中国研究团队研发出双反应器系统，可把二氧化碳转变为单细胞蛋白
中国研究团队研发出双反应器系统，可把二氧化碳转变为单细胞蛋白
当下，全球气候变化和粮食安全问题日益严峻。一方面，二氧化碳排放过量导致的气候变暖，给生态系统和人类社会带来了诸多负面影响；另一方面，人口的持续增长使得粮食需求不断攀升，传统粮食生产也面临着资源短缺和环境压力的双重挑战。
在此背景下，来自西安交通大学、中科院天津工业生物技术研究所、郑州大学、智峪生科等机构的研究人员，联合开发了一种全新的双反应器系统，可以实现将二氧化碳转化为可食用的单细胞蛋白，并具有高效、可持续、环保的特点，为解决上述两大难题提供了创新思路，相关研究发表在 Environmental Science and Ecotechnology 期刊上。
该双反应器系统主要由两个阶段构成，每个阶段相辅相成，共同完成从二氧化碳到单细胞蛋白的转化过程。
第一阶段为微生物电合成阶段，在电泡柱反应器 1 中，厌氧的产乙酸菌（如醋酸杆菌）发挥着关键作用。当研究人员向反应器 1 中持续通入二氧化碳，并施加电流后，产生的氢气与二氧化碳会在产乙酸菌的代谢作用下转化为醋酸盐。这一过程模拟了自然环境中微生物对碳源的利用方式，从而将二氧化碳这种温室气体转化为有机化合物。
为了确保反应的高效进行，研究人员精确调控反应器内的温度，使其保持在 30±0.5℃，同时利用 pH 控制器将反应液的 pH 值稳定在 7。此外，通过安装溶解氧（DO）探针实时监测反应器内的溶解氧水平，以维持厌氧环境，避免氧气对产乙酸菌的抑制作用。
图|双反应系统工作流程示意图
第二阶段，将第一阶段产生的醋酸盐输送至连续搅拌槽式生物反应器 2。在这里，好氧的产碱杆菌利用醋酸盐作为碳源，在有氧条件下进行生长和代谢，最终生成单细胞蛋白。为了保证产碱杆菌的良好生长环境，研究人员会向反应器2中持续通入空气，维持 pH 值在 7.0 左右，溶解氧水平在 20% 。
与此同时，两个反应器之间通过中空纤维膜连接，当反应器 1 中的产乙酸菌代谢产生醋酸盐后，含有醋酸盐、未消耗完的营养物质以及其他小分子代谢产物的培养基可以在在压力或浓度差的作用下透过中空纤维膜进入反应器 2，而产乙酸菌细胞被中空纤维膜截留，无法进入，从而保证了两个反应器中微生物菌群的独立性和稳定性。在反应器 2 中，产碱杆菌利用醋酸盐生产单细胞蛋白的过程中，产生的一些小分子代谢产物以及未完全消耗的营养物质，又可以透过中空纤维膜回到反应器 1。
这种循环设计不仅能够回收培养基中的营养物质，减少资源浪费，还能抑制二氧化碳在排放过程中的损失，提高了整个系统的资源利用效率。
该双反应器系统在实验中展现出了诸多优势。从生产效率来看，干细胞重量达到了 17.4g/L，这一数据表明系统能够高效地合成单细胞蛋白。其生产的单细胞蛋白浓度高达 74%，显著高于传统的大豆和鱼粉。在氨基酸组成方面，尽管该单细胞蛋白中含硫氨基酸（如蛋氨酸和半胱氨酸）的含量相对较低，但精氨酸含量却明显高于鱼粉和大豆粉，达到每 100g 干细胞重量中含有 7.1g 精氨酸。这一特性使得该单细胞蛋白对于虾类等生物的生长具有重要的营养价值，为水产养殖等领域提供了新的优质蛋白来源。
图 | 生产单细胞蛋白精氨酸比例较高，可作为水产养殖优质蛋白来源
不仅如此，在可持续性方面，该系统表现出色。在运行过程中，系统对 pH 值的调节需求极低。传统的蛋白质生产过程往往需要频繁调整 pH 值，这不仅增加了操作的复杂性，还提高了生产成本。而该双反应器系统的循环设计在维持了反应环境的稳定同时，极大地简化了生产过程，降低了成本。该系统产生的废水较少。与其他蛋白质生产方法相比，减少了废水处理环节的成本和环境压力，使得整个生产过程更加清洁、环保。
不过，该系统也并非十全十美。在长期运行过程中，中空纤维膜可能会受到污染，影响其过滤性能和系统的运行稳定性。虽然在本次研究中尚未出现这一问题，但未来仍需进一步优化相关技术；此外，该单细胞蛋白产品也存在一定的局限性，其核酸含量较高，超过了其他传统蛋白质来源。如果大量用于人类或动物饮食，可能会导致血清中尿酸水平升高，增加患肾结石的风险。
相信随着技术的不断改进和完善，该双反应系统有望在未来的可持续发展中发挥重要作用，为解决全球问题提供有力支持。
参考文献：
1.https://phys.org/news/2025-01-dual-reactor-consumable-cell-protein.html