生物转化温室气体生产单细胞蛋白的研究进展

生物转化温室气体生产单细胞蛋白的研究进展

高子熹 1 郭树奇 1 费强 1, 2

摘 要全球人口持续增长使得肉、蛋和乳制品等生活品的需求大幅增加，同时也对传统动物饲料的供应带来了空前的挑战。微生物能够利用二氧化碳（CO 2 ）、甲烷（CH 4 ）等多种原料合成高蛋白含量的单细胞蛋白（single cell protein，SCP）以用于饲料或食品加工。生物转化CO 2 和CH 4 制备SCP不但可以扩展蛋白生产渠道和缓解各方面对蛋白的需求，而且也有望降低其生产成本，实现节能减排。从SCP合成及生产现状出发，探讨了好氧性甲烷菌和微藻利用温室气体的代谢路径、生物转化工艺、生物反应器设计的研究进展和未来应用前景，同时结合研究数据对生物转化温室气体制备SCP的经济可行性进行了初步评价和比较。

关键词温室气体；甲烷；二氧化碳；单细胞蛋白；代谢调控；生物反应器设计；经济性分析

引言

表1 微生物转化甲烷或二氧化碳生产SCP的概况Table 1 Current status of SCP production by microorganisms using CH 4 or CO 2

1 以甲烷和二氧化碳为原料合成SCP的代谢调控

SCP为生长偶联型产品 [ 63] ，其主要成分为蛋白质 [ 25] 。因此，SCP合成的代谢调控以中心代谢途径和各氨基酸合成途径为主，注重提高生长速率、生产强度和EAA含量。

1.1 好氧性甲烷菌转化CH 4 合成SCP

图1好氧性甲烷菌合成氨基酸的代谢路径Fig.1Metabolic pathway of synthesis of amino acids by aerobic methanotrophs

TCA cycle—三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）；Ru5P—5-磷酸核酮糖；R5P—5-磷酸核糖；H6P—6-磷酸己酮糖；X5P—5-磷酸木糖；F6P—6-磷酸果糖；F1,6P 2 —二磷酸果糖；G6P—6-磷酸葡萄糖；2-DAHP—2-脱氢-3-脱氧-7-磷酸庚酸；Methylene H 4 F—亚甲基四氢叶酸；G3P—3-磷酸甘油醛；KDPG—2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸；PEP—磷酸烯醇式丙酮酸；AcCoA—乙酰辅酶A；OAA—草酰乙酸；MMO—甲烷单加氧化酶；MeDH—甲醇脱氢酶；Fdh—甲酸脱氢酶；Rpi—5-磷酸核糖异构酶；Hps—6-磷酸己酮糖合成酶；Hpi—6-磷酸己酮糖异构酶；Tkt—转酮酶；RuBisCO—二磷酸核酮糖羧化酶；Fba—二磷酸果糖醛缩酶；Dahps—3-脱氧-7-磷酸庚酸合成酶；Eda—2-脱氢-3-脱氧磷酸葡萄糖酸醛缩酶；SHMT—丝氨酸羟甲基转移酶；Pyk—丙酮酸激酶；Ppc—磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶；Pc—丙酮酸羧化酶；Pdh—丙酮酸脱氢酶；Mdh—苹果酸脱氢酶；Cs—柠檬酸合成酶；Fum—延胡索酸酶；Sdh—琥珀酸脱氢酶

1.2 微藻转化CO 2 合成SCP

微藻包括微型藻和蓝细菌（即螺旋藻） [ 60] 。各类微藻转化CO 2 合成氨基酸的代谢路径（图2）基本一致 [ 73] 。微藻通过卡尔 循环吸收CO 2 ，碳流经3-磷酸甘油醛（G3P）进入中心代谢以合成各种氨基酸 [ 74] 。氨基酸前体主要包括磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）、丙酮酸、OAA和 α -酮戊二酸 [ 75] 。目前，用于生产SCP的微藻主要包括螺旋藻（ Spirulina ） [ 76] 、小球藻（ Chlorella ） [ 60] 、微拟球藻（ Nannochloropsis ） [ 77] 、鞭毛藻（ Tetraselmis ） [ 77] 、巴夫藻（ Pavlova ） [ 61] 和等边金藻（ Isochrysis ） [ 61] 等。

图2微藻合成氨基酸的代谢路径Fig.2Metabolic pathway of synthesis of amino acids by microalgae

RuBP—二磷酸核酮糖；3-PGA—3-磷酸甘油酸；G3P—3-磷酸甘油醛；RuBisCO—核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶；Prk—磷酸核酮糖激酶；Ru5Pe—5-磷酸核酮糖表异构酶；Fba—二磷酸果糖醛缩酶；其余请参照图1

2 温室气体（CH 4 和CO 2 ）的生物转化工艺与设备

作为胞内产物，SCP的生产能力与微生物生长水平密切相关，而培养环境决定着微生物比生长速率和细胞密度等生长指标，并间接影响SCP的经济竞争性 [ 35, 40, 78] 。由于CH 4 和CO 2 气体在水中溶解度相对于糖基类碳源较低，气液传质速率严重限制了微生物对上述碳源气体的转化 [ 79] ，进而会导致细胞密度较低，并增加了下游分离纯化过程的能耗。因此，针对CH 4 和CO 2 气体生物反应器的选型和优化可以直接提高气液传质速率以增强底物供给和消耗 [ 80] 。

2.1 温室气体（CH 4 和CO 2 ）的生物转化工艺

连续培养常用于保持高SCP生产强度 [ 57, 81] 。气体底物和新鲜培养基以恒定速率输入培养设备，温度、pH和培养基组成需保持恒定，以确保生物质成分均一。培养液经离心、干燥和成型等单元得到产品。为减少营养盐浪费，上清液经简单处理后回流至培养设备 [ 58] （图3）。

图3好氧性甲烷菌(a)及微藻(b)SCP的生产工艺流程Fig.3Process flow of the aerobic methanotrophs(a) and microalgae(b) SCP production, respectively

好氧性甲烷菌生长速率相对较高，有利于采用较高稀释率以提高生产强度。SCP生产过程中生热较多，对冷却水和设备的换热能力需求较高 [ 82] 。好氧性甲烷菌尺寸较小，增大了离心过程的能耗 [ 82-83 ] 。同时，该菌核酸含量较高，也需设置去除单元 [ 27, 84] 。由于CH 4 的易燃易爆性质，整个生产过程需严格规范操作 [ 85] 。微藻生长速率较低，其SCP生产成本相对较高 [ 83] 。微藻培养过程需光照提供能量，阴影效应也会严重限制细胞密度 [ 86] 。由于微藻细胞壁很难被畜禽动物消化 [ 31] ，需对其进行破碎以便释放SCP。

2.2 好氧性甲烷菌培养设备

根据混合方式，好氧性甲烷菌培养设备可分为机械搅拌式和气动式。前者主要采用搅拌釜式发酵罐（stirred tank reactor，STR），后者包括鼓泡塔发酵罐（bubble column reactor，BCR）和气升式发酵罐（air lift reactor，ALR）。此外，膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）也具有较高的气液传质速率。之前的研究已对以上各类反应器的构造进行了详细的论述 [ 79, 87-88 ] ，此处将简述其主要特点并进行总结和对比，讨论其在好氧性甲烷菌SCP生产中的应用。

2.2.1 搅拌釜式发酵罐

STR广泛应用于CH 4 生物转化过程 [ 79] ，其构造简便 [ 88] 、投资成本较低 [ 89] 。STR通过增加转速和优化搅拌桨构型产生小尺寸气泡，以增大气液传质的比表面积 [ 79] 。但其高径比较小 [ 89] ，气泡停留时间较短。而高速机械搅拌不仅增加能耗，其剪应力也对细胞产生损伤 [ 90] ，不利于工业化生产。基于STR的改良包括微纳米鼓泡发酵罐 [ 79, 91] 和两相发酵罐 [ 88] 。微纳米气泡尺寸小而均匀稳定，其比表面积显著减小，停留时间较长 [ 91] 。两相发酵罐即添加对CH 4 或O 2 具有高吸附性的液体 [ 92-93 ] 或固体载体 [ 94-95 ] ，以强化气液传质，但生物质对于载体的高吸附性 [ 88] 极大地限制了其在实际生产中的应用。

2.2.2 鼓泡塔发酵罐

BCR无机械搅拌。气体从罐底部鼓入，在密度差的作用下以对流形式分散 [ 87] ，持续混合发酵液。与STR相比，其气液传质速率较高，且能耗显著较低 [ 79] 。在较大规模生产中，BCR的经济性显著优于STR [ 96] 。然而，由于气泡相互作用和聚并等行为较复杂且不受控制，难以对BCR流体运动进行模拟，其设计和放大较为困难 [ 89] 。此外，BCR很少用于高黏度的发酵过程 [ 96] 。

2.2.3 气升式发酵罐

ALR在BCR基础上发展而来 [ 80] ，发酵液依靠气体喷射的能量和密度差循环流动。ALR分为内部循环和外部循环 [ 87] ，前者与BCR的流体运动状态非常相似。ALR内流体运动更具可控性，且发酵罐容积普遍较大；另一方面，ALR的研究尚处于初期，目前尚未在好氧发酵中得到广泛应用，且其投资费用高于BCR [ 89] 。

2.2.4 强制环流发酵罐

强制环流发酵罐（forced circulation loop reactor，FCLR）是外部循环ALR的改良。通过泵送实现发酵液循环流动，气体沿其反方向喷射。静混合器不仅明显提升了高黏度发酵液的混合程度 [ 89] ，还可将聚并的气泡重新分散，以强化气液传质，其不需额外输入功率 [ 97] 。FCLR已广泛应用于好氧性甲烷菌SCP的工业化生产，Unibio和Calysta公司均已开发出U形环流发酵罐 [ 98] （图4），SCP生产强度高达4 kg·m -3 ·h -1 。

图4U形环流发酵罐示意图（改自 献[98]）（新鲜培养基从U形部分的左端进入罐体，在旋桨泵的推动下形成逆时针环流。混合气原料从U形部分的右端喷射进入罐体，其运动方向与环流相反。U形部分设有几处静混合器，可将聚并的气泡重新分散。流体穿过静混合器时产生压力降，通过旋桨泵推动发酵液循环可补充该部分能量损失）Fig.4Diagram of the U-loop bioreactor (adapted from Ref.[98])

2.2.5 膜生物反应器

MBR中无大量气泡产生，其可显著提高气液传质速率 [ 79, 99] 。菌株快速生长易造成膜孔堵塞，使得实际传质速率远低于理论值 [ 88] ，且混合程度有限，不利于高密度发酵 [ 100] ，因此在好氧性甲烷菌SCP生产中应用较少。

2.3 微藻培养设备

微藻培养分为开放和封闭体系。开放体系适用于耐受高碱和高盐环境的藻株，包括螺旋藻和小球藻 [ 76] 。而封闭体系具有较好的灵活性，适用藻株范围更广 [ 101] 。

2.3.1 开放体系

开放体系具有低成本、易清洗 [ 76] 、建造便捷和低能耗 [ 60] 的特点，同时也存在难以实现长期稳定控制、生产速率低、占地面积较大和易遭受污染等缺陷 [ 76] 。其主要包括跑道池塘 [ 61] 和薄层反应器，此外，小球藻和杜氏藻的大规模生产多采用圆形搅拌池塘 [ 102] 和无混合池塘 [ 77] 。

跑道池塘（raceway pond）主要用于螺旋藻和小球藻生产 [ 61] ，是开放体系中生产强度最高、成本最低且应用最广的大规模培养设备 [ 60] 。其从底部鼓入空气，通过桨轮进行搅拌以避免微藻沉积 [ 60] 。目前，国内外大多数微藻SCP生产均采用跑道池塘 [ 61, 103] 。薄层反应器（thin layer reactor）在跑道池塘基础上进行改良，微藻培养液从储罐持续泵送至平面。其光利用率高，最大光合效率为6.88%，微藻细胞密度可高达30 g·L -1 。此外，其能耗较低 [ 103] 。开放体系在微藻SCP生产中的应用较成熟。然而，其对于藻株的限制较为严格。同时，微藻代谢工程改造 [ 104-105 ] 和新藻株开发 [ 106] 的相关研究正在兴起，传统的开放体系未来将很难满足微藻SCP生产的创新需求。

2.3.2 封闭体系

封闭体系多用于生产高附加值产品 [ 101] 。其具有光照表面积大、生产强度及传质速率高、不易受到污染等优势，但高投资成本极大限制了其应用 [ 76] 。封闭体系多为管式 [ 86] 和平面型 [ 60] 光生物反应器（photobioreactor，PBR）。管式PBR中培养液呈湍流，混合较均匀，且气液传质速率较高，易实现高密度培养，其生产强度可高达2760 g·m -3 ·d -1[ 103] 。光合作用产生的O 2 易在管式PBR中积累，严重阻碍微藻生长，故需经常进行汽提，排出培养基中的O 2 [ 60] 。平面型PBR通过鼓入空气进行混合，光路径较短，且O 2 积累少，藻干重最高可达80 g·L -1[ 60] 。但其易淤塞，进而降低光利用率，并增大染菌风险。目前，平面型PBR规模放大较难，运行成本高 [ 103] 。PBR多用于大规模微藻SCP生产过程的种子培养 [ 77] 。未来，新型PBR应具备管式PBR高生产强度优势，同时将成本降低至与开放体系相近 [ 103] ，目前尚无工业化实例 [ 86, 107] 。

3 经济可行性比较与初探

全球饲料需求增长较快 [ 28] ，呈现供不应求的趋势 [ 28, 33] ，以SCP逐渐替代传统饲料势在必行。目前，好氧性甲烷菌SCP生产规模仍有待开发 [ 1, 34] ，而微藻产品的市场竞争力仍需提高 [ 108] 。因此，技术经济分析（techno-economic analysis，TEA）对于该行业的可持续发展尤为重要 [ 35] 。以下基于碳源成本进行初步的经济可行性分析，为后续研究提供一定参考。

3.1 好氧性甲烷菌SCP的经济可行性分析

好氧性甲烷菌的生物质得率和蛋白含量对SCP生产成本影响较大。合理选择菌株相当重要。Group Ⅰ型好氧性甲烷菌的生物质得率 [ 115] 、蛋白含量和比生长速率 [ 116] 普遍高于Group Ⅱ型菌。Khoshnevisan等 [ 25] 认为，好氧性甲烷菌生物质得率理论上可达1.78 g DCW·(g CH 4 ) -1 。因此，其SCP生产仍存在较大的发展空间，包括新菌株开发 [ 117] 、代谢工程改造 [ 69] 和发酵优化 [ 21] 。

图5不同原料价格下的好氧性甲烷菌SCP生产成本Fig.5Cost of aerobic methanotroph SCP production under different feedstock prices

NG—天然气；BG—沼气

3.2 微藻SCP的经济可行性分析

现有TEA研究多将微藻SCP视为副产品（表2）。Matassa等 [ 34] 认为，微藻生物质生产成本介于474.21~2963.84 USD·t -1 。其中，微藻SCP为低端产品，而生物柴油 [ 133] 和保健品（不饱和脂肪酸 [ 12, 60] 、色素 [ 12, 61] 和多糖 [ 30] 等）分别为中、高端产品。以微藻SCP为主产品时，基于现有技术（CO 2 价格、微藻生物质得率、蛋白含量、微藻SCP提纯得率和CO 2 成本占比分别为60~100 USD·t -1 、0.53 g·(g CO 2 ) -1[ 134] 、70%、70%和37.9% [ 135] ），生产成本为609.59~1015.99 USD·t -1 （100%蛋白）。联产微藻SCP可降低中高端产品的生产成本 [ 136] 。此时，微藻SCP价格可低至100~400 USD·t -1 [ 11, 137-138 ] 。Pikaar等 [ 139] 认为碳税可能逐渐增至150~220 USD·t -1 。生产1 t微藻生物质至少可减排1.89 t CO 2 [ 134] ，因此，微藻SCP生产成本降幅可达283.50~415.80 USD·t -1 （图6），与传统饲料相比，其价格优势将更加明显。另外，微藻SCP的发展潜力较大，仅对全球7400处CO 2 年排放量超1.00×10 5 t的装置 [ 2] 进行碳捕集并用于微藻SCP生产，便可至少满足2025年全球50.68%的饲料需求 [ 28] 。

表2 以SCP为主/副产品的微藻生物质生产数据Table 2 Data of microalgae biomass production with SCP as the main- or by- product

① 单位为g·L -1 ·d -1 。② 最低销售价格（minimum selling price）。③ 生产成本（production cost）。④ 市场价格（market price）。⑤ 脱脂的。

图6不同情况下的微藻SCP生产成本Fig.6Cost of microalgae SCP production under different scenarios

4 结论与展望

现阶段CH 4 和CO 2 的大量排放已对人类生态环境造成了严重的、不可逆的影响 [ 140] 。利用合成生物学和发酵工程等现代生物技术将上述两种温室气体作为生产SCP的原料 [ 1, 27, 33] ，具有重要的经济价值和社会意义。目前，Group Ⅰ型好氧性甲烷菌 [ 67, 116, 141] 、螺旋藻和小球藻等微藻合成的SCP具有较高的蛋白含量及EAA占比 [ 25, 66, 116] 。运用代谢调控等手段可在不影响微生物生长的前提下，进一步提高细胞密度和各类氨基酸前体的碳流强度。此外，基于ALR改良的FCLR等新型气体生物反应器也能有效强化气液传质，提高好氧性甲烷菌对CH 4 碳源的利用效率 [ 79, 88, 98] 。微藻培养主要分为开放和封闭体系 [ 76] ，基于开放体系的微藻培养多用于大规模微藻SCP生产 [ 61] ，但细胞密度等指标普遍较低 [ 60] ，而基于封闭体系的微藻培养具有明显的生产强度优势，但成本较高 [ 76] 。因此，兼具管式PBR的高生产强度和跑道池塘的低成本的微藻培养设备对微藻SCP的商业化推广具有重要的作用。近年来，碳捕集技术的革新 [ 9] 和碳税的引入 [ 119, 142] 已显著降低了CO 2 价格，并提高了微藻SCP的市场竞争力。而天然气（页岩气）的价格优势和沼气生产的工艺提升，也使得好氧性甲烷菌SCP的工业化生产具有较好的发展潜力。随着微生物代谢 络优化和生物反应器设计改良的快速发展，基于温室气体的SCP生产有望缓解全球日益紧张的饲料供应形势。

Recent progress in microbial bioconversion of greenhouse gases into single cell protein

GAO Zixi 1 GUO Shuqi 1 FEI Qiang 1, 2

Abstract: The continuous growth of the global population has greatly increased the demand for meat, eggs and dairy products and other living products, as well as unprecedented challenges to the supply of traditional animal feed. Microorganisms are capable of utilizing carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ) and other raw materials to synthesize single cell protein (SCP) with high protein content for feed or food processing. Bioconversion of CO 2 and CH 4 to produce SCP can not only expand the ways of protein production and alleviate the market demand, but also reduce the SCP cost and promote energy saving and emission reduction. In this review, the metabolic pathways of aerobic methanotroph and microalgae, bioconversion process, and bioreactor design are discussed based on the current research progress and literature of SCP synthesis and production. Finally, the economic feasibility of SCP production from greenhouse gases is preliminarily estimated and compared in order to evaluate the potential of commercial application.

Keywords: greenhouse gas；methane；carbon dioxide；single cell protein；metabolic regulation；bioreactor design；economic analysis