对用于从培养肉生产中废弃培养基中回收乳酸的概念性工艺模型的经济可行性和环境影响进行分析

《Biotechnology Progress》：Analysis of the economic viability and environmental impacts of a conceptual process model for the recovery of lactic acid from spent media in cultivated meat production

乳酸酸回收工艺研究显示，通过膜过滤、吸附和蒸发等五步流程，从废培养基中回收88%浓度乳酸酸的成本为0.71美元/公斤，七年回本，可降低CM生产成本0.06美元/公斤。生命周期评估表明该工艺使CM碳足迹减少1.0公斤CO?eq/公斤，能源需求降低22兆焦。研究提出膜分离技术结合离子交换和蒸发浓缩的创新方案，为生物制造废水回用提供范例。

　　本文探讨了从培养肉（Cultivated Meat, CM）生产过程中产生的废培养基中回收乳酸的可行性，以及这一过程在经济和环境方面的潜在影响。随着CM技术的逐步成熟，其生产规模不断扩大，废培养基的产生量也随之增加。废培养基中含有大量代谢产物，如乳酸、葡萄糖、氨基酸、维生素、矿物质等，这些成分可能具有较高的回收价值。因此，研究如何高效回收这些代谢产物，不仅有助于降低CM的生产成本，还能减少其碳足迹，推动生物制造行业向更可持续的方向发展。

在CM生产过程中，细胞通常在生物反应器中通过厌氧呼吸将葡萄糖转化为乳酸。由于乳酸的积累会导致培养基酸化，从而影响细胞的生长和代谢，因此在实际生产中，乳酸浓度通常被严格控制在较低水平，一般不超过3?g/L。这种低浓度的乳酸回收相较于传统的发酵过程更具挑战性，但同时也为乳酸的再利用提供了机会。例如，乳酸可用于生产聚乳酸（Poly Lactic Acid, PLA）等生物基材料，或用于食品、化妆品等行业。若能实现乳酸的高效回收和纯化，不仅能够提升CM生产的经济性，还能在环境层面实现显著的改善。

为评估乳酸回收的可行性，研究人员构建了一个概念性的五步回收流程模型，并将其整合进一个假设的CM生产设施中。该设施预计年产10,000吨CM，模型分析了从废培养基中提取88%乳酸溶液的全过程，包括过滤、吸附、离子交换、膜分离以及蒸发浓缩等步骤。模型计算结果显示，回收每千克乳酸的净成本约为0.71美元，且具有7.5年的简单投资回收期。如果乳酸能够以合理价格销售，它有望抵消CM生产成本中的部分支出，为生产者带来额外的收入来源。

从环境角度来看，该回收流程对CM生产碳足迹的影响呈现出一定的波动性，具体取决于不同的分配方法。在某些情况下，CM的碳足迹可能会减少1.0至0.2千克二氧化碳当量（CO?eq），而累积能量需求则可能减少22至3兆焦耳（MJ）。此外，相较于传统的乳酸发酵工艺，该回收过程的碳足迹降低了25%。这些数据表明，乳酸回收在经济和环境方面均具有一定的优势，但其实际应用仍需进一步验证。

乳酸的回收过程涉及多个步骤，其中微滤（MF）和纳滤（NF）技术用于分离大分子如蛋白质和细胞碎片，而离子交换（IEX）和活性炭吸附技术则用于去除小分子如葡萄糖和有机酸。蒸发浓缩步骤虽然能耗较高，但通过多效蒸发器（MEE）技术可以有效降低能源消耗。在回收过程中，水的使用和再利用也是重要考量因素，预计在回收流程中75%的水可以被重复利用，从而减少对环境的影响。

在成本方面，回收流程的总成本包括设备成本和运营成本。设备成本主要集中在膜分离和蒸发浓缩等步骤，其中膜分离设备占总资本支出的46%。而运营成本则包括化学品、消耗品和公用事业的费用，如硫酸用于离子交换树脂的再生，以及电力和蒸汽用于蒸发过程。尽管模型中未考虑安装过程中的建筑、工程、启动和调试等间接成本，但这些成本对整体经济性仍有重要影响。

在环境影响方面，回收乳酸的生命周期评估（LCA）表明，其对全球变暖潜力（GWP）和累积能量需求（CED）的影响显著低于传统发酵工艺。例如，乳酸回收的GWP为3.0千克CO?eq/千克乳酸，而CED为44兆焦耳/千克乳酸。这些数据在不同分配方法下有所变化，其中基于经济价值的分配方式显示，CM的碳足迹和能量需求仅略有增加，而乳酸的环境影响则显著降低。因此，乳酸回收在整体上对CM生产具有一定的环境优势。

研究还进行了敏感性分析，以评估乳酸浓度变化对回收成本和环境影响的影响。结果显示，当乳酸浓度从1?g/L增加到5?g/L时，回收成本可显著降低，同时GWP和CED也会相应减少。然而，如果乳酸浓度过低，回收过程可能变得经济上不可行。此外，敏感性分析还表明，改变废培养基的生产速率对成本影响较小，但对环境影响有微弱变化。

从长远来看，乳酸回收不仅是CM生产的重要环节，也为其他生物制造行业提供了有价值的参考。例如，废培养基中的其他代谢产物如氨、有机酸等也可能具有回收价值。因此，未来的研究应进一步探索多种回收技术和优化流程设计，以实现更高的资源利用率和更低的环境影响。此外，随着生物制造技术的不断进步，CM的生产成本预计将持续下降，这使得乳酸回收带来的经济和环境效益更加显著。

总体而言，本文通过构建和分析乳酸回收模型，展示了该技术在CM生产中的应用潜力。尽管当前模型仍需实验验证，但其为未来乳酸及其他代谢产物的回收提供了重要的理论依据和技术路线。同时，研究也强调了从废物中提取高价值成分的重要性，这不仅有助于实现资源的循环利用，也为构建可持续的生物经济体系奠定了基础。未来，随着技术的成熟和规模化应用，乳酸回收有望成为CM行业的重要组成部分，为实现绿色生产提供支持。