单细胞蛋白工业规模生产的碳源广度技术经济评估

《Chemical Engineering Journal》：Techno-economic assessment of single-cell protein production at industrial scale from a wide range of carbon sources

　　

优化后的单细胞蛋白（SCP）生产操作取决于碳源。在小于1000 m3的生物反应器中，O2传质决定了SCP的生产速率。研究人员测定了每种碳源下SCP的最低售价（MSP）。葡萄糖、甘油、甲醇和乙醇对应的SCP价格最低。甲酸、乙醇酸和草酸是最不具备竞争力的碳源。

随着全球人口增长与膳食结构向高蛋白食品偏移，传统蛋白生产体系（肉类、乳制品）对土地、水资源及能源的消耗持续加大，并贡献了可观的农业温室气体排放，开发营养充足且环境可持续的替代蛋白迫在眉睫。单细胞蛋白（Single-Cell Protein，SCP）源自细菌、酵母、真菌及微藻等微生物生物质，可利用糖类、乙醇、甘油、甲烷、CO₂电还原产物（甲酸、乙酸、甲醇）或CO₂结合H₂等多种碳源快速高产。气态底物在放大、安全与性能方面存在难以低成本化解的问题，光养CO₂固定因需大型光照生物反应器而成本高昂，因此研究人员聚焦传统工业生物反应器中液态与固态发酵碳源上的化能异养微生物生长，并采用好氧工艺以避免厌氧低产率与副产物。已有商业化SCP基于碳水化合物、化石甲烷与甲醇，但在可再生电力驱动CO₂与水电解还原前景下，何种电还原碳源能兼顾最低成本与环境负荷尚缺系统技术经济比对。该研究发表于《Chemical Engineering Journal》，旨在建立一套涵盖生物反应器设计与操作的框架，量化九种碳源下12 kt/a SCP装置的最优运行条件与最低售价，甄别最具放大潜力的碳源并指明降本路径。

为开展研究，研究人员采用若干关键技术方法：基于元素衡算与文献最高实验生物质得率（Y_x/s^max）推导各碳源反应化学计量式，并借Pirt方程与文献关联式估算最大比吸收速率（q_S^max）与维持系数（m_S）；沿用已发表的鼓泡塔生物反应器稳态质量衡算模型（含气液传质、生物反应速率与液体质量），年运行330天、单塔连续操作；以NREL经济算法核算最低售价（MSP），将稀释率（D）、底部压力（p_bot）、表观气速（v_sG）与进气O₂摩尔分数（y_O2,in）作为自由度，用MATLAB fmincon序列二次规划（SQP）在约束内最小化MSP；资本支出（CAPEX）依设备尺寸方程乘Lang因子7估算，操作支出（OPEX）覆盖压缩、冷却、离心、蒸发与喷雾干燥；另用酿酒酵母基因组尺度代谢模型（GSM，iMM904-GM，COBRA Toolbox）算理论得率，并对碳源价格、纯O₂价格、k_La、规模等做敏感性再优化。

研究结果部分，各小节结论如下。反应化学计量小节指出，碳源还原度（γ/n_C）决定O₂耗量与CO₂生成量：葡萄糖、甘油、乙酸、乳酸还原度接近生物质故系数温和；甲醇、乙醇还原度高故O₂耗中等、CO₂少；甲酸、乙醇酸、草酸偏氧化，CO₂产量远超O₂耗，且因分解产能少、合成耗能高而O₂比耗大。生物反应器性能小节显示，优化后所有碳源均取v_sG=0.30 m/s、p_bot=4 bar以最大化k_La与体积产率，但因纯O₂贵而均选空气；葡萄糖生物量浓度59 g_x/kg_L、体积产率17.7 g_x·kg_L^-1·h^-1、反应器124 m³最优，甲酸/草酸/乙醇酸因O₂传质驱动力被自身CO₂稀释而浓度仅11–16 g_x/kg_L、需640–940 m³反应器；草酸进料浓度超出溶解度需浆料进料，略推高MSP。整体SCP经济技术性能小节给出设备购置费2.4–7.0 M、CAPEX20–60M；OPEX由碳源成本主导（葡萄糖、甘油、甲醇、乙醇占约60%），葡萄糖MSP最低2.40 /kg_x，四优碳源区间2.40–2.59/kg_x，较鱼粉1.8 /kg_x高约40/kg_x，乳酸、甲酸、乙醇酸、草酸超7 /kg_x无经济吸引力。假设影响讨论小节中，敏感性分析表明MSP近似随碳源价格线性变动，甲醇若降至0.35/kg_s可达2 /kg_x目标；改用酵母GSM理论得率时多数MSP上升、甲醇反降至最低；纯O₂降价90/kg_x、甲醇2.35 /kg_x，反应器体积缩60/kg_x；羧酸盐因伴生无机盐与渗透压问题被排除；气态碳源因燃爆风险与K_s敏感未被纳入；m_S、q_S^max、K_s波动不改变碳源排序；微生物种属与下游差异仅影响细节成本。

讨论部分总结：碳源价格与生物质得率为MSP首要驱动，原料占OPEX 60%以上，公用工程与CAPEX合计不足40%；纯O₂若降至现价30%即可优于空气；未来框架应耦合环境评估（碳足迹、氮排放规避、可再生能源情景）。结论部分译文如下：按当前市场价格，葡萄糖、甘油、甲醇与乙醇是大规模SCP生产最具潜力碳源，综合低价、高生物质得率、高体积产率与适中O₂需求，MSP约2.5 /kg_x；乙酸稍高，乳酸、甲酸、乙醇酸与草酸因低得率、低产率与高碳源价而MSP达7–20/kg_x缺乏竞争力。SCP经济性主要由碳源价与得率决定，聚焦提升得率与降低碳源成本（含电化学制碳源工艺集成）及纯O₂廉价化是核心降本方向；后续工作应在生物基CO₂制碳源与可再生电力情景下补足环境评估。Eduardo Almeida Benalcázar、Rodoula Ktori、Peter J.T. Verheijen、Liang Wu、Wouter A. van Winden、Mickel L.A. Jansen、Henk Noorman、Adrie J.J. Straathof 完成本项研究。