科学通报 | 西安交通大学郭坤教授团队揭示电解水耦合氢氧化菌固碳产单细胞蛋白的传质与能效权衡|反应器|氢氧化菌|电解水|科学通报|蛋白|西安交通大学

近日，西安交通大学郭坤教授团队联合河钢集团可持续发展研究中心在《科学通报》发表了题为“原位与异位电解供氢氧模式对氢氧化菌固碳产单细胞蛋白性能的影响”的研究论文，围绕氢氧化菌利用CO2生产单细胞蛋白的关键环节，比较了电解水与发酵的原位、异位两种耦合模式。研究发现，原位耦合模式强化氢氧传质并提高最终生物质产量，但其基于单位电解能耗和H2化学需氧量当量的生物质得率低于异位耦合模式。这一结果为电解水与发酵耦合产单细胞蛋白的工程化选择提供了实验参考。

随着全球人口增长和膳食结构变化，蛋白质需求持续上升。传统蛋白质主要依靠种植业和养殖业供给，扩大生产往往伴随土地、水资源占用及温室气体排放压力。在保障蛋白供应与推进低碳转型的双重需求下，探索减少对土地依赖的蛋白质生产途径，成为生物制造领域的重要课题。通过培养微生物获得的单细胞蛋白，为拓展蛋白质来源提供了新思路。

氢氧化菌以H2获取能量，在有氧条件下固定CO2。若以电解水方式供H2和O2，便有望将电能和CO2转化为单细胞蛋白。在这一过程中，电解水与发酵的耦合位置不仅影响H2和O2传质，还会影响发酵环境和电解能耗。H2和O2可由外置电解槽电解水制得并通入发酵罐，也可通过将电极置于发酵罐培养基中原位产生。原位产气可强化气体传质，但电极与菌群直接共处，也会形成不利的氧化环境。此前有研究比较过双室反应器中的原位与异位供H2，而在单室反应器中同步原位产生H2和O2，与异位供气相比有何得失，仍需进一步评价。为此，研究团队构建了1.5 L无膜单室连续搅拌罐式反应器，在可比运行条件下考察两种模式的气体传质、菌群生长、培养基氧化环境、生物质得率及其蛋白质含量等。

图1 电解-发酵原位（a）和异位（b）耦合反应器结构示意图

与从外部将H2和O2通入培养基相比，电极表面直接析出的气泡更有利于气液接触。在本研究构型下，原位耦合模式H2和O2的体积传质系数分别约为异位耦合模式的2.4倍和9倍。一个发酵批次结束时，原位耦合模式净增生物质干重4.21 ± 0.18 g/L，异位耦合模式为3.39 ± 0.09 g/L，前者提高24.2%。原位耦合模式的H2、O2和CO2利用率也更高，显示出减少气体逸出损失的优势。然而，更优的气体传质效果并未使原位耦合模式下的菌群在整个发酵过程中的生长繁殖快于异位耦合模式，这与原位耦合模式发酵前期较高的溶解氧浓度并伴随活性氧基团生成有关。

从电解能效看，每消耗1 kWh电解电能，原位耦合模式净产生物质干重1.79 ± 0.04 g，仅为异位耦合模式5.69 ± 0.15 g的31.4%。以H2化学需氧量当量计算，原位耦合模式的净增生物质干重得率为0.064 ± 0.002 g/g H2-COD，而异位耦合模式为0.160 ± 0.004 g/g H2-COD。这说明，原位耦合模式的气体传质和生物质产量优势，并未带来电解电能及H2向生物质转化效率的同步提高。

在产品品质方面，原位和异位耦合模式所得生物质的粗蛋白含量分别为64.96 ± 1.04%和62.28 ± 0.98%，均显示出作为饲料蛋白原料的开发潜力。研究也发现，与鱼粉蛋白相比，两种模式下获得的单细胞蛋白中的赖氨酸和蛋氨酸含量偏低，其蛋白质消化率、动物饲喂效果及相关安全性指标尚需进一步评价。

研究最终表明，电解供氢氧与发酵耦合产单细胞蛋白时，存在气体传质、生物相容性与电解能效等方面的权衡。在本研究的实验规模、核算边界和当前技术水平下，异位耦合模式具有设备成熟度高和系统构建相对简单等特点，在综合能效、过程控制和规模放大方面总体上更具工程优势。原位耦合模式若要进一步应用，还需在保持生物相容性的同时显著降低电解能耗，并实现工业相关电流密度和长期稳定运行。

西安交通大学化学工程与技术学院郭坤教授和河钢集团可持续发展研究中心主任、正高级工程师田京雷为本论文的共同通讯作者，西安交通大学化学工程与技术学院博士研究生张洪为本论文的第一作者。本研究得到国家自然科学基金面上项目（22578358）、浙江省“领雁”研发攻关计划项目子课题（2024C03111）和西安市一碳化合物生物转化技术重点实验室开放基金的资助。

文章信息

张洪, 葛倩, 王雪琦, 等. 原位与异位电解供氢氧模式对氢氧化菌固碳产单细胞蛋白性能的影响[J]. 科学通报. DOI: 10.1360/CSB-2026-1003.

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