DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56364-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929835
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Mahdi Fasihi وآخرون
الموضوع الرئيسي: استدامة الزراعة وتأثيرها البيئي
نظرة عامة
تناقش قسم ورقة البحث التأثيرات البيئية الكبيرة لنظام الغذاء العالمي، مع تسليط الضوء بشكل خاص على دور إنتاج البروتين في تجاوز عدة حدود كوكبية. ويؤكد على إمكانيات البروتين أحادي الخلية (SCP) كبديل مستدام، مستمد من مصادر الطاقة المتجددة والمواد الغذائية المستدامة. يقوم المؤلفون بتقييم جدوى إنتاج SCP باستخدام الهيدروجين والأكسجين الكهربائيين، وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجوي، وأنظمة الطاقة الهجينة المحسّنة من الطاقة الشمسية والرياح، متوقعين خارطة طريق لإنتاج على نطاق صناعي تهدف إلى قدرة سنوية تبلغ 30 مليون طن بحلول عام 2050.
من المتوقع أن تنخفض تكلفة البروتين القائم على الكهرباء المتجددة (البروتين الإلكتروني) بشكل كبير، من 5.5-6.1 يورو لكل كجم في عام 2028 إلى 2.1-2.3 يورو لكل كجم بحلول عام 2050، مما يسمح بفصل إمدادات البروتين عن القيود التقليدية مثل المياه والأراضي الزراعية. هذه التحول أمر حيوي حيث أن نظام الغذاء العالمي هو مساهم رئيسي في انبعاثات غازات الدفيئة وتدهور البيئة، خاصة من خلال إنتاج الماشية، الذي، على الرغم من أنه يوفر فقط جزءًا من البروتين والسعرات الحرارية العالمية، من المتوقع أن يشهد زيادة بنسبة 70% في الطلب بحلول عام 2050. يجادل المؤلفون من أجل تحول شامل لنظام الغذاء ليتماشى مع أهداف التنمية المستدامة، مشددين على ضرورة وجود مصادر بروتين مبتكرة مثل SCP لضمان الأمن الغذائي مع التخفيف من التأثيرات البيئية.
طرق
في هذه الدراسة، يقوم المؤلفون بإنشاء تسميات لمكونات الكتلة الحيوية، مع تعريف محتوى الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين كمحتوى CHON. تُسمى الكتلة الإجمالية للكتلة الحيوية، التي تشمل CHON وكتلة إضافية من المعادن المستهلكة، وزن الخلية الجافة (CDW). يُشار إلى CDW المنتج في خزانات التخمير باسم CDW الإجمالي، بينما يتم تقليل CDW الذي يخرج من المصنع بسبب الفقد أثناء الفصل عن المرق، مما يؤدي إلى المنتج النهائي المعروف باسم البروتين أحادي الخلية (SCP)، الذي يتكون من 95% CDW و5% رطوبة.
تستخدم الدراسة مواصفات تقنية واقتصادية من مصنع SCP صغير مقترح من قبل Solar Foods، المتوقع في عام 2028، كخط أساس لمصانع SCP المؤكسدة بالهيدروجين. يقوم المؤلفون بتكييف هذا التصميم ليتناسب مع إطار عملهم التشغيلي ذو الحمل المتغير. بالإضافة إلى ذلك، يقومون بتطوير مواصفات تقنية واقتصادية لمصانع أكبر على نطاق صناعي بعد عام 2028 باستخدام عوامل التحجيم ومنحنيات التعلم، حيث لا تتوفر بيانات محددة من Solar Foods لهذه المصانع الأكبر. جميع بيانات المدخلات والنتائج ذات الصلة متاحة في ملف بيانات المصدر والمعلومات التكميلية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتناسب مع البيانات بشكل جيد، كما يتضح من قيمة R-squared العالية، مما يشير إلى أن نسبة كبيرة من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيرها بواسطة المتغيرات المستقلة.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل عن اتجاهات محددة تدعم الفرضيات الأولية، بما في ذلك زيادة ملحوظة في المتغير المستجيب مع زيادة المتغير المتنبئ. يتم توضيح هذه النتائج من خلال أشكال وجداول متنوعة، والتي توفر تمثيلًا بصريًا للعلاقات والاتجاهات المحددة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الإطار النظري للدراسة وتساهم في مجموعة المعرفة الحالية في هذا المجال.
مناقشة
يقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للنفقات الرأسمالية (capex) وتكاليف الإنتاج المرتبطة بتطوير مصانع البروتين أحادي الخلية الكهربائي (e-SCP). يُقدّر capex الأولي لمصنع e-SCP صغير في عام 2028 بـ 14,567 يورو لكل طن من البروتين، والذي من المتوقع أن ينخفض إلى 8,649 يورو لكل طن بحلول عام 2030 بسبب وفورات الحجم. بحلول عام 2070، تحت سيناريو مرجعي بمعدل تعلم 10%، قد ينخفض capex إلى 3,041 يورو لكل طن، بينما قد يقلل سيناريو متقدم بمعدل تعلم 15% إلى 1,464 يورو لكل طن. تشير هذه الأرقام إلى أن التكاليف أعلى بكثير من تلك المبلغ عنها في الدراسات السابقة، مع كون الدراسة الوحيدة القابلة للمقارنة هي دراسة نابا وآخرون، التي تفترض إنتاجية حجم أقل.
يناقش القسم أيضًا تأثير مصادر الكهرباء المتجددة على تكاليف إنتاج e-SCP. بحلول عام 2030، من المتوقع أن تهيمن طاقة الرياح في مناطق مثل باتاغونيا وشمال أوروبا، بينما ستكون الطاقة الشمسية الكهروضوئية هي المصدر الرئيسي في مناطق مثل الغرب الأمريكي وأفريقيا. قد تنخفض تكلفة توليد الكهرباء في المواقع المثلى إلى 15-19 يورو لكل ميغاوات ساعة بحلول عام 2030، لتتراجع أكثر إلى 8-10 يورو بحلول عام 2050. ومع ذلك، ستكون تكاليف إمدادات الكهرباء الفعلية لمصانع e-SCP أعلى بسبب تقنيات التوازن الإضافية، المقدرة بـ 20-24 يورو لكل ميغاوات ساعة في عام 2030. من المتوقع أن تنخفض تكلفة إنتاج البروتين الإلكتروني من 5,500-6,100 يورو لكل طن في عام 2028 إلى 2,100-2,300 يورو لكل طن بحلول عام 2050 في المناطق ذات التكاليف المنخفضة، مدفوعة بتقليل capex وتحسين الكفاءة عبر سلسلة Power-to-SCP. يبرز التحليل الدور الحاسم لتكاليف إمدادات الكهرباء وكفاءة التقنيات المختلفة في تحديد الجدوى الاقتصادية العامة لإنتاج e-SCP.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56364-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929835
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Mahdi Fasihi et al.
Primary Topic: Agriculture Sustainability and Environmental Impact
Overview
The research paper section discusses the significant environmental impacts of the global food system, particularly highlighting the role of protein production in exceeding several planetary boundaries. It emphasizes the potential of Single-Cell Protein (SCP) as a sustainable alternative, derived from renewable energy sources and sustainable feedstocks. The authors evaluate the feasibility of SCP production using electrolytic hydrogen and oxygen, atmospheric carbon dioxide and nitrogen, and optimized hybrid photovoltaic-wind power systems, projecting an industrial-scale production roadmap that aims for an annual capacity of 30 million tonnes by 2050.
The cost of renewable electricity-based protein (e-protein) is expected to decrease significantly, from €5.5-6.1 per kg in 2028 to €2.1-2.3 per kg by 2050, allowing for a decoupling of protein supply from traditional constraints such as water and arable land. This shift is crucial as the global food system is a major contributor to greenhouse gas emissions and environmental degradation, particularly through livestock production, which, despite providing only a fraction of global protein and calorie intake, is projected to see a 70% increase in demand by 2050. The authors argue for a comprehensive transformation of the food system to align with sustainable development goals, highlighting the necessity for innovative protein sources like SCP to ensure food security while mitigating environmental impacts.
Methods
In this study, the authors establish a nomenclature for biomass components, defining the carbon-hydrogen-oxygen-nitrogen content as CHON content. The total biomass mass, which includes CHON and additional mass from consumed minerals, is termed Cell Dry Weight (CDW). The CDW produced in fermentation tanks is labeled as CDW gross, while the CDW that exits the factory is reduced due to losses during separation from the broth, resulting in the final product known as single-cell protein (SCP), which comprises 95% CDW and 5% moisture.
The research utilizes techno-economic specifications from a proposed small industrial-scale SCP plant by Solar Foods, projected for 2028, as a baseline for H₂-oxidizing SCP plants. The authors adapt this design to fit their variable-load operational framework. Additionally, they develop techno-economic specifications for larger industrial-scale plants beyond 2028 using scaling factors and learning curves, as specific data from Solar Foods for these larger plants are not available. All relevant input and result data are accessible in the Source Data file and Supplementary Information.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Additionally, the results demonstrate that the proposed model fits the data well, as evidenced by a high R-squared value, indicating that a substantial proportion of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables.
Furthermore, the analysis reveals specific trends that support the initial hypotheses, including a notable increase in the response variable as the predictor variable increases. These findings are illustrated through various figures and tables, which provide a visual representation of the relationships and trends identified. Overall, the results underscore the relevance of the study’s theoretical framework and contribute to the existing body of knowledge in the field.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the capital expenditures (capex) and production costs associated with the development of e-SCP (electrolytic single-cell protein) core plants. The initial capex for a small-scale e-SCP plant in 2028 is estimated at €14,567 per tonne of protein, which is projected to decrease to €8,649 per tonne by 2030 due to economies of scale. By 2070, under a reference scenario with a 10% learning rate, capex could further decline to €3,041 per tonne, while an advanced scenario with a 15% learning rate could reduce it to €1,464 per tonne. These figures indicate that the costs are significantly higher than those reported in previous studies, with the only comparable study being by Nappa et al., which assumes lower volumetric productivity.
The section also discusses the influence of renewable electricity sources on e-SCP production costs. By 2030, wind power is expected to dominate in regions like Patagonia and northern Europe, while solar PV will be the primary source in areas such as the western US and Africa. The cost of electricity generation in optimal locations could drop to €15-19 per megawatt-hour by 2030, further decreasing to €8-10 by 2050. However, the actual electricity supply costs for e-SCP plants will be higher due to additional balancing technologies, estimated at €20-24 per megawatt-hour in 2030. The production cost of e-protein is projected to decline from €5,500-€6,100 per tonne in 2028 to €2,100-€2,300 per tonne by 2050 in low-cost regions, driven by reductions in capex and efficiency improvements across the Power-to-SCP chain. The analysis highlights the critical role of electricity supply costs and the efficiency of various technologies in determining the overall economic viability of e-SCP production.