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，來生產用于動物消費的蛋白質生產。基于哈柏法(Haber-Bosch process)的人工合成氮工藝的能耗高，效率低，只有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)。其本質是直接將污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，并且將“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污水中去除，并轉化為硫酸銨。隨后，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。這些原材料都在污水處理工藝中獲取(見下圖)。
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▲ 基于氫氣與現有污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。
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▲ 在荷蘭阿姆斯特丹對Power-to-Protein項目進行可行性分析
分析結果顯示污水中蘊含的單細胞蛋白SCP產量潛力是相當可觀的：阿姆斯特丹西區污水廠一年的污泥消化液能產生6300噸SCP，能滿足城市人口36%的凈蛋白需求。在經濟層面而言，SCP也有可觀的價值。關鍵是找出從污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。
在初步研究的正面結果的支持下，研究團隊決定通過TKI水處理技術項目，與荷蘭的合作伙伴Waternet、Vechtstromen、Avecom、Barentz、AEB和KWR在荷蘭的兩個污水廠里將對這個概念進行中試。
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▲ Power-to-Protein項目的合作機構
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系將顯示該概念在技術、經濟和可持續發展層面上的可行性。
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▲ 實驗室規模的工藝系統展示
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▲ 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污水廠搭建了集裝箱式反應系統進行中試。
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▲ 位于荷蘭Enschede污水廠的Power-to-Protein中試系統
媒體一般會用“污水中的蛋白質”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于吸引眼球，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于它的高品質和衛生安全性，然后才是它能用來生產各種食品以及動物飼料。
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▲ 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”能早日在未來污水廠中現實工程化應用。
