一种电化学-微生物一体化集成固定制造技术

本发明专利技术公开了一种电化学

【技术实现步骤摘要】
一种电化学
‑
微生物一体化集成固定CO2合成单细胞蛋白的系统、方法及其用途


[0001]本专利技术属于电化学和微生物
，涉及一种电化学
‑
微生物一体化集成固定
CO2合成单细胞蛋白的系统
、
方法及其用途
。
具体来说，本专利技术涉及一种包含
CO2电催化还原制甲酸，以及甲酸发酵合成单细胞蛋白的碳固定系统及合成方法
。

技术介绍

[0002]化学电催化可以将
CO2高效转化为
C1/C2产物（
Wang G, Chen J, Ding Y, et al. Electrocatalysis for CO
2 conversion: from fundamentals to value
‑
added products. Chemical Society Reviews, 2021, 50(8): 4993
‑
5061
）
。
但是目前电催化剂较差的
C
‑
C
偶联能力，使其很难实现高碳数产物的转化（
C
n
, n>3
）
。
生物催化可以高效利用
C1/C2底物合成长链产物，但是其直接固定
CO2速率较低（
Bierbaumer S, Nattermann M, Schulz L, et al. Enzymatic conversion of CO2: from natural to artificial utilization. Chemical Reviews, 2023, 123 (9) , 5702
‑
5754
）
。
将化学电催化与生物催化融合可能是一个有效的提升
CO2转化与利用效率的策略
。
目前采用这种策略可以实现
CO2到糖类
、
塑料和脂肪酸的转化（
Zheng T, Zhang M, Wu L, et al. Upcycling CO
2 into energy
‑
rich long
‑
chain compounds via electrochemical and metabolic engineering. Nature Catalysis, 2022, 5(5): 388
‑
396
；
Hann E C, Overa S, Harland
‑
Dunaway M, et al. A hybrid inorganic
–
biological artificial photosynthesis system for energy
‑
efficient food production. Nature Food, 2022, 3(6): 461
‑
471
；
Zhang P, Chen K, Xu B, et al. Chem
‑
bio interface design for rapid conversion of CO
2 to bioplastics in an integrated system. Chem, 2022, 8(12): 3363
‑
3381.
），未见到蛋白质的转化报道
。
且这些过程中一般采用多步过程实现，涉及中间产物的提纯
、
浓缩等过程，从而增加过程工艺和成本
。
[0003]单细胞蛋白又称微生物蛋白
、
菌体蛋白可由各类菌体发酵获得
。
其组成以蛋白质为主，同时富含维生素
、
无机盐
、
脂肪和糖类等，其营养价值优于鱼粉和大豆粉，可用于饲料
、
食品添加剂
、
人造肉等，具有广阔的应用市场
。
目前，常用的合成单细胞蛋白的方法往往需要使用氢气等易燃易爆气体辅助生长（
CN110678539A、US20190390158A1、CN109154006A、CN113764040B、CN115704045A
），较高的气体回收成本和潜在的安全性问题可能会限制其应用
。
此外，常用的合成单细胞蛋白的方法往往需要添加额外的碳源如蛋白胨
、
酵母粉等，很难以
CO2作为唯一碳源进行生长
。
[0004]因此，亟待开发一种技术简单
、
可操作性强
、
安全性高
、
固碳效率高的
CO2固定生产单细胞蛋白的系统与方法
。

技术实现思路

[0005]专利技术要解决的问题
[0006]目前
CO2的利用率不高
、CO2固定之后还需要分离固定后的产物等复杂的工序才能够用于制备单细胞蛋白，且在单细胞蛋白的制备过程中，需要添加各种氢气等活跃的气体，生产过程安全性低
。
[0007]用于解决问题的方案
[0008]基于以上技术问题，本专利技术提供了一种
CO2固定合成单细胞蛋白的一体化集成系统及合成方法，实现直接固定
CO2并生产单细胞蛋白的方法
。
[0009]技术方案如下：
[0010][1]. 一种合成单细胞蛋白的系统，其中，所述系统包含如下（
i
）和（
ii
）：
[0011]（
i
）电催化单元，其通过电催化而制备甲酸或甲酸盐；
[0012]（
ii
）发酵单元，其使得在所述甲酸或甲酸盐的存在下进行发酵以制备单细胞蛋白；
[0013]所述电催化单元是通过液体流动电池体系将碳源气体固定为甲酸或甲酸盐；
[0014]所述发酵单元中，利用源自于所述电催化单元的甲酸或甲酸盐和以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物，发酵生产单细胞蛋白
。
[0015][2]. 根据
[1]所述的合成单细胞蛋白的系统，其中，所述液体流动电池体系包括阴极电解液和阴极催化剂；所述阴极催化剂包括铜基电催化剂
、
锡基电催化剂
、
铟基电催化剂和
/
或铋基电催化剂；优选为铜基电催化剂；更优选地，所述铜基电催化剂通过高温煅烧和电沉积两步法制备得到；
[0016]优选地，所述阴极催化剂表面覆盖有一层阴离子交换膜；
[0017]具体地，所述铜基电催化剂是先利用氯化铜进行高温煅烧，更具体地，是将巯基丁二酸
、
二水合氯化铜
、
氯化钾和氯化钠混合进行高温煅烧，将高温煅烧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述系统包含如下（
i
）和（
ii
）：（
i
）电催化单元，其通过电催化而制备甲酸或甲酸盐；（
ii
）发酵单元，其使得在所述甲酸或甲酸盐的存在下进行发酵以制备单细胞蛋白；所述电催化单元是通过液体流动电池体系将碳源气体固定为甲酸或甲酸盐；所述发酵单元中，利用源自于所述电催化单元的甲酸或甲酸盐和以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物，发酵生产单细胞蛋白
。2.
根据权利要求1所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述液体流动电池体系包括阴极电解液和阴极催化剂；所述阴极催化剂包括铜基电催化剂
、
锡基电催化剂
、
铟基电催化剂和
/
或铋基电催化剂
。3.
根据权利要求1或2所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述液体流动电池体系还包含用于发生氧气析出反应的阳极电解液和阳极催化剂；所述阳极电解液包含碱金属碳酸盐或氢氧化物，所述阳极催化剂包含泡沫镍
、
氧化铱和
/
或铂
。4.
根据权利要求2所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述阴极电解液包含
5~50 g/L KHCO3，
0.05~2 g/L (NH4)2SO4，
0.3~1.0 g/L NaCl
，
0.3~1.0 g/L MgCl2·
6H2O
，
0.05~0.2 g/L CaCl2·
2H2O
，
0.3~1.0 g/L KCl
和
0.1~1.0 g/L KH2PO4。5.
根据权利要求1或2所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，阳极电解液和阴极电解液之间通过质子交换膜分隔；所述碳源气体包含二氧化碳
。6.
根据权利要求1或2所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物包括甲酸基单细胞蛋白菌株或罗尔斯通氏菌
。7.
根据权利要求1或2所述的合成单细胞蛋白的系统，其特征在于，所述的发酵单元中还包含培养基；所述培养基包含
5~50 g/L KHCO3，
0.05~2 g/L (NH4)2SO4，
0.3~1.0 g/L NaCl
，
0.3~1.0 g/L MgCl2·
6H2O
，

【专利技术属性】
技术研发人员：崔会娟，张玲玲，刘伟松，李德茂，
申请(专利权)人：中国科学院天津工业生物技术研究所，
类型：发明
国别省市：