利用生物还原转化CO2的方法技术

本发明专利技术涉及利用生物还原转化CO2的方法，所述方法包括使含有嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)的液相与含有CO2的气相在允许从所述CO2生产甲酸化物和/或甲烷的条件下接触的步骤。根据本发明专利技术的方法可以在特别是封闭式反应器或半封闭式反应器或连续式反应器中，任选地在电化学辅助的条件下进行。下进行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用生物还原转化CO2的方法
[0001]本专利技术涉及由嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)催化的用于将CO2还原为甲酸化物(formate)和/或甲烷的微生物方法。根据本专利技术，该CO2还原方法可以通过供给外源电子和质子来强化。该供给可以通过在电解装置(生物电解器)中使用细菌来实现。根据本专利技术的方法能够有利地用于处理富含CO2的工业或农业烟气，或者主要含有甲烷和CO2的混合物的生物气体，从而减少所述烟气或生物气体(biogas)的CO2含量。

技术介绍

[0002]二氧化碳(CO2)占据全球温室气体(GHG)排放量的大于75％，年人为排放量大约为25至35Gt。这些排放量主要来自重工业和能源生产，例如水泥厂、铝和钢生产现场，煤或燃料发电厂等，以及来自公路运输。
[0003]CO2作为工业原料的使用目前被认为是减少该气体的大气排放的可能方案之一。
[0004]在该背景下，人为CO2向替代燃料(例如甲烷、C
1-C5醇或甲酸)的直接转化已经成为最近50年的主要研究课题。然而，CO2分子具有高的化学稳定性，因此CO2活化需要相对高的温度和压力以及有效且选择性的催化剂。
[0005]已经开发了均相或非均相催化剂，所述催化剂催化氢化作用、人工光合作用或电化学还原反应以由CO2获得燃料。然而，这些化学转化途径仍具有低效率、耐久性和/或选择性。
[0006]也已经开发了用于CO2活化的生物方法。这些生物方法特别有吸引力，因为它们消耗少的能量并且它们通常避免了可能对环境有负面影响的试剂和/或副产物。然而，迄今为止，仅使用光合微生物的方法，即微藻或蓝藻细菌，已经达到了工业规模。通过这些方法进行的CO2回收的主要产物是后续能够转化为生物柴油或生物燃料的脂类或糖类。开放池技术已经能够使得通过微藻进行的CO2回收的规模发生改变。然而，由于以下原因，该方法的发展仍受到局限：(i)需要阳光，这意味着浅的光生物反应器深度(因此面积大)，(ii)营养物质传递的问题，(iii)对水的大量需求，(iv)需要保持基本pH(8-10)，以及(v)需要收取微生物以从其提取目标化合物。所有这些约束反映为低生产率和相对高的成本。
[0007]在实验室规模上，蓝藻细菌被基因修饰以直接从CO2产生醇。最近，蓝藻细菌细长聚球藻(Synechococcus elongatus)PCC 7942的碳同化的新陈代谢途径已经被用于在黑暗中从CO2和葡萄糖产生2,3-丁二醇。这样的进步克服了与需要阳光相关的局限。然而，需要添加葡萄糖使得该生物方法经济上没有吸引力。此外，修饰的蓝藻细菌的生物稳定性仍不足以使得其用于工业规模。
[0008]还研究了从二氧化碳(CO2)酶合成甲酸化物(甲酸的基本形式)的途径。更确切地，从微生物提取的甲酸化物脱氢酶(FDH)型酶被纯化并被修饰以改善其催化性能，并被用于将CO2还原为甲酸化物(Alissandratos等,2013,应用环境微生物学(Appl Environ Microbiol.),79(2),741-4；Spinner等,2012,催化科学与技术(Catal.Sci.Technol.),2,19-28)。近来，固氮酶型酶除了其氮N2还原活性之外，还被报告为能够催化CO2向甲酸化物的还原，向一氧化碳的还原，向乙酸化物或甲烷的还原(Khadka等,2016,无机化学
(Inorg.Chem.),55,8321-8330；Zheng等,2018,自然微生物(Nature Microbiology),3,281
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286)。然而，需要添加昂贵的辅因子来进行生物转化反应，这使得这些替代方案与工业应用不相容。
[0009]接种了电活性无机自养细菌的电化学辅助反应器(也称为生物电解器)是用于CO2转化的另一种生物途径。能够获得各种产物如甲酸化物、乙酸化物、C
3-C5醇、聚羟基丁酸酯(PHB)或生物质。在这些系统中，已经实施了2种构造：(1)CO2还原所需的电子由极化阴极直接供给，而质子来自阳极处水的氧化；或(2)来自阴极的电子被电化学中介(例如二氢或甲酸化物)传输至细菌，所述电化学中介可以被添加至介质中或在极化阴极处原位产生。然而，到目前为止，仅在介质中还存在有机电子供体的情况下，证明了构造(1)的可行性，这降低了该系统的经济吸引力。此外，在构造(2)中，甲酸化物或清洁且昂贵的能量载体例如二氢(H2)的使用或原位产生仍然存在问题。

技术实现思路

[0010]在致力于CO2回收的同时，专利技术人发现以其通过羧化酶结合CO2的能力而为人所知的嗜麦芽窄食单胞菌细菌也能够将CO2还原为甲酸化物和/或甲烷。甲烷之所以特别有吸引力，是因为它是一种燃料，其燃烧所产生的空气污染物(NO
x
或SO
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类型)很少，并且与化石燃料(例如石油或煤炭)的燃烧相比，其单位能量释放的CO2更少(减少近30％)。甲烷还是合成气体(H2/CO/CO2混合物)的前体，所述合成气体目前用于工业生产甲醇、氨和碳氢化合物(法国化学会，2013年)。甲酸或蚁酸是甲酸化物的酸形式，又是天然来源的脂肪族羧酸，其为具有持久气味的无色液体形式。甲酸在皮革和纺织工业中，在染料和处理产品、杀虫剂、溶剂、烟剂、防霉处理产品等的组合物中有许多应用，并且在香水和农业食品行业中作为芳香分子。最近，已经示出甲酸能够用作燃料电池中的燃料(Yu等，2008，电源杂志(Journal of Power Sources)，182(1)，124-132)或存储氢，所述氢然后可以通过甲酸的脱氢作用被释放(Fellay等,2008，应用化学(Angewandte Chemie)，120(21)，4030-4032)。使用甲酸作为能量载体的可能性表明，未来几年对甲酸的需求将增加。此外，甲酸化物可用于次级生物方法中以获取甲烷等能源(Conrad，氢对甲烷产生的贡献以及产甲烷土壤和沉积物中氢浓度的控制(Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentrations in methanogenic soils and sediments)，FEMS微生物生态学(FEMS Microbiology Ecology)，28(3)(1999)193-202)或醇类(Li等，CO2到高级醇类的综合电微生物转化(Integrated electromicrobial conversion of CO
2 to higher alcohols)，科学,335(2012)1596；Pen等,用于甲烷生物羟基化的创新膜生物反应器(An innovative membrane bioreactor for methane biohydroxylation),生物资源技术(Bioresource Technology)，174(2014)42-52)。
[0011]与现有的生物方法相比，嗜麦芽窄食单胞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过生物还原回收CO2的方法，所述方法包括使含有嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)的液相与含有CO2的气相在允许CO2还原的条件下接触的步骤。2.根据权利要求1所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中使所述液相与CO2接触的步骤在封闭式反应器或半封闭式反应器或连续式反应器中进行。3.根据权利要求2所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中例如通过气体分配器将所述含有CO2的气相注入到所述反应器的中心。4.根据权利要求2所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中将反应器顶部空间中存在的空气去除，并且将所述含有CO2的气相注入到所述反应器顶部空间中，以将CO2还原反应置于仅由所述气相构成的气氛下。5.根据权利要求1所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中使所述液相与所述含有CO2的气相接触的步骤在半封闭式反应器或连续式反应器中进行，其中优选通过鼓泡将所述含有CO2的气相连续地供应到所述反应器中。6.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中通过CO2还原来产生甲酸化物和/或甲烷(CH4)。7.根据权利要求2至6任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中使所述液相与所述含有CO2的气相接触的步骤在存在电子和质子供体的条件下在细胞内或细胞外进行。8.根据权利要求2至7任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中所述反应器包含电化学辅助，优选为生物电解类型的电化学辅助。9.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，所述方法在使所述液相与所述气相接触的步骤之前包括嗜麦芽窄食单胞菌与至少一种甲烷营养细菌的共培养的初期相。10.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中所述液相还包含至少一种能够使用甲酸化物生产感兴趣的有机化合物例如甲烷、乳酸化物或醇，特别是C1/C5醇的微生物。11.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中所述气相为生物气体或富含CO2的工业和/或农业烟气。12.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法，其中相对于所述气相的总体积，所述气相包含至少30体积％的CO2。13.根据前述权利要求任一项所述的通过生物还原回收CO2的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦斯，
申请(专利权)人：法国国家科学研究中心法国国立蒙彼利埃高等化学学院，
类型：发明
国别省市：