生物の維持と代謝活性に必要な増殖培地をカソライトを介して輸送する。カソライト回路は、カソライトと、例えばMECセルのカソードコンパートメントに供給される1または複数のガスとを含む。 According to the invention, the MEC stack comprises at least one catholyte circuit connecting the cathode compartments of two or more MEC cells of the MEC stack. The catholyte cycle transports the growth medium required for the maintenance and metabolic activity of methanogenic microorganisms through catholytes. A catholyte circuit includes a catholyte and one or more gases that are supplied to, for example, a cathode compartment of an MEC cell.

本発明によれば、MECスタックは少なくとも1のカソライト回路を含む。これは複数のカソライト回路、例えば、2、3、4、5、6、7またはそれ以上の回路を含むことができることを意味する。MECスタックのいくつかのMECセルは第1のカソライト回路によって流体接続され、MECスタックのいくつかのMECセルは第2のカソライト回路によって流体接続され得る。更なる実施形態によれば、第1および第2のカソライト回路も互いに流体接続され得る。 According to the invention, the MEC stack includes at least one catholyte circuit. This means that a plurality of catholyte circuits can be included, for example 2, 3, 4, 5, 6, 7 or more circuits. Some MEC cells of the MEC stack may be fluidly connected by a first catholyte circuit, and some MEC cells of the MEC stack may be fluidly connected by a second catholyte circuit. According to further embodiments, the first and second catholyte circuits may also be fluidly connected to each other.

いくつかの例によれば、各奇数「番号」(例えば、第1、第3、第5など)のMECセルは第1のカソライト回路によって接続され、すべての偶数番号(例えば、第2、第4、第6など)のMECセルは第2のカソライト回路によって接続され得る。本願では、他の組合せも考慮および想定される。 According to some examples, each odd "number" (e.g., 1st, 3rd, 5th, etc.) of MEC cells is connected by a first catholyte circuit, and every even numbered (e.g., 2nd, 5th, etc.) 4, 6, etc.) may be connected by a second catholyte circuit. Other combinations are also considered and envisioned in this application.

本発明によれば、MECスタック内のMECセルは概念的に配置され、各MECスタックが、第1および最後のMECセル、並びに、任意選択的に第2、第3および第4のMECセルなどを含むようになっている。 According to the invention, the MEC cells in the MEC stack are arranged conceptually such that each MEC stack includes the first and last MEC cells, and optionally the second, third and fourth MEC cells, etc. It is designed to include.

一実施形態によれば、MECスタックが、少なくとも1のカソライト回路内に配置された少なくとも2のガス入口を備える。本方法に関して上述したように、MECスタック内および/またはカソライト回路内の例えば2つの異なる位置で、システムに入力ガスを供給することが驚くほど有利であることが証明されている。 According to one embodiment, the MEC stack comprises at least two gas inlets arranged in at least one catholyte circuit. As mentioned above with respect to the present method, it has proven surprisingly advantageous to supply input gas to the system, for example at two different locations within the MEC stack and/or within the catholyte circuit.

入力ガスの体積を回路全体に分散させることにより、手元にあるMECセルのサイズおよび容積を効率的に使用し、個々のMECセルの活性領域を最大にし、それにより、電気化学的メタン化反応の効率を最大化する。 By distributing the input gas volume throughout the circuit, we efficiently use the size and volume of the MEC cells at hand, maximizing the active area of each individual MEC cell, thereby increasing the efficiency of the electrochemical methanation reaction. Maximize efficiency.

様々なセルにおける入力ガスの量を最小限に抑えて、MECセルの活性領域を最大化することにより、同じ電圧でより高い電流が生成され、かつ/または同じ電流を流すのに必要な電圧が低くなり、その結果、MECスタックの全体的な電力消費が、最小限に抑えられて、理論的な計算と比較して大幅に低減される。 By minimizing the amount of input gas in the various cells and maximizing the active area of the MEC cell, higher current is produced at the same voltage and/or the voltage required to carry the same current is reduced. As a result, the overall power consumption of the MEC stack is minimized and significantly reduced compared to theoretical calculations.

更なる利点は、pH値、カソライトの酸化還元電位および/またはカソライトの温度に関してカソライトをより適切に調節でき、それによってMECセル内の菌株のための物理化学的条件をより適切に調節できることである。 A further advantage is that the catholyte can be better regulated with respect to the pH value, the redox potential of the catholyte and/or the temperature of the catholyte, thereby better regulating the physicochemical conditions for the bacterial strain within the MEC cell. .

様々な位置からガスを供給することで、カソライトへの影響を分散させ、同時に単一のガス入力点付近でのばらつきを最小限に抑えることができる。菌株の条件が改善されることで、メタン生成微生物が(先行技術のように)単一の入口のみによるカソライトのpH値、温度および/またはORPのピーク上昇/下降に直面または妨害されることがなくなるため、MECセルにおけるメタン化反応の驚くほど高い効率が達成される。 By supplying gas from various locations, the effects on the catholyte can be distributed and at the same time variations around a single gas input point can be minimized. The strain conditions are improved so that the methanogenic microorganisms are not faced with or impeded by peak rises/falls in the pH value, temperature and/or ORP of the catholyte through only a single inlet (as in the prior art). As a result, a surprisingly high efficiency of the methanation reaction in the MEC cell is achieved.

更なる実施形態によれば、本発明に係る少なくとも2のガス入口をカソライト回路内の任意の段階に配置することができるが、少なくとも1のガス入口が最初のMECセルの前に配置されると有利であることが証明されている。 According to a further embodiment, at least two gas inlets according to the invention can be placed at any stage in the catholyte circuit, but if at least one gas inlet is placed before the first MEC cell. It has been proven to be advantageous.

更なる実施形態によれば、2を超えるガス入口が使用される。そのような一実施形態によれば、ガス入口の少なくとも1つが、MECスタックの1または複数の個々のMECセルに配置される。更なる実施形態によれば、ガス入口が、例えば2つのMECセルごとに、それらの前に配置され得る。 According to further embodiments, more than two gas inlets are used. According to one such embodiment, at least one of the gas inlets is arranged in one or more individual MEC cells of the MEC stack. According to a further embodiment, a gas inlet may be arranged, for example every two MEC cells, in front of them.

このようにして、例えば、2つの後続のMECセルにおける実質的な最適反応に必要な量の入力ガスが、2つのMECセルのうちの最初のMECセルの前でカソライトに挿入される。2番目のMECセルの後、入力ガスはメタン化プロセスに完全に使用される。これは、MECセルのスタックの後続の2つのMECセルごとに繰り返すことができる。 In this way, for example, the amount of input gas required for a substantially optimal reaction in two subsequent MEC cells is inserted into the catholyte before the first of the two MEC cells. After the second MEC cell, the input gas is completely used for the methanation process. This can be repeated for every two subsequent MEC cells in the stack of MEC cells.

このため、各MECセルの前にガス入口を設けることも想定される。そのような実施形態では、各MECセルの前にカソライトに挿入されるガスが、単一のMECセルの実質的に最適な要件に対応する。これは、メタンへの変換のために、入力ガスをカソライトに、ひいてはMECセルに供給する効率的な方法である。このようにして、入力ガスの変換が効率的に調節され、カソライトへの影響が考慮されて効率的に制御され、バイオ触媒(例えば、菌株)の最適化された増殖およびメタン化条件により、メタン生成が増加する。これらすべては、先行技術のMECスタックよりも少ないエネルギー入力で達成される。 For this reason, it is also envisaged to provide a gas inlet before each MEC cell. In such embodiments, the gases inserted into the catholyte before each MEC cell correspond to substantially optimal requirements for a single MEC cell. This is an efficient way to feed input gas to the catholyte and thus to the MEC cell for conversion to methane. In this way, the conversion of the input gas is efficiently regulated, the effect on the catholyte is taken into account and efficiently controlled, and the optimized growth and methanation conditions of the biocatalyst (e.g. strain) ensure that the methane Generation increases. All this is achieved with less energy input than prior art MEC stacks.

更なる実施形態によれば、MECスタックは、1または複数の個々のMECセルのカソードコンパートメント内に少なくとも1のガス入口を備える。いくつかの実施形態では、カソードコンパートメントごとに2以上のガス入口を備えることができる。 According to a further embodiment, the MEC stack comprises at least one gas inlet in the cathode compartment of one or more individual MEC cells. In some embodiments, more than one gas inlet can be provided per cathode compartment.

この実施形態では、ガス入口がカソードコンパートメント内のカソライトに直接挿入される。そうすることで、カソライトの物理化学的条件に対する入力ガスの影響をより適切に制御することができるため、MECセルの効率をさらに調整することができる。 In this embodiment, the gas inlet is inserted directly into the catholyte within the cathode compartment. By doing so, the influence of the input gas on the physicochemical conditions of the catholyte can be better controlled, and thus the efficiency of the MEC cell can be further tuned.

更なる実施形態によれば、各ガス入口は、ガス源からのガス入力を選択的に調節するためのそれぞれの流量コントローラを備える。他の実施形態によれば、MECスタックにはいくつかの流量コントローラのみが配置される。 According to a further embodiment, each gas inlet comprises a respective flow controller for selectively regulating the gas input from the gas source. According to other embodiments, only some flow controllers are placed in the MEC stack.

流量制御は、例えばバルブなどである。流量制御は、上述した方法の測定から受信したデータ、またはMECスタックの様々な位置に配置されたセンサから直接受信したデータを評価し、各ガス入口を通過する入力ガスの量を調節するコンピュータ化された手段も包含することができる。 The flow rate control is, for example, a valve. Flow control is a computerized method that evaluates data received from measurements in the methods described above, or directly from sensors placed at various locations in the MEC stack, and adjusts the amount of input gas passing through each gas inlet. It is also possible to include means that are

本発明の更なる実施形態によれば、MECスタックが、MECスタックから少なくとも第1のガスを抽出するための少なくとも1の脱ガス要素を備え、少なくとも1の脱ガス要素のうちの少なくとも1つが、MECスタックの最後のMECセルの後に配置される。 According to a further embodiment of the invention, the MEC stack comprises at least one degassing element for extracting at least a first gas from the MEC stack, at least one of the at least one degassing element comprising: Placed after the last MEC cell in the MEC stack.

この脱ガス要素は、MECスタックから少なくとも第1のガスを抽出するために使用され、第1のガスは、触媒反応中にMECスタック内で生成される任意の生成ガス(例えば、メタンおよび/または水素)および/またはMECスタック内に既に存在する他の任意のガスであり得る。第1のガスの抽出後、カソライト回路を介してカソライトを再循環させることができる。 The degassing element is used to extract at least a first gas from the MEC stack, the first gas being any product gas produced within the MEC stack during the catalytic reaction (e.g., methane and/or hydrogen) and/or any other gas already present in the MEC stack. After extraction of the first gas, the catholyte can be recycled through the catholyte circuit.

MECスタックシステムにおいて少なくとも1の脱ガス要素を使用することは、MECスタックを効率的に管理および操作するための更なる方法である。少なくとも1の脱ガス要素、特に2または3以上の脱ガス要素を使用することにより、第1のガスを抽出すると同時に、新たな入力ガスのためのかつ/または追加の水素の変換およびより多くの水素生成のための容積空間をMECセル内に形成することができる。 Using at least one degassing element in a MEC stack system is a further method for efficiently managing and operating a MEC stack. By using at least one degassing element, in particular two or more degassing elements, the first gas can be extracted while at the same time converting additional hydrogen and/or for new input gas and/or more A volume space for hydrogen production can be created within the MEC cell.

脱ガス要素はさらに、菌株のための物理化学的条件の調整システムとして使用される。脱ガスは、カソライトのpH値、温度、ORPに影響を与え、ひいては菌株の状態に影響を与える。MECスタックをより多くの位置でガスを抜くことで、それら物理化学的条件をより適切に調整することができ、その結果、より優れたより効率的なメタン生成を達成することができる。 The degassing element is further used as a system for regulating the physicochemical conditions for the bacterial strain. Degassing affects the pH value, temperature, ORP of the catholyte, which in turn affects the condition of the strain. By venting the MEC stack at more locations, those physicochemical conditions can be better adjusted, resulting in better and more efficient methane production.

同様に、本方法に関して述べたように、複数のMECセル内の活性相が増加し、MECスタックの動作に必要なエネルギーが少なくなり、その結果、より環境に優しくなる。 Similarly, as described with respect to the present method, the active phase within the plurality of MEC cells is increased, and the MEC stack requires less energy to operate, thus becoming more environmentally friendly.

上述したように、更なる実施形態によれば、1または複数の脱ガス要素が、1または複数の他のMECセルの後に配置される。このようにして、本発明による第1のガスの一部と考えられる生成ガスおよび他のガスは、生成直後に抽出され、すべての異なるMECセルを通過して最後のMECセルで脱気される必要がなく、その結果、MECセルの活性表面も最大化することができる。したがって、効率的なメタン化反応および対応するメタン生成に必要なエネルギーがさらに少なくなる。 As mentioned above, according to further embodiments, one or more degassing elements are placed after one or more other MEC cells. In this way, the product gas and other gases, considered as part of the first gas according to the invention, are extracted immediately after production, passed through all the different MEC cells and degassed in the last MEC cell. The active surface of the MEC cell can also be maximized as a result. Therefore, even less energy is required for efficient methanation reactions and corresponding methane production.

更なる実施形態によれば、MECスタックは、pH測定システム、ORP測定システム、温度測定システム、および電流/電圧測定システムのなかから選択される少なくとも1のデバイスを備える。更なる実施形態によれば、pH測定システムおよび/またはORP測定システムおよび/または温度測定システムおよび/または電流測定システムが、少なくとも1のガス入口の前および/または後に配置される。 According to a further embodiment, the MEC stack comprises at least one device selected among a pH measurement system, an ORP measurement system, a temperature measurement system, and a current/voltage measurement system. According to a further embodiment, a pH measuring system and/or an ORP measuring system and/or a temperature measuring system and/or a current measuring system are arranged before and/or after the at least one gas inlet.

方法に関して既に述べたように、MECスタックおよび各MECセルの反応効率は、上述した値のうちの1または複数の影響を受ける。ガス入口からのガス入力または脱ガス要素からのガス出力は、例えば、カソライトの温度および/またはpHの値および/またはORP値を低下または上昇させることにより、それらの値を不安定にする。 As already mentioned with respect to the method, the reaction efficiency of the MEC stack and each MEC cell is influenced by one or more of the values mentioned above. The gas input from the gas inlet or the gas output from the degassing element destabilizes the temperature and/or pH values and/or ORP values of the catholyte, for example by lowering or increasing them.

したがって、それらの値を測定し、ガス入口からどれだけの量のガスを注入し、脱ガス要素からどれだけの量のガスを抽出すべきかを評価することができる測定システムが必要である。 Therefore, there is a need for a measurement system that can measure these values and assess how much gas should be injected through the gas inlet and how much gas should be extracted from the degassing element.

さらに、測定デバイスのいくつかは、カソライト回路上のガス入口の前に配置することができ、入力ガスが供給される前にカソライトの値を測定することができる。そうすることで、カソライトのそれらの値の調整を制御し、調節することができる。 Furthermore, some of the measurement devices can be placed before the gas inlet on the catholyte circuit and measure the catholyte value before the input gas is supplied. By doing so, the adjustment of those values of the catholyte can be controlled and adjusted.

測定システムは、カソライト回路のガス入口の直後に配置することもできる。したがって、このシステムは、それらの値(例えば、pH、温度、ORP)が(1または複数のMECセルを通って流れる)カソライトに期待される効果を実際に与えているかを制御する制御機構として機能する。 The measuring system can also be placed directly after the gas inlet of the catholyte circuit. This system therefore acts as a control mechanism to control whether those values (e.g. pH, temperature, ORP) are actually having the expected effect on the catholyte (flowing through one or more MEC cells). do.

本発明によれば、上述した方法に沿って、複数のガス入口と少なくとも1の脱ガス要素を備えたMECが述べられている。 According to the invention, along the lines described above, an MEC with multiple gas inlets and at least one degassing element is described.

2以上のガス入口を有するシステムと実質的に同じ利点と技術的効果を提供する更なる代替例は、1のガス入口と2以上の脱ガス要素を有するシステムである。 A further alternative, which provides substantially the same advantages and technical effects as a system with two or more gas inlets, is a system with one gas inlet and two or more degassing elements.

このため、バイオ電気化学的メタン生成プラントのMECスタックが、少なくとも2のMECセルを含み、各MECセルが、カソードコンパートメントおよびアノードコンパートメントを含む。MECセルは、並列または直列に流体接続され、MECスタックは、MECスタックの2以上のMECセルのカソードコンパートメントを接続する、カソライトのための少なくとも1のカソライト回路を備える。 To this end, the MEC stack of the bioelectrochemical methanogenesis plant comprises at least two MEC cells, each MEC cell comprising a cathode compartment and an anode compartment. The MEC cells are fluidly connected in parallel or series, and the MEC stack includes at least one catholyte circuit for a catholyte connecting cathode compartments of two or more MEC cells of the MEC stack.

MECスタックは、この実施形態では、MECスタックの最初のMECセルに配置された入力ガス用の1のガス入口を備え、MECスタックは、少なくとも1の第1のガスを抽出するための少なくとも2の脱ガス要素を備えることを特徴とする。少なくとも1の脱ガス要素は、MECスタックの最後のMECセルの後にも配置される。 The MEC stack comprises, in this embodiment, one gas inlet for input gas located in the first MEC cell of the MEC stack, and the MEC stack comprises at least two gas inlets for extracting at least one first gas. It is characterized by comprising a degassing element. At least one degassing element is also placed after the last MEC cell of the MEC stack.

この実施形態では、入力ガスが最初のMECセルで供給される。MECスタック全体が必要とする全量の入力ガスは、最初のMECセルに配置された第1のガス入口から供給される。この実施形態のMECスタックは少なくとも2の脱ガス要素を含むため、1の脱ガス要素が、MECスタックの最後にガスを抽出するために最後のMECセルに配置されている。少なくとも1の他の脱ガス要素は、特にMECスタックに沿った任意の適切な位置、例えば初期または中間のMECセルに配置することができる。 In this embodiment, input gas is supplied at the first MEC cell. The entire amount of input gas required by the entire MEC stack is supplied from a first gas inlet located at the first MEC cell. Since the MEC stack of this embodiment includes at least two degassing elements, one degassing element is placed in the last MEC cell to extract gas at the end of the MEC stack. The at least one other degassing element may be placed at any suitable location along the MEC stack, such as in an initial or intermediate MEC cell, in particular.

複数の脱ガス要素を有することにより、MECセルの活性表面を増加させることが可能であり、それにより、反応プロセスに必要な水素生成のための必要電圧を下げ、かつ/または電流を増加させることができ、その結果、MECスタックの電力消費を最小限に抑えることができる。 By having multiple degassing elements, it is possible to increase the active surface of the MEC cell, thereby lowering the required voltage and/or increasing the current for hydrogen production necessary for the reaction process. As a result, the power consumption of the MEC stack can be minimized.

さらに、2以上の脱ガス要素を介してMECスタックを異なる位置でガスを抜くことは、カソライト中のガス勾配を安定化させるという利点がある。脱ガスの調節は、上述したように、菌株にとって実質的に最適な物理化学的条件を作り出すのを助けることができる。 Furthermore, degassing the MEC stack at different locations via two or more degassing elements has the advantage of stabilizing the gas gradient in the catholyte. Regulation of degassing, as discussed above, can help create substantially optimal physicochemical conditions for the strain.

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも1の脱ガス要素が、他のMECセルの1または複数の後に配置される。 According to another embodiment of the invention, at least one degassing element is placed after one or more of the other MEC cells.

更なる発明のアイデアは、個々のMECスタックを、少なくとも2のMECセルをそれぞれ有する2以上のMECスタックを含むMECモジュールに拡張することである。MECスタックは、MECモジュール内で互いに流体的に接続され、それにより直列または並列の両方で流体的に接続することができる。 A further inventive idea is to extend an individual MEC stack into an MEC module containing two or more MEC stacks each having at least two MEC cells. The MEC stacks are fluidly connected to each other within the MEC module, thereby allowing them to be fluidly connected both in series or in parallel.

このようにして、本発明のMECスタックの上述した特徴および利点により、大型プラントの生産量を増加させ、同時に効率を改善することができる。 In this way, the above-mentioned features and advantages of the MEC stack of the present invention make it possible to increase the output of large plants and at the same time improve efficiency.

本発明によれば、単一のMECが、バイオ電気化学的メタン生成反応のための個別化可能なセルとしても提供される。MECセルは、MECスタックおよび対応するバイオ電気化学的メタン生成プラントのMECモデルでの使用に適している。 According to the invention, a single MEC is also provided as an individualizable cell for bioelectrochemical methanogenesis reactions. The MEC cell is suitable for use in MEC stacks and corresponding MEC models of bioelectrochemical methanogenesis plants.

本発明によれば、MECセルは入力ガス用の1のガス入口と2以上の脱ガス要素によって、代替的には入力ガス用の2以上のガス入口と1または複数の脱ガス要素によって特徴付けられる。したがって、MECスタックに関して上述したように、各MECセルも少なくとも2のガス入口を有することができる。いずれの選択肢も、カソライトに対する調節効果を有し、よってMECセル内のメタンの生成効率に直接的な効果を有する。 According to the invention, the MEC cell is characterized by one gas inlet for input gas and two or more degassing elements, alternatively by two or more gas inlets for input gas and one or more degassing elements. It will be done. Thus, as described above with respect to the MEC stack, each MEC cell may also have at least two gas inlets. Either option has a regulating effect on the catholyte and thus has a direct effect on the efficiency of methane production within the MEC cell.

次に、本方法およびシステムの具体的な実施形態を、以下の図面を通じて開示する。
図1aは、本発明の例示的な一実施形態に係る、2つのガス入口および1つの脱ガス要素を含む2つのMECセルを有する概略的なMECスタックを示している。図1bは、本発明の例示的な一実施形態に係る、2つのガス入口および1つの脱ガス要素を含む2つのMECセルを有するMECスタックの代替的なよりコンパクトな実施形態の概略図を示している。 図2は、本発明の別の例示的な実施形態に係る、1つのガス入口および2つの脱ガス要素を含む2つのMECセルを有する概略的なMECスタックを示している。 図3は、図1aおよび図1bの例における、ガス入口の数および位置に応じたメタン生成速度を示すグラフである。3つの実験すべてにおいて、同量の入力ガス(CO2供給)が使用されたが、この単純な実験は、1または複数のガス入口の位置の違いが、MECスタックのメタン生成速度に劇的な影響を与えることをすでに示している。 図4は、n個のMECセルを有する先行技術のMECスタックのカソードコンパートメントの例示的な概略構成を示している。ガス入口は最初のMECの前にあり、図示のように、この入口を介してガスの総量がMECスタック内に供給され、これにより、最初のMECにおいて(活性領域に対応する)液相の割合がかなり制限されるという上述した容積の問題が生じ、一方で、MECカソードコンパートメント容積の高い割合がエダクト(CO2、H2)および生成ガス(CH4)によって占められ、生成ガスの割合がセル数の増加とともに増加する。 図5は、本発明の例示的な一実施形態に係る、各MECセルの前のガス入口および最後のMECセルの1つの脱ガス要素を含むn個のMECセルカソードコンパートメントを有するMECスタックの例示的な概略構成を示している。 図6は、本発明の例示的な一実施形態に係る、各MECセルの前のガス入口および各MECセルの後の1つの脱ガス要素を含むn個のMECセルカソードコンパートメントを有するMECスタックの例示的な概略構成を示している。
Next, specific embodiments of the present method and system are disclosed through the following drawings.
FIG. 1a shows a schematic MEC stack with two MEC cells including two gas inlets and one degassing element, according to an exemplary embodiment of the invention. FIG. 1b shows a schematic diagram of an alternative more compact embodiment of an MEC stack with two MEC cells including two gas inlets and one degassing element, according to an exemplary embodiment of the invention. ing. FIG. 2 shows a schematic MEC stack with two MEC cells including one gas inlet and two degassing elements according to another exemplary embodiment of the invention. FIG. 3 is a graph showing the methane production rate as a function of the number and position of gas inlets for the example of FIGS. 1a and 1b. Although the same amount of input gas (CO2 feed) was used in all three experiments, this simple experiment shows that differences in the location of one or more gas inlets have a dramatic effect on the methane production rate of the MEC stack. It has already been shown that it will give FIG. 4 shows an exemplary schematic configuration of the cathode compartment of a prior art MEC stack with n MEC cells. A gas inlet is located before the first MEC and, as shown, the total amount of gas is fed into the MEC stack through this inlet, thereby increasing the proportion of liquid phase (corresponding to the active area) in the first MEC. The above-mentioned volume problem arises in that the MEC cathode compartment volume is considerably limited, while a high proportion of the MEC cathode compartment volume is occupied by educts (CO2, H2) and product gases (CH4), and the proportion of product gases increases as the number of cells increases. increases with FIG. 5 is an illustration of a MEC stack having n MEC cell cathode compartments including a gas inlet before each MEC cell and one degassing element of the last MEC cell, according to an exemplary embodiment of the present invention. It shows the general configuration. FIG. 6 shows a MEC stack having n MEC cell cathode compartments including a gas inlet before each MEC cell and one degassing element after each MEC cell, according to an exemplary embodiment of the present invention. An exemplary schematic configuration is shown.

図1aおよび図1bに示すように、MECスタック1のこの例示的な実施形態は、2つのMECセル10a、10bを含む。各MECセル10a、10bは、カソード12a、12bおよびアノード14a、14bを備える。図1aおよび図1bの左側部分は、MECスタックのアノード側を示すが、その詳細な説明は省略することとする。MECスタック1のカソード側は、2つのMECセル10a、10bを流体接続するカソライト回路18を備える。 As shown in FIGS. 1a and 1b, this exemplary embodiment of the MEC stack 1 includes two MEC cells 10a, 10b. Each MEC cell 10a, 10b includes a cathode 12a, 12b and an anode 14a, 14b. The left part of FIGS. 1a and 1b shows the anode side of the MEC stack, but a detailed description thereof will be omitted. The cathode side of the MEC stack 1 comprises a catholyte circuit 18 that fluidly connects the two MEC cells 10a, 10b.

図1aおよび図1bのMECスタック1は、2つのガス入口22a、22bを備え、それぞれのガス源20a、20bが、カソライトに入力ガスを供給するために使用される。ガス源20a、20bは、この例では二酸化炭素CO2を含むが、これに限定されるものではない。図示のように、2つのガス入口は、各MECセル10a、10bの前にそれぞれ配置されている。 The MEC stack 1 of FIGS. 1a and 1b comprises two gas inlets 22a, 22b, and a respective gas source 20a, 20b is used to supply input gas to the catholyte. The gas sources 20a, 20b include, but are not limited to, carbon dioxide CO2 in this example. As shown, two gas inlets are placed in front of each MEC cell 10a, 10b, respectively.

カソライト回路18上であって、第2のMECセル10bの後には、カソライト回路18のカソライトを脱気するために脱ガス要素30が配置されている。さらに、pH測定システム32およびORP測定システム34が、カソライト回路18上に配置されている。それら測定システムは、この例では脱ガス要素30に包含されている。したがって、カソライト上の測定は、カソライトが脱気された後に行われる。 A degassing element 30 is arranged above the catholyte circuit 18 and after the second MEC cell 10b to degas the catholyte of the catholyte circuit 18. Furthermore, a pH measurement system 32 and an ORP measurement system 34 are arranged on the catholyte circuit 18. These measuring systems are included in the degassing element 30 in this example. Therefore, measurements on the catholyte are made after the catholyte has been degassed.

図2に示すように、MECスタック1のこの例示的な実施形態は、2つのMECセル10a、10bを備える。各MECセル10a、10bは、カソード12a、12bおよびアノード14a、14bを備える。図2の左側部分は、MECスタックのアノード側を示しているが、ここでは説明を省略する。 As shown in FIG. 2, this exemplary embodiment of the MEC stack 1 comprises two MEC cells 10a, 10b. Each MEC cell 10a, 10b includes a cathode 12a, 12b and an anode 14a, 14b. The left side of FIG. 2 shows the anode side of the MEC stack, but its description will be omitted here.

MECスタック1のカソード側は、2つのMECセル10a、10bを流体接続するカソライト回路18を含む。図2のMECスタックは、それぞれのガス源20aを有する1つのガス入口22aを含む。この例では、ガス源20aが二酸化炭素である。この実施形態によれば、MECスタック1が、ともにカソライト回路18上に配置された2つの脱ガス要素30a、30bを備える。第1の脱ガス要素30aは、第1のMECセル10aの後に配置され、第2の脱ガス要素30bは、第2の(または最後の)MECセル10bの後に配置されている。 The cathode side of the MEC stack 1 includes a catholyte circuit 18 that fluidly connects the two MEC cells 10a, 10b. The MEC stack of FIG. 2 includes one gas inlet 22a with a respective gas source 20a. In this example, the gas source 20a is carbon dioxide. According to this embodiment, the MEC stack 1 comprises two degassing elements 30a, 30b, both arranged on the catholyte circuit 18. A first degassing element 30a is placed after the first MEC cell 10a and a second degassing element 30b is placed after the second (or last) MEC cell 10b.

さらに、カソライト回路18上には、pH測定システム32およびORP測定システム34が配置されている。それら測定システムは、この例では脱ガス要素30bに包含されている。このため、カソライト上の測定は、カソライトが脱気された後に行われる。 Furthermore, a pH measurement system 32 and an ORP measurement system 34 are arranged on the catholyte circuit 18. These measurement systems are included in the degassing element 30b in this example. For this reason, measurements on the catholyte are made after the catholyte has been degassed.

図3は、2つの異なるCO2供給構成を有する図1aのシステムのメタン転化率を示している。 FIG. 3 shows the methane conversion of the system of FIG. 1a with two different CO2 feed configurations.

最初の棒は、図1aのガス入口22aが1つだけの場合のメタン転化率を示しており、これは先行技術を表している。2番目の棒は、図1の本発明の例示的な実施形態に係る、2つのガス入口22a、22bを有する場合のメタン転化率を示している。グラフから分かるように、MECスタック1に2つのガス入口22a、22bを配置した場合に、メタン転化率が最も高くなる。前述したように、これは、分散した的を絞った入力ガス供給により、菌株にとって物理化学的条件がより良好になるためである。 The first bar shows the methane conversion with only one gas inlet 22a in FIG. 1a, which represents the prior art. The second bar shows the methane conversion with two gas inlets 22a, 22b according to the exemplary embodiment of the invention of FIG. As can be seen from the graph, when two gas inlets 22a and 22b are arranged in the MEC stack 1, the methane conversion rate is highest. As mentioned above, this is because the distributed and targeted input gas supply provides better physicochemical conditions for the strain.

図4は、先行技術のMECスタックのMECセル内のガスおよびカソライト(液相)の分布を示している。この図から分かるように、入力ガス(この例ではCO2)は、最初のMECセルの前にある単一のガス入口22a点から供給されている。最初のMECセルはさらに、限られた体積の液相を有し、電気分解によって生成された水素も示している。最初のMECセルでは、CO2の一部がメタン(CH4)に変換され、メタンおよび残りのCO2が、カソライト回路内のカソライトによって2番目のMECセルのカソライトコンパートメント12bに移動する。 FIG. 4 shows the distribution of gas and catholyte (liquid phase) within the MEC cell of a prior art MEC stack. As can be seen from this figure, the input gas (CO2 in this example) is supplied from a single gas inlet 22a point in front of the first MEC cell. The first MEC cell also has a limited volume of liquid phase and also shows hydrogen produced by electrolysis. In the first MEC cell, a portion of the CO2 is converted to methane (CH4), and the methane and the remaining CO2 are transferred to the catholyte compartment 12b of the second MEC cell by the catholyte in the catholyte circuit.

2番目のMECセルではさらに反応が起こり、さらにメタンが生成されて、残りのCO2とともに3番目のMECセルのカソライトコンパートメント12cに送られる。このプロセスは最後のMECセルのカソライトコンパートメント12nまで続き、このコンパートメントでは、ガスのほとんどが生成されたメタンとなり、最後のMECセルのカソライトコンパートメント12bでメタンを生成するための少なくとももう1回の反応に十分なCO2が存在する。その後、生成されたメタン97は、脱ガス要素30aを介して最後のMECセルの後に脱気される。残りのカソライトは、その後、回路を通って最初のMECセルに送り戻され、そこで再び入力ガスで富化される。 Further reactions occur in the second MEC cell and more methane is produced which is sent along with the remaining CO2 to the catholyte compartment 12c of the third MEC cell. This process continues until the catholyte compartment 12n of the last MEC cell, where most of the gas is methane produced, and at least one more round to produce methane in the catholyte compartment 12b of the last MEC cell. Sufficient CO2 is present for the reaction. The generated methane 97 is then degassed after the last MEC cell via the degassing element 30a. The remaining catholyte is then sent back through the circuit to the first MEC cell where it is again enriched with input gas.

見て分かるように、先行技術のこのシステムでは、MECセルは大量の入力ガス(例えば、CO2)に直面し、生成されたメタンと残りのCO2の両方がすべてのMECセルを通って移動するために、かなりのエネルギーと効率が無駄にされる。 As can be seen, in this system of the prior art, the MEC cells face a large amount of input gas (e.g. CO2) and both the produced methane and the remaining CO2 move through all MEC cells. Considerable energy and efficiency is wasted.

この図面の液相は、それぞれのMECセルの活性領域を示している。 The liquid phase in this figure indicates the active area of each MEC cell.

図5は、各MECセルの前にそれぞれのガス入口が配置されている、本発明の例示的な一実施形態に係るMECスタックのMECセル内のガスおよび物質の分布を示している。MECセルのカソライトコンパートメント12a~12nはカソライト回路18によって接続されているが、ここでは、各MECセルの前に、それぞれのMECセルのカソライトコンパートメント12a~12nの前にガス入口22a~22nが配置されている。最初のMECセル内の分布から分かるように、平均液相は図4の例よりもかなり大きい。したがって、図5のMECセル内の活性領域が増加し、より少ない電力消費でより効率的な反応を実現することができる。 FIG. 5 shows the distribution of gases and substances within the MEC cells of an MEC stack according to an exemplary embodiment of the invention, in which a respective gas inlet is placed in front of each MEC cell. The catholyte compartments 12a-12n of the MEC cells are connected by a catholyte circuit 18, in which a gas inlet 22a-22n is provided before each MEC cell catholyte compartment 12a-12n. It is located. As can be seen from the distribution within the first MEC cell, the average liquid phase is much larger than in the example of FIG. Therefore, the active area within the MEC cell of FIG. 5 is increased and more efficient reactions can be achieved with less power consumption.

ガス入口22aを介して、MECセルのカソライトコンパートメント12aのメタン化プロセスに必要な量のCO2がMECセルのカソライトコンパートメント12aに供給される。ガス入口22bを介して、MECセルのカソライトコンパートメント12bのメタン化プロセスに必要な量のCO2がMECセルのカソライトコンパートメント12bに供給される。残りのMECセルについても同様である。このため、2番目のMECセル内のメタン部分は、図4の2番目のMECセル内のメタン部分よりも大きくなる。 Via the gas inlet 22a, the amount of CO2 required for the methanation process of the catholyte compartment 12a of the MEC cell is supplied to the catholyte compartment 12a of the MEC cell. Via the gas inlet 22b, the amount of CO2 required for the methanation process of the catholyte compartment 12b of the MEC cell is supplied to the catholyte compartment 12b of the MEC cell. The same applies to the remaining MEC cells. Therefore, the methane fraction in the second MEC cell will be larger than the methane fraction in the second MEC cell of FIG.

図5では、MECセル内の液相がMECセル間で減少している。最後のMECセルのカソライトコンパートメント12nは、12a~12n-1の前のMECセルのカソライトコンパートメントで生成されたメタンの完全な量98、MECセルのカソライトコンパートメント12nの最後の反応に必要な入力二酸化炭素、およびMECスタック内のすべてのMECセルの中で最も少ない液相の量を有する。この実施形態では、全体的に液相が増加し、よって活性領域が大きくなるため、エネルギー消費が、図4に係る例と比較して最小限に抑えられる。このため、MECスタック全体がより効率的になる。 In FIG. 5, the liquid phase within the MEC cells is decreasing between the MEC cells. The catholyte compartment 12n of the last MEC cell contains the complete amount of methane produced in the catholyte compartment of the previous MEC cell 12a to 12n-1, 98, required for the last reaction in the catholyte compartment 12n of the MEC cell. It has the lowest amount of input carbon dioxide and liquid phase of all MEC cells in the MEC stack. In this embodiment, the energy consumption is minimized compared to the example according to FIG. 4 due to the overall increased liquid phase and thus larger active area. This makes the entire MEC stack more efficient.

図6は、本発明に係る例示的なMECスタックの更なる発展例を示している。図6のMECスタックは、個々のMECセルの前の複数のガス入口に加えて、個々のMECセルの後の複数の脱ガス要素を含む点を除いて、図5のものと同様である。このようにして、図から読み取れるように、液相は各MECセルのカソライトコンパートメント内で高いレベルでほぼ一定であるため、活性領域が絶えず増加する。この例では、電力消費が図5のMECスタックより少なく、メタン生成99a~99nは依然としてより効率的である。 FIG. 6 shows a further development of the exemplary MEC stack according to the invention. The MEC stack of FIG. 6 is similar to that of FIG. 5, except that in addition to multiple gas inlets before each individual MEC cell, it includes multiple degassing elements after each individual MEC cell. In this way, as can be read from the figure, the active area is constantly increasing since the liquid phase is almost constant at a high level within the catholyte compartment of each MEC cell. In this example, power consumption is less than the MEC stack of FIG. 5, and methane production 99a-99n is still more efficient.

驚くべきことに、MECスタック全体のエネルギー消費量が、個々のMECセルすべてのエネルギー消費量の合計よりも少なくても、より効率的なメタン化率と単位エネルギー当たりの高いメタン生成量を維持できることが判明している。
Remarkably, the energy consumption of the entire MEC stack is less than the sum of the energy consumption of all individual MEC cells while still maintaining a more efficient methanation rate and higher methane production per unit energy. It is clear that

Claims (15)

少なくとも2のMECセルを含む微生物電解セル(MEC)スタックにおけるバイオ電気化学的メタン生成プロセスのガス勾配を調整する方法であって、
a.カソードコンパートメントにおいて、前記MECおよび/またはMECスタックのスタック電流および/または電圧を測定するステップと、
b.ステップa)で評価した情報に基づいて、少なくとも1のガス入力点の入力ガス量を決定するステップと、
c.少なくとも1のガス入力点を介して決定した入力ガス量を供給し、それによりシステムにおける効率的なメタン生成のための体積要件を調整するステップと、
d.前記MECスタックのMECセルの後に配置された1または複数の脱ガス要素を介して、前記MECスタックを脱気するステップとを備えることを特徴とする方法。
A method of adjusting gas gradients of a bioelectrochemical methane production process in a microbial electrolysis cell (MEC) stack comprising at least two MEC cells, the method comprising:
a. measuring the stack current and/or voltage of the MEC and/or MEC stack in the cathode compartment;
b. determining an input gas amount for at least one gas input point based on the information evaluated in step a);
c. supplying the determined input gas amount through at least one gas input point, thereby adjusting volume requirements for efficient methane production in the system;
d. degassing the MEC stack via one or more degassing elements located after the MEC cells of the MEC stack.
請求項1に記載の方法において、
ステップa)において、さらに、
(i)カソライト回路内のカソライトのpH値、
(ii)カソライトの酸化還元電位、
(iii)カソライトの温度、
のうちの少なくとも1つを測定し、それにより、ステップc)において、カソライトのpH値および/または温度および/または酸化電位を調整することを特徴とする方法。
The method according to claim 1,
In step a), further
(i) pH value of the catholyte in the catholyte circuit;
(ii) the redox potential of the catholyte;
(iii) the temperature of the catholyte;
A method characterized in that, in step c), the pH value and/or the temperature and/or the oxidation potential of the catholyte are adjusted accordingly.
請求項2に記載の方法において、
ステップa)が、2以上のガス入力点の前および/または後に配置されたpH測定システムを介して、カソライトのpH値を測定することを含むことを特徴とする方法。
The method according to claim 2,
A method characterized in that step a) comprises measuring the pH value of the catholyte via a pH measuring system placed before and/or after the two or more gas input points.
バイオ電気化学的メタン生成プラント内のMECスタック(1)であって、
少なくとも2のMECセル(10a、10b)を含み、
各MECセル(10a、10b)が、カソードコンパートメント(12a、12b)とアノードコンパートメント(14a、14b)とを備え、
前記MECセル(10a、10b)が並列または直列に流体接続され、
当該MECスタックが、当該MECスタックの2以上のMECセル(10a、10b)のカソードコンパートメント(12a、12b)を接続する、少なくとも1のカソライト回路(18)を備え、
2以上のガス入口(22a、22b)が、前記少なくとも1のカソライト回路(18)内に配置されていることを特徴とするMECスタック。
A MEC stack (1) in a bioelectrochemical methane production plant, comprising:
comprising at least two MEC cells (10a, 10b);
Each MEC cell (10a, 10b) comprises a cathode compartment (12a, 12b) and an anode compartment (14a, 14b);
The MEC cells (10a, 10b) are fluidly connected in parallel or series,
the MEC stack comprises at least one catholyte circuit (18) connecting cathode compartments (12a, 12b) of two or more MEC cells (10a, 10b) of the MEC stack;
MEC stack, characterized in that two or more gas inlets (22a, 22b) are arranged in said at least one catholyte circuit (18).
請求項4に記載のMECスタック(1)において、
当該MECスタック(1)の1または複数の個々のMECセル(10a、10b)に少なくとも1のガス入口(22a、22b)を備えることを特徴とするMECスタック。
In the MEC stack (1) according to claim 4,
A MEC stack, characterized in that one or more individual MEC cells (10a, 10b) of the MEC stack (1) are provided with at least one gas inlet (22a, 22b).
請求項5に記載のMECスタック(1)において、
1または複数の個々のMECセル(10a、10b)のカソードコンパートメント(12a、12b)内に少なくとも1のガス入口(22a、22b)を備えることを特徴とするMECスタック。
In the MEC stack (1) according to claim 5,
A MEC stack characterized in that it comprises at least one gas inlet (22a, 22b) in the cathode compartment (12a, 12b) of one or more individual MEC cells (10a, 10b).
請求項4~6の何れか一項に記載のMECスタック(1)において、
各ガス入口(22a、22b)が、ガス源(20a、20b)からのガス入力を選択的に調整するためのそれぞれの流量コントローラを備えることを特徴とするMECスタック。
In the MEC stack (1) according to any one of claims 4 to 6,
A MEC stack characterized in that each gas inlet (22a, 22b) is provided with a respective flow controller for selectively regulating gas input from a gas source (20a, 20b).
請求項4~7の何れか一項に記載のMECスタックにおいて、
当該MECスタック(1)が、当該MECスタック(1)から少なくとも第1のガス/プロセスガスの1つを抽出するための少なくとも1の脱ガス要素(30)を備え、前記脱ガス要素(30)の1つが、当該MECスタックの最後のMECセルの後に配置されていることを特徴とするMECスタック。
The MEC stack according to any one of claims 4 to 7,
The MEC stack (1) comprises at least one degassing element (30) for extracting at least one of the first gas/process gas from the MEC stack (1), said degassing element (30) An MEC stack, wherein one of the MEC cells is disposed after the last MEC cell of the MEC stack.
請求項8に記載のMECスタックにおいて、
1または複数の脱ガス要素が、他のMECセルの1または複数の後に配置されていることを特徴とするMECスタック。
The MEC stack according to claim 8,
A MEC stack, characterized in that one or more degassing elements are arranged after one or more other MEC cells.
請求項4~9の何れか一項に記載のMECスタック(1)において、
pH測定システム(32)、ORP測定システム(34)、温度測定システム、体積測定システム、電流測定システムのなかから選択される少なくとも1のデバイスを含むことを特徴とするMECスタック。
The MEC stack (1) according to any one of claims 4 to 9,
An MEC stack comprising at least one device selected from a pH measurement system (32), an ORP measurement system (34), a temperature measurement system, a volume measurement system, and a current measurement system.
請求項10に記載のMECスタック(1)において、
pH測定システムおよび/またはORP測定システムおよび/または温度測定システムおよび/または体積測定システムおよび/または電流測定システムが、少なくとも1のガス入口(22a、22b)の前および/または後に配置されていることを特徴とするMECスタック。
In the MEC stack (1) according to claim 10,
A pH measuring system and/or an ORP measuring system and/or a temperature measuring system and/or a volume measuring system and/or a current measuring system are arranged before and/or after the at least one gas inlet (22a, 22b). MEC stack featuring.
バイオ電気化学的メタン生成プラントのMECスタック(1)であって、
少なくとも2のMECセル(10a、10b)を含み、
各MECセル(10a、10b)が、カソードコンパートメント(12a、12b)およびアノードコンパートメント(14a、14b)を備え、
前記MECセル(10a、10b)が、並列または直列に流体接続され、
当該MECスタックが、当該MECスタックの2以上のMECセル(10a、10b)のカソードコンパートメント(12a、12b)を接続する、カソライトのための少なくとも1のカソライト回路(18)を備え、
当該MECスタック(1)が、当該MECスタックの最初のMECセル(10a)に配置された入力ガス用の1つのガス入口(22a)を備え、
当該MECスタック(1)が、少なくとも1の出力ガスを抽出するための少なくとも2の脱ガス要素(30a、30b)を備え、前記脱ガス要素(30a、30b)の1つが、当該MECスタック(1)の最後のMECセル(10b)の後に配置されていることを特徴とするMECスタック。
An MEC stack (1) of a bioelectrochemical methane production plant, comprising:
comprising at least two MEC cells (10a, 10b);
Each MEC cell (10a, 10b) comprises a cathode compartment (12a, 12b) and an anode compartment (14a, 14b);
The MEC cells (10a, 10b) are fluidly connected in parallel or series,
the MEC stack comprises at least one catholyte circuit (18) for a catholyte connecting cathode compartments (12a, 12b) of two or more MEC cells (10a, 10b) of the MEC stack;
the MEC stack (1) comprises one gas inlet (22a) for input gas located in the first MEC cell (10a) of the MEC stack;
The MEC stack (1) comprises at least two degassing elements (30a, 30b) for extracting at least one output gas, one of the degassing elements (30a, 30b) ) is arranged after the last MEC cell (10b) of the MEC stack.
請求項12に記載のMECスタック(1)において、
少なくとも1の脱ガス要素(30a、30b)が、他のMECセルの1または複数の後に配置されていることを特徴とするMECスタック。
The MEC stack (1) according to claim 12,
MEC stack, characterized in that at least one degassing element (30a, 30b) is arranged after one or more of the other MEC cells.
請求項6~16の何れか一項に記載の2以上のMECスタック(10a、10b)を含むMECモジュール(100)であって、
前記2以上のMECスタック(10a、10b)が、前記カソライト回路(18)を介して流体接続されていることを特徴とするMECモジュール。
An MEC module (100) comprising two or more MEC stacks (10a, 10b) according to any one of claims 6 to 16,
An MEC module characterized in that the two or more MEC stacks (10a, 10b) are fluidly connected via the catholyte circuit (18).
バイオ電気化学的メタン生成プラントで使用するためのMECセルであって、
入力ガス用の1つのガス入口と2以上の脱ガス要素とを備えるか、または入力ガス用の2以上のガス入口と1または複数の脱ガス要素とを備えることを特徴とするMECセル。
A MEC cell for use in a bioelectrochemical methane generation plant, the MEC cell comprising:
An MEC cell characterized in that it comprises one gas inlet for input gas and two or more degassing elements, or it comprises two or more gas inlets for input gas and one or more degassing elements.
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