An electrolytic bubble column with an external hollow fiber membrane gas-liquid contactor for effective microbial electrosynthesis of acetate from CO2  

采用外置中空纖維膜氣液接觸器的電解氣泡柱用于高效微生物電合成CO2制乙酸  

來源：Chemical Engineering Journal，471 (2023) 144296

《化學(xué)工程雜志》，第471卷，2023年，文章編號(hào)：144296

 

摘要內(nèi)容：  

研究開發(fā)了一種新型電解氫氣氣泡柱反應(yīng)器（electro-H? bubble column reactor），結(jié)合外置中空纖維膜（HFM）氣液接觸器，用于微生物電合成（MES）CO?制乙酸。該設(shè)計(jì)通過電解槽在陰極產(chǎn)生H?微氣泡（平均直徑169±7μm，電流密度156 A/m2），氣泡柱延長(zhǎng)H?停留時(shí)間，外置HFM接觸器回收未利用氣體。富集同型乙酸菌的反應(yīng)器在5.5 L陰極電解液（傳統(tǒng)MES反應(yīng)器體積的10倍）中實(shí)現(xiàn)最大乙酸產(chǎn)率1.15 g/L/d（對(duì)應(yīng)898 g/m2陰極/d）、乙酸濃度34.5 g/L，電子到乙酸的庫侖效率（CE）平均64%（最高92%）。溶解H?測(cè)量和微生物群落分析表明高乙酸產(chǎn)率源于H?過飽和及良好傳質(zhì)。  

 

研究目的：  

解決傳統(tǒng)生物膜驅(qū)動(dòng)MES反應(yīng)器電流密度低、啟動(dòng)慢的問題，通過非生物膜驅(qū)動(dòng)的H?介導(dǎo)策略實(shí)現(xiàn)高效CO?生物轉(zhuǎn)化。  

 

研究思路：  

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：底部電解槽產(chǎn)生H?微氣泡，頂部氣泡柱延長(zhǎng)氣液接觸，外置HFM接觸器回收未反應(yīng)氣體（圖1）。  

 

 

操作優(yōu)化：恒定電流1 A（156 A/m2），控制陰極電解液pH=7.0，CO?/H?進(jìn)料比1:1.9（略低于乙酸合成理論比2:1）。  

 

性能驗(yàn)證：分三批次運(yùn)行（共105天），監(jiān)測(cè)乙酸產(chǎn)率、菌體密度、氣體利用效率及微生物群落演化。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（標(biāo)注來源圖/表）：  

H?氣泡尺寸分布（圖2a）：平均直徑169±7μm，證實(shí)微氣泡增強(qiáng)氣液傳質(zhì)界面。  

 

溶解H?濃度（圖2b）：未通CO?時(shí)達(dá)1052±6 μmol/L（比100% H?鼓泡高23%），證明H?過飽和態(tài)提升底物可利用性。  

 

乙酸產(chǎn)率與濃度（圖3a）：第三批次達(dá)峰值1.15 g/L/d和34.5 g/L，為傳統(tǒng)MES反應(yīng)器2–3倍（對(duì)比表1數(shù)據(jù)）。  

 

 

氣體利用效率（圖4a）：H?平均利用率82%，穩(wěn)態(tài)近100%，表明HFM接觸器有效回收氣體。  

 

微生物群落（圖5）：同型乙酸菌Acetobacterium占比>90%（穩(wěn)態(tài)期），主導(dǎo)乙酸合成；批次末期出現(xiàn)異養(yǎng)菌（如Proteiniphilum）降解菌體釋放乙酸。  

 

 

電子平衡（圖4b）：57%電子流向乙酸，21%至其他產(chǎn)物/菌體，22%以H?形式殘留。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

量化H?過飽和狀態(tài)：直接測(cè)量溶解H?濃度（圖2b），證實(shí)電解微氣泡使液相H?濃度比傳統(tǒng)鼓泡高23%，為高乙酸產(chǎn)率提供底物保障。  

 

指導(dǎo)反應(yīng)器調(diào)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示CO?通入后溶解H?降至674 μmol/L（仍比65% H?鼓泡高22%），說明HFM接觸器維持高效氣液傳質(zhì)，避免H?浪費(fèi)。  

 

關(guān)聯(lián)生物活性：H?過飽和態(tài)（>1000 μmol/L）與Acetobacterium豐度（>90%）協(xié)同作用（圖3a, 圖5），支撐“高H?可用性→高乙酸產(chǎn)率”假說。  

 

結(jié)論：  

新型反應(yīng)器通過電解H?微氣泡、氣泡柱延滯及HFM氣體回收，實(shí)現(xiàn)非生物膜驅(qū)動(dòng)MES的高性能（乙酸產(chǎn)率1.15 g/L/d，濃度34.5 g/L）。  

 

Unisense電極證實(shí)H?過飽和是高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，Acetobacterium主導(dǎo)代謝途徑。  

 

該設(shè)計(jì)為MES規(guī)模化提供新方向，尤其適合H?依賴型CO?生物轉(zhuǎn)化過程。