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污水變蛋白 荷比科學家探索下水道到餐桌的創新氮循環技術

  來源:奧尼卡水處理創新中心 | 發布時間:2019-10-15

  北斗智庫環保管家網訊:2015年5月,比利時根特大學的榮譽教授Willy Verstraete和他的學生Silvio Matassa在著名期刊《Environmental Sciene & Technology》發表一篇文章,文中他們第一次提出“能量變蛋白質”的概念(Power-to-Protein, 簡稱PtP)。
 
  這個“新”概念背后是污水處理的一種脫氮工藝——將氨氮直接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 。理論上,它似乎是挺綠色環保的生產蛋白質的方式,比經典方法耗能更少,還將“廢物”轉化為高附加值的產品。
 
  四年過去了,這項目進展如何呢?我們一起來看看吧。
 
  污水變蛋白的脫氮新工藝
 
  這個脫氮工藝的原理是通過吹脫,去除污水中的氨氮,并轉化為硫酸銨。在后續的生物反應器里,硫酸銨通過生物合成直接轉化為單細胞蛋白(Single cell protein,簡稱SCP)。
 
  促成這個生物合成的是一群叫氫氧化細菌(Hydrogen-oxidizing bacteria)的微生物,它是一種好氧或兼性的化能無機營養菌(lithoautrophs)。它能用氫氣和氧氣作為電子供體和受體,快速固定二氧化碳,通過1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)或逆三羧酸循環進行細胞合成。重要的是,吉布斯自由能的理論計算也支持這個反應的自發進行——這個反應會產生大量的能量和生成ATP。
 
  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。這不都是可以在污水處理廠可以找到的原材料嗎?這引起了以Verstraete教授為代表的污水資源回收專家的興趣!
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  基于氫氧化細菌的生物精煉廠藍圖 | 圖源:Water Research
 
  其實早在上世紀70年代,就已經科學家就開始關注這種細菌,當時它被視作能制造多種產品的細菌,其中就包括微生物單細胞蛋白(SCP)的合成。這種細菌之所以被給予厚望,是因為它在新陳代謝方面超高的靈活性和多功能性——它不僅能在異養和自養模式間輕松切換,而且可以間歇或連續進行。
 
  項目進展
 
  2016年初,他們開展可行性研究,地點選在荷蘭的阿姆斯特丹西區污水廠。目標是分析Power-to-Protein的項目跟當地哪些潛在資源需求相匹配,確定其技術和經濟可行性,確立最終的研究方向。
 
  初步分析結果顯示,污水中蘊含的SCP潛力可觀——阿姆斯特丹西區污水廠一年產生的污泥消化液可轉化出6300噸SCP,這相當于能滿足阿姆斯特丹36%的凈蛋白需求。另外他們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,以求確定高效的氨提取方法。
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  阿姆斯特丹污水廠的SCP的可行性分析
 
  基于可研結果,他們通過TKI水技術項目申請資助,并和阿姆斯特丹水委會Waternet、垃圾發電公司AEB、水循環研究所KWR等機構合作,籌集了在阿姆斯特丹繼續中試實驗的資金。
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  P-to-P項目的合作機構組織
 
  中試工廠有兩個地點,一個在阿姆斯特丹西邊的Horstermeer污水廠,一個為荷蘭東部的Enschede污水廠。設計的反應器體積為400L,產能為1kg蛋白質/天。他們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。
 
  到了2019年,我們等來了中試進展報告。結果顯示,當前工藝的安全性得到進一步確認——源自污水處理的硫酸銨病原體可以忽略不計。遺憾的是,中試的產能并不理想,反應器每天平均只能生產0.5kg/m?的SCP,遠低于預期的1.7kg/m?的水平。這說明目前的生物轉化效率還有待提高,設計理念需要進一步優化。
 
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  位于Horstermeer污水廠的中試設備和提取的SCP產品展示 | 圖源:Allied Water
 
  未來計劃
 
  盡管聽上去進展有所受挫,合作方似乎還沒有放棄,今年年初他們再次通過TKI啟動了后續項目:他們總結中試的教訓,將回過頭研究生物反應器的氫轉移的基礎進程,希望通過加深對原理的認識來改進反應器的設計。畢竟,在安全的前提下,他們還需要顯著提高優質蛋白的產量才能使這個美好概念變成經濟可行的商品。
 
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  PtP位于荷蘭NEMO 博物館的展示柜 | 圖源:PowertoProtein
 
  如果這個9月你剛好路過荷蘭,可以考慮去一趟阿姆斯特丹的NEMO科學博物館。館里最近有個"未來食品"(FUTURE FOOD)展,你在那里將體驗一段高科技的未來食品之旅,你會看到各種昆蟲美食、試管牛肉以及各種新的育種方法。展館給“POWER to PROTEIN”也安排了展出的空間。10月6日之前大家如果恰好經過,都還來得及去看個熱鬧。

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關鍵詞: 污水處理   脫氮   環保技術   環保管家  

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