世界人口日益增長(zhǎng)，生產(chǎn)足夠的糧食是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在經(jīng)典的氮循環(huán)中，植物會(huì)通過(guò)固氮作用將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為用作農(nóng)業(yè)種植的肥料，來(lái)生產(chǎn)用于動(dòng)物消費(fèi)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)?；诠胤?Haber-Bosch process)的人工合成氮工藝的能耗高，效率低，只有10%轉(zhuǎn)化為可食用蛋白。
2015年5月，IWA厭氧專家組成員、比利時(shí)根特大學(xué)的Willy Verstraete教授和他的學(xué)生Silvio Matassa在期刊《環(huán)境科學(xué)與工程(ES&T)》發(fā)表了題為“Can direct conversion of used nitrogen to new feed andprotein help feed the world?”的文章，提出了一種新的轉(zhuǎn)化路徑——能量到蛋白質(zhì)(power-to-protein)。其本質(zhì)是直接將污水中的氨氮轉(zhuǎn)化成微生物蛋白質(zhì)，跳過(guò)氮?dú)廪D(zhuǎn)化這一步，形成一個(gè)抄近路的氮循環(huán)的升級(jí)模式。這是一種可持續(xù)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)方式，它比傳統(tǒng)經(jīng)典方法耗能更少，并且將“廢物”轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品。
工藝原理
Power-to-Protein的基本原理是氨氮通過(guò)汽提吹脫從污水中去除，并轉(zhuǎn)化為硫酸銨。隨后，在生物反應(yīng)器中，硫酸銨通過(guò)生物合成直接轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白(SCP)。除銨之外，還原性氫氧化細(xì)菌使用二氧化碳作為碳源，氫作為能量源，氧作為電子受體。這些原材料都在污水處理工藝中獲取(見(jiàn)下圖)。
▲ 基于氫氣與現(xiàn)有污水廠結(jié)合的生物精煉廠工藝流程圖
項(xiàng)目介紹
2016年初，Willy Verstraete教授團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了初步研究，以荷蘭阿姆斯特丹為評(píng)估對(duì)象，分析Power-to-Protein的項(xiàng)目潛力與當(dāng)?shù)刭Y源需求的匹配程度，確定其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，確立研究課題。
▲ 在荷蘭阿姆斯特丹對(duì)Power-to-Protein項(xiàng)目進(jìn)行可行性分析
分析結(jié)果顯示污水中蘊(yùn)含的單細(xì)胞蛋白SCP產(chǎn)量潛力是相當(dāng)可觀的：阿姆斯特丹西區(qū)污水廠一年的污泥消化液能產(chǎn)生6300噸SCP，能滿足城市人口36%的凈蛋白需求。在經(jīng)濟(jì)層面而言，SCP也有可觀的價(jià)值。關(guān)鍵是找出從污水中高效提取氨的方法。另外研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、可消化性、變應(yīng)原性以及公眾接受度進(jìn)行了初步評(píng)估。
在初步研究的正面結(jié)果的支持下，研究團(tuán)隊(duì)決定通過(guò)TKI水處理技術(shù)項(xiàng)目，與荷蘭的合作伙伴Waternet、Vechtstromen、Avecom、Barentz、AEB和KWR在荷蘭的兩個(gè)污水廠里將對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行中試。
▲ Power-to-Protein項(xiàng)目的合作機(jī)構(gòu)
生物合成的可行性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模得到證實(shí)。能量到蛋白質(zhì)中試工廠的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1kg蛋白質(zhì)/天。通過(guò)用氣相轉(zhuǎn)移氨來(lái)確保微生物產(chǎn)品的安全性，通過(guò)綜合測(cè)量來(lái)確定氮?dú)饣厥章省⑸锓磻?yīng)器的表現(xiàn)和產(chǎn)品的微生物可靠性。通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)進(jìn)行體外和體內(nèi)測(cè)試，獲得對(duì)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的深入了解。一個(gè)綜合性的多標(biāo)準(zhǔn)分析體系將顯示該概念在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展層面上的可行性。
▲ 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的工藝系統(tǒng)展示
▲ 傳統(tǒng)的氮消散過(guò)程和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)勾畫(huà)的氮資源升級(jí)循環(huán)圖
這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)吸引到很多的關(guān)注。目前他們還荷蘭Enschede污水廠搭建了集裝箱式反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行中試。
▲ 位于荷蘭Enschede污水廠的Power-to-Protein中試系統(tǒng)
媒體一般會(huì)用“污水中的蛋白質(zhì)”或者“從下水道到你的餐盤(pán)”之類的方式來(lái)描述這個(gè)項(xiàng)目。這種形象化的描述當(dāng)然有助于吸引眼球，但是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)表示，起名字還是需要在細(xì)微之處進(jìn)行區(qū)分。單細(xì)胞蛋白SCP是一種中間物，人們對(duì)它的關(guān)注點(diǎn)首先在于它的高品質(zhì)和衛(wèi)生安全性，然后才是它能用來(lái)生產(chǎn)各種食品以及動(dòng)物飼料。
▲ 中試項(xiàng)目提取的SCP蛋白產(chǎn)品展示
中試的第二階段在2017年底結(jié)束。我們期待“能源轉(zhuǎn)蛋白”能早日在未來(lái)污水廠中現(xiàn)實(shí)工程化應(yīng)用。
來(lái)源:IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)
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