荷兰比利时科学家探索下水道到餐桌的创新氮循环技术

　　世界人口日益增长，生产足够的粮食是一个巨大的挑战。在经典的氮循环中，植物会通过固氮作用将氮气转化为用作农业种植的肥料，来生产用于动物消费的蛋白质生产。基于哈柏法(Haber-Bosch process)的人工合成氮工艺的能耗高，效率低，只有10%转化为可食用蛋白。

　　2015年5月，IWA厌氧专家组成员、比利时根特大学的Willy Verstraete教授和他的学生Silvio Matassa在期刊《环境科学与工程(ES&T)》发表了题为“Can direct conversion of used nitrogen to new feed andprotein help feed the world?”的文章，提出了一种新的转化路径——能量到蛋白质(power-to-protein)。其本质是直接将污水中的氨氮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。这是一种可持续的蛋白质生产方式，它比传统经典方法耗能更少，并且将“废物”转化为高附加值的产品。

　　工艺原理

　　Power-to-Protein的基本原理是氨氮通过汽提吹脱从污水中去除，并转化为硫酸铵。随后，在生物反应器中，硫酸铵通过生物合成直接转化为单细胞蛋白(SCP)。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。这些原材料都在污水处理工艺中获取(见下图)。

　　▲ 基于氢气与现有污水厂结合的生物精炼厂工艺流程图

　　项目介绍

　　2016年初，Willy Verstraete教授团队对这个概念进行了初步研究，以荷兰阿姆斯特丹为评估对象，分析Power-to-Protein的项目潜力与当地资源需求的匹配程度，确定其技术和经济可行性，确立研究课题。

　　▲ 在荷兰阿姆斯特丹对Power-to-Protein项目进行可行性分析

　　分析结果显示污水中蕴含的单细胞蛋白SCP产量潜力是相当可观的：阿姆斯特丹西区污水厂一年的污泥消化液能产生6300吨SCP，能满足城市人口36%的净蛋白需求。在经济层面而言，SCP也有可观的价值。关键是找出从污水中高效提取氨的方法。另外研究团队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。

　　在初步研究的正面结果的支持下，研究团队决定通过TKI水处理技术项目，与荷兰的合作伙伴Waternet、Vechtstromen、Avecom、Barentz、AEB和KWR在荷兰的两个污水厂里将对这个概念进行中试。

　　▲ Power-to-Protein项目的合作机构

　　生物合成的可行性已经在实验室规模得到证实。能量到蛋白质中试工厂的设计生产能力为1kg蛋白质/天。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。通过对产生的蛋白质进行体外和体内测试，获得对产品的营养价值的深入了解。一个综合性的多标准分析体系将显示该概念在技术、经济和可持续发展层面上的可行性。

　　▲ 实验室规模的工艺系统展示

　　▲ 传统的氮消散过程和项目团队勾画的氮资源升级循环图

　　这个项目已经吸引到很多的关注。目前他们还荷兰Enschede污水厂搭建了集装箱式反应系统进行中试。

　　▲ 位于荷兰Enschede污水厂的Power-to-Protein中试系统

　　媒体一般会用“污水中的蛋白质”或者“从下水道到你的餐盘”之类的方式来描述这个项目。这种形象化的描述当然有助于吸引眼球，但是项目团队表示，起名字还是需要在细微之处进行区分。单细胞蛋白SCP是一种中间物，人们对它的关注点首先在于它的高品质和卫生安全性，然后才是它能用来生产各种食品以及动物饲料。

　　▲ 中试项目提取的SCP蛋白产品展示

　　中试的第二阶段在2017年底结束。我们期待“能源转蛋白”能早日在未来污水厂中现实工程化应用。