生物轉化溫室氣體生產單細胞蛋白的研究進展

高子熹，郭樹奇，費強，2

（1西安交通大學化學工程與技術學院，陜西西安710049；2陜西省能源化工過程強化重點實驗室，陜西西安710049）

引 言

進入20世紀中葉后，隨著人們在生產和生活中對石化燃料依賴性與日俱增，大量排放的溫室氣體使得全球氣溫持續增高，進而導致全球氣候變暖和海平面上升[1]，由此引發的環境危機也日趨嚴重。與1960年相比，2013年大氣中CO2濃度增加了30%[2]。在溫室氣體中，雖然CH4的排放量遠不及CO2，但其排放來源廣泛，其中包括來自氣田、油田和煤礦等石化資源開發過程[3]，反芻動物養殖[4-5]以及污水處理[6]等活動。此外，如以20年時長計算，CH4的溫室效應潛力值是等量CO2的80余倍[7]，即每排放一個當量的CH4，相當于排放80個當量的CO2。因此，降低溫室氣體排放及低碳發展已成為全球共識。我國已在2015年的巴黎峰會上明確承諾中國2030年單位GDP的CO2排放比2005年至少下降60%[8]。

隨著現代生物技術的創新突破和節能減排理念的推廣，溫室氣體已成為一種重要的可被微生物利用的碳源。目前，全球CO2年排放量超過1.00×105t的裝置多達7400套[2]，運用碳捕集、利用及封存（carbon capture,utilization&storage，CCUS）技術[9]將其儲存可用于微藻等光合微生物的生長，繼而轉化為高附加值化學品[10-13]。CH4可來源于天然氣（頁巖氣）[14]、沼氣[15-16]和可燃冰[17]等多種途徑，且其儲量均較為豐富，而微生物也可對CH4進行有效固定和高效轉化[18-22]。同時，相較于化學利用方式，CO2和CH4的生物轉化過程條件溫和[23-24]、易于操作且碳源理論轉化率可觀[25-26]。因此，通過生物途徑轉化溫室氣體，不僅能夠有效降低碳排放，而且可實現氣體碳源的高值擴展利用。

近年來，全球人口增長使得肉類和乳制品等生活品需求持續增加[27]，可以預測以豆粕和魚粉為主的動物飼料供應未來將出現較大缺口[25,28]。因此，單細胞蛋白（single cell protein，SCP）再度引起關注。SCP的應用歷史久遠，將曬干后的螺旋藻生物質作為食品[29]，同時釀酒酵母用于生產酵母提取物已有超過100年的歷史[27]。SCP產自高蛋白含量的單細胞微生物[30]，主要用于動物飼料，部分真菌和微藻SCP還可作為食品添加成分[27,31]。SCP富含動物生長所需的多種氨基酸，尤其是包括蛋氨酸和賴氨酸等在內的必需氨基酸（essential amino acid，EAA），這些EAA不能由動物自身合成，需通過攝入食物進行補充。研究表明，用SCP飼料替代豆粕或魚粉時，動物或魚類生長幾乎不受影響[32]，且其肉質及營養價值能得到一定提升[4]。此外，SCP生產原料來源廣泛[27,33]，同時也能夠克服傳統動物飼料生產的局限性，即大豆種植占地和耗水量大[28]、飼料豆粕效率較低[34]及魚粉產量受限[28]。溫室氣體成本低廉[35-36]、含量豐富[3,37-39]，且與糧食使用不產生任何競爭[35,40-42]。此外，利用大規模捕集大氣中的溫室氣體或工業廢氣作為碳源生產SCP，還可促進低值廢棄物[6,25,43]生物利用，減輕全球生態系統的負擔。因此，溫室氣體的生物轉化具有重要的經濟價值和社會意義。至今，已發現有多種微生物可以利用CH4和CO2生產SCP（表1）。其中，好氧性甲烷菌以CH4為原料生產[57-59]，微藻以CO2為碳源進行代謝和生產[33,60-62]。本文主要介紹了好氧性甲烷菌和微藻中氨基酸合成的相關代謝路徑、SCP生產工藝以及培養設備，并結合現有數據分別對以CH4和CO2為原料的好氧性甲烷菌和微藻SCP的生產過程進行了初步的經濟可行性分析，探討了利用溫室氣體合成SCP過程中存在的挑戰以及未來的發展方向。

表1 微生物轉化甲烷或二氧化碳生產SCP的概況Table 1 Current status of SCPproduction by microorganisms using CH 4 or CO2

1 以甲烷和二氧化碳為原料合成SCP的代謝調控

SCP為生長偶聯型產品[63]，其主要成分為蛋白質[25]。因此，SCP合成的代謝調控以中心代謝途徑和各氨基酸合成途徑為主，注重提高生長速率、生產強度和EAA含量。

1.1 好氧性甲烷菌轉化CH 4合成SCP

根據不同的甲醛利用途徑，好氧性甲烷菌主要分為GroupⅠ和GroupⅡ[38]兩大類。GroupⅠ型菌中，甲醛經單磷酸核酮糖循環（ribulosemonophosphatecycle，RuMPcycle）進入中心代謝（圖1）。GroupⅠ型菌偏好氧氣（O2）濃度較高的環境，生物質中85%～95%碳來源于CH4[64]。目前，以GroupⅠ型菌生產SCP的研究較多，主 要 為M.capsulatus（Bath）菌 株[45,65-66]。 而Methylomarinum vadi、Methylomarinovum caldicuralii和Methylomicrobiumburyatense等[67]GroupⅠ型菌也具有較高生長速率。GroupⅡ型菌包括Methylosinus trichosporium、Methylocystis和Methylocystisparvus等[67]，通過絲氨酸循環（serinecycle）同化甲醛[24,68]。GroupⅡ型菌CO2固定能力更強，部分菌CO2固定量可達細胞總碳的50%～60%[69]。因此，GroupⅡ型菌在沼氣生物轉化過程中具有可觀潛力。此外，Verrucomicrobia菌株能夠將CH4氧化為CO2后[70]，通過卡爾文循環（Calvin cycle）吸收[71]（圖1）。在好氧性甲烷菌中，丙酮酸、2-脫氫-3-脫氧-7-磷酸庚酸（2-dehydro-3-deoxyarabino-heptonate 7-phosphate，2-DAHP）、絲氨酸、草酰乙酸（oxaloacetate，OAA）和α-酮戊二酸是氨基酸的重要前體[72]。其中，EAA主要由丙酮酸、2-DAHP和OAA合成[72]。

圖1 好氧性甲烷菌合成氨基酸的代謝路徑Fig.1 Metabolic pathway of synthesis of amino acids by aerobic methanotrophs

1.2 微藻轉化CO2合成SCP

微藻包括微型藻和藍細菌（即螺旋藻）[60]。各類微藻轉化CO2合成氨基酸的代謝路徑（圖2）基本一致[73]。微藻通過卡爾文循環吸收CO2，碳流經3-磷酸甘油醛（G3P）進入中心代謝以合成各種氨基酸[74]。氨基酸前體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，用于生產SCP的微藻主要包括螺旋藻（Spirulina）[76]、小 球 藻（Chlorella）[60]、微 擬 球 藻（Nannochloropsis）[77]、鞭毛藻（Tetraselmis）[77]、巴夫藻（Pavlova）[61]和等邊金藻（Isochrysis）[61]等。

圖2 微藻合成氨基酸的代謝路徑Fig.2 Metabolic pathway of synthesisof amino acids by microalgae

2 溫室氣體（CH4和CO2）的生物轉化工藝與設備

作為胞內產物，SCP的生產能力與微生物生長水平密切相關，而培養環境決定著微生物比生長速率和細胞密度等生長指標，并間接影響SCP的經濟競爭性[35,40,78]。由于CH4和CO2氣體在水中溶解度相對于糖基類碳源較低，氣液傳質速率嚴重限制了微生物對上述碳源氣體的轉化[79]，進而會導致細胞密度較低，并增加了下游分離純化過程的能耗。因此，針對CH4和CO2氣體生物反應器的選型和優化可以直接提高氣液傳質速率以增強底物供給和消耗[80]。

2.1 溫室氣體（CH 4和CO2）的生物轉化工藝

連續培養常用于保持高SCP生產強度[57,81]。氣體底物和新鮮培養基以恒定速率輸入培養設備，溫度、pH和培養基組成需保持恒定，以確保生物質成分均一。培養液經離心、干燥和成型等單元得到產品。為減少營養鹽浪費，上清液經簡單處理后回流至培養設備[58]（圖3）。

圖3 好氧性甲烷菌(a)及微藻(b)SCP的生產工藝流程Fig.3 Process flow of the aerobic methanotrophs(a)and microalgae(b)SCPproduction,respectively

好氧性甲烷菌生長速率相對較高，有利于采用較高稀釋率以提高生產強度。SCP生產過程中生熱較多，對冷卻水和設備的換熱能力需求較高[82]。好氧性甲烷菌尺寸較小，增大了離心過程的能耗[82-83]。同時，該菌核酸含量較高，也需設置去除單元[27,84]。由于CH4的易燃易爆性質，整個生產過程需嚴格規范操作[85]。微藻生長速率較低，其SCP生產成本相對較高[83]。微藻培養過程需光照提供能量，陰影效應也會嚴重限制細胞密度[86]。由于微藻細胞壁很難被畜禽動物消化[31]，需對其進行破碎以便釋放SCP。

2.2 好氧性甲烷菌培養設備

根據混合方式，好氧性甲烷菌培養設備可分為機械攪拌式和氣動式。前者主要采用攪拌釜式發酵罐（stirred tank reactor，STR），后者包括鼓泡塔發酵罐（bubble column reactor，BCR）和氣升式發酵罐（air lift reactor，ALR）。此 外，膜 生 物 反 應 器（membrane bioreactor，MBR）也具有較高的氣液傳質速率。之前的研究已對以上各類反應器的構造進行了詳細的論述[79,87-88]，此處將簡述其主要特點并進行總結和對比，討論其在好氧性甲烷菌SCP生產中的應用。

2.2.1 攪拌釜式發酵罐 STR廣泛應用于CH4生物轉化過程[79]，其構造簡便[88]、投資成本較低[89]。STR通過增加轉速和優化攪拌槳構型產生小尺寸氣泡，以增大氣液傳質的比表面積[79]。但其高徑比較小[89]，氣泡停留時間較短。而高速機械攪拌不僅增加能耗，其剪應力也對細胞產生損傷[90]，不利于工業化生產。基于STR的改良包括微納米鼓泡發酵罐[79,91]和兩相發酵罐[88]。微納米氣泡尺寸小而均勻穩定，其比表面積顯著減小，停留時間較長[91]。兩相發酵罐即添加對CH4或O2具有高吸附性的液體[92-93]或固體載體[94-95]，以強化氣液傳質，但生物質對于載體的高吸附性[88]極大地限制了其在實際生產中的應用。

2.2.2 鼓泡塔發酵罐 BCR無機械攪拌。氣體從罐底部鼓入，在密度差的作用下以對流形式分散[87]，持續混合發酵液。與STR相比，其氣液傳質速率較高，且能耗顯著較低[79]。在較大規模生產中，BCR的經濟性顯著優于STR[96]。然而，由于氣泡相互作用和聚并等行為較復雜且不受控制，難以對BCR流體運動進行模擬，其設計和放大較為困難[89]。此外，BCR很少用于高黏度的發酵過程[96]。

2.2.3 氣升式發酵罐 ALR在BCR基礎上發展而來[80]，發酵液依靠氣體噴射的能量和密度差循環流動。ALR分為內部循環和外部循環[87]，前者與BCR的流體運動狀態非常相似。ALR內流體運動更具可控性，且發酵罐容積普遍較大；另一方面，ALR的研究尚處于初期，目前尚未在好氧發酵中得到廣泛應用，且其投資費用高于BCR[89]。

2.2.4 強制環流發酵罐 強制環流發酵罐（forced circulation loop reactor，FCLR）是外部循環ALR的改良。通過泵送實現發酵液循環流動，氣體沿其反方向噴射。靜混合器不僅明顯提升了高黏度發酵液的混合程度[89]，還可將聚并的氣泡重新分散，以強化氣液傳質，其不需額外輸入功率[97]。FCLR已廣泛應用于好氧性甲烷菌SCP的工業化生產，Unibio和Calysta公司均已開發出U形環流發酵罐[98]（圖4），SCP生產強度高達4 kg·m-3·h-1。

圖4 U形環流發酵罐示意圖（改自文獻[98]）（新鮮培養基從U形部分的左端進入罐體，在旋槳泵的推動下形成逆時針環流。混合氣原料從U形部分的右端噴射進入罐體，其運動方向與環流相反。U形部分設有幾處靜混合器，可將聚并的氣泡重新分散。流體穿過靜混合器時產生壓力降，通過旋槳泵推動發酵液循環可補充該部分能量損失）Fig.4 Diagramof the U-loop bioreactor(adapted from Ref.[98])

2.2.5 膜生物反應器 MBR中無大量氣泡產生，其可顯著提高氣液傳質速率[79,99]。菌株快速生長易造成膜孔堵塞，使得實際傳質速率遠低于理論值[88]，且混合程度有限，不利于高密度發酵[100]，因此在好氧性甲烷菌SCP生產中應用較少。

2.3 微藻培養設備

微藻培養分為開放和封閉體系。開放體系適用于耐受高堿和高鹽環境的藻株，包括螺旋藻和小球藻[76]。而封閉體系具有較好的靈活性，適用藻株范圍更廣[101]。

2.3.1 開放體系 開放體系具有低成本、易清洗[76]、建造便捷和低能耗[60]的特點，同時也存在難以實現長期穩定控制、生產速率低、占地面積較大和易遭受污染等缺陷[76]。其主要包括跑道池塘[61]和薄層反應器，此外，小球藻和杜氏藻的大規模生產多采用圓形攪拌池塘[102]和無混合池塘[77]。

跑道池塘（raceway pond）主要用于螺旋藻和小球藻生產[61]，是開放體系中生產強度最高、成本最低且應用最廣的大規模培養設備[60]。其從底部鼓入空氣，通過槳輪進行攪拌以避免微藻沉積[60]。目前，國內外大多數微藻SCP生產均采用跑道池塘[61,103]。薄層反應器（thin layer reactor）在跑道池塘基礎上進行改良，微藻培養液從儲罐持續泵送至平面。其光利用率高，最大光合效率為6.88%，微藻細胞密度可高達30 g·L-1。此外，其能耗較低[103]。開放體系在微藻SCP生產中的應用較成熟。然而，其對于藻株的限制較為嚴格。同時，微藻代謝工程改造[104-105]和新藻株開發[106]的相關研究正在興起，傳統的開放體系未來將很難滿足微藻SCP生產的創新需求。

2.3.2 封閉體系 封閉體系多用于生產高附加值產品[101]。其具有光照表面積大、生產強度及傳質速率高、不易受到污染等優勢，但高投資成本極大限制了其應用[76]。封閉體系多為管式[86]和平面型[60]光生物反應器（photobioreactor，PBR）。管式PBR中培養液呈湍流，混合較均勻，且氣液傳質速率較高，易實現高密度培養，其生產強度可高達2760 g·m-3·d-1[103]。光合作用產生的O2易在管式PBR中積累，嚴重阻礙微藻生長，故需經常進行汽提，排出培養基中的O2

[60]。平面型PBR通過鼓入空氣進行混合，光路徑較短，且O2積累少，藻干重最高可達80 g·L-1[60]。但其易淤塞，進而降低光利用率，并增大染菌風險。目前，平面型PBR規模放大較難，運行成本高[103]。PBR多用于大規模微藻SCP生產過程的種子培養[77]。未來，新型PBR應具備管式PBR高生產強度優勢，同時將成本降低至與開放體系相近[103]，目前尚無工業化實例[86,107]。

3 經濟可行性比較與初探

全球飼料需求增長較快[28]，呈現供不應求的趨勢[28,33]，以SCP逐漸替代傳統飼料勢在必行。目前，好氧性甲烷菌SCP生產規模仍有待開發[1,34]，而微藻產品的市場競爭力仍需提高[108]。因此，技術經濟分析（techno-economic analysis，TEA）對于該行業的可持續發展尤為重要[35]。以下基于碳源成本進行初步的經濟可行性分析，為后續研究提供一定參考。

3.1 好氧性甲烷菌SCP的經濟可行性分析

美國頁巖氣產量爆發式增長，極大地改善了天然氣供應[109]，繼而拉低其價格[110]。2020年起，受新冠肺炎疫情蔓延擴散和石油輸出國組織減產談判破裂等因素影響，天然氣價格不斷走低[111]。美國亨利中心（Henry Hub）基準價格預計在未來幾年內保持低位[112]。傳統天然氣屬于石化能源，具有不可再生性，因此，尋找CH4替代來源相當重要。以工業廢棄物生產沼氣的成本可低至257.79 USD·(t CH4)-1[113]，加上裝置固有的政府補貼[114]，成本可進一步降低。此外，石化燃料開采的伴生氣多被燃燒或排空[71]，可運用高效的技術手段對其進行捕集[38]。為減少氣體輸配費用，SCP生產裝置也可建于其鄰近處。另外，相比于糖基碳源，CH4價格顯著較低[35]。

好氧性甲烷菌的生物質得率和蛋白含量對SCP生產成本影響較大。合理選擇菌株相當重要。GroupⅠ型好氧性甲烷菌的生物質得率[115]、蛋白含量和比生長速率[116]普遍高于GroupⅡ型菌。Khoshnevisan等[25]認為，好氧性甲烷菌生物質得率理論上可達1.78 g DCW·(g CH4)-1。因此，其SCP生產仍存在較大的發展空間，包括新菌株開發[117]、代謝工程改造[69]和發酵優化[21]。

按照現階段的技術水平，即天然氣（CH4體積比假定為90%）價格為2.00 USD·MMBtu-1(1 MMBtu=1.055 GJ)[35]，生物質得率和蛋白含量分別為1.03 g DCW·(g CH4)-1[25]和70%[97]，SCP提純得率為62%～70%[27]及甲烷成本占比為26.92%[35]，好氧性甲烷菌SCP生產成本介于869～981 USD·t-1（100%蛋白，后同）。目前，飼料豆粕和魚粉售價分別為1177 USD·t-1和2354 USD·t-1[40]，好氧性甲烷菌SCP對其具有明顯的價格優勢。2020年以來，天然氣價格最低跌至1.33 USD·MMBTU-1[118]，其對應的SCP生產成本為578～652 USD·t-1。如將其觸底價格設定為1.00 USD·MMBTU-1，價格優勢將進一步擴大。Verbeeck等[40]認為沼氣生產成本未來將低至38.56 USD·t-1，如以沼氣（CH4體積比假定為60%）中的CH4為原料，好氧性甲烷菌SCP生產成本介于804～908 USD·t-1（圖5），仍低于飼料市場價格。因此，好氧性甲烷菌SCP長期內可與傳統飼料競爭。然其TEA及相關研究極少，且SCP生產和提純等過程參數來源相當有限。因此，該估算的準確性有待檢驗，數據也需進一步補充和完善。

圖5 不同原料價格下的好氧性甲烷菌SCP生產成本Fig.5 Cost of aerobic methanotroph SCPproduction under different feedstock prices NG—天然氣;BG—沼氣

3.2 微藻SCP的經濟可行性分析

微藻培養的CO2主要來源于空氣、火電廠廢氣和碳酸鹽[119-120]。空氣中CO2濃度極低，不利于微藻高密度培養[119]。采用碳酸鹽作為碳源時，盡管避免了CO2運輸等費用[121]，但其價格（152 USD·t-1[122]）顯著較高，使得SCP生產成本大幅增加。火電廠廢氣中CO2濃度較高[123]，可運用碳捕集將CO2富集并用于生產。不同規模下，CO2捕集成本介于60～100 USD·t-1[2]，未來其有望降低至20 USD·t-1[36]。

藻株種類較多，蛋白含量分布較廣，因此，應根據生產需求合理選擇生產藻株[83]。螺旋藻和小球藻蛋白含量均較高，分別為46%～71%[76]和45%～68%[27]。柵藻、杜氏藻和雨生紅球藻等蛋白含量較低[27]，可用于生產其他高附加值產品[61]。Williams等[124]指出微藻SCP提純過程會損失約30%生物質。Davis等[78]認為微藻生產未來應注重提高生產強度，降低培養和富集等單元的成本，并尋求廉價碳源和營養鹽來源。同時，應進行更多大規模微藻培養的研究以獲得生產數據，使得TEA結果更加可靠。

現有TEA研究多將微藻SCP視為副產品（表2）。Matassa等[34]認為，微藻生物質生產成本介于474.21～2963.84 USD·t-1。其中，微藻SCP為低端產品，而生物柴油[133]和保健品（不飽和脂肪酸[12,60]、色素[12,61]和多糖[30]等）分別為中、高端產品。以微藻SCP為主產品時，基于現有技術（CO2價格、微藻生物質得率、蛋白含量、微藻SCP提純得率和CO2成本占比分別為60～100 USD·t-1、0.53 g·(g CO2)-1[134]、70%、70%和37.9%[135]），生產成本為609.59～1015.99 USD·t-1（100%蛋白）。聯產微藻SCP可降低中高端產品的生產成本[136]。此時，微藻SCP價格可低至100～400 USD·t-1[11,137-138]。Pikaar等[139]認為碳稅可能逐漸增至150～220 USD·t-1。生產1 t微藻生物質至少可減排1.89 t CO2[134]，因此，微藻SCP生產成本降幅可達283.50～415.80 USD·t-1（圖6），與傳統飼料相比，其價格優勢將更加明顯。另外，微藻SCP的發展潛力較大，僅對全球7400處CO2年排放量超1.00×105t的裝置[2]進行碳捕集并用于微藻SCP生產，便可至少滿足2025年全球50.68%的飼料需求[28]。

表2 以SCP為主/副產品的微藻生物質生產數據Table 2 Data of microalgae biomass production with SCP as the main-or by-product

圖6 不同情況下的微藻SCP生產成本Fig.6 Cost of microalgae SCPproduction under different scenarios

4 結論與展望

現階段CH4和CO2的大量排放已對人類生態環境造成了嚴重的、不可逆的影響[140]。利用合成生物學和發酵工程等現代生物技術將上述兩種溫室氣體作為生產SCP的原料[1,27,33]，具有重要的經濟價值和社會意義。目前，GroupⅠ型好氧性甲烷菌[67,116,141]、螺旋藻和小球藻等微藻合成的SCP具有較高的蛋白含量及EAA占比[25,66,116]。運用代謝調控等手段可在不影響微生物生長的前提下，進一步提高細胞密度和各類氨基酸前體的碳流強度。此外，基于ALR改良的FCLR等新型氣體生物反應器也能有效強化氣液傳質，提高好氧性甲烷菌對CH4碳源的利用效率[79,88,98]。微藻培養主要分為開放和封閉體系[76]，基于開放體系的微藻培養多用于大規模微藻SCP生產[61]，但細胞密度等指標普遍較低[60]，而基于封閉體系的微藻培養具有明顯的生產強度優勢，但成本較高[76]。因此，兼具管式PBR的高生產強度和跑道池塘的低成本的微藻培養設備對微藻SCP的商業化推廣具有重要的作用。近年來，碳捕集技術的革新[9]和碳稅的引入[119,142]已顯著降低了CO2價格，并提高了微藻SCP的市場競爭力。而天然氣（頁巖氣）的價格優勢和沼氣生產的工藝提升，也使得好氧性甲烷菌SCP的工業化生產具有較好的發展潛力。隨著微生物代謝網絡優化和生物反應器設計改良的快速發展，基于溫室氣體的SCP生產有望緩解全球日益緊張的飼料供應形勢。