mały|Quorn jest przykładem komercyjnego sukcesu produktów SCP. Firma zajmuje się sprzedażą substytutów mięsa zawierających mykoproteiny wytworzone przez pleśń Fusarium venenatum szczep PTA-2684. Białka z pojedynczych komórek (, ) – jadalne białko wytworzone przez mikroorganizmy jednokomórkowe. Biomasa lub ekstrakt proteinowy z czystych lub zmieszanych kultur drożdży, glonów, grzybów lub bakterii może być użyty jako składnik lub substytut bogatych w białka produktów spożywczych, nadających się do spożycia przez ludzi i zwierzęta hodowlane.
Podczas gdy rolnictwo intensywne cechuje się wysokim zużyciem wody oraz przestrzeni, degradacją bioróżnorodności oraz ogólnym negatywnym wpływem na środowisko, a także odpowiada za niemal jedną trzecią antropogenicznej emisji gazów cieplarnianych; produkcja SCP nie musi wiązać się z równie wysokimi kosztami środowiskowymi. Obecnie SCP są powszechnie uprawiane na odpadach rolniczych, przez co „dziedziczą” ślad ekologiczny i wodny producenta odpadu. SCP mogą być także uprawiane niezależnie od odpadów rolniczych, poprzez wzrost autotroficzny. Dzięki dużej różnorodności metabolizmu mikrobiologicznego, autotroficzne SCP mogą być uprawiane na różnych podłożach i poddawać recyklingowi różne składniki. Cechuje je także wyraźnie większa wydajność, w porównaniu do rolnictwa konwencjonalnego.
FAO prognozuje, że wraz ze wzrostem populacji ludzkiej do 9,7 miliarda ludzi w roku 2050, światowa produkcja żywności będzie musiała wzrosnąć o 70%, a w krajach rozwijających się (głównie w Afryce), będzie musiała zostać podwojona. Wartości te mogą być niedoszacowane, ponieważ prognoza nie bierze pod uwagę wzrostu produkcji biopaliw, podczas gdy wcześniejszy raport FAO prognozował, że do 2030 roku produkcja biopaliw zajmie 35 milionów hektarów – tj. powierzchnię porównywalną do powierzchni Francji i Hiszpanii razem wziętych. Pozwala to przypuszczać z dużą dozą prawdopodobieństwa, że obecne metody agrotechniczne nie będą w stanie zapewnić żywności pokrywającej zapotrzebowanie oraz że istnieje poważne ryzyko globalnego niedoboru żywności. Obecnie około 105 milionów ludzi cierpi z powodu niedożywienia.
Autotroficzne SCP reprezentuje możliwość niezawodnej masowej produkcji żywności, która może być prowadzona w sposób przewidywalny nawet w trudnych warunkach klimatycznych.
Historia Pierwsze procesy produkcji silnie skoncentrowanych form drożdży opracowano w 1781 roku. Badania nad technologią wytwarzania SCP rozpoczęły się już sto lat wcześniej, gdy Max Delbrück, wraz ze współpracownikami, zauważyli wysoką wartość nadwyżki drożdży browarniczych w suplementacji diety dla zwierząt. Podczas I oraz II wojny światowej, SCP na bazie drożdży były wykorzystywane na szeroką skalę w Niemczech, w celu łagodzenia skutków niedoborów żywności. Opracowanie technologii produkcji SCP często reprezentuje kamienie milowe w biotechnologii, na przykład: w 1919 w Sak w Danii oraz Hayduck w Niemczech opracowano metodę hodowli okresowo dolewowej (fed-batch), w której roztwór cukru był dozowany w sposób ciągły do napowietrzonej zawiesiny drożdży, zamiast dotychczas stosowanej metody polegającej na dozowaniu drożdży do rozcieńczonego roztworu cukru (batch). W okresie powojennym Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) zaczęła zwracać uwagę opinii publicznej na głód oraz problem niedożywienia w wielu częściach świata i w 1960 roku wysunęła koncept niedoboru białka (ang. protein gap), ilustrujący fakt, że 25% światowej populacji cierpi na niedobór białka w diecie. Obawiano się także, że produkcja rolnicza nie będzie w stanie zaspokoić wynikającego ze wzrostu demograficznego wzrostu zapotrzebowania na żywność. Do połowy lat 60. ubiegłego wieku w różnych częściach świata zostało wyprodukowane niemal ćwierć miliona ton drożdży, a w samym ZSRR do roku 1970 w celach spożywczych i na paszę wyprodukowano ich 900 000 ton.
Także w latach 60. naukowcy British Petroleum opracowali proces nazwany przez nich „procesem białka-z-ropy” (ang. proteins-from-oil process): będący technologią produkcji białek z pojedynczych komórek w wyniku hodowli drożdży na pożywce z węglowodorów n-parafinowych – produktu ubocznego rafinacji ropy naftowej. Wstępne badania zostały przeprowadzone przez Alfreda Champagnata w rafinerii należącej do BP w Lavera, we Francji. Pierwsza, niewielka instalacja pilotażowa rozpoczęła działanie w marcu 1963 roku. Identyczna konstrukcja pilotażowa rozpoczęła działanie także w rafinerii w Grangemouth, w Wielkiej Brytanii.
Nazwa SCP została rozpropagowana przez Carrolla L. Wilsona z MIT w 1966 roku, a sama idea „żywności z ropy” zyskała na popularności do lat 70.. A. Champagnat otrzymał nagrodę naukową UNESCO w 1976 roku, a instalacje produkcji drożdży na pożywkach parafinowych zostały wybudowane w kilku różnych krajach. Pierwotnym wykorzystaniem ich produktów była pasza dla bydła i drobiu.
Władze ZSSR były szczególnie entuzjastycznie nastawione do pomysłu, otwierając duże fabryki „BVK” („białkowo-witaminowych koncentratów” rus. belkovo-vitaminny kontsentrat) w pobliżu rafinerii w Kstowie (1973) oraz Kiriszy (1974). Radzieckie Ministerstwo Przemysłu Mikrobiologicznego do roku 1989 miało osiem fabryk tego typu. Jednak ze względu na wątpliwości dotyczące toksyczności alkanów i pod naciskiem ruchów środowiskowych, rząd zdecydował się na ich zamknięcie lub przekształcenie na obsługę innych procesów mikrobiologicznych.
Proces produkcyjny Białka SCP produkowane są w procesie fermentacji produktów odpadowych przez mikroorganizmy (wliczając w to drewno, słomę, odpady produkcji spożywczej, produkcji alkoholu, węglowodory oraz ludzkie i zwierzęce odchody). Problemami jakie napotyka proces ekstrakcji białek z odpadów jest ich rozcieńczenie oraz koszt procesu. Występują one w bardzo małych stężeniach, zwykle niższych niż 5%. W celu zwiększania koncentracji białek stosuje się wirowanie, flotację, odparowanie wody, filtrację lub zatężanie przy wykorzystaniu półprzepuszczalnych membran.
Białka SCP, aby zapobiec degradacji podczas przechowywania muszą zostać poddane odwodnieniu do poziomu około 10% i/lub zakwaszeniu. Metody zwiększania koncentracji białka do pożądanego poziomu i dehydratacji wymagają sprzętu, który jest kosztowny i nie zawsze może być wykorzystywany w produkcji na niewielką skalę. Także lokalne wykorzystanie produktu, jak najszybciej od momentu produkcji jest uzasadnione ekonomicznie.
Etapy produkcji Produkcja SCP z każdego mikroorganizmu, przy użyciu każdej metody zawiera się w kilku podstawowych krokach: zapewnienie źródła węgla (rozważyć potrzebę wstępnej obróbki metodami fizycznymi lub chemicznymi); zapewnienie źródeł azotu, fosforu i innych substancji odżywczych niezbędnych do wzrostu mikroorganizmu/ów; zapewnienie aseptycznych warunków, zapobieganie zanieczyszczeniu innymi mikroorganizmami na każdym etapie procesu; przygotowanie czystego szczepu mikroorganizmów; zapewnienie warunków tlenowych lub beztlenowych oraz światła, jeśli wymagane przez proces; zapewnienie chłodzenia, jeśli proces fermentacji generuje ciepło; zapewnienie procedury oddzielania biomasy od podłoża (flokulacja, flotacja, wirowanie, filtracja); zapewnienie dalszego procesu przetwarzania biomasy, w celu zapewnienia jej przydatności i trwałości; poprawa jakości produktu: redukcja RNA poprzez szybkie podgrzanie, rozkład, chemiczną ekstrakcje protein; rozbicie ścian komórkowych; ocena zawartości endotoksyn, ewentualnie proces ich redukcji; ocena produktu: zawartość białek, aminokwasów, kwasów nukleinowych, węglowodanów, tłuszczów, witamin i metali ciężkich.
Mikroorganizmy Do mikroorganizmów wykorzystywanych w produkcji SCP zaliczamy: +NazwaSubstratProdukt komercyjny DrożdżeAmoco torulaetanolCandida boidiniimetanol, różne, głównie: ścieki cukiernicze, ług siarczynowyCandida intermedialaktoza, różne, głównie: ścieki cukiernicze, ług siarczynowyCandida krusei w kombinacji z Lactobacillus bulgaricusserwatkaCandida nouveliin-alkany, różne, głównie: ścieki cukiernicze, ług siarczynowyCandida tropicalisglukoza, maltoza, różne, głównie: ścieki cukiernicze, ług siarczynowyCandida utilisglukoza, etanol, melasa, ścieki cukierniczesuplementyHamenula polymorphametanolKluyveromyces fragilislaktoza, etanol, ług siarczynowywheast, ProtibelPichiametanolSaccharomyces cerevisiaelaktoza, pentoza, maltoza, różne, głównie: ścieki cukiernicze, ług siarczynowy, melasasuplementyYarrowia lipolytican-alkanyTorpina BakterieArthrospira maximadwutlenek węgla w procesie fotosyntezy, gazy spalinowespirulinaArthrospira platensisdwutlenek węglaAeromonas hydrophilalaktozaAchromobacter delvacvaten-alkany, dieselAcinetobacter calcoaceticusetanolArthrobacterceluloza, hemicelulozaBacillusmetanolBacillus megateriumnie-białkowe związki azotu, odpady kolagenoweBacillus subtilisceluloza, hemicelulozaBrevibacteriumCellulomonasceluloza, hemiceluloza, wytłoczyny z trzciny cukrowejFlavobacteriumceluloza, hemicelulozaLactobacillusglukoza, amylaza, maltozaMethylobacteriummetanolMethylococcus capsulatusmetanMethylomonas methanicametanMethylomonas methylothropusmetanol, amoniakPruteenMethylophilus methylotrophusmetanolMethylovibrio soehngeniimetanPseudomonasn-alkany, olej napędowyPseudomonas methanicametanPseudomonas fluorescenskwas moczowy i inne nie-białkowe związki azotuRhodopseudomonas capsulataglukozaRhodobacter capsulatusoctany, jabłczany, mleczany, ściekiThermoactinomyces vulgarisceluloza, glukozaThermomonospora fuscaceluloza, hemicelulozaVibriometanol GrzybyAspergillus fumigatusmaltoza, glukozaAspergillus nigerceluloza, hemicelulozaAspergillus oryzaeceluloza, hemicelulozaCephalosporium eichhorniaeceluloza, hemicelulozaChaetomium cellulolyticumceluloza, hemiceluloza, hydrolizaty polisacharydów (skrobi), ług siarczynowy (odpad przemysłu celulozowo– papierniczego), odpady celulozoweFusarium venenatumglukoza, hydrolizaty polisacharydów (skrobi), ług siarczynowy (odpad przemysłu celulozowo– papierniczego)QuornGeotrichum candidumceluloza, hemiceluloza, odpady papierowe, serwatka, gnójGliocladium deliquescensmetanolPaecilomyces variotiiług powarzelny siarczynowy, hydrolizat skrobi PekiloPenicillium cyclopiumglukoza, laktoza, galaktozaPolyporussacharoza, glukoza, fruktozaRhizopus oryzaeglukoza, maltozaScytalidium acidophilumceluloza, pentozaTrichoderma albidumceluloza, pentozaTrichoderma viridehydrolizat celulozy, pentozaTrichoderma lignorummetanol Grzyby kapeluszowe (grzybnia)Agaricus campestrisglukozaMorchella crassipesglukoza, serwatka, ług powarzelny siarczynowy GlonyChlorella sorokinianadwutlenek węgla w procesie fotosyntezyChlorella pyrenoidosadwutlenek węgla w procesie fotosyntezyChondrus crispusdwutlenek węgla w procesie fotosyntezyPorphyridiumdwutlenek węgla w procesie fotosyntezyScenedesmusdwutlenek węgla w procesie fotosyntezy Jadalne mikroglony badane pod kątem przemysłowej produkcji biopaliwChlamydomonas reinhardtiidwutlenek węglaChlorella vulgaris (oraz inne z rodz Chlorella)dwutlenek węglaChlorococcumdwutlenek węglaEuglenadwutlenek węglaIsochrysisdwutlenek węglaNannochloropsis:dwutlenek węglaNannochloropsis gaditanadwutlenek węglaNannochloropsis oceanicadwutlenek węglaPavlovadwutlenek węglaPhaeodactylumdwutlenek węglaScenedesmus almeriensisdwutlenek węglaScenedesmus obliquusdwutlenek węglaSpirogyradwutlenek węglaThalassiosiradwutlenek węglaAnabaena cylindrica (sinica)dwutlenek węgla
Także Candida utilis i Kluyveromyces marxianus – produkują enzymy, które mogą być wykorzystane do modyfikacji serwatki w procesie produkcji SCP.
Wiele procesów wykorzystuje więcej niż jeden rodzaj mikroorganizmów. Niektóre z nich są wielostopniowe, jak np. proces Symba, wykorzystujący symbiotyczne drożdże Endomycopsis fibuligera i Candida utilis. W procesie Symba Endomycopsis fibuligera wytwarza amylazę, która hydrolizuje skrobię, umożliwiając wzrost C. utilis.
Trichoderma viride znalazł także zastosowanie jako biofungicyd.
Zalety