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国际经验丨污水变蛋白 荷比科学家探索下水道到餐桌的创新氮循环


信息来源:http://baselpr.com 时间:2019-09-08 05:03

  原标题:国际经验丨污水变蛋白 荷比科学家探索下水道到餐桌的创新氮循环技术

  这个“新”概念背后是污水处理的一种脱氮工艺——将氨氮直接转化成微生物蛋白质,跳过氮气转化这一步,形成一个抄近路的氮循环的升级模式 。理论上,它似乎是挺绿色环保的生产蛋白质的方式,比经典方法耗能更少,还将“废物”转化为高附加值的产品。

  这个脱氮工艺的原理是通过吹脱,去除污水中的氨氮,并转化为硫酸铵。在后续的生物反应器里,硫酸铵通过生物合成直接转化为单细胞蛋白(Single cell protein,简称SCP)。

  促成这个生物合成的是一群叫氢氧化细菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)的微生物,它是一种好氧或兼性的化能无机营养菌(lithoautrophs)。它能用氢气和氧气作为电子供体和受体,快速固定二氧化碳,通过1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)或逆三羧酸循环进行细胞合成。重要的是,吉布斯自由能的理论计算也支持这个反应的自发进行——这个反应会产生大量的能量和生成ATP。

  除铵之外,还原性氢氧化细菌使用二氧化碳作为碳源,氢作为能量源,氧作为电子受体。这不都是可以在污水处理厂可以找到的原材料吗?这引起了以Verstraete教授为代表的污水资源回收专家的兴趣!

  其实早在上世纪70年代,就已经科学家就开始关注这种细菌,当时它被视作能制造多种产品的细菌,其中就包括微生物单细胞蛋白(SCP)的合成。这种细菌之所以被给予厚望,是因为它在新陈代谢方面超高的灵活性和多功能性——它不仅能在异养和自养模式间轻松切换,而且可以间歇或连续进行。

  2016年初,他们开展可行性研究,地点选在荷兰的阿姆斯特丹西区污水厂。目标是分析Power-to-Protein的项目跟当地哪些潜在资源需求相匹配,确定其技术和经济可行性,确立最终的研究方向。

  初步分析结果显示,污水中蕴含的SCP潜力可观——阿姆斯特丹西区污水厂一年产生的污泥消化液可转化出6300吨SCP,这相当于能满足阿姆斯特丹36%的净蛋白需求。另外他们还对蛋白的营养价值、可消化性、变应原性以及公众接受度进行了初步评估,以求确定高效的氨提取方法。

  基于可研结果,他们通过TKI水技术项目申请资助,并和阿姆斯特丹水委会Waternet、垃圾发电公司AEB、水循环研究所KWR等机构合作,筹集了在阿姆斯特丹继续中试实验的资金。

  中试工厂有两个地点,一个在阿姆斯特丹西边的Horstermeer污水厂,一个为荷兰东部的Enschede污水厂。设计的反应器体积为400L,产能为1kg蛋白质/天。他们通过用气相转移氨来确保微生物产品的安全性,通过综合测量来确定氮气回收率,生物反应器的表现和产品的微生物可靠性。

  到了2019年,我们等来了中试进展报告。结果显示,当前工艺的安全性得到进一步确认——源自污水处理的硫酸铵病原体可以忽略不计。遗憾的是,中试的产能并不理想,反应器每天平均只能生产0.5kg/