面向国家粮食安全与“双碳”目标的需要，同时解决饲料蛋白进口依赖高的问题，中心通过微生物种质改造、气体发酵优化等工作，开发了氢氧化菌、甲烷氧化菌单细胞蛋白制备两大核心技术。该技术配套零碳转化等支撑技术，开辟非耕地蛋白生产路径，可替代进口鱼粉/豆粕，实现固碳减碳，保障饲料安全并助力碳中和。

 

（1）技术原理

氢氧化菌(Hydrogen-oxidizing bacteria, HOB）以H₂为能源、CO₂/CO等为碳源（自养）或有机碳源（异养），通过三羧酸循环、CBB循环合成蛋白。

图1 氢氧化菌原理图

（2）技术创新性

   ① 筛选多底物利用菌株，突破单一碳源限制，适配多场景。

   ② 自主设计专用反应器，解决气液传质难题，提升效率。

   ③ 实现高密度连续培养，蛋白含量超70%，必需氨基酸占比超40%。

   ④ 生长速度快，生产效率远高于其他单细胞蛋白菌种。

   ⑤ 培养条件温和，抗污染强，具备工业化放大基础。

   ⑥ 固碳效益显著，每产1吨蛋白可固定1.5吨CO₂，助力碳中和。

图2 HOB的种质筛选

 

图3 HOB培养工艺开发

（3）应用场景

   ① 饲料应用：富含多种氨基酸，SCP质量超过豆粕，接近鱼粉，饲料中15%的单细胞蛋白替代率显著提高了海参的生长性能。

图4 HOB蛋白质量评价

图5 饲料中15%的HOB蛋白替代率显著提高了海参的生长性能

   ② 废弃物资源化：利用沼液等进行异养培养，构建循环经济。

     A、HOB对小分子有机酸均表现出了良好的耐受性和利用能力，同时也可耐受不超过8000mg/L的氨氮浓度。

     B、在模拟沼液净化实验中可在30h内实现100%的COD去除和35%的氨氮去除，生物质浓度可达1.4g/L。

图6 利用沼液培养单细胞蛋白

   ③ 工业尾气消纳：处理钢铁等行业富碳尾气，实现固碳与资源化。

     HOB还可以直接以CO为能源和碳源生产生物质，并且蛋白质含量可达60%，因此利用CO尾气进行单细胞蛋白生产是替代H₂生产单细胞蛋白的有效途径。

图7 利用工业尾气生产单细胞蛋白

图8 利用生物质气化生产单细胞蛋白

 

（1）技术原理

   甲烷氧化菌以甲烷/甲醇为唯一碳源能源，通过RuMP或丝氨酸代谢路径合成蛋白，核心反应式如下：

   ① RuMP代谢路径

   CH₄+1.5O₂+0.118NH₄⁺=0.118(C₄H₈O₂N)+0.529CO₂+1.71H₂0+0.118H⁺

 ② 丝氨酸代谢路径

   CH₄+1.57O₂+0.102NH₄⁺=0.102(C₄H₈O₂N)+0.593CO₂+1.75H₂0+0.102H⁺

图1 甲烷氧化菌代谢通路

通过甲烷氧化菌-氢氧化菌联合零碳工艺实现甲烷碳全量转化，搭配自主研发的专用气体发酵反应器强化气液传质，实现甲烷向单细胞蛋白的高效转化。

（2）技术创新性

   ① 开发了复杂环境甲烷氧化菌的单细胞筛选平台，获得特色菌株，构建复合菌群。

   ② 提出零碳工艺，解决甲烷碳转化损耗问题，提升碳利用效率。

   ③ 研发自主知识产权多规格气体发酵反应器，填补国内空白。

 

图2 甲烷氧化菌的种质筛选

 图3 甲烷氧化菌培养工艺开发

图4 单细胞蛋白的中试平台和分析检测仪器

（3）应用场景

   ① 高值功能产品开发：富锌菌株可作为饲料添加剂，未来可用于食品。实现了甲烷氧化菌6.5mg/L高锌离子浓度条件下的正常生长，且单细胞蛋白的有机锌含量达到了16.93mg/g细胞干重，与市售富锌酵母水平相当，可以作为高值功能性饲料添加剂。

图5 富锌单细胞蛋白

   ② 人工菌群构建：开发出不同的甲烷氧化菌群组合配方，与甲烷氧化纯菌相比，生产效率提升50%以上，还可以实现3000ppm硫化氢（20mg NaS/L）的耐受与转化含硫氨基酸。

 

图6 单细胞蛋白的人工菌群构建

   ③ 零碳技术：开发了甲烷氧化菌与氢氧化菌联合工艺，实现了甲烷碳的全量转化，单细胞蛋白效率最高可达14g/L以上，产品的氨基酸组成均衡，可媲美鱼粉。

图7 甲烷氧化菌与氢氧化菌联合工艺

 

图8 甲烷氧化菌与氢氧化菌联合单细胞蛋白的氨基酸组成