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汙水變蛋白?看下水道到餐桌的創新氮循環技術

點擊次數:   更新時間:18/01/26 14:18:01     來源:www.qw72.cn關閉
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時間:2019-12-30 來源:IWA國際水協會 作者:

世界人口日益增長,生產足夠的糧食是一個巨大的挑戰。在經典的氮循環中,植物會通過固氮作用將氮氣轉化為用作農業種植的肥料,來生產用於動物消費的蛋白質生產。基於哈柏法(Haber-Bosch process)的人工合成氮工藝的能耗高,效率低,隻有10%轉化為可食用蛋白。

2015年5月,IWA厭氧專家組成員、比利時根特大學的Willy Verstraete教授和他的學生Silvio Matassa在期刊《環境科學與工程(ES&T)》發表了題為“Can direct conversion of used nitrogen to new feed andprotein help feed the world?”的文章,提出了一種新的轉化路徑——能量到蛋白質(power-to-protein)。其本質是直接將汙水中的氨氮轉化成微生物蛋白質,跳過氮氣轉化這一步,形成一個抄近路的氮循環的升級模式。這是一種可持續的蛋白質生產方式,它比傳統經典方法耗能更少,並且將“廢物”轉化為高附加值的產品。

工藝原理

Power-to-Protein的基本原理是氨氮通過汽提吹脫從汙水中去除,並轉化為硫酸銨。隨後,在生物反應器中,硫酸銨通過生物合成直接轉化為單細胞蛋白(SCP)。除銨之外,還原性氫氧化細菌使用二氧化碳作為碳源,氫作為能量源,氧作為電子受體。這些原材料都在汙水處理工藝中獲取(見下圖)。

基於氫氣與現有汙水廠結合的生物精煉廠工藝流程圖

項目介紹

2016年初,Willy Verstraete教授團隊對這個概念進行了初步研究,以荷蘭阿姆斯特丹為評估對象,分析Power-to-Protein的項目潛力與當地資源需求的匹配程度,確定其技術和經濟可行性,確立研究課題。

在荷蘭阿姆斯特丹對Power-to-Protein項目進行可行性分析

分析結果顯示汙水中蘊含的單細胞蛋白SCP產量潛力是相當可觀的:阿姆斯特丹西區汙水廠一年的汙泥消化液能產生6300噸SCP,能滿足城市人口36%的淨蛋白需求。在經濟層麵而言,SCP也有可觀的價值。關鍵是找出從汙水中高效提取氨的方法。另外研究團隊還對蛋白的營養價值、可消化性、變應原性以及公眾接受度進行了初步評估。

生物合成的可行性已經在實驗室規模得到證實。能量到蛋白質中試工廠的設計生產能力為1kg蛋白質/天。通過用氣相轉移氨來確保微生物產品的安全性,通過綜合測量來確定氮氣回收率、生物反應器的表現和產品的微生物可靠性。通過對產生的蛋白質進行體外和體內測試,獲得對產品的營養價值的深入了解。一個綜合性的多標準分析體係將顯示該概念在技術、經濟和可持續發展層麵上的可行性。

實驗室規模的工藝係統展示

傳統的氮消散過程和項目團隊勾畫的氮資源升級循環圖

這個項目已經吸引到很多的關注。目前他們還荷蘭Enschede汙水廠搭建了集裝箱式反應係統進行中試。

位於荷蘭Enschede汙水廠的Power-to-Protein中試係統

媒體一般會用“汙水中的蛋白質”或者“從下水道到你的餐盤”之類的方式來描述這個項目。這種形象化的描述當然有助於吸引眼球,但是項目團隊表示,起名字還是需要在細微之處進行區分。單細胞蛋白SCP是一種中間物,人們對它的關注點首先在於它的高品質和衛生安全性,然後才是它能用來生產各種食品以及動物飼料。

中試項目提取的SCP蛋白產品展示

中試的第二階段在2017年底結束。我們期待“能源轉蛋白”能早日在未來汙水廠中現實工程化應用。


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