模块化多阴极微生物电合成技术，可实现CO2向乙酸的高效规模化转化

《Bioelectrochemistry》：Modular multi-cathode microbial electrosynthesis enabling predictable scale-out conversion of CO 2 to acetate

　　

摘要

微生物电合成技术利用能够进行电合成的微生物将二氧化碳转化为有价值的中间化学品，从而实现可持续的负碳二氧化碳捕获与利用。然而，该技术的反应器放大仍然面临挑战，因为增大电极面积和反应器体积往往会降低电化学和生物反应的均匀性，进而影响放大后系统的性能。本文提出了一种模块化多阴极室结构，多个位于独立腔室中的阴极共享同一个阳极，这样既能够实现系统的模块化扩展，又能保持生物电化学反应的均匀性。通过增加阴极腔室的数量，这种多阴极结构的活动范围从0.25升逐步扩大到2升。在反应器规模扩大八倍的过程中，醋酸的产生量与反应器总体积及阴极表面积之间存在线性关系（R2=0.99）。此外，表面归一化的生物膜密度、法拉第效率以及碳向醋酸的转化率在不同规模下均保持一致，且生物电化学性能没有因规模扩大而下降。这些结果表明，多阴极结构有助于实现二氧化碳到醋酸的电合成过程的稳定放大，为其实际应用奠定了基础。

引言

微生物电合成技术借助可再生的电能以及具有自我复制能力的电合成微生物，将二氧化碳转化为有价值的有机中间体。这项技术为二氧化碳捕获与利用提供了有效的解决方案，有助于减少温室气体排放，并实现人类活动产生的二氧化碳的合理利用。与传统二氧化碳转化工艺相比，基于微生物的电合成技术所需的电能更低，更为环保，是实现负碳二氧化碳捕获与利用技术的理想选择。

传统的微生物电合成反应器采用单个阳极与通过质子交换膜分隔的独立腔室中的阴极相连接的结构。在这种结构中，阳极上持续的氧还原反应为阴极处的二氧化碳转化反应提供电子和质子。阴极腔室中的电活性微生物利用质子和电子的还原当量，通过直接或间接的电子转移方式吸收二氧化碳。以往的研究中曾使用过瓶型双腔反应器、流动电池结构、无间隙电池以及无膜系统。不过，大多数微生物电合成反应器仍采用传统的单阳极单阴极结构。而且，通过增大单个电极面积和反应器体积来实现几何放大，往往会导致系统均匀性和可靠性的下降。因此，由于传统的电极布置以及包含阳极、阴极和离子交换膜的反应器结构，微生物电合成技术的放大面临着诸多挑战。

近期关于微生物电合成技术放大的研究显示，当从毫升级系统或实验室规模的反应器转向升级后的系统时，其性能会出现显著下降。Kim等人开发了一个3升的微生物电合成反应器，用于通过将二氧化碳转化为甲烷来提升厌氧消化产生的沼气质量。他们发现，该反应器的甲烷产量和法拉第效率明显低于较小的原型反应器（0.25升）。Enzmann等人则构建了一个50升的微生物电合成反应器用于二氧化碳制甲烷，但该实验室规模反应器的电流密度和体积生产率较低，仅为1升规模反应器的16%。此外，Izadi等人指出，阴极表面微生物电合成生物膜的生长缓慢也是该技术发展的一个重要限制。因此，通过增大电极面积和反应器体积来尝试放大微生物电合成系统时，会延缓生物膜的形成与成熟，进而影响系统的性能和稳定性。

在微生物电合成系统中，增大电极表面积和反应器体积会不可避免地增加电极与质子交换膜之间的距离，从而导致电流分布不均和pH值梯度变化，进而增加欧姆电阻。这些因素会导致反应器内生物膜的形成不均匀，以及电化学行为的不均衡。总体而言，大多数放大尝试并未使系统的性能与体积和电极面积成正比增长，反而出现了性能下降的情况。

为了解决因传统几何放大方式带来的种种限制，本文提出了一种采用共享阳极的多阴极结构，通过增大单个电极和反应器腔室的尺寸来实现系统的放大。该多阴极结构的性能通过电化学响应、非生物氢气产生情况以及二氧化碳向醋酸的转化效率等指标，并结合阴极面积的变化进行了评估。同时，还通过表面归一化的蛋白质和多糖含量来检测阴极上的生物膜积累情况。此外，还对系统级的放大效果进行了分析，包括能源消耗、二氧化碳利用效率以及醋酸产量等方面，以此评估模块化微生物电合成系统放大的可行性。

内容片段

微生物电合成反应器的设计、培养条件与操作流程

这种多阴极室结构的微生物电合成反应器是通过将多个阴极腔室与一个共享的阳极腔室及电极相结合而构成的。如图S1所示，每个模块化的阴极腔室包含一个独立的阴极容器（其总容积和工作容积分别为300毫升和250毫升），该容器与质子交换膜相连。质子交换膜通过硅胶粘合剂固定在每个阴极腔室的膜接口处，以确保其密封性。

电极面积增大时单阴极微生物电合成系统的电化学行为

非生物氢气产生速率可作为评估不同阴极面积和电解质浓度下电化学性能的指标。图2展示了在不同磷酸盐缓冲液浓度下，阴极表面积对单阴极系统中电流消耗和非生物氢气产生量的影响。研究中使用了表面积为15平方厘米、30平方厘米和60平方厘米的碳毡阴极，在不同磷酸盐缓冲液浓度下的单腔室微生物电合成系统中进行了测试。

结论

本研究成功开发出一种可用于将二氧化碳转化为醋酸的可放大多阴极室结构微生物电合成系统。通过将MC-1到MC-8型号的阴极腔室进行模块化扩展，随着工作体积和阴极表面积的增加，醋酸产量、二氧化碳消耗量以及能源投入量也呈线性增长趋势（R2=0.99）。此外，表面归一化的生物膜密度以及法拉第效率和碳回收效率在不同规模的反应器中均保持一致。

作者贡献说明

李书伟：论文撰写——初稿撰写、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。金敏洙：方法设计、实验研究、概念构思。刘子悦：方法设计、正式分析、数据整理。金恩瑞：实验研究、正式分析、数据整理。宋英恩：论文撰写——审阅与编辑、结果验证。金正莱：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究指导、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会的“中年研究人员计划”（编号RS-2026-25483368）以及韩国政府（科学信息通信部）资助的科研成果商业化促进机构（COMPA）的资助（编号RS-2023-00304764）。此外，本研究还部分得到了韩国中小企业技术信息促进局及中小企业创业部资助的“技术发展计划”（编号S3430356）的支持。

李书伟|金敏洙|刘子悦|金恩瑞|宋英恩|金正莱

中国青海省西宁810016，青海理工学院工程学院