一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法技术

本发明专利技术涉及一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，包括以下步骤：(1)将铁硫杆菌加入到9K培养基中，调节pH值，在恒温水浴中，磁搅拌，得到铁硫杆菌菌液；(2)将铁硫杆菌菌液循环加入到液流电池中，并在液流电池中加载电流，使铁硫杆菌在流动电化学微生物培养系统中不断繁殖。本发明专利技术铁硫杆菌在繁殖过程中不会产生沉淀，在流动电化学微生物培养系统通过加载电流使菌种不断繁殖，并可不断收集，并通过铁硫杆菌不断繁殖过程，实现大气中CO2不断固定。不断固定。不断固定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法


[0001]本专利技术属于微生物培养和二氧化碳固定
，具体涉及一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法。

技术介绍

[0002]由于自然界化石燃料的迅速耗尽以及随之的全球变暖问题，科学界提出了一些应对策略。例如，在自然界中，植物和藻类通过光合作用在固定二氧化碳方面起着重要作用。此外，科学界已经设计出一些高效光合作用的微生物，它们可利用大气中CO2作为碳源并将光能转换为生物化学能。然而，光合作用对地形，气候要求较高，总体光合作用效率不如人意。在过去的几十年中，科学界致力于探索太阳能，风能，潮汐能等可再生能源。但是，这些策略仍然存在效率低下，时空受限的问题。用可再生能源驱动的二氧化碳电还原是一种理想的且可持续的平台，该平台可以固定空气中CO2并将其转化成多功能化学品，以促进可再生能源的利用。然而，这些电还原过程始终需要进行二氧化碳的富集，此过程需要复杂的配套设施并产生更多的能耗。因此，迫切需要开发一种可以直接固定大气中的CO2的电化学系统。
[0003]酸性氧化铁硫杆菌(A.ferrooxidans)是一种吸收大气中的CO2作为唯一碳源的微生物，一般在酸性条件下利用Fe
2+
(或硫)的氧化产生的能量在恒温摇床(30℃，pH＝2.0)中进行培育繁殖。利用可再生电能通过电化学还原使Fe
2+
可以为铁硫杆菌的繁殖实现持续供能，并在此过程中将CO2转化为有机碳是一种可以直接固定大气中CO2的微生物耦合电化学系统。但是，在电化学还原中利用摇床培育微生物，这无疑会大大增加设备难度及操作的复杂性。此外，酸性氧化铁硫杆菌在繁殖过程中会生成沉淀(KFe3(SO4)2(OH)6)，这会导致培养液中Fe
3+
浓度的下降，这进一步阻碍了其实际应用。
[0004]在电化学过程中，Fe
3+
可以在阴极被还原成Fe
2+
，因此酸性氧化铁硫杆菌可以通过电化学产生的Fe
2+
不断繁殖并随之将其氧化成Fe
3+
供电化学还原使用，产生一个循环。酸性氧化铁硫杆菌可通过负载在电极或其它基底上作为微生物燃料电池中的阴极微生物。然而，固定在载体上必然会限制微生物数目并导致功率密度较低。因此有必要开发一种简单易操作，无沉淀产生、无需将微生物固载、直接固定大气中的CO2的流动电化学微生物培养系统。
[0005]专利CN108795801A公开了一种嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的培养方法，第一阶段通过普通摇床培养及连续传代获得高活性高浓度嗜酸性氧化亚铁硫杆菌体，第二阶段通过在外加电势协同作用下继续培养，监控培养体系内阴极电势的变化，定时取样并测定亚铁氧化速率、菌浓和氧化还原电位，将经电化学刺激的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌液进行转接传代，获得高密度和高亚铁氧化速率菌株，然而，其存在如下不足：(1)pH没有控制到合适培养数值，铁硫杆菌在生长的过程中由于Fe
3+
的水解会不断的产生黄钾铁矾KFe3(SO4)2(OH)6沉淀，这会导致Fe
3+
离子和总铁的浓度的下降，不利于后续电化学反应，这需要对铁硫杆菌生长的pH进行进一步的研究调控；(2)配对阳极室使用的电解液与阴极室一样为“9K”培养基溶液，对
其它电解液并无研究；(3)只使用了恒电势法0.1V
‑
0.6V对菌液进行了刺激，并无研究恒电流法对菌体生长活性的影响；(4)铁硫杆菌在生长过程中碳源来自于空气中的CO2，文中并没有对铁硫杆菌对在电化学条件下CO2的固定效率进行讨论。

技术实现思路

[0006]针对传统微生物培养系统装置复杂且操作繁琐、铁硫杆菌在培育过程中产生沉淀，载体上负载菌体导致低功率密度的问题，本专利技术提供一种简单易操作，无沉淀产生、无需将微生物固载、直接固定大气中的CO2的基于流动电化学的微生物培养与固碳方法。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，包括以下步骤：
[0009](1)将铁硫杆菌加入到9K培养基中，调节pH值至1～2，在恒温水浴中，磁搅拌，得到铁硫杆菌菌液；
[0010](2)将铁硫杆菌菌液循环加入到液流电池中，并在液流电池中加载电流，使铁硫杆菌在流动电化学微生物培养系统中不断繁殖。
[0011]进一步地，利用硫酸调节铁硫杆菌9K培养基中菌液的pH值至1.6。
[0012]进一步地，9K培养基中加入磁子，调节转速为500rpm，放入30℃的恒温水浴中。
[0013]进一步地，所述9K培养基包括如下组分：44.0g/L的FeSO4·
7H2O)，3.0g/L的(NH4)2SO4，0.1g/L的KCl，0.5g/L的MgSO4·
7H2O，0.5g/L的K2HPO4，0.01g/L的Ca(NO3)2。
[0014]进一步地，液流电池中加载电流的大小为1～24mA，进一步优选地，液流电池中加载电流的大小为15mA，在此加载电流下，铁硫杆菌氧化Fe
2+
的速率和Fe
3+
电化学消耗速率在65h前基本一致，且铁硫杆菌的生长周期相较于无电流时更短，可在较短的时间内达到生长对数期。
[0015]进一步地，铁硫杆菌的生长时间为1
‑
70h。
[0016]进一步地，所述液流电池通过以下方法组装：将两片N117质子交换膜作为隔膜，交换膜两边的为电极，石墨毡作为电极，石墨纸作为集流体，不锈钢钢板为端板，组装成液流电池。
[0017]进一步地，所述石墨毡尺寸为1.2
×
1.2cm2。
[0018]进一步地，通过蠕动泵将铁硫杆菌菌液循环加入到所述液流电池中。
[0019]进一步地，将KI溶解于去离子水中，形成KI溶液，作为阳极电解液与微生物系统进行耦合，本专利技术阳极KI电解液，I
‑
在阳极被氧化成I2,I2对很多有机物具有选择性氧化作用，在后续工作中可以将微生物培养和有机电化学氧化耦合起来。
[0020]本专利技术对电化学微生物系统及微生物生长pH值进行优化，使其可简单便捷的使用，对经过优化后的微生物系统施加不同的电流，铁硫杆菌在不同电流条件下的生长，并通过加入已消耗的离子使菌液循环使用，最终实现铁硫杆菌在流动电化学系统中不断繁殖并固定大气中的CO2。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0022](1)经优化后流动电化学微生物培养系统操作简单便捷。
[0023](2)铁硫杆菌在繁殖过程中不会产生沉淀。
[0024](3)铁硫杆菌在流动电化学微生物培养系统中不断繁殖，并可不断收集。同时补充
生长所消耗的离子，通过铁硫杆菌不断繁殖，实现大气中的CO2不断固定。
[0025](4)电化学条件下CO2的平均固定效率Q
CO2
＝2.6g
‑
C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铁硫杆菌加入到9K培养基中，调节pH值，在恒温水浴中，磁搅拌，得到铁硫杆菌菌液；(2)将铁硫杆菌菌液循环加入到液流电池中，并在液流电池中加载电流，使铁硫杆菌在流动电化学微生物培养系统中不断繁殖。2.根据权利要求1所述的一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，其特征在于，利用硫酸调节铁硫杆菌9K培养基中菌液的pH值至1.6。3.根据权利要求1所述的一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，其特征在于，9K培养基中加入磁子，调节转速为500rpm，放入30℃的恒温水浴中。4.根据权利要求1所述的一种基于流动电化学的微生物培养与固碳方法，其特征在于，所述9K培养基包括如下组分：44.0g/L的FeSO4·
7H2O，3.0g/L的(NH4)2SO4，0.1g/L的KCl，0.5g/L的MgSO4·
7H2O，0.5g/L的K2HPO4，0.01g/L的Ca(NO3)2。5.根据权利要求1所述的一种基于流动电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：宰建陶，张寓弛，钱雪峰，戚嵘嵘，田恒，陈明，闫昶宇，李文倩，刘雪娇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：