高子熹，郭樹奇，費(fèi)強(qiáng)，2

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710049；2陜西省能源化工過程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

引 言

進(jìn)入20世紀(jì)中葉后，隨著人們?cè)谏a(chǎn)和生活中對(duì)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(xù)增高，進(jìn)而導(dǎo)致全球氣候變暖和海平面上升[1]，由此引發(fā)的環(huán)境危機(jī)也日趨嚴(yán)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(yuǎn)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(fā)過程[3]，反芻動(dòng)物養(yǎng)殖[4-5]以及污水處理[6]等活動(dòng)。此外，如以20年時(shí)長(zhǎng)計(jì)算，CH4的溫室效應(yīng)潛力值是等量CO2的80余倍[7]，即每排放一個(gè)當(dāng)量的CH4，相當(dāng)于排放80個(gè)當(dāng)量的CO2。因此，降低溫室氣體排放及低碳發(fā)展已成為全球共識(shí)。我國已在2015年的巴黎峰會(huì)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(xiàn)代生物技術(shù)的創(chuàng)新突破和節(jié)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(dá)7400套[2]，運(yùn)用碳捕集、利用及封存（carbon capture,utilization&storage，CCUS）技術(shù)[9]將其儲(chǔ)存可用于微藻等光合微生物的生長(zhǎng)，繼而轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)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(chǔ)量均較為豐富，而微生物也可對(duì)CH4進(jìn)行有效固定和高效轉(zhuǎn)化[18-22]。同時(shí)，相較于化學(xué)利用方式，CO2和CH4的生物轉(zhuǎn)化過程條件溫和[23-24]、易于操作且碳源理論轉(zhuǎn)化率可觀[25-26]。因此，通過生物途徑轉(zhuǎn)化溫室氣體，不僅能夠有效降低碳排放，而且可實(shí)現(xiàn)氣體碳源的高值擴(kuò)展利用。

近年來，全球人口增長(zhǎng)使得肉類和乳制品等生活品需求持續(xù)增加[27]，可以預(yù)測(cè)以豆粕和魚粉為主的動(dòng)物飼料供應(yīng)未來將出現(xiàn)較大缺口[25,28]。因此，單細(xì)胞蛋白（single cell protein，SCP）再度引起關(guān)注。SCP的應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)，將曬干后的螺旋藻生物質(zhì)作為食品[29]，同時(shí)釀酒酵母用于生產(chǎn)酵母提取物已有超過100年的歷史[27]。SCP產(chǎn)自高蛋白含量的單細(xì)胞微生物[30]，主要用于動(dòng)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(dòng)物生長(zhǎng)所需的多種氨基酸，尤其是包括蛋氨酸和賴氨酸等在內(nèi)的必需氨基酸（essential amino acid，EAA），這些EAA不能由動(dòng)物自身合成，需通過攝入食物進(jìn)行補(bǔ)充。研究表明，用SCP飼料替代豆粕或魚粉時(shí)，動(dòng)物或魚類生長(zhǎng)幾乎不受影響[32]，且其肉質(zhì)及營養(yǎng)價(jià)值能得到一定提升[4]。此外，SCP生產(chǎn)原料來源廣泛[27,33]，同時(shí)也能夠克服傳統(tǒng)動(dòng)物飼料生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生任何競(jìng)爭(zhēng)[35,40-42]。此外，利用大規(guī)模捕集大氣中的溫室氣體或工業(yè)廢氣作為碳源生產(chǎn)SCP，還可促進(jìn)低值廢棄物[6,25,43]生物利用，減輕全球生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。因此，溫室氣體的生物轉(zhuǎn)化具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。至今，已發(fā)現(xiàn)有多種微生物可以利用CH4和CO2生產(chǎn)SCP（表1）。其中，好氧性甲烷菌以CH4為原料生產(chǎn)[57-59]，微藻以CO2為碳源進(jìn)行代謝和生產(chǎn)[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(guān)代謝路徑、SCP生產(chǎn)工藝以及培養(yǎng)設(shè)備，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)分別對(duì)以CH4和CO2為原料的好氧性甲烷菌和微藻SCP的生產(chǎn)過程進(jìn)行了初步的經(jīng)濟(jì)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(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。

表1 微生物轉(zhuǎn)化甲烷或二氧化碳生產(chǎn)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(diào)控

SCP為生長(zhǎng)偶聯(lián)型產(chǎn)品[63]，其主要成分為蛋白質(zhì)[25]。因此，SCP合成的代謝調(diào)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(zhǎng)速率、生產(chǎn)強(qiáng)度和EAA含量。

1.1 好氧性甲烷菌轉(zhuǎn)化CH 4合成SCP

根據(jù)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(jīng)單磷酸核酮糖循環(huán)（ribulosemonophosphatecycle，RuMPcycle）進(jìn)入中心代謝（圖1）。GroupⅠ型菌偏好氧氣（O2）濃度較高的環(huán)境，生物質(zhì)中85%～95%碳來源于CH4[64]。目前，以GroupⅠ型菌生產(chǎn)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(zhǎng)速率。GroupⅡ型菌包括Methylosinus trichosporium、Methylocystis和Methylocystisparvus等[67]，通過絲氨酸循環(huán)（serinecycle）同化甲醛[24,68]。GroupⅡ型菌CO2固定能力更強(qiáng)，部分菌CO2固定量可達(dá)細(xì)胞總碳的50%～60%[69]。因此，GroupⅡ型菌在沼氣生物轉(zhuǎn)化過程中具有可觀潛力。此外，Verrucomicrobia菌株能夠?qū)H4氧化為CO2后[70]，通過卡爾文循環(huán)（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(zhuǎn)化CO2合成SCP

微藻包括微型藻和藍(lán)細(xì)菌（即螺旋藻）[60]。各類微藻轉(zhuǎn)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(huán)吸收CO2，碳流經(jīng)3-磷酸甘油醛（G3P）進(jìn)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(chǎn)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(zhuǎn)化工藝與設(shè)備

作為胞內(nèi)產(chǎn)物，SCP的生產(chǎn)能力與微生物生長(zhǎng)水平密切相關(guān)，而培養(yǎng)環(huán)境決定著微生物比生長(zhǎng)速率和細(xì)胞密度等生長(zhǎng)指標(biāo)，并間接影響SCP的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性[35,40,78]。由于CH4和CO2氣體在水中溶解度相對(duì)于糖基類碳源較低，氣液傳質(zhì)速率嚴(yán)重限制了微生物對(duì)上述碳源氣體的轉(zhuǎn)化[79]，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞密度較低，并增加了下游分離純化過程的能耗。因此，針對(duì)CH4和CO2氣體生物反應(yīng)器的選型和優(yōu)化可以直接提高氣液傳質(zhì)速率以增強(qiáng)底物供給和消耗[80]。

2.1 溫室氣體（CH 4和CO2）的生物轉(zhuǎn)化工藝

連續(xù)培養(yǎng)常用于保持高SCP生產(chǎn)強(qiáng)度[57,81]。氣體底物和新鮮培養(yǎng)基以恒定速率輸入培養(yǎng)設(shè)備，溫度、pH和培養(yǎng)基組成需保持恒定，以確保生物質(zhì)成分均一。培養(yǎng)液經(jīng)離心、干燥和成型等單元得到產(chǎn)品。為減少營養(yǎng)鹽浪費(fèi)，上清液經(jīng)簡(jiǎn)單處理后回流至培養(yǎng)設(shè)備[58]（圖3）。

圖3 好氧性甲烷菌(a)及微藻(b)SCP的生產(chǎn)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(zhǎng)速率相對(duì)較高，有利于采用較高稀釋率以提高生產(chǎn)強(qiáng)度。SCP生產(chǎn)過程中生熱較多，對(duì)冷卻水和設(shè)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(shí)，該菌核酸含量較高，也需設(shè)置去除單元[27,84]。由于CH4的易燃易爆性質(zhì)，整個(gè)生產(chǎn)過程需嚴(yán)格規(guī)范操作[85]。微藻生長(zhǎng)速率較低，其SCP生產(chǎn)成本相對(duì)較高[83]。微藻培養(yǎng)過程需光照提供能量，陰影效應(yīng)也會(huì)嚴(yán)重限制細(xì)胞密度[86]。由于微藻細(xì)胞壁很難被畜禽動(dòng)物消化[31]，需對(duì)其進(jìn)行破碎以便釋放SCP。

2.2 好氧性甲烷菌培養(yǎng)設(shè)備

根據(jù)混合方式，好氧性甲烷菌培養(yǎng)設(shè)備可分為機(jī)械攪拌式和氣動(dòng)式。前者主要采用攪拌釜式發(fā)酵罐（stirred tank reactor，STR），后者包括鼓泡塔發(fā)酵罐（bubble column reactor，BCR）和氣升式發(fā)酵罐（air lift reactor，ALR）。此 外，膜 生 物 反 應(yīng) 器（membrane bioreactor，MBR）也具有較高的氣液傳質(zhì)速率。之前的研究已對(duì)以上各類反應(yīng)器的構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的論述[79,87-88]，此處將簡(jiǎn)述其主要特點(diǎn)并進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比，討論其在好氧性甲烷菌SCP生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.2.1 攪拌釜式發(fā)酵罐 STR廣泛應(yīng)用于CH4生物轉(zhuǎn)化過程[79]，其構(gòu)造簡(jiǎn)便[88]、投資成本較低[89]。STR通過增加轉(zhuǎn)速和優(yōu)化攪拌槳構(gòu)型產(chǎn)生小尺寸氣泡，以增大氣液傳質(zhì)的比表面積[79]。但其高徑比較小[89]，氣泡停留時(shí)間較短。而高速機(jī)械攪拌不僅增加能耗，其剪應(yīng)力也對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷[90]，不利于工業(yè)化生產(chǎn)?；赟TR的改良包括微納米鼓泡發(fā)酵罐[79,91]和兩相發(fā)酵罐[88]。微納米氣泡尺寸小而均勻穩(wěn)定，其比表面積顯著減小，停留時(shí)間較長(zhǎng)[91]。兩相發(fā)酵罐即添加對(duì)CH4或O2具有高吸附性的液體[92-93]或固體載體[94-95]，以強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，但生物質(zhì)對(duì)于載體的高吸附性[88]極大地限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.2.2 鼓泡塔發(fā)酵罐 BCR無機(jī)械攪拌。氣體從罐底部鼓入，在密度差的作用下以對(duì)流形式分散[87]，持續(xù)混合發(fā)酵液。與STR相比，其氣液傳質(zhì)速率較高，且能耗顯著較低[79]。在較大規(guī)模生產(chǎn)中，BCR的經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于STR[96]。然而，由于氣泡相互作用和聚并等行為較復(fù)雜且不受控制，難以對(duì)BCR流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，其設(shè)計(jì)和放大較為困難[89]。此外，BCR很少用于高黏度的發(fā)酵過程[96]。

2.2.3 氣升式發(fā)酵罐 ALR在BCR基礎(chǔ)上發(fā)展而來[80]，發(fā)酵液依靠氣體噴射的能量和密度差循環(huán)流動(dòng)。ALR分為內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)[87]，前者與BCR的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常相似。ALR內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)更具可控性，且發(fā)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(fā)酵中得到廣泛應(yīng)用，且其投資費(fèi)用高于BCR[89]。

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

圖4 U形環(huán)流發(fā)酵罐示意圖（改自文獻(xiàn)[98]）（新鮮培養(yǎng)基從U形部分的左端進(jìn)入罐體，在旋槳泵的推動(dòng)下形成逆時(shí)針環(huán)流。混合氣原料從U形部分的右端噴射進(jìn)入罐體，其運(yùn)動(dòng)方向與環(huán)流相反。U形部分設(shè)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(shí)產(chǎn)生壓力降，通過旋槳泵推動(dòng)發(fā)酵液循環(huán)可補(bǔ)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(yīng)器 MBR中無大量氣泡產(chǎn)生，其可顯著提高氣液傳質(zhì)速率[79,99]。菌株快速生長(zhǎng)易造成膜孔堵塞，使得實(shí)際傳質(zhì)速率遠(yuǎn)低于理論值[88]，且混合程度有限，不利于高密度發(fā)酵[100]，因此在好氧性甲烷菌SCP生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

2.3 微藻培養(yǎng)設(shè)備

微藻培養(yǎng)分為開放和封閉體系。開放體系適用于耐受高堿和高鹽環(huán)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(diǎn)，同時(shí)也存在難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定控制、生產(chǎn)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(yīng)器，此外，小球藻和杜氏藻的大規(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)[61]，是開放體系中生產(chǎn)強(qiáng)度最高、成本最低且應(yīng)用最廣的大規(guī)模培養(yǎng)設(shè)備[60]。其從底部鼓入空氣，通過槳輪進(jìn)行攪拌以避免微藻沉積[60]。目前，國內(nèi)外大多數(shù)微藻SCP生產(chǎn)均采用跑道池塘[61,103]。薄層反應(yīng)器（thin layer reactor）在跑道池塘基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，微藻培養(yǎng)液從儲(chǔ)罐持續(xù)泵送至平面。其光利用率高，最大光合效率為6.88%，微藻細(xì)胞密度可高達(dá)30 g·L-1。此外，其能耗較低[103]。開放體系在微藻SCP生產(chǎn)中的應(yīng)用較成熟。然而，其對(duì)于藻株的限制較為嚴(yán)格。同時(shí)，微藻代謝工程改造[104-105]和新藻株開發(fā)[106]的相關(guān)研究正在興起，傳統(tǒng)的開放體系未來將很難滿足微藻SCP生產(chǎn)的創(chuàng)新需求。

2.3.2 封閉體系 封閉體系多用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品[101]。其具有光照表面積大、生產(chǎn)強(qiáng)度及傳質(zhì)速率高、不易受到污染等優(yōu)勢(shì)，但高投資成本極大限制了其應(yīng)用[76]。封閉體系多為管式[86]和平面型[60]光生物反應(yīng)器（photobioreactor，PBR）。管式PBR中培養(yǎng)液呈湍流，混合較均勻，且氣液傳質(zhì)速率較高，易實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)，其生產(chǎn)強(qiáng)度可高達(dá)2760 g·m-3·d-1[103]。光合作用產(chǎn)生的O2易在管式PBR中積累，嚴(yán)重阻礙微藻生長(zhǎng)，故需經(jīng)常進(jìn)行汽提，排出培養(yǎng)基中的O2

[60]。平面型PBR通過鼓入空氣進(jìn)行混合，光路徑較短，且O2積累少，藻干重最高可達(dá)80 g·L-1[60]。但其易淤塞，進(jìn)而降低光利用率，并增大染菌風(fēng)險(xiǎn)。目前，平面型PBR規(guī)模放大較難，運(yùn)行成本高[103]。PBR多用于大規(guī)模微藻SCP生產(chǎn)過程的種子培養(yǎng)[77]。未來，新型PBR應(yīng)具備管式PBR高生產(chǎn)強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將成本降低至與開放體系相近[103]，目前尚無工業(yè)化實(shí)例[86,107]。

3 經(jīng)濟(jì)可行性比較與初探

全球飼料需求增長(zhǎng)較快[28]，呈現(xiàn)供不應(yīng)求的趨勢(shì)[28,33]，以SCP逐漸替代傳統(tǒng)飼料勢(shì)在必行。目前，好氧性甲烷菌SCP生產(chǎn)規(guī)模仍有待開發(fā)[1,34]，而微藻產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力仍需提高[108]。因此，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（techno-economic analysis，TEA）對(duì)于該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要[35]。以下基于碳源成本進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)可行性分析，為后續(xù)研究提供一定參考。

3.1 好氧性甲烷菌SCP的經(jīng)濟(jì)可行性分析

美國頁巖氣產(chǎn)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，極大地改善了天然氣供應(yīng)[109]，繼而拉低其價(jià)格[110]。2020年起，受新冠肺炎疫情蔓延擴(kuò)散和石油輸出國組織減產(chǎn)談判破裂等因素影響，天然氣價(jià)格不斷走低[111]。美國亨利中心（Henry Hub）基準(zhǔn)價(jià)格預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)保持低位[112]。傳統(tǒng)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(dāng)重要。以工業(yè)廢棄物生產(chǎn)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(bǔ)貼[114]，成本可進(jìn)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(yùn)用高效的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行捕集[38]。為減少氣體輸配費(fèi)用，SCP生產(chǎn)裝置也可建于其鄰近處。另外，相比于糖基碳源，CH4價(jià)格顯著較低[35]。

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

按照現(xiàn)階段的技術(shù)水平，即天然氣（CH4體積比假定為90%）價(jià)格為2.00 USD·MMBtu-1(1 MMBtu=1.055 GJ)[35]，生物質(zhì)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(chǎn)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(jià)分別為1177 USD·t-1和2354 USD·t-1[40]，好氧性甲烷菌SCP對(duì)其具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2020年以來，天然氣價(jià)格最低跌至1.33 USD·MMBTU-1[118]，其對(duì)應(yīng)的SCP生產(chǎn)成本為578～652 USD·t-1。如將其觸底價(jià)格設(shè)定為1.00 USD·MMBTU-1，價(jià)格優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步擴(kuò)大。Verbeeck等[40]認(rèn)為沼氣生產(chǎn)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(chǎn)成本介于804～908 USD·t-1（圖5），仍低于飼料市場(chǎng)價(jià)格。因此，好氧性甲烷菌SCP長(zhǎng)期內(nèi)可與傳統(tǒng)飼料競(jìng)爭(zhēng)。然其TEA及相關(guān)研究極少，且SCP生產(chǎn)和提純等過程參數(shù)來源相當(dāng)有限。因此，該估算的準(zhǔn)確性有待檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)也需進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

圖5 不同原料價(jià)格下的好氧性甲烷菌SCP生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)可行性分析

微藻培養(yǎng)的CO2主要來源于空氣、火電廠廢氣和碳酸鹽[119-120]?？諝庵蠧O2濃度極低，不利于微藻高密度培養(yǎng)[119]。采用碳酸鹽作為碳源時(shí)，盡管避免了CO2運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用[121]，但其價(jià)格（152 USD·t-1[122]）顯著較高，使得SCP生產(chǎn)成本大幅增加?；痣姀S廢氣中CO2濃度較高[123]，可運(yùn)用碳捕集將CO2富集并用于生產(chǎn)。不同規(guī)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(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需求合理選擇生產(chǎn)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(chǎn)其他高附加值產(chǎn)品[61]。Williams等[124]指出微藻SCP提純過程會(huì)損失約30%生物質(zhì)。Davis等[78]認(rèn)為微藻生產(chǎn)未來應(yīng)注重提高生產(chǎn)強(qiáng)度，降低培養(yǎng)和富集等單元的成本，并尋求廉價(jià)碳源和營養(yǎng)鹽來源。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更多大規(guī)模微藻培養(yǎng)的研究以獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使得TEA結(jié)果更加可靠。

現(xiàn)有TEA研究多將微藻SCP視為副產(chǎn)品（表2）。Matassa等[34]認(rèn)為，微藻生物質(zhì)生產(chǎn)成本介于474.21～2963.84 USD·t-1。其中，微藻SCP為低端產(chǎn)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(chǎn)品。以微藻SCP為主產(chǎn)品時(shí)，基于現(xiàn)有技術(shù)（CO2價(jià)格、微藻生物質(zhì)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(chǎn)成本為609.59～1015.99 USD·t-1（100%蛋白）。聯(lián)產(chǎn)微藻SCP可降低中高端產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[136]。此時(shí)，微藻SCP價(jià)格可低至100～400 USD·t-1[11,137-138]。Pikaar等[139]認(rèn)為碳稅可能逐漸增至150～220 USD·t-1。生產(chǎn)1 t微藻生物質(zhì)至少可減排1.89 t CO2[134]，因此，微藻SCP生產(chǎn)成本降幅可達(dá)283.50～415.80 USD·t-1（圖6），與傳統(tǒng)飼料相比，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)將更加明顯。另外，微藻SCP的發(fā)展?jié)摿^大，僅對(duì)全球7400處CO2年排放量超1.00×105t的裝置[2]進(jìn)行碳捕集并用于微藻SCP生產(chǎn)，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(chǎn)品的微藻生物質(zhì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)成本Fig.6 Cost of microalgae SCPproduction under different scenarios

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段CH4和CO2的大量排放已對(duì)人類生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的、不可逆的影響[140]。利用合成生物學(xué)和發(fā)酵工程等現(xiàn)代生物技術(shù)將上述兩種溫室氣體作為生產(chǎn)SCP的原料[1,27,33]，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)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(yùn)用代謝調(diào)控等手段可在不影響微生物生長(zhǎng)的前提下，進(jìn)一步提高細(xì)胞密度和各類氨基酸前體的碳流強(qiáng)度。此外，基于ALR改良的FCLR等新型氣體生物反應(yīng)器也能有效強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，提高好氧性甲烷菌對(duì)CH4碳源的利用效率[79,88,98]。微藻培養(yǎng)主要分為開放和封閉體系[76]，基于開放體系的微藻培養(yǎng)多用于大規(guī)模微藻SCP生產(chǎn)[61]，但細(xì)胞密度等指標(biāo)普遍較低[60]，而基于封閉體系的微藻培養(yǎng)具有明顯的生產(chǎn)強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，但成本較高[76]。因此，兼具管式PBR的高生產(chǎn)強(qiáng)度和跑道池塘的低成本的微藻培養(yǎng)設(shè)備對(duì)微藻SCP的商業(yè)化推廣具有重要的作用。近年來，碳捕集技術(shù)的革新[9]和碳稅的引入[119,142]已顯著降低了CO2價(jià)格，并提高了微藻SCP的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而天然氣（頁巖氣）的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和沼氣生產(chǎn)的工藝提升，也使得好氧性甲烷菌SCP的工業(yè)化生產(chǎn)具有較好的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著微生物代謝網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)改良的快速發(fā)展，基于溫室氣體的SCP生產(chǎn)有望緩解全球日益緊張的飼料供應(yīng)形勢(shì)。