[发明专利]一种多层浅盘式电化学生物反应器及其应用

说明书

本发明公开了一种多层浅盘式电化学生物反应器及其应用，涉及微生物发酵及微生物电合成领域。所述多层浅盘式电化学生物反应器包括浅盘培养模块，所述浅盘培养模块包括多层相互堆叠在一起的浅盘，所述浅盘上设置有溢流挡板，所述溢流挡板将所述浅盘分隔成培养区和溢流区，所述培养区的盘底上设置有第一电极，所述第一电极通过导线连接电化学调控系统，培养区内还固定安装有独立电极腔，所述独立电极腔内设置有单一电极，所述单一电极通过导线连接电化学调控系统，且独立电极腔的一侧通过质子膜与所述培养区相连通，所述溢流区内设置有溢流口。本发明具备发酵高效可控、功能多样、空间利用经济、能耗较低、控制简单、操作便利以及产品易分离等优势。

技术领域

本发明涉及微生物发酵及微生物电合成领域，具体涉及一种多层浅盘式电化学生物反应器及其应用。

背景技术

液体深层发酵是现代生物产业中普遍使用的发酵方式，目前各类生物产品如抗菌素、氨基酸、酶制剂等大多采取液体深层发酵进行生产。虽然液体深层发酵已经发展成为了一种成熟的工艺，但其依然存在不足之处。比如在培养好氧微生物时，液体深层发酵需要采取搅拌、鼓气等方式提高溶氧才能满足好氧微生物的生长需求。这些通气手段不仅存在潜在的污染风险，同时还会带来剪切力对菌体造成胁迫——尤其是在培养丝状真菌时，搅拌带来的剪切力会对菌丝体造成严重的破坏。可以说，液体深层发酵中的传质效果与剪切力存在矛盾，很难在不造成剪切胁迫的同时保证较高溶氧量。

解决传质与剪切力矛盾问题的一条思路是采取静态发酵的方法，利用浅盘式反应器提升气液接触面积同时保持静态以维持菌丝体等结构自然生长。在浅盘上方通气以加速气体交换，相比于搅拌等方式其能耗更小，且不会受到反应体系粘度改变带来的影响。浅盘式反应器是一种非常经典的生物反应器，可使用的反应基质包括固态与液态，其中固态发酵工艺常用于丝状真菌的培养。国内专利CN 112481140 A与CN 104531521 A设计了用于固态微生物发酵的多层浅盘反应器，然而，固态的发酵体系不能保证菌体与营养物质充分混合且可能为下游的产品分离等工艺带来困难。

氧化还原电位(redox potential)调控是一种新兴的对细胞代谢进行调控的手段。生物体作为一种复杂的氧化还原体系，在细胞内时时刻刻进行着数不胜数的氧化还原反应，许多物质如NADH/NAD+以不同的氧化还原态在细胞中发生着动态变化。通过改变细胞内氧化还原平衡，能够调节胞内的氧化还原电对尤其是 NADH/NAD+和NADPH/NADP+的比例，从而进一步改变细胞代谢的流向。应用于微生物发酵的氧化还原电位调控方法可以分为两大类别——菌株改造与过程工程。菌株改造通常意味着直接调控细胞内的辅因子浓度，若微生物本身无法平衡发酵生产带来的氧化还原改变，基因工程可以直接使菌株变得更加健壮。不过菌株改造操作复杂且耗时长，而且一条代谢通路的变化往往会使得整个代谢网路波动，这使得改造的结果往往是难以预测的，同时也不能忽略改造对菌株带来的代谢负担；相反的，过程工程操作简单可控，并且是综合地改变细胞所处环境的氧化还原电位，不用担心调控带来的细胞代谢紊乱。调节氧化还原电位的过程工程方法包括通气、添加氧化还原试剂和电化学调控等，一般而言过程工程优化所需的额外成本是容易计算的，最终依据技术经济绩效确定好最优方案后能够直接应用到工业生产中。

微生物发酵中的电化学调控又称微生物电合成(Microbial electrosynthesis,MES)，其基本调控方式是在发酵体系中加入电极等部件构建电化学反应装置，通过外加可控的电压形成电流，利用直接与间接电子传递让微生物细胞接收电子或输出电子，从而完成氧化还原电位调控，促进微生物的生长或调整微生物代谢流向提高产物产量。在电化学调控中，电极尤其是电极与发酵体系的接触面积对调控的效率有关键的影响，然而在液体深层发酵中往往存在大量的液体空间无法与电极接触，且动态的培养方式不仅容易破坏菌体在电极上的附着，也有可能对电极本身造成损伤。

因此，为了避免液体深层发酵中的种种不利因素，本领域的技术人员致力于开发一种一种结合电化学调控的浅盘式反应装置，实现高效传氧、高效空间利用以及高效电化学调控下的静态培养，是急需解决的问题。

发明内容