微生物电合成(microbial electrosynthesis，MES)是利用微生物作为催化剂将CO2电还原为有机物（如甲烷、乙酸、丁酸等）的过程。与传统无机催化剂相比，微生物具有产物选择性高、长期稳定性高（可自我再生）、催化过电位低和可生成长链有机物等优点。因此，MES为CO2电还原合成有机物提供了一条崭新的途径，在CO2资源化和冗余电能的储存方面具有广阔的应用前景。然而，目前限制MES实际应用的主要瓶颈是其较低的电流密度，即较低的产物合成速率。
传统的MES反应器均为基于阴极电活性生物膜的装置。虽然经过电活性菌株富集选育和电极材料修饰改性，一般阴极生物膜的电流密度已经达到10 A/m2水平，然而仍远低于工业应用的要求（103A/m2）。电催化产氢的电流密度已达工业化应用水平，且氢气是微生物良好的电子和质子供体。因此，将电解产氢和发酵耗氢原位耦合有望进一步提升MES的电流密度。但是，由于氢气在水中的溶解度极低，如何实现高电流密度条件下的高氢气利用率（即高库伦效率）是该系统成功的关键。
为了提高氢气在反应器内保留时间，受到鼓泡塔反应器的启发，西安交大化工学院郭坤特聘研究员课题组构建了一种电解氢气鼓泡塔反应器（图1）。该装置将电解槽置于反应器的底部用于原位提供氢微气泡，鼓泡塔置于电解槽上部以增加电解氢气泡在反应器的保留时间。在此反应器中接种同型产乙酸功能菌群，在156 A/m2电极电流密度条件下，鼓泡塔的存在可将反应器的库伦效率从5%提高到70%。该反应器的产乙酸速率达到898 g/m2阴极/d（1.2 g/L反应器/d），是绝大多数基于生物膜的MES反应器产乙酸速率的10倍以上。
图1 电解氢气鼓泡塔微生物电合成反应器示意图
为了进一步强化反应器内的气液传质和提高反应器的生物量，课题组与西安交大能动学院王云海教授合作，设计开发了电解氢气移动床生物膜反应器（图2）。移动床内填料的存在，进一步提升了氢气泡的停留时间，强化了气液传质，同时提高了反应器内的生物量。该反应器将前一种反应器的产乙酸速率提升了四倍，达到4.1 g/L反应器/d。此外，在该反应器内接种产甲烷功能菌群，在2 A的恒电流运行模式下，反应器的库伦效率高达92.5%，甲烷的产率最高可达1.4L/L反应器/d（141.5 L/m2阴极/d），是已报道最大值的两倍左右。
图2 电解氢气移动床生物膜反应器示意图
以上研究成果为MES系统电流密度的进一步提升提供了新的思路，初步实现了高电流密度条件下的高库伦效率乙酸和甲烷合成。同时，以上反应器尺寸比已报道MES反应器高出近两个数量级，为MES反应器的设计放大提供了一定的理论基础和实践经验。微生物电合成的研究将会对我国“3060双碳”目标的实现提供一种新的技术保障，同时也为可再生电能的储存提供了新的方法和思路。
以上电解氢气鼓泡塔反应器获得中国发明专利一项（发明名称：一种电解氢气鼓泡塔微生物电合成反应器及其使用方法，发明人：郭坤，专利号：ZL201910677926.7）。电解氢气移动床生物膜反应器成果以“An electrolytic-hydrogen-fed MBBR for efficient microbial electrosynthesis of methane from CO2”为题发表于 Chemical Engineering Journal ,论文第一作者为西安交大化工学院助理教授蔡文芳，郭坤特聘研究员和王云海教授为共同通讯作者。
以上工作获得了国家自然科学基金、陕西省基金、中国博士后面上项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132093
