CN117106675B

CN117106675B - 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

Info

Publication number: CN117106675B
Application number: CN202311371634.3A
Authority: CN
Inventors: 崔会娟; 张玲玲; 刘伟松; 李德茂
Original assignee: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Current assignee: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Priority date: 2023-10-23
Filing date: 2023-10-23
Publication date: 2024-01-05
Anticipated expiration: 2043-10-23
Also published as: CN117106675A

Abstract

本发明公开了一种电化学‑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，具体涉及一种包含CO₂固定及生产单细胞蛋白的系统，属于电化学和微生物技术领域。所述系统包括电催化CO₂还原制甲酸单元和利用甲酸发酵制单细胞蛋白单元。所述电催化CO₂还原制甲酸单元合成的甲酸盐，通过滤膜传输到甲酸发酵制单细胞蛋白单元，作为碳源实现单细胞蛋白的生长，实现了甲酸的即产即用。并且在合成过程中不需要使用氢气等易燃易爆气体辅助培养，具有成本降低、技术简单、可操作性强、安全高效等优点。

Description

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

技术领域

本发明属于电化学和微生物技术领域，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，本发明涉及一种包含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。

背景技术

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 CO₂ conversion: from fundamentals to value-addedproducts. 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 artificialutilization. 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 CO₂ intoenergy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolicengineering. Nature Catalysis, 2022, 5(5): 388-396；Hann E C, Overa S,Harland-Dunaway M, et al. A hybrid inorganic–biological artificialphotosynthesis system for energy-efficient food production. Nature Food,2022, 3(6): 461-471；Zhang P, Chen K, Xu B, et al. Chem-bio interface designfor rapid conversion of CO₂ 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。

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。

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。

发明内容

发明要解决的问题

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。

用于解决问题的方案

基于以上技术问题，本发明提供了一种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。

技术方案如下：

[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）：

（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[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；

优选地，所述阴极催化剂表面覆盖有一层阴离子交换膜；

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，将高温煅烧得到的产物再进行电沉积制备得到。

[3]. 根据[1]或[2]所述的合成单细胞蛋白的系统，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[1]~[3]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统，其还包含阴极电解液，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，0.3~1.0g/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；优选为8~25 g/L KHCO₃，0.2~1 g/L (NH₄)₂SO₄，0.4~0.6 g/L NaCl，0.4~0.6 g/L MgCl₂·6H₂O，0.05~0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.4~0.6 g/L KCl和0.1~0.3 g/L KH₂PO₄。

[5]. 根据[1]~[4]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统，所述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[1]~[5]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统，其中，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；

优选为副球菌(Paracoccus communis)MA5，其为专利公开号CN112646740A中的MA5菌株。

[7]. 根据[1]~[6]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统，其中，所述的发酵单元中还包含培养基，可选地，还包加热温控组件、搅拌组件；

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，0.05~0.2 g/L CaCl₂·2H₂O，0.3~1.0 g/L KCl和0.1~1.0 g/LKH₂PO₄；优选为8~25 g/L KHCO₃，0.2~1 g/L (NH₄)₂SO₄，0.4~0.6 g/L NaCl，0.4~0.6 g/LMgCl₂·6H₂O，0.05~0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.4~0.6 g/L KCl和0.1~0.3 g/L KH₂PO₄。

[8]. 一种合成单细胞蛋白的方法，其中，所述方法是利用如[1]~[7]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统合成单细胞蛋白，以及，可选地，包含分离所述单细胞蛋白的步骤。

[9]. 根据[8]所述的合成单细胞蛋白的方法，其中，在合成单细胞蛋白的步骤中，包括以下步骤（a）~（f）中的一种或多种：

（a）向所述发酵单元加入所述以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物；

（b）按照20~100 sccm的流速向所述液体流动电池体系的阴极通入碳源气体，优选地，按照60 sccm的流速通入碳源气体；

（c）按照1~3 mL/min的量向所述液体流动电池体系的阴极中加入阴极电解液；

（d）发酵单元中，发酵体系的pH为5.5~9.0，更优选为6.5~7.5；

（e）发酵单元中，发酵体系的温度为20~50℃，更优选为37℃；

（f）发酵单元中，发酵的时间为1~3天，更优选为2天；

可选地，所述步骤（a）中，在CO₂还原反应1~3h后，向所述发酵单元中加入以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物；

优选地，所述步骤（a）中，在CO₂还原反应3h后，向所述发酵单元中加入以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物。

[10]. 如[1]~[7]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统在制备单细胞蛋白中的用途。

[11]. 一种铜基电催化剂，其中，所述铜基电催化剂应用于[1]~[7]任一项所述的合成单细胞蛋白的系统中，所述铜基电催化剂的制备包含：

高温煅烧步骤：利用氯化铜进行高温煅烧；以及，

电沉积步骤：将煅烧后的产物进行电沉积；

所述高温煅烧的温度不低于800℃。

[12]. 根据[11]所述的铜基电催化剂，其中，所述高温煅烧步骤中，将巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠混合进行热解，得到高温煅烧的产物；

可选地，巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠的摩尔比为(2~3):(2~3):(1~2):(0.4~1)，优选为(2.5~3)：(2.5~3):(1~1.5):(0.4~0.6)，更优选为(2.5~2.6)：(2.5~2.6):(1~1.1):(0.5~0.6)，进一步优选为2.52:2.52:1.01:0.5；

可选地，将混合物在在氩气气氛、不低于900℃下热解不少于1.5小时，优选为在900℃下热解2h。

[13]. 根据[11]或[12]所述的铜基电催化剂，其中，以硫酸和硫酸铜为电解液、以汞/硫酸亚汞为参比电极，将高温得到的产物在负电压下进行电沉积，制备得到所述铜基电催化剂。

发明的效果

本发明提供的合成单细胞蛋白的系统，可实现碳源的直接固定及单细胞蛋白的生产，CO₂通过电催化单元还原生成的甲酸或甲酸盐，电解液同时可作为发酵培养基，产物无需进行分离、提纯，即可用于后续单细胞蛋白的生产，操作简单便捷、降低了生产成本；并且无需氢气等易燃易爆气体辅助反应，提升了生产的安全性。

附图说明

图1为CO₂固定合成单细胞蛋白的一体化集成系统示意图。

图2为MA-Cu-1:2-900-Cu电催化剂的扫描电镜图。

图3为MA-Cu-1:2-900-Cu在流动电池体系中不同电压下的甲酸法拉第效率和形成速率图谱；图3中的(a)显示了甲酸钾法拉第效率；图3中的(b)显示了甲酸钾形成速率。

图4为MA5菌株在含有碳酸钾培养基中甲酸钠消耗和菌体生长情况图谱。

图5为MA-Cu-1:2-900-Cu为电催化剂，预先还原1h后接菌，菌体生长情况检测图谱。

图6为MA-Cu-1:2-900-Cu为电催化剂，预先还原3h后接菌，菌体生长情况检测图谱。

图7为Cu和MA-Cu-1:2-900的扫描电镜图；图7中的(a)为直接一步电沉积制备得到的铜基电催化剂Cu的扫描电镜图；图7中的(b)为直接一步高温煅烧制备得到的铜基电催化剂MA-Cu-1:2-900的扫描电镜图。

图8为Cu和MA-Cu-1:2-900在-0.78V电压下的甲酸法拉第效率图。

图9为MA-Cu-1:2-900为电催化剂时，菌体生长情况检测图谱。

图10为在含钙镁离子阴极电解液中不加阴离子膜对甲酸法拉第效率的影响图谱。

具体实施方式

以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如无特殊声明，本说明书中所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所不可避免的系统性误差。

本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。

本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素（例如，特征、结构、性质和/或特性）包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。

本说明书中，使用“数值A~数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。

本说明书中，“任选的”或“任选地”是指接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本说明书中，术语“法拉第效率”（Faradaic efficiency，FE）指实际生成物和理论生成物的百分比；其大小受温度、电解质浓度、施加电压、溶液酸度甚至电极材料纯度的影响。Faraday efficiency=(m×n×F)/(I×t)，其中m为生成物实际摩尔数，n为反应电子数，F为法拉第常数，即一摩尔电子所含的电量，I为电流，t为时间。

本说明书中，OD₆₀₀指的是某种溶液在600nm波长处的吸光值。

<第一方面>

本发明的第一方面中，提供了一种合成单细胞蛋白的系统，其包含如下（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单元。

[电催化单元]

根据本发明的一些实施方案，所述电催化单元是通过液体流动电池体系（例如其中的电催化剂，具体如阴极催化剂）将碳源气体固定为甲酸或甲酸盐；进一步地，所述碳源气体为二氧化碳，在液体流动电池体系将CO₂电催化制备甲酸或甲酸盐。具体地，在液体流动电池体系中，通过阳极发生氧气析出反应，电解水生成氧气，由阴极CO₂接受电子和质子被还原，反应式为：

CO₂ + 2H⁺+ 2e^－→ HCOOH。

在一些实施方式中，所述液体流动电池体系中包括阳极和阴极，所述阳极包含阳极电解液和阳极催化剂，所述阴极包含阴极电解液和阴极催化剂。

在一些具体的实施方式中，所述阳极电解液和阴极电解液之间通过质子交换膜分隔。

质子交换膜又称为“聚合物电解质膜”(PEM)，是一种离子选择性透过的半透膜，在电池中起到为质子迁移和传输提供通道、分离气体反应物并阻隔电解液的作用。质子交换膜可以由纯聚合物膜或复合膜制成，其中其他材料嵌入聚合物基质中。其包含均质膜和复合膜，均质膜主要包含全氟磺酸（PSFA）质子交换膜、部分氟化聚合物质子膜和非氟化聚合物质子膜。

在本发明一些具体的实施方案中，可选用全氟磺酸质子交换膜，所述全氟磺酸质子交换膜包括杜邦Nafion™系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion®膜、旭化成Aciplex®-S膜、东岳DF膜等；例如，杜邦Nafion 117膜、杜邦Nafion 115膜、杜邦Nafion 212膜、东岳DF988、东岳DF2801等。在一些具体的实施方案中，质子交换膜选用杜邦Nafion 212膜。

（阴极催化剂）

在一些实施方式中，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。

进一步地，所述铜基电催化剂、锡基电催化剂、铟基电催化剂和/或铋基电催化剂可通过本领域常规的方法制备得到。

在本发明一些优选的实施方式中，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。

在一些示例性的实施方案中，先利用巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠混合进行高温煅烧，所述高温煅烧可通过本领域已知的任何方式进行。具体步骤为：

（1）取摩尔比为(2~3):(2~3):(1~2):(0.4~1)的巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠研磨后混合得到混合物；优选地，巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠的摩尔比为(2.5~3)：(2.5~3):(1~1.5):(0.4~0.6)，更优选为(2.5~2.6)：(2.5~2.6):(1~1.1):(0.5~0.6)，进一步优选为2.52:2.52:1.01:0.5；

（2）将混合物在氩气气氛、高温下热解，优选地，升温至约900℃热解，可选地，在约900℃保温2小时（h）；

（3）将热解后的产物用水洗去可溶性金属盐，并干燥；

进一步地，将上述步骤（3）得到的产物进行电沉积，电沉积可通过本领域已知的任何方式进行；金属的电沉积是通过电解方法，即通过在电解池阴极上金属离子的还原反应和电结晶过程在固体表面生成金属层的过程。

在本发明一些实施方案中，所述电沉积具体为：将得到的产物涂布于气体扩散层上，以硫酸和硫酸铜为电解液，汞/硫酸亚汞为参比电极，在负电压下进行电沉积，制备得到所述铜基电催化剂。

在一些实施方式中，所述气体扩散层结构的基材通常为碳纤维产品，如碳纸和碳布，优选地，气体扩散层结构选用碳纸，进一步地，气体扩散层的碳纸可选用来自于TORAY、SGL、Ballard、Avcarb、Freudenberg、科旸、中国台湾碳能等公司的碳纸，例如，Toray(TGP-H-120，TGP-H-60H，YLS-30T，YLS-20)、SGL(GDL 10 BC，GDL 22 BC，GDL 28 BC，GDL 39 BC，GDL 36 BC)、AvCarb (EP40T，EP50T，P75T)。在一些具体的实施方式中，气体扩散层的碳纸选用SGL(GDL 22 BC)。

在一些实施方式中，以0.01~0.1 M（摩尔浓度mol/L）硫酸和0.001~0.01 M硫酸铜为电解液，即硫酸和硫酸铜的摩尔浓度比为10:1，优选为以0.05M和0.005M硫酸铜为电解液。

在一些实施方式中，在-1.5~-0.5 伏（V）电压下、电沉积500~1500秒（s），优选为在-1 V电压下、电沉积1000s，制备得到所述铜基电催化剂。

在一些优选的实施方式中，为有效抑制发酵单元中所含有的钙离子、镁离子等对电催化剂活性的影响，确保所述的合成单细胞蛋白的系统正常、高效运行，需在电催化剂（例如，阴极催化剂）表面覆盖一层阴离子交换膜。

（阴极电解液）

根据本发明的一些实施方案，所述阴极电解液中包含利于CO₂还原用的碳酸氢钾或碳酸氢钠电解质和利于单细胞蛋白生长的无机盐如氯化镁、氯化钙、硫酸铵和磷酸二氢钾等，其与菌体发酵液组分一致。

在一些具体的实施方式中，所述阴极电解液中包含5~50 克/升（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，0.1~1.0 g/L KH₂PO₄；优选为8~25 g/L KHCO₃，0.2~1 g/L (NH₄)₂SO₄，0.4~0.6 g/L NaCl，0.4~0.6 g/L MgCl₂·6H₂O，0.05~0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.4~0.6g/L KCl，0.1~0.3 g/L KH₂PO₄。

（阳极催化剂）

在一些实施方式中，阳极催化剂可为泡沫镍、氧化铱和/或铂等材料，优选为泡沫镍。

（阳极电解液）

在一些实施方式中，所述阳极电解液包含碱金属碳酸盐、氢氧化物和/或卤化盐等无机盐水溶液体系。

在一些优选的实施方式中，所述碱金属碳酸盐选自碳酸氢钾，所述氢氧化物选自氢氧化钠，所述卤化盐为包含Br^-、Cl^-、I^-等卤素离子的物质。

在本发明一些具体的实施方式中，所述阳极电解液为0.05~1.0 M KHCO₃，优选为0.1~0.5 M KHCO₃，更优选为0.5 M KHCO₃。

[发酵单元]

根据本发明的一些实施方案，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为碳源，将可利用甲酸或甲酸盐为碳源的微生物，发酵生产单细胞蛋白。

在一些实施方式中，可利用甲酸或甲酸盐作为碳源生长繁殖并生产单细胞蛋白的微生物菌株都可涵盖在本发明中。任选地，所述微生物菌株包括酵母和/或细菌；优选为甲酸基单细胞蛋白菌株或罗尔斯通氏菌；更优选为甲酸基单细胞蛋白菌株MA5，其为公开号CN112646740A专利中的MA5菌株。

在一些实施方式中，所述的发酵单元中还包含微生物生长、生产蛋白所需的培养基。

进一步地，所述培养基包含5~50 g/L KHCO₃，0.05~2 g/L (NH₄)₂SO₄，0.3~1.0 g/LNaCl，0.3~1.0 g/L MgCl₂·6H₂O，0.05~0.2 g/L CaCl₂·2H₂O，0.3~1.0 g/L KCl和0.1~1.0g/L KH₂PO₄；优选为8~25 g/L KHCO₃，0.2~1 g/L (NH₄)₂SO₄，0.4~0.6 g/L NaCl，0.4~0.6 g/L MgCl₂·6H₂O，0.05~0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.4~0.6 g/L KCl和0.1~0.3 g/L KH₂PO₄。

在一些可选的实施方式中，还包含加热温控组件、搅拌组件；热温控组件和搅拌组件可保证微生物菌株在适合的条件下生长繁殖、发酵生产单细胞蛋白。

在本发明一些具体的实施方式中，在所述培养基和阴极电解液之间通过滤膜（也称为隔膜）分隔，在保证甲酸有效传输的同时抑制菌体的传输。需要说明的是，所述滤膜只要保证发酵室中的培养基和阴极电解液均可正常通过，而发酵室中的微生物无法通过即可。在一些可选的实施方式中，所述滤膜的孔径不大于15微米（μm）、14μm、13μm、12μm、11μm、10μm、9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm。示例性的，本发明中所选用的滤膜的孔径为11μm。

<第二方面>

本发明的第二方面中，提供了一种合成单细胞蛋白的方法，所述方法是利用如第一方面所述的合成单细胞蛋白的系统合成单细胞蛋白，以及，可选地，包含分离所述单细胞蛋白的步骤。

在一些具体的实施方式中，在合成单细胞蛋白的步骤中，包括以下步骤（a）~（f）中的一种或多种：

（a）在合成单细胞蛋白的步骤中，向所述发酵单元加入所述以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物，所述微生物在反应体系中的初始OD₆₀₀为0.1~0.5；

（b）在合成单细胞蛋白的步骤中，按照20~100 sccm（standard cubic centimeterper minute，标准立方厘米每分钟，为体积流量单位）的流速向所述液体流动电池体系的阴极通入碳源气体；优选地，所述碳源气体为CO₂，更优选为加湿的CO₂，尤其为湿度50%~90%的CO₂；按照60sccm的流速通入所述的加湿的CO₂；

（c）在合成单细胞蛋白的步骤中，按照1~3 mL/min（毫升/分钟）的量向所述液体流动电池体系的阴极中加入阴极电解液；

（d）在合成单细胞蛋白的步骤中，发酵单元中，发酵体系的pH为5.5~9.0，优选为6.5~7.5；

（e）在合成单细胞蛋白的步骤中，发酵单元中，发酵体系的温度为20~50℃，优选为37℃；

（f）在合成单细胞蛋白的步骤中，发酵的时间为1~3天，更优选为2天。

在一些可选的实施方式中，上述步骤（a）中，在CO₂还原反应1~3h后，例如，1h、1.5h、2h、2.5h、3h后，向所述发酵单元中加入以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物；优选为在CO₂还原反应3h后，向所述发酵单元中加入以甲酸或甲酸盐为碳源的微生物。

<第三方面>

本发明的第三方面中，提供了第一方面所述的合成单细胞蛋白的系统在制备单细胞蛋白中的用途。

在一些可选的实施方式中，所述单细胞蛋白包括酵母蛋白和/或细菌蛋白，优选为细菌蛋白。

<第四方面>

本发明的第四方面中，提供了一种铜基电催化剂，所述铜基电催化剂应用于如第一方面所述的合成单细胞蛋白的系统中，所述铜基电催化剂的制备包含：

高温煅烧步骤：利用氯化铜进行高温煅烧；以及，

电沉积步骤：将高温煅烧得到的产物进行电沉积；

所述高温煅烧的温度不低于800℃。

在本发明的一些实施方案中，所述高温煅烧步骤中，将巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠混合进行热解，得到高温煅烧的产物。任选地，所述高温煅烧可通过本领域已知的任何方式进行。具体步骤为：

（3）将热解后的产物用水洗去可溶性金属盐，并干燥；

实施例

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

本发明实施例中使用的部分材料信息如下：

甲酸基单细胞蛋白菌株MA5为公开号CN112646740A专利中的MA5菌株，其通过引用并入本发明。

实施例1：铜基CO₂还原电催化剂的制备与结构分析

采用高温煅烧和电沉积两步法制备铜基电催化剂。首先，将0.756 g巯基丁二酸、1.718 g二水合氯化铜、1.88 g氯化钾、1.475 g氯化钠在研钵中充分研磨混合。将装有混合物的镍坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，进行程序升温热解。以5 ℃/min的升温速率升到900 ℃，保温2 h。加热结束后，自然冷却至室温，收集产物。将所得产物在去离子水中浸泡12 h，过滤，洗涤除去可溶性金属盐。在真空干燥箱中干燥12 h，收集产物。然后，将所得材料制备电极浆料，涂布于2*2cm²气体扩散层碳纸上。接着，以0.05 M硫酸和0.005 M硫酸铜为电解液，汞/硫酸亚汞为参比电极，在-1.0 V电压下，电沉积1000s，得到最终电催化剂（即阴极催化剂），命名为MA-Cu-1:2-900-Cu。扫描电镜结果显示，所得催化剂为由立方体和多面体组装成的颗粒结构（图2）。

实施例2：铜基CO₂还原电催化剂的电催化性能研究

以实施例1中制备得到的MA-Cu-1:2-900-Cu为电催化剂，研究其在传统Flow-cell体系中的电催化性能。碳纸总裁剪面积约为1.5*3 cm²，使用面积为0.5*2 cm²。0.5 M KHCO₃为阴极和阳极电解液，固体银/氯化银为参比电极，铂片为对电极。CO₂流速固定为40 sccm，阴极液蠕动泵固定为10 mL/min，电压分别设置为-0.68V、-0.78V、-0.88V、-0.98V、-1.08V。图3为其在不同电压下的甲酸法拉第效率和形成速率图谱。在-0.98 V电压下，甲酸形成速率可达到23 µmol/mL/h，相当于1.1 g/L/h（克/升/小时）。

实施例3：MA5菌株在含有碳酸氢钾电解液的培养基中的生长情况监测

以甲酸基单细胞蛋白菌株MA5为嗜甲酸菌，在含有碳酸氢钾的培养基中进行培养。培养基组成为10 g/L KHCO₃，2 g/L HCOONa，0.208 g/L (NH₄)₂SO₄，0.5 g/L NaCl，0.5 g/LMgCl₂·6H₂O，0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.5 g/L KCl和0.2 g/L KH₂PO₄。反应温度为37℃，pH为6.8，转速为800转/分钟。图4为甲酸钠消耗和菌体生长情况图谱。在培养至6 h时，OD₆₀₀最高可达到0.52，甲酸盐消耗速率约为2 mmol/L/h。由此可见，甲酸基单细胞蛋白菌株MA5可在含有碳酸氢钾的培养基中生长。

实施例4：电催化-微生物发酵一体化集成系统固定CO₂生产单细胞蛋白

以实施例1制备得到的MA-Cu-1:2-900-Cu为电催化剂，以在膜组装电极基础上改造的液体流动电池体系为测试系统（图1），电催化剂（阴极催化剂）负载在2*2 cm²气体扩散层碳纸上，加湿的CO₂气体（碳源气体，湿度70%）以60 sccm流速进入气体通路，阴极电解液以2 mL/min进入阴极液体通路，铜基电催化剂（即阴极催化剂）表面覆盖一层阴离子交换膜（Sustainion X37-50 RT, Dioxide Materials)，利用质子交换膜分隔阴极电解液与阳极电解液。阴极电解液和发酵培养基均为10 g/L KHCO₃，0.208 g/L (NH₄)₂SO₄，0.5 g/LNaCl，0.5 g/L MgCl₂·6H₂O，0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.5 g/L KCl，0.2 g/L KH₂PO₄，体积为各50 mL。阳极电极（即阳极催化剂）为泡沫镍，阳极电解液为0.5 M KHCO₃。在CO₂还原反应1h后，接MA5菌1 mL（初始OD₆₀₀为0.2±0.05），在37℃、pH为6.8、800转/分钟下培养MA5菌。图5为菌体生长情况图谱。生长22h OD₆₀₀可达到1.8，菌体生长量（干重）为0.5 g/L/d（克/升/天），蛋白含量为48%。

实施例5：电催化-微生物发酵一体化集成系统固定CO₂生产单细胞蛋白过程优化

其他条件与实施例4相同，区别在于，在CO₂还原反应3h后，接MA5菌1 mL（初始OD₆₀₀为0.2±0.05）。进行菌体生长情况监测。结果显示，接种6h菌体就明显开始生长，39h后OD₆₀₀达到5，菌体生长量（干重）为1.6 g/L/d，蛋白含量为50%。图6为菌体生长情况图谱。

对比例1

直接一步电沉积制备铜基电催化剂。以0.05 M硫酸和0.005 M硫酸铜为电解液，汞/硫酸亚汞为参比电极，在-1.0 V电压下，直接在碳纸上电沉积1000s，制备得到铜基电催化剂，命名为Cu。扫描电镜结果显示，所得催化剂为由立方体铜单质。

直接一步高温煅烧制备铜基电催化剂。首先，将0.756 g巯基丁二酸、1.718 g二水合氯化铜、1.88 g氯化钾、1.475 g氯化钠在研钵中充分研磨混合。将装有混合物的镍坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，进行程序升温热解。以5 ℃/min的升温速率升到900 ℃，保温2 h。加热结束后，自然冷却至室温，收集产物。将所得产物在去离子水中浸泡12 h，过滤，洗涤除去可溶性金属盐。在真空干燥箱中干燥12 h，收集产物。制备得到铜基电催化剂，命名为MA-Cu-1:2-900。扫描电镜结果显示，所得催化剂为由薄片状硫化亚铜。（图7）。

对比例2

以对比例1中的两种铜基材料为电催化剂，研究其在传统H-cell体系中的电催化性能。碳纸总裁剪面积约为1*2 cm²，使用面积为1*1 cm²。0.5 M KHCO₃为阴/阳极电解液，固体银/氯化银为参比电极，铂片为对电极。CO₂流速固定为20 sccm，阴极液蠕动泵固定为10mL/min。在-0.78 V电压下，直接电沉积Cu催化剂的甲酸法拉第效率只有17%，一步高温煅烧的MA-Cu-1:2-900催化剂的甲酸法拉第效率只有26%，相同条件下MA-Cu-1:2-900-Cu催化剂的甲酸法拉第效率可达到55%（图8）。

对比例3

以对比例1制备得到的薄片装硫化亚铜为阴极电催化剂，以在膜组装电极基础上改造的流动电池体系为测试系统，电催化剂负载在2*2 cm²气体扩散层碳纸上，加湿的CO₂气体（湿度60%）以40 sccm流速进入气体通路，阴极液以2 mL/min进入阴极液体通路，铜基电催化剂表面覆盖一层阴离子交换膜（Sustainion X37-50 RT, Dioxide Materials)，质子交换膜分隔阴极电解液与阳极电解液。阴极电解液和发酵培养基为10 g/L KHCO₃，0.208g/L (NH₄)₂SO₄，0.5 g/L NaCl，0.5 g/L MgCl₂·6H₂O，0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.5 g/L KCl，0.2 g/L KH₂PO₄，体积为各50 mL。阳极电极为泡沫镍，电解液为0.5 M KHCO₃。在CO₂还原反应3h后，接MA5菌1 mL（2%接种量，初始OD₆₀₀ 约为0.2），在37℃、pH为6.8、800转/分钟下培养MA5菌。图9为菌体生长情况图谱。生长46h OD₆₀₀达到1.4，菌体生长量（干重）为0.2 g/L/d，蛋白含量为45%。

对比例4

以实施例1中制备得到的MA-Cu-1:2-900-Cu为电催化剂，阴极电解液为10 g/LKHCO₃，0.208 g/L (NH₄)₂SO₄，0.5 g/L NaCl，0.5 g/L MgCl₂·6H₂O，0.1 g/L CaCl₂·2H₂O，0.5 g/L KCl，0.2 g/L KH₂PO₄，阴极电催化剂表面不覆盖阴离子交换膜，研究其在传统Flow-cell体系中的电催化性能。碳纸总裁剪面积约为1.5*3 cm²，使用面积为0.5*2 cm²。0.5 M KHCO₃为阳极电解液，固体银/氯化银为参比电极，铂片为对电极。CO₂流速固定为40sccm，阴极液蠕动泵固定为10 mL/min，电压分别设置为-0.88V、-0.98V、-1.08V。图10为其在不同电压下的甲酸法拉第效率图谱。在所测电压下，甲酸法拉第效率均低于40%。说明电解液中钙镁等离子的存在，明显影响甲酸的形成，有必要在催化剂表面覆盖一层阴离子交换膜，抑制钙镁等阳离子的影响。

需要说明的是，尽管以具体实例介绍了本发明的技术方案，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

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；

所述电催化单元是通过液体流动电池体系将二氧化碳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；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；

所述液体流动电池体系包括阴极电解液和阴极催化剂；

所述阴极催化剂为铜基电催化剂，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；

所述高温煅烧是利用氯化铜进行高温煅烧；

所述电沉积是将高温煅烧得到的产物进行电沉积；

所述高温煅烧，是将巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠混合进行热解，得到高温煅烧的产物；巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠的摩尔比为(2~3):(2~3):(1~2):(0.4~1)；将混合物在在氩气气氛、不低于900℃下热解不少于1.5小时；

以硫酸和硫酸铜为电解液、以汞/硫酸亚汞为参比电极，将高温煅烧得到的产物在负电压下进行电沉积，制备得到所述铜基电催化剂。

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；

3. 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。

4.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。

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，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，0.3~1.0g/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。

6.一种合成单细胞蛋白的方法，其特征在于，所述方法是利用如权利要求1~5任一项所述的合成单细胞蛋白的系统合成单细胞蛋白。

7.根据权利要求6所述的合成单细胞蛋白的方法，其特征在于，在合成单细胞蛋白的步骤中，包括以下（a）~（f）中的一种或多种：

（b）按照20~100 sccm的流速向所述液体流动电池体系的阴极通入碳源气体；

（d）发酵单元中，发酵体系的pH为5.5~9.0；

（e）发酵单元中，发酵体系的温度为20~50℃；

（f）发酵单元中，发酵的时间为1~3天。

8.如权利要求1~5任一项所述的合成单细胞蛋白的系统在制备单细胞蛋白中的用途。

9.一种铜基电催化剂，其特征在于，所述铜基电催化剂应用于权利要求1~5任一项所述的合成单细胞蛋白的系统中，所述铜基电催化剂的制备包含：

高温煅烧步骤：利用氯化铜进行高温煅烧；以及，

电沉积步骤：将高温煅烧得到的产物进行电沉积；

所述高温煅烧步骤中，将巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠混合进行热解，得到高温煅烧的产物；巯基丁二酸、二水合氯化铜、氯化钾和氯化钠的摩尔比为(2~3):(2~3):(1~2):(0.4~1)；将混合物在在氩气气氛、不低于900℃下热解不少于1.5小时；