调控微生物电化学系统运行与CO2添加实现原位单细胞蛋白生产的技术突破

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【字体：大中小】 时间：2025年04月22日 来源：Biochemical Engineering Journal 3.9

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　　本研究针对微生物电解池（MEC）阴极高pH抑制单细胞蛋白（SCP）生产的难题，创新性提出间歇运行MEC与微生物燃料电池（MFC）联用并添加CO2的策略。通过同步回收畜禽废水中的能量（H+/e-）和氨氮，实现COD去除率95%、氨氮回收率50%，SCP产量达168.3 mg·L?1且必需氨基酸占比31%。该技术为废弃物资源化提供了安全低成本的蛋白生产新路径。

论文解读

全球人口增长与饮食结构升级正推动蛋白质需求激增，而传统畜牧业面临土地资源限制与环境污染的双重压力。畜禽废水富含有机物和氨氮，现有厌氧发酵技术难以高效回收氮资源。微生物电化学系统（BES）虽能同步回收能量与氮素，但阴极区pH值常飙升至10以上，严重抑制氢氧化细菌（HOB）生长，导致单细胞蛋白（SCP）原位生产失败。更棘手的是，外源补酸或异位培养方案会增加成本与安全风险，而CO₂在常压下溶解速率不足难以有效调pH。如何突破这些瓶颈，实现废弃物到蛋白的高效转化，成为循环经济下的关键技术挑战。

山东科技大学的研究团队在《Biochemical Engineering Journal》发表的研究中，开创性地将MEC与MFC间歇运行结合CO₂添加策略，成功在阴极区原位生产SCP。通过构建双室反应器，阳极降解有机物产生H⁺/e^-和NH₄⁺，阴极利用迁移物质合成SCP。关键技术包括：1）交替切换0.8V电压（MEC模式）与开路状态（MFC模式）控制质子消耗；2）将阳极产生的CO₂导入阴极既作碳源又生成H₂CO₃缓冲pH；3）验证HOB在pH 8.0时直接利用H⁺/e^-的电子接受行为。

主要研究结果

阴极pH调控机制：单纯MEC运行48小时阴极pH达9.5，而间歇运行联合CO₂注入可将pH稳定在7.5-8.0。MFC阶段质子消耗速率降低60%，为CO₂溶解提供时间窗口。
污染物处理效能：COD去除率95%，氨氮回收率50%，显著优于传统工艺。阴极区检测到H₂持续生成（MEC模式）与电子直接利用（MFC模式）双重代谢路径。
SCP生产性能：蛋白干重达168.3 mg·L^?1，含量67%且含7种必需氨基酸（占比31%），营养价值超越肉类。经济评估显示处理成本仅1.35 €/m³。

结论与意义
该研究首次证实HOB（以Cupriavidus necator H16为代表）在弱碱性环境下可直接利用阴极电子，打破了H₂依赖的传统认知。通过"能量回收-氮素固定-碳源利用"三位一体设计，不仅解决了BES系统pH失衡的核心难题，更开创了畜禽废水"零碳排"资源化新模式。相比异位生产工艺，该技术减少氢能运输风险并降低30%能耗，为《巴黎协定》背景下的蛋白质供应链脱碳提供了创新范例。未来通过反应器放大与菌种优化，有望建成首个基于废水处理的工业化SCP生产平台。

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