文献信息
英文题名
Novel continuous production of single-cell proteins from purple non-sulfur bacteria using gaseous volatile fatty acids by closed-loop membrane contactor system
作者
Riccardo Lo Coco, Marco Pezzuto, Aleksandra Jelic, Stefano Cazzaniga, Nicola Frison
期刊 / 年份
Bioresource Technology 2026
DOI
10.1016/j.biortech.2025.133413
卷期 / 页码
440: 133413
单位
意大利维罗纳大学生物技术系
一句话概括：用闭路膜接触器把 VFA 从发酵液转到气相再鼓入厌氧光生物反应器，在 160 天里分四个阶段扫描 OLR，证明气相供碳既避免菌体污染又显著提高生物量与蛋白品质，并给出与养殖需求匹配的氨基酸化学评分。
一图不看也要知道的几件事
- 系统连续运行 160 天，分 P1（11–23 d）、P2（28–43 d）、P3（44–63 d）、P4.1（64–76 d）与 P4.2（78–160 d）。
- 合成 VFA 进料：70% 乙酸、10% 丙酸、20% 丁酸，浓度 13600 ± 1600 mgCOD·L⁻¹，pH 3.0 ± 0.1。
- 优化后 MC 条件：进料温度 32 ± 1 ℃、单次接触时间 1.92 min、剥离时间 4 h，VFA 质量通量 8.86 gCOD·m⁻²·h⁻¹。
- P4.1 温度升至 32 ℃时 OLR 一度达 5.8 ± 0.6 gCOD·L⁻¹·d⁻¹（总通量 8.81 ± 2.17 gCOD·m⁻²·h⁻¹），第 66 天生物量峰值 2.06 gXPB·L⁻¹，但因 pH 降至 6.07 ± 0.21 与光衰减回落，故回调至 3.9 ± 0.8 gCOD·L⁻¹·d⁻¹。
- P4.2 稳态活性生物量 1.78 ± 0.05 gXPB·L⁻¹，生物量产率 0.36 ± 0.01 gXPB·L⁻¹·d⁻¹（0.36 kgXPB·m⁻³·d⁻¹）。
- 粗蛋白含量由 P2 的 515 g·kgMLVSS⁻¹ 提升到 P4 的 624 g·kgMLVSS⁻¹（58%→60%→62%）；总氨基酸 469→490→546 g·kgMLVSS⁻¹，AA/CP 由 80% 升至 83%。
- 共产物：P2–P4 细菌叶绿素 10.2→8.39→12.1 gBChls·kgMLVSS⁻¹，类胡萝卜素 1.08→2.29→2.79 gCrts·kgMLVSS⁻¹，PHA 120→90→40 g·kgMLVSS⁻¹；SCP 品质参数 65%→64%→68%。
- P4 稳态 COD 去除率 87%、氮去除率 91%、磷去除率 80%；随菌体进入的氮约 91% 被同化。
- 关键必需氨基酸 L-Lysine 53.6、L-Leucine 49.9、L-Isoleucine 29.1 g·kg⁻¹，化学评分 >100%；L-Valine、L-Methionine、L-Phenylalanine 略低于 100%。
研究背景与要解决的问题
欧盟蛋白饲料高度依赖进口，2023 年蛋白饲料市场规模约 149 亿欧元，预计 2032 年增至 285 亿欧元；豆粕、谷物与鱼粉供应受地缘与气候因素冲击，需要新的可持续蛋白来源。
单细胞蛋白（SCP）可由酵母、真菌、微藻和细菌利用多种碳源生产；紫色非硫细菌（PNSB）能在厌氧条件下高效利用废水中的 VFA，菌体蛋白含量通常 50–60%，并共生类胡萝卜素、PHA 等增值物，能量需求（450 vs 4000 MJ/kg N-protein）远低于常规过程。
直接用发酵液培养存在菌体被复杂菌群稀释与病原体污染的风险，限制其作为水产饲料蛋白；膜接触器可分离并纯化 VFA，同时充当病原屏障。
本研究提出把 VFA 以气态（真空驱动）经中空纤维膜接触器供入厌氧光生物反应器的新构型，目标是在避免发酵液与菌体接触的前提下，实现连续、稳定的 SCP 生产并评估其可放大性。
概念与技术边界
膜接触器（MC）
中空纤维微孔膜组件，液体走管腔、气体走壳程，靠跨膜分压差让 VFA 从液相进入气相，不发生两相直接混合。
AnPBR
厌氧光生物反应器，此处按序批式（SBR）运行，以 NIR 光照驱动 PNSB 光异养生长，碳源只来自膜接触器送来的气态 VFA。
OLR
有机负荷率，单位反应器体积每天接受的有机底物量（gCOD·L⁻¹·d⁻¹），本研究中由 MC 温度与接触时间决定。
tc,tot
总接触时间，进料液在剥离期内累计与膜接触的时间（单次循环接触时间 × 循环次数）。
SCP 品质参数
生物量中粗蛋白、色素與 PHA 等高价值组分之和占总挥发性固体的比例（gBioP·gMLVSS⁻¹）。
化学评分（CS）
某必需氨基酸在样品蛋白中的占比与参考蛋白（如鱼粉、罗非鱼、鲑鱼）中同种氨基酸占比之比，衡量蛋白是否满足动物需求。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 进料配制 | 每天现配 2 L 合成 VFA 混合液（70% 乙酸、10% 丙酸、20% 丁酸），13600 ± 1600 mgCOD·L⁻¹，pH 3.0 ± 0.1，模拟 OFMSW 发酵液的 VFA 组成。 |
| 膜接触器 | 3M Liqui-Cel MM-1×5.5 聚丙烯中空纤维膜，内表面积 0.22 m²，孔径 0.03–0.2 µm、孔隙率 30–40% 以拦截细菌；进料以 225 mL·min⁻¹ 闭路循环，真空 100 mbar；运行温度按实验期为 20、25、32 ℃。 |
| 反应器 | 3 L 圆柱 AnPBR（工作体积 2 L，水高 16.5 cm），连续搅拌 230 rpm；NIR LED 810–870 nm、31.7 W·m⁻²，光面积/体积比 40 m²·m⁻³；温度 30 ± 2 ℃，pH 维持 7.5 ± 0.2；SRT=HRT=5 d，每天排液并补营养液 20%。 |
| 接种 | 接种 Rhodopseudomonas palustris DSM 126 纯培养（0.75 ± 0.08 gVSS·L⁻¹），但反应器按开放混合培养运行。 |
| 运行与优化 | 通过改变 MC 温度（20→25→32 ℃）与总接触时间（1.92/2.88 min）调控 OLR；预实验测试剥离时间 2、4、6、9 h。 |
| 分析 | COD/MLVSS 按标准法；VFA 用离子色谱；蛋白质用凯氏定氮×6.25；氨基酸离子色谱茚三酮衍生；PHA 用气相色谱（Braunegg 法）；色素用丙酮提取+分光光度（350–900 nm）；群落用 16S rRNA V4 扩增子测序。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：流程图展示进料罐、中空纤维膜接触器、真空泵与带 NIR 光照的 AnPBR 之间的物料与气体回路；照片为实际实验室装置。
论文结果：系统由 MC 与 AnPBR 两个单元组成：VFA 在真空（100 mbar，真空泵 0.7/0.85 m³·h⁻¹）驱动下经膜从液相转入气相，再经陶瓷扩散器鼓入 AnPBR；设计上避免菌体与发酵液直接接触。
研究意义：气相供碳构型是本研究的核心创新，用以同时实现 VFA 纯化、防污染与厌氧条件维持。
图示信息：表格列出各实验期的真空度、进料流速、剥离时间、总接触时间、温度与应用 OLR 范围。
论文结果：真空恒为 100 mbar、流速 225 mL·min⁻¹；P1 为 20 ℃/1.92 min、OLR 0.7 ± 0.2；P2 为 20 ℃/2.88 min、OLR 1.3 ± 0.3；P3 为 25 ℃/2.88 min、OLR 1.9 ± 0.3；P4.1 为 32 ℃/2.88 min、OLR 5.8 ± 0.6；P4.2 为 32 ℃/1.92 min、OLR 3.9 ± 0.8 gCOD·L⁻¹·d⁻¹。
研究意义：温度与接触时间是调控 OLR 的两个主控参数，P4 因 pH 不稳定被拆分为 4.1 与 4.2 两个子期。
图示信息：(a) 以 P1–P4.2 分组的柱状图，同时叠加温度（三角）与接触时间（方块）标记；(b) 160 天时间序列，纵轴为 VFA 通量、ΔpH 与 Δ电导率。
论文结果：P2（20 ℃）η 为 HAc 11 ± 1%、HPr 7 ± 2%、HBu 7 ± 2%；P3（25 ℃）HAc 17 ± 2%、HPr 11 ± 3%，HBu 降至 3%；P4.1（32 ℃）η 升至 HAc 52 ± 5%、HPr 39 ± 3%、HBu 11 ± 3%；P4.2 总 VFA 通量 8.86 gCOD·m⁻²·h⁻¹（HAc 7.71、HPr 0.77、HBu 0.38）。
研究意义：温度升高显著促进乙酸与丙酸的跨膜传递；丁酸受分压平衡限制，延长接触时间不能持续提高其回收。
图示信息：(c) 160 天时间序列，纵轴分别为 OLR、活性生物量与反应器 pH；(d) 按 P2/P3/P4 分组的生物量产率柱、粗蛋白产率折线与粗蛋白占比散点。
论文结果：OLR 由 P2 的 1.3 ± 0.4 经 P3 的 1.9 ± 0.4 提升到 P4.2 的 3.9 ± 0.8 gCOD·L⁻¹·d⁻¹；活性生物量由 P2 的 0.78 ± 0.09 升至 1.06 ± 0.04，P4.2 稳定在 1.78 ± 0.05 gXPB·L⁻¹；生物量产率 0.16→0.21→0.36 gXPB·L⁻¹·d⁻¹；粗蛋白产率 0.06→0.12→0.23 kgCP·m⁻³·d⁻¹；粗蛋白占比 58%→60%→62%。
研究意义：OLR 与生物量/蛋白产率总体正相关；但 OLR 过高时 pH 下降与光衰减抑制生长，需回调 OLR 才能长期稳定。
图示信息：表格按酸（HAc/HPr/HBu）×剥离时间（2/4/6/9 h）列出 η%、j（gCOD·m⁻²·h⁻¹）与质量传递量。
论文结果：剥离 2 h（tc,tot 0.96 min）时 HAc 传递可忽略；4 h（1.92 min）HAc η 7 ± 1%、j 2.4 ± 0.2、传递 2.1 ± 0.2 gCOD；6 h（2.88 min）HAc η 9 ± 1%、j 2.2 ± 0.2；9 h（4.32 min）HAc η 14 ± 3%、j 1.8 ± 0.2。丁酸通量随剥离时间延长反而下降（0.62→0.34→0.14 gCOD·m⁻²·h⁻¹）。
研究意义：4 h/1.92 min 被选为后续运行条件，在 HAc 回收与系统效率间取得平衡；丁酸/丙酸很快达到分压平衡而停止净传递。
图示信息：以启动、P1、P2、P3、P4.1、P4.2 为样本的双向堆叠柱状图，上/下半轴分别表示 PPB 与非 PPB 类群相对丰度。
论文结果：启动驯化第 7 天 Xanthobacteraceae（PNSB）占 80.4%，主属为 Rhodopseudomonas sp.；P1 因泄漏进氧 PNSB 降至 4.46%，Burkholderiaceae 27.51%、Moraxellaceae 25.2%、Weeksellaceae 16.95% 富集；P2 近中性 pH 下 PNSB 家族 >70%（其中 Xanthobacteraceae 69%、98.7% 为 Rhodopseudomonas sp.）；P3 PNSB 64.9%（Xanthobacteraceae 75%、Rhodobacteraceae 20%）；P4 酸性 pH 使 PNSB 较 P2 下降约 15%，Paludibacteraceae 升至 21%。
研究意义：厌氧与近中性 pH 是维持 PNSB 优势的关键；进氧或酸化会使好氧/耐酸杂菌显著上升。
图示信息：按 Period 1–4 分组的箱线图，纵轴为以 COD 计的观测生物量产率。
论文结果：P2 与 P3 观测产率约 0.32 ± 0.01 与 0.31 ± 0.02 gCOD·gCOD⁻¹，P4.2 为 0.36 gCODX·gCOD⁻¹；P1（污染期）中位数最高并被标为显著差异。
研究意义：表观产率偏低与非生物膜（附着生物膜可占 COD 摄取的 30–75%）未计入及 COD 产率本身较低有关。
图示信息：表格列出 P2/P3/P4 的 MLVSS、粗蛋白、氨基酸、细菌叶绿素、类胡萝卜素、PHA 与 SCP 品质参数。
论文结果：MLVSS 0.59→1.09→1.87 kg·m⁻³；粗蛋白 515→541→624 g·kgMLVSS⁻¹；氨基酸 469→490→546 g·kgMLVSS⁻¹；细菌叶绿素 10.2→8.39→12.1；类胡萝卜素 1.08→2.29→2.79 g·kgMLVSS⁻¹；PHA 120→90→40 g·kgMLVSS⁻¹；SCP 品质 65%→64%→68%。
研究意义：P4 的粗蛋白处于 PNSB 常见范围（45–65%）高端；随 OLR 提高 PHA 累积下降，而蛋白与色素上升。
图示信息：表格分列进水（气态 VFA、营养液）、出水（上清可溶 COD、悬浮菌体、H₂）与去除率的 COD、TN、TP。
论文结果：进水合计 COD 6.16（气态 VFA 6.10 + 营养液 0.06）、TN 0.11、TP 0.20 g·d⁻¹；出水上清可溶 COD 0.8、TN 0.01、TP 0.04；悬浮菌体 1.86 gCOD·d⁻¹ 含 N 0.10、P 0.10；H₂ 0.39 gCOD·d⁻¹；去除率 COD 87%、N 91%、P 80%。
研究意义：碳主要转化为菌体与氢气；氮几乎全部进入蛋白（氮同化率约 91%），磷以多聚磷酸盐形式储存在菌体中。
图示信息：九种必需氨基酸水平的横向分组柱状图，横轴为化学评分（0–180），100 为达标参考线。
论文结果：L-Lysine（53.6 g·kg⁻¹）、L-Leucine（49.9）与 L-Isoleucine（29.1）化学评分 >100%；L-Valine、L-Methionine、L-Phenylalanine 略低于 100%。相较 Hülsen 等的悬浮培养 PNSB，L-Lys、L-Leu、L-Ile 分别高 48%、16%、14%；L-Leu 与 L-Thr 比 Chlorella sp. 高 82% 与 78%。
研究意义：氨基酸谱总体匹配罗非鱼与奇努克鲑鱼等养殖物种的需求；作为唯一饲料来源时需补充缬氨酸，并关注蛋氨酸与苯丙氨酸略不足。
机制小结
- PNSB 在有光厌氧/微氧条件下以光异养代谢为主，VFA 经乙酰辅酶 A、乙醛酸循环（GAC）、TCA 与 EMP 路径进入细胞合成。
- 膜接触器以跨膜分压差为驱动力，酸性 pH 下 VFA 以质子化形式存在、挥发性提高，从而更快转入气相。
- 反应器内 pH 7.5 远高于 VFA 的 pKa，进入液相的 VFA 解离为阴离子并被 PNSB 摄取，同时引起 pH 酸化。
- 低 ORP（P4 剥离期平均 −195 mV）推动 PNSB 以 PHA 作为电子汇来维持氧化还原稳态；碳源受限时 PHA 被消耗。
- NIR（810–870 nm）光照选择性富集 PNSB，降低与其它光养生物的竞争；氧会抑制色素合成，故需维持厌氧。
工程与产业含义
- 气相供碳把 VFA 提纯与生物转化解耦，可减少非生物降解 VSS 与惰性物质进入菌体，产物 VS/TS >95%。
- P4.2 稳态条件（32 ℃、1.92 min、OLR 3.9 gCOD·L⁻¹·d⁻¹）可作为连续运行的参考工况；过高 OLR 会因酸化与光衰减失稳。
- 共产物（色素约占 1%、PHA 4–12%）可提升生物量的营养与经济价值；类胡萝卜素含量（500–13000 mg·kg⁻¹ 干重）远高于水产饲料常规添加量（50–100 mg·kg⁻¹）。
- 反应器运行 75 天稳态（生物量与 pH 波动 <5%）表明该构型具备长期可靠性与可放大性。
- 氢气作为副产物产生 0.55 L·d⁻¹（比产氢 0.05 gCOD·gCOD⁻¹），可回收利用但产量有限。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 以酸相发酵液（OFMSW 等有机废物）为原料、需要将 VFA 与菌体隔离的 SCP 生产场景。
- 水产饲料替代蛋白方向：菌体蛋白含量高且氨基酸谱匹配鱼类需求。
- 需同时回收蛋白、色素与 PHA 的共产物型生物炼制。
- 开放混合培养、非灭菌运行的中小规模中试与放大验证。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 菌体蛋白浓度仍然偏低（约 1.87 kg·m⁻³），直接用于高浓度蛋白制品需额外浓缩。
- 含高盐或高离子强度真实发酵液会降低跨膜传质效率，本实验用低离子强度合成液。
- 不能依赖单一原料波动过大的废水而不做 VFA 组分与温度调控。
- 蛋氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸含量略低，作为唯一蛋白源需营养补强。
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 进料为合成 VFA 混合液，未验证真实发酵液与长期膜污染/润湿/降解行为。
- 未计入附着生物膜，观测产率偏低，实际 COD 去向需更完整核算。
- 膜系统在 160 天内的传质稳定性只在特定温度/接触时间组合下评估。
- P1 的泄漏事故说明真空与厌氧边界条件对系统稳定性高度敏感。
- 氢气等气体产量基于换算系数估算，未做能量平衡或全生命周期分析。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
基金支持：FSE REACT-EU 框架下绿色与创新主题博士奖学金（Azione IV.5，CUP B39J21025820001）；意大利大学与研究部 PNRR 项目 PHARPLE（2022MHBMEH，CUP B53D23006260001）。作者声明无已知竞争性经济利益或个人关系。数据按请求提供（Data will be made available on request），补充材料见 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133413。
来源与链接
- ScienceDirect 原文 — https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133413