空间环境中的乳酸生物制造：概念设计与技术经济分析

《Computers & Chemical Engineering》：Space biomanufacturing of lactic acid: Conceptual design and techno-economic analysis

　　•一种基于质量驱动的空间生物制造设计框架。•以等效系统质量作为设计指标。•乳酸案例研究为系统级设计决策提供参考。•冷冻干燥技术可减少与能量相关的质量，幅度高达99%。

引言
随着对部署和监测关键基础设施（如卫星通信）以及获取科学认知的需求不断增长，空间探索得以推进（Chen等人，2021年）。随着太空任务愈发频繁且持续时间更长，有必要开发能够回收资源和废物的支持系统，从而减少补给任务的需求（Linne等人，2014年；Mo等人，2024年）。

国际空间站就是一个典型例子，它体现了合理设计支持系统的重要性与挑战。该空间站作为一个研究实验室，为人类在健康研究（Sharma等人，2022年；Moroni等人，2022年）、材料科学（Naito等人，2020年；Naser和Chehab，2018年）以及生物过程（Santomartino等人，2023年；Menezes等人，2015年）方面的发展带来了巨大的技术和社会效益。然而，在国际空间站开展新研究项目的一个主要挑战在于其高昂的维护成本。据估计，国际空间站每年30亿美元的预算中约有60%（18亿美元）用于运送宇航员和物资（Alvarado等人，2023年）。这主要是由于燃料成本极高，而燃料成本在太空任务中占据主导地位（Dethloff，1998年）。为了降低燃料消耗，就必须对质量加以严格控制，这就要求以高效的方式管理资源和设备。作为参考，将1公斤物资运送到近地轨道的成本约为1万美元（Sukhinov等人，2023年）。因此，就地利用资源对于实现按需生产化学品/材料、同时减少补给至关重要（Cilliers等人，2023年）。这些材料可用于建造、维护和修复任务所需的系统（Wang等人，2022年），这对于长期任务尤为重要（Cowley等人，2019年）。

生物制造是一种有望为空间探索中的循环系统提供支持的途径（Averesch等人，2023年；Onofri等人，2025年）。该方法依靠经过工程设计的生物过程，按需生产产品和材料（Scown，2022年）。对于长期任务而言，这种方法具有诸多优势：它能够实现材料和消耗品的就地生产，减少对地球补给的依赖，提升任务的自主性（NASA，2026c年；Yin等人，2026年；Onofri等人，2025年）；它可以利用现有的资源及废弃物（如二氧化碳、水和有机废物），有助于实施对长期任务至关重要的闭环策略（Lee等人，2025年；Martínez等人，2021年；Paddock等人，2024年）；此外，它还利用能够自我复制的微生物，为传统制造工艺提供了一种可替代方案（Marotta等人，2025年；Onofri等人，2025年）。

空间生物制造有着广泛的应用前景。例如，微生物可用于再生医学领域（如组织工程和疾病建模）（Sharma等人，2022年），也可用于药物和化学品的合成（Pathak等人，2022年；McMackin等人，2022年），还可用于食品生产（Yates等人，2024年；Frossard等人，2024年）以及废物回收（Alvarado等人，2023年；Mussagy等人，2024年）。此外，生物制造还可用于月壤的生物修复和生物采矿（Gumulya等人，2022年），从而从月球土壤中提取关键的矿物和材料。另一个重要应用是生产用于构建基础设施的材料（Morgan等人，2024年）。值得注意的是，微生物在促进资源的有效整合以及工艺优化方面发挥着关键作用，它们能够将废弃物转化为有价值的产品。

尽管生物制造系统已得到广泛研究，但大多数研究都集中在其技术特性和运行特性上，很少关注它们如何融入受质量限制的空间任务架构中。具体而言，很少有研究探讨在空间环境特有的挑战下生物制造的技术经济可行性（Averesch等人，2023年）。为了在这种环境中有效地设计和评估生物制造技术，就有必要开发概念设计工具和计算建模工具（Torres和Santos，2015年；Lee等人，2025年）。计算模型能够为系统效率的关键影响因素提供有价值的见解，有助于量化资源、能源以及整体性能和成本。使用模型还能避免进行实验或向太空运输实物，从而更高效地探索不同的设计方案和运行场景。

在太空中部署生物制造系统需要采用截然不同的流程设计方法。传统的流程设计是以目标为导向的，即系统被设计为最大化或最小化特定的性能目标（如投资回报率或成本）。然而，在设计太空系统时，由于运输和资源方面的严格限制，系统的质量/尺寸才是最关键的考量因素。因此，太空系统的设计是受约束驱动的。虽然这种受约束驱动的设计在过程系统工程中也十分常见，因为在过程配置中能源供应和运输物流起着核心作用，但在太空系统中，质量和资源使用方面的约束决定了早期设计决策所应优先考虑的因素。此外，太空系统还会面临各种干扰因素和外部影响（如重力变化、微重力和宇宙辐射），这些因素会带来一些不明显且往往未知的约束条件。例如，用于生物反应器中的微生物的存活率和性能可能会受到储存/保存条件、重力以及辐射的影响（Ketteler等人，2025年；Lantin等人，2026年）。一种有助于设计太空制造系统的有效方法是等效系统质量分析。等效系统质量是一种将不同的物理资源，如原料、能源、冷却需求以及设备，转化为质量这一统一指标的度量标准（Levri等人，2003年）。关注质量这一因素能够揭示流程组件中一些有趣且隐藏的方面，为太空生物工艺的创新提供依据。例如，等效系统质量框架的一个特点在于，所有系统元素都是以单位质量来表示的，这使得对能源系统进行分析时能得出有趣的结论。此外，与以成本和生产效率为重的地面系统相比，这种方法会导致不同的设计优先级。正因如此，等效系统质量被用作比较不同系统配置的评价指标，而非优化框架中的严格约束条件。

虽然存在诸如生命周期成本分析这类用于太空系统设计的更广泛的评估框架，但它们依赖于对设计、开发、测试与评估、发射与安置以及运营等环节的成熟估算数据（Jones，2015年）。由于目前还无法为处于早期阶段的生物制造技术获得此类估算数据，等效系统质量分析仍是进行初步系统级评估时最常用的方法（Ho等人，2022年）。

在本研究中，我们提出了一种基于系统质量来评估空间生物制造系统设计的计算方法。作为示例，我们将等效系统质量框架应用于乳酸生产领域，乳酸是一种具有多种应用价值的通用化学品。通过比较大肠杆菌、酿酒酵母和毕赤酵母等多种微生物，我们的分析明确了在系统设计中导致质量增加的最主要组成部分。这些研究结果凸显了就地生物制造的重要性，它有助于减少发射质量，降低对地球补给的依赖，实现按需生产，从而为长期太空任务提供支持。

计算方法
本研究以系统质量作为评估指标，对比不同的设计方案。我们分析了大肠杆菌、酿酒酵母和毕赤酵母等多种微生物，以及不同的储存条件（包括冷冻保存和冷冻干燥保存的培养物），并研究了它们在乳酸生产过程中的发酵能力。由于乳酸是一种具有重要应用价值的通用化学品，其在地球上的生物生产技术已得到广泛研究。

技术经济分析
我们对所研究的生物制造系统进行了评估，重点考察了储存、种子培育阶段以及发酵这几个关键环节（见图1）。为了确定系统的总质量，我们首先根据实验数据得出的种子培育阶段时长τst，以及从相关文献中获得的乳酸生产发酵时间τferm（Rojdev等人，2009年；Lee等人，2015年；Yamada等人，2019年），再加上24小时的清洁时间，来计算批次生产所需的总时间。

结果与讨论
本部分比较了分别以大肠杆菌、酿酒酵母和毕赤酵母为微生物，在冷冻保存和冷冻干燥保存条件下进行乳酸生产的不同生物制造系统。我们假设在适当的屏蔽措施下，细胞不会受到损伤，其产量也不会受到影响，同时也在考虑了在辐射环境下（10戈瑞的X射线照射，用于模拟宇宙射线的影响）产量会下降的情况，对多种不同的场景进行了分析。

结论与未来工作
本研究提出了一种计算方法，旨在从质量角度为太空生物制造系统的设计提供指导，进而估算系统的发射成本。该方法旨在找出最佳的微生物种类和保存方式，从而减少需要从地球运送的物资质量。我们基于等效系统质量这一指标进行了技术经济分析，该指标能够将所有的设计要素（如能源、资源等）转化为统一的度量标准。

术语表
符号 | 描述
—— | ——
nbatch | 每年的生产批次数
τyear | 一年中的总时间（小时）
τst | 种子培育阶段的时长（小时）
τferm | 乳酸生产所需的发酵时间（小时）
τclean | 清洁所需的时间（小时）
νfer | 发酵罐的容积（升）
Φtarget | 目标乳酸年产量（克/年）
ηproduct | 产品产量（克乳酸/克葡萄糖）
C0 | 葡萄糖的初始浓度（克/升）
ESM | 等效系统质量（千克）
Mi | 第i个组件的质量（千克）
Pi | 第i个组件所需的功率（千瓦）
δpower | 功率的质当量系数（千克/千瓦）
Ci | 第i个组件所需的冷却功率（千瓦）
δcoo | C的质当量系数

作者贡献说明
Brenda Cansino-Loeza：撰写原文初稿、可视化处理、方法设计、研究实施、正式分析、概念构建。Vernon Mclntosh：方法设计、研究实施、正式分析、概念构建。Krista Ternus：方法设计、研究实施、概念构建。Mayur Bansal：研究实施、正式分析、概念构建。Daniel J. Laky：撰写文稿的审阅与编辑工作、方法设计、概念构建。Luke Roberson：研究实施、概念构建。Hal Alper：撰写文稿的审阅与编辑工作。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何已知的可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢
作者们获得了美国国防高级研究计划局B-SURE项目（编号N660012324019）的资助以开展此项研究。文中表达的观点、意见和/或研究结果不应被视为代表美国国防部或美国政府的官方立场或政策。

Brenda Cansino-Loeza | Vernon Mclntosh | Krista Ternus | Mayur Bansal | Daniel J. Laky | Luke Roberson | Hal Alper | Victor M. Zavala