通过食品废物升级利用实现微生物油脂与类胡萝卜素协同生产的工艺设计及技术经济评估

《Biochemical Engineering Journal》：Process design and techno-economic assessment of microbial oil and carotenoid co-production via food waste upcycling

　　

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  补料分批发酵 PPW 实现了最强的微生物油 - 类胡萝卜素经济性
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  PPW 的价值取决于发酵模式和规模，而不仅仅是原料成本
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  工艺瓶颈随生产规模和操作场景而变化
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  规模扩大带来的收益被产能限制、更长的周期和资本成本所抵消
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  生物量得率是经济表现的主要生物学驱动力

引言

农业工业活动从农业生产和食品加工业中产生多样化的有机残留物。这些残留物通过生物基生产系统进行资源回收是一个重要的机会，同时有助于更可持续的废物管理实践 [1]。近年来，循环经济和生物经济策略越来越多地促进将这些残留物作为二次资源进行增值利用，以减少废物产生，提高资源效率，并支持更可持续的食品生产系统 [2]。因此，集成生物精炼方法作为通过生物过程将农业工业残留物转化为高附加值产品的有前景平台应运而生 [3]，[4]。

虽然农业和食品加工残留物都被认为是微生物生物精炼厂的有前景的底物，但它们在成分和处理要求上存在显著差异。农业残留物主要是木质纤维素性的，通常需要进行广泛的预处理以克服生物质的顽固性，然后才能进行微生物转化 [5]。相比之下，食品废物通常含有高度易获取的碳水化合物，这使得在更温和的处理条件下回收糖变得容易，使其成为微生物发酵过程的理想原料 [6]。因此，将食品废物生物转化为高价值化合物为开发可持续和高效的生物精炼系统提供了一种有前景的方法 [7]。然而，尽管它们的潜力已得到公认，基于废物的生物过程的工业化实施经常因工艺设计、放大和经济可行性方面的挑战而停滞。

在食品加工废料流中，意大利面加工废料（PPW）代表了生物技术上升级循环的有前景的原料 [8]，[9]。PPW 主要是在工业设备清洗过程中产生的边角废料，估计全球每年产生量约为 376.8?kt annually [10]。其淀粉（~65% w/w）和蛋白质（~20% w/w）含量为旨在生产酶、有机酸和其他微生物产品的生物精炼过程提供了宝贵的碳和氮源 [8]。虽然其营养丰富的成分使得将低成本残留物转化为商业生物产品成为可能，但将如此复杂的基质转化为细胞内成分需要上游处理、特定发酵制度和下游纯化的无缝、定量集成。

微生物生物技术的最新进展突显了产油酵母作为多用途细胞工厂的潜力。这些酵母能够生产一系列产品，包括微生物油（MO）、有机酸和色素 [11]，[12]，[13]，[14]。利用废物衍生的底物最大限度地减少了原料成本，从而为上升级循环技术奠定了可行的经济基础 [15]。具体而言，产油酵母共生产 MO 和类胡萝卜素已成为提高集成生物精炼厂经济可行性的有前景策略 [14]，[16]。在此背景下，红酵母属（Sporobolomyces）物种因其无需基因改造即可同时积累 MO 和生产类胡萝卜素的能力而引起了作为非传统产油酵母的关注 [12]，[17]。特别是，S. roseus 生产含有 torulene（层黄质）和 torularhodin（层红质）的类胡萝卜素谱，这些化合物在食品、营养保健品、化妆品和特种化学品领域具有潜在应用。这种天然的共生产能力使得S. roseus 特别适合集成生物精炼配置，其中较高价值的类胡萝卜素流可以补充 MO 生产。

尽管有这些优势，基于生物的配料面临着激烈的市场竞争。虽然 MO 是食品和油脂化学品配方中植物油的功能性替代品，但它在经济上仍处于劣势，价格约为 7 美元/千克，而植物油低于 2 美元/千克 [18]，[19]。相反，类胡萝卜素因其抗氧化特性而具有价值，享有高的市场价值，预计到 2028 年全球需求将超过 25 亿美元 [20]。虽然合成类胡萝卜素因生产成本较低而占据主导地位，但对天然配料日益增长的消费者偏好加速了对生物制造替代品的需求 [21]。高氧气转移要求和依赖溶剂的下游处理仍然是放大过程中显著的经济瓶颈，使得在商业投资前进行严格的工艺模拟以评估资本强度、运营成本和整体盈利能力至关重要。在这方面，工艺模拟建模提供了一个至关重要的工程框架，用于评估复杂生物精炼厂中的物料和能量平衡、单元尺寸、批次调度以及错时操作模式 [22]，[23]

我们之前的实验研究确立了玫瑰色红酵母（Sporobolomyces roseus）使用 PPW 水解液共生产 MO 和类胡萝卜素的发酵和初步放大性能，包括补料分批发酵对产品形成的影响 [16]，[24]。基于这一实验基础，本研究将这些数据集成到三种工业规模工艺配置的对比模拟中：基于葡萄糖的批次培养、基于 PPW 的批次培养和基于 PPW 的补料分批操作。该分析将原料选择和培养模式与工艺配置、设备要求、批次调度、下游处理和经济表现联系起来。通过结合工艺设计、调度、去瓶颈和技术经济评估，本工作确定了产能相关的瓶颈和经济上有利的操作范围，量化了产品和副产物流的贡献，并评估了决定工艺盈利能力的生物学和经济变量。

章节摘要

模拟描述

使用 SuperPro Designer? (Intelligen, Inc., USA) 进行工艺模拟，以评估玫瑰色红酵母Sporobolomyces roseus CFGU-S005 工业规模共生产 MO 和类胡萝卜素的可行性。选择该软件是因为它在单一模拟环境中集成了工艺质量平衡、设备尺寸、批次调度、去瓶颈和技术经济计算 [22]。这种集成使得能够使用一致的方法评估三种生产场景

经济分析

为了评估工艺可行性，首先识别并解决了限制吞吐量和盈利能力的生产瓶颈。如方法论中所述，批次吞吐量从 5 逐步增加到 845?kg，并在三种场景下评估其对工艺调度、设备利用率、盈利能力和工厂生产力的影响。这种分析使得能够识别产能限制单元操作，并指导去瓶颈的实施

结论

本研究表明，将 PPW 集成到多产品生物精炼厂中，当联合考虑底物选择、培养策略和工艺规模时，可以改善 MO 和类胡萝卜素共生产的经济前景。在评估的配置中，基于废物的补料分批工艺实现了最强的经济表现，表明 PPW 的价值不仅仅来自原料成本节约，而是来自其与补料分批操作和生产的结合

在稿件准备过程中使用生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在本工作的准备过程中，作者 MA Villegas-Méndez 使用 ChatGPT 来检查语法。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

Apostolis Koutinas: 写作 – 审查与编辑，项目管理。 Iván Salmerón: 监督，资源。 Morales-Oyervides LOURDES: 写作 – 审查与编辑，验证，项目管理，概念化。 Julio Monta?ez: 监督，资源，形式分析。 Villegas-Méndez Miguel Angel: 写作 – 初稿，调查。 Contreras-Esquivel Juan Carlos: 资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本文报告的工作。

致谢

作者 MA Villegas-Méndez (CVU 820180) 感谢 SECIHTI-Mexico 为其进行博士后研究员工作提供的财政支持。

Miguel A. Villegas-Méndez|Julio Monta?ez|Juan C. Contreras-Esquivel|Iván Salmerón|Apostolis Koutinas|Lourdes Morales-Oyervides