一种厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的装置及方法

本发明属于生物化工和能源环境，具体涉及一种厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的装置及方法。

背景技术：

1、将二氧化碳以可持续的方式转化为有价值的产品，不仅有助于解决环境问题，还能为循环碳经济的构建开辟新途径。在这一背景下，微生物电合成（mes）作为一种新兴的电化学co2还原技术，凭借其高产物选择性、高能源效率和良好的稳定性，在环境和能源领域备受瞩目。

2、然而，当前mes的主要产品——乙酸，由于价值低且难以提取，限制了其实际应用。为了推动mes走向市场，将乙酸原位转化为高附加值化学品成为了一种有前景的策略。开发可再生电能驱动的微生物固碳产菌体蛋白技术，不仅能有效储存可再生电能，还有助于推动实现双碳目标。

3、目前，此类微生物蛋白合成技术多采用电解水产生h2和o2，再通过氢氧化细菌（hob）固定co2并合成菌体蛋白。但hob的使用存在安全风险，且h2在水中的溶解度低，限制了气液传质。针对这些挑战，研究者们提出了两阶段生物处理系统，其中通过能量和催化剂将co2转化为c1或c2物质（如甲醇、乙酸等）作为微生物产生菌体蛋白的碳源，成为了一种替代途径。

4、当前，结合mes与乙酸利用的两阶段工艺已展现出巨大潜力，但现有的两阶段装置中培养基未实现再循环，导致废水和养分的大量浪费。同时，由于乙酸在mes反应器中未能及时去除，现有的工艺无法有效缓解产物抑制问题。

5、因此，如何开发更先进的两阶段装置，实现再循环，并避免废水和养分的大量浪费，已成为当前本领域技术人员亟待攻克的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的装置及方法，以克服现有技术中两阶段装置培养基未实现再循环，导致废水和养分的大量浪费的问题，同时避免微生物蛋白生产过程中在好氧条件下直接使用h2有关的安全问题，进而促进微生物电合成的实际工程化应用。

2、本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的装置，包括厌氧反应装置、好氧反应装置及耦合装置；

4、耦合装置包括第一液体循环泵和第三液体循环泵；

5、好氧反应装置包括连续搅拌槽反应器、第二液体循环泵及第二中空纤维膜组件；第二中空纤维膜组件的顶部设置有第一出液口，侧边设置有第二出液口；连续搅拌槽反应器包括反应釜和釜盖，在反应釜内设置有穿过釜盖的气体排出管、o2进气管、搅拌桨、液体出样管及液体进样管，其中，o2进气管、液体出样管、及搅拌桨的底部均位于反应釜内的培养基溶液中，液体出样管的第一端依次经第二中空纤维膜组件的进液口、第一出液口、第二液体循环泵连接至液体进样管；

6、厌氧反应装置包括鼓泡塔、电解槽及活接；电解槽包括阳极和阴极，阳极内侧设置管状的阳离子交换膜，阳离子交换膜内侧设置有阴极，阳离子交换膜通过活接连接鼓泡塔的底部，阳离子交换膜的内壁和鼓泡塔连通形成阴极室，阳离子交换膜的外侧与电解槽的内壁之间形成阳极室；鼓泡塔内悬挂有第一中空纤维膜组件，第一中空纤维膜组件的顶部设置有出液口，出液口经第一液体循环泵连接至液体进样管；第二出液口通过液体循环线路经第三液体循环泵、电解槽底部的入口与阴极室连通。

7、进一步地，好氧反应装置还包括控制面板；在反应釜内还设置有穿过釜盖的溶氧电极、ph电极、温度探头，控制面板与溶氧电极、ph电极、温度探头及搅拌桨连接，用于在线监测溶解氧含量、ph值和温度以及自动控制搅拌桨。

8、进一步地，鼓泡塔外壁设置有加热套。

9、一种厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的方法，使用上述装置，包括以下步骤：

10、s1利用厌氧反应装置制备含乙酸的无菌体培养液

11、s1.1在阳极室和阴极室内分别加入阳极液和阴极液，向阴极液中通入co2，接通直流电源，使厌氧反应装置在无菌状态下运行，去除阴极液中的溶解氧，并得到阴极电解产生的氢气；

12、s1.2向鼓泡塔内接种能利用氢气还原co2的产乙酸菌，产乙酸菌在鼓泡塔内以悬浮状态存在，并利用氢气将co2还原为乙酸，得到含乙酸的无菌体培养液；

13、s1.3含乙酸的无菌体培养液通过第一液体循环泵输送到反应釜；

14、s2利用好氧反应装置合成单细胞蛋白

15、s2.1向反应釜内加入与阴极液成分相同的培养基溶液，通入o2，并通过液体进样管进行酸、碱的补加维持反应釜内的ph值为7；

16、s2.2向反应釜内接种乙酸利用菌，乙酸利用菌以悬浮状态存在，利用无菌体培养液中的乙酸为碳源，合成单细胞蛋白；

17、s3循环利用培养基溶液

18、s3.1第二中空纤维膜组件对反应釜内的培养基溶液进行过滤，含有乙酸利用菌的培养基溶液，在第二液体循环泵的作用下，返回反应釜内；不含有乙酸利用菌的培养基溶液经第三液体循环泵送入阴极室，进行循环利用。

19、进一步地，阳极液为0.2 mol/l 的na2so4溶液。

20、进一步地，阴极液为包含6 g/l na2hpo4、3 g/l kh2po4、6.1 g/l nh4cl、0.5 g/lnacl、0.1 g/l mgso4·7h2o、0.0146 g/l cacl2和4 g/l nahco3、1 ml/l 微量元素及1 ml/l维生素的溶液。

21、进一步地，步骤s1.2中，产乙酸菌为乙酸杆菌。

22、进一步地，乙酸利用菌为产碱杆菌和黄杆菌中的一种。

23、进一步地，步骤s1和步骤s2的反应温度均为30 ± 2℃。

24、进一步地，单细胞蛋白含有苏氨酸、赖氨酸、亮氨酸、组氨酸、精氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。

25、与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

26、本发明提供的厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的装置是基于第二中空纤维膜组件连接的培养基溶液，在鼓泡塔和连续搅拌槽反应器之间间循环流动的微生物合成装置。利用厌氧反应装置制备的含乙酸的无菌体培养液，通过第一液体循环泵持续输送到连续搅拌槽反应器的反应釜内，既避免了微生物电合成的产物抑制，又减少了维持ph而添加的碱液量，进而降低生产成本；通过第二中空纤维膜组件对反应釜内的培养基溶液进行过滤，将不含有乙酸利用菌的培养基溶液经第三液体循环泵送入阴极室内，继续进行乙酸的生产，循环流动不仅减少了废水的形成，还避免了营养物质的流失。与传统的电化学co2还原相比，本发明提供的装置具有较高的产物选择性和稳定性；与氢氧化菌在好氧条件下直接利用h2生产单细胞蛋白相比，本发明提供的两步法合成单细胞蛋白，以乙酸作为中间代谢物更加安全高效。

27、进一步地，本发明好氧反应装置还包括控制面板，通过电路控制溶氧电极、ph电极、温度探头和搅拌桨，实现反应过程中溶解氧含量、ph值和温度自动控制与在线监测，从而提高生物质产率。

28、本发明提供的厌氧-好氧耦合电发酵固碳产菌体蛋白的方法，制备出的单细胞蛋白，平均单细胞蛋白生产速率高达1.65 g/l/d，且单细胞蛋白中富含苏氨酸、赖氨酸、亮氨酸、组氨酸、精氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等多种必须氨基酸和条件必须氨基酸。