厌氧膜生物反应器-酵母生物精炼集成系统：餐厨废物协同产氢、挥发性脂肪酸和微生物油脂的创新研究

《Scientific Reports》：Integrated anaerobic membrane bioreactor-yeast biorefinery for co-production of hydrogen, volatile fatty acids, and microbial oil from food waste

本研究针对全球餐厨废物处理难题，开发了厌氧膜生物反应器(AnMBR)耦合酵母培养的创新工艺。研究人员通过优化酸发酵条件(pH 6.0，底物/接种比3:1)，在有机负荷率3.3 g-VS L-1·d-1下实现氢气产量223.9±3.4 mL L-1·d-1和挥发性脂肪酸(VFA)产率1.68±0.15 g-CODVFAL-1·d-1。VFA富集渗透液作为热带假丝酵母碳源，获得生物量产量0.47 g g-VFAconsumed-1和脂质含量31.2% w/w。该研究为餐厨废物资源化提供了多产品生物精炼新模式。

　　

在全球食物浪费危机日益严峻的背景下，每年约有三分之一的粮食在供应链中损失，产生相当于33亿吨二氧化碳的温室气体排放。传统填埋处理不仅导致资源浪费，还会释放强效温室气体甲烷。虽然餐厨废物可转化为动物饲料，但欧美国家因病原体污染风险已禁止该做法。面对这一全球性挑战，开发可持续的餐厨废物资源化技术迫在眉睫。

近期研究开始关注厌氧消化的初始代谢途径——酸发酵(acidogenic fermentation)，通过该过程可将有机物转化为氢气和高附加值挥发性脂肪酸(VFA)。与传统沼气相比，氢气具有122 MJ/kg的高能量密度，燃烧仅产生水，是零排放燃料；VFA则是生物精炼的关键平台化合物。然而，酸发酵产生的VFA存在浓度低、分离成本高的技术瓶颈，制约其工业化应用。为此，泰国孔敬大学研究团队在《Scientific Reports》发表论文，提出将厌氧膜生物反应器(AnMBR)与酵母培养相结合的创新工艺，实现餐厨废物同步产氢、产VFA和微生物油脂的三联产。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过批次实验优化酸发酵参数(pH和底物/接种比)；设计半连续AnMBR系统实现原位VFA回收；利用热带假丝酵母(Candida tropicalis)将VFA转化为微生物油脂。实验所用餐厨废物取自大学食堂，厌氧污泥来自啤酒厂废水处理站。

批次实验优化酸发酵条件

研究发现pH 6.0时氢产量最高，氢产量(HY)达50.4-55.5 mL g-VS^-1。底物/接种比(SIR)为3:1时获得最佳HY(84.6±6.3 mL g-VS^-1)。VFA组成以乙酸(HAc)和丁酸(HBu)为主(87-94%)，pH 6.0时VFA浓度最高(5.32±0.22 g-COD_VFAL^-1)。

VFA分布显示，pH从5.0升至6.0时，HBu增加34%，乳酸(HLa)和HAc分别减少43%和13%。高SIR(3:1-5:1)条件下，产氢速率在前12小时快速提升，48小时达到峰值。

AnMBR系统运行性能评估

在有机负荷率(OLR)3.3 g-VS L^-1·d^-1时，系统达到最佳性能：产氢速率223.9±3.4 mL L^-1·d^-1，氢气含量36.3±6%，VFA产率1.68±0.15 g-COD_VFAL^-1·d^-1。OLR升至5.0 g-VS L^-1·d^-1时，产氢性能显著下降，表明系统超载。

膜过滤性能与临界TSS阈值

研究发现总悬浮固体(TSS)浓度临界值为15.7 g L^-1，超过此值膜通量急剧下降。OLR为3.3 g-VS L^-1·d^-1时，膜通量稳定在18 L m^-2·h^-1。TSS累积至35.6 g L^-1时，混合效率下降导致产氢和VFA产量降低。

酵母利用VFA生产微生物油脂

热带假丝酵母在VFA浓度6.95±0.27 g L^-1的渗透液中生长良好，生物量产量0.47 g g-VFA_consumed^-1，脂质产量0.15 g g-VFA_consumed^-1，VFA消耗率94.2%。乙酸消耗速率最快(0.039 g L^-1·h^-1)，丁酸次之(0.025 g L^-1·h^-1)。

本研究成功构建了AnMBR-酵母集成系统，确立了餐厨废物资源化的最佳工艺参数。创新性地通过膜分离技术实现VFA原位回收，避免了传统分离工艺的高成本问题。发现15.7 g L^-1的TSS临界值为工业放大提供重要操作指南。热带假丝酵母对VFA的高效转化证明其作为微生物油脂生产菌种的潜力。该三联产工艺相比单一产品路线具有更高经济性，为餐厨废物处理提供符合循环经济原则的解决方案，推动生物精炼技术向工业化应用迈出关键一步。