Life cycle assessment of mammalian cell culture medium with alternative compositions.

Abstract

Feasibility of the culture medium is one main factor affecting the industrial scalability and environmental impacts of cultivated meat. The commonly used culture medium includes ingredients that are expensive for mass production of cultivated meat, and especially use of fetal bovine serum (FBS) leads to ethical problems in addition to environmental impacts following from the beef cattle production.

The main goal of the study was to compare the environmental impacts of the standard culture medium used in the mammalian cell culture to media with different variations on the composition and raw material sources. The first aim of the study was to assess the environmental impacts of protein hydrolysates used as a replacement of FBS in the culture medium. These include protein hydrolysates extracted from side-streams of livestock production (e.g., pork plasma and eggshell membranes) and plant-based protein hydrolysates, such as pea protein hydrolysate. Regarding the use of protein hydrolysates, consideration of cell growth (measured as DNA) during cell cultivation in the experiments conducted at Nofima was also included. Secondly, the environmental impacts of glucose production from alternative sources to maize and sugar cane (e.g., grains, straw, surplus grass, sawdust and forest chips) were assessed. Alternative raw material production was assumed to be located in Finland.

The research was conducted following the ISO standard framework for life cycle assessment (LCA) using ReCiPe 2016 Hierarchist (H) midpoint method and Cumulative Energy Demand (CED) method. The system boundaries included the main processes from raw material extraction to ready-to-be-used culture medium. The functional unit of the study was one liter of culture medium. Product system was modelled with openLCA software. Agri-footprint 5.0 and Ecoinvent 3.7.1 databases were used for the LCA data. The data for the composition of the media were based on experiments carried out at Nofima.

According to the results the environmental impacts can be significantly reduced within all of the assessed impact categories, if FBS is replaced with protein hydrolysates and serum substitute. The decrease was highest in fine particulate matter formation, global warming, marine eutrophication and terrestrial acidification impact categories – it was in the range of 68–95% with all assessed protein hydrolysate scenarios. The decrease in fossil resource scarcity and land use categories was in the range of 46–69%. Reduction in water consumption category was approximately 30% for all raw materials, except for eggshell membrane it was 13%. The lowest decrease was found within freshwater eutrophication category, with the range of 5–13%. Agricultural phase showed significant contribution to environmental impacts of FBS, protein hydrolysate and glucose production, thus the environmental impacts can also be reduced by considering the raw material production and the choice between different raw materials. From assessed protein hydrolysate raw materials, eggshell membrane and chicken carcass had highest contribution from agricultural phase to total CO2 eq emissions, 31% and 17%, respectively. Results showed that pork plasma, egg white and peas were best raw materials for protein hydrolysate production regarding the environmental impacts and protein hydrolysate yields. Protein hydrolysate produced from pork plasma was the best raw material to be used in cell cultivation, when environmental impact results and relative cell growth were assessed together. Sensitivity analyses conducted for protein hydrolysate scenarios indicated good reliability of the results. The best performing alternative glucose raw material options were sawdust and wood chips, and starch crops – wheat, potatoes and peas. The sensitivity analyses for glucose scenarios showed more variability in the results. The results can be interpreted as directional. Through technology and process optimization of the lignocellulosic glucose production process, the production of glucose from various biomasses can result to environmental benefits in future.

Sopiva soluviljelyliuos on yksi keskeisimmistä tekijöistä, joka vaikuttaa viljellyn lihan teolliseen mittakaavaan siirtymiseen ja ympäristövaikutuksiin. Yleisesti käytössä oleva viljelyliuos sisältää aineita, jotka ovat kalliita käytettäväksi viljellyn lihan massatuotantoon. Erityisesti naudan sikiön seerumin (engl. fetal bovine serum, FBS) käyttöön liittyy eettisiä ongelmia, naudanlihantuotannosta seuraavien ympäristövaikutusten lisäksi.

Tutkimuksen päätarkoitus oli vertailla tavallista nisäkässolujen viljelyssä käytettävää liuosta liuoksiin, joiden koostumusta tai raaka-aineiden alkuperää on muutettu. Tutkimuksen ensimmäisenä tavoitteena oli tarkastella FBS:n korvaamisessa käytettävien proteiinihydrolysaattien ympäristövaikutuksia. Mukana on karjantuotannon sivuvirroista uutettuja proteiinihydrolysaatteja (kuten porsaan plasma ja kananmunan kuoren kalvo) ja kasvipohjaisia proteiinihydrolysaatteja, kuten herneproteiinihydrolysaatti. Proteiinihydrolysaattien käytön osalta mukana on myös arviointi, jossa on huomioitu Nofiman tutkimuksissa DNA:na mitattu solujen kasvu soluviljelyn aikana. Toisena tavoitteena oli tarkastella glukoosin ympäristövaikutuksia eri raaka-aineista tuotettuna (kuten jyvistä, korsista, ylijäämä ruohosta, sahanpurusta tai puun hakkeesta) vaihtoehtona perinteisille raaka-aineille, maissille ja sokeriruo’olle. Vaihtoehtoisten raaka-aineiden tuotannon oletettiin sijoittuvan Suomeen.

Tutkimus toteutettiin elinkaariarvioinnin (LCA) menetelmillä ISO 14040 standardin periaatteita noudattaen. Käytetyt metodit olivat ReCiPe 2016 Hierarchist (H) midpoint ja Cumulative Energy Demand (CED). Tutkimuksen rajaukseen kuuluivat pääprosessit raaka-aineiden tuotannosta valmiiseen viljelyliuokseen saakka. Tutkimuksen toiminnallinen yksikkö (engl. functional unit) oli yksi litra viljelyliuosta. Tuotantoprosessi (engl. product system) mallinnettiin openLCA ohjelmalla. Viljelyliuosten koostumuksen perustuivat Nofimalla toteutettuihin tutkimuksiin.

Tulosten mukaan ympäristövaikutuksia voitaisiin pienentää merkittävästi kaikissa arvioiduissa vaikutusluokissa, jos FBS korvataan täysin tai osittain proteiinihydrolysaateilla ja seerumin substituutilla. Vaikutukset vähenivät eniten pienhiukkasten muodostumista, ilmaston lämpenemistä, meren rehevöitymistä ja maan happamoitumista mittaavissa vaikutusluokissa – vähenemä oli 68–95 % kaikilla arvioinnissa mukana olleilla proteiini hydrolysaatti skenaariolla. Fossiilisten raaka-aineiden niukkuutta ja maankäyttöä mittaavissa vaikutusluokissa vaikutukset vähenivät 46–69 %. Veden kulutus -luokassa vaikutukset vähenivät noin 30 % kaikilla muilla raaka-aineilla, paitsi kananmunan kuorilla 13 %. Pienin vähenemä, 5–13 %, oli makeanveden rehevöitymisen vaikutusluokassa. Maataloustuotanto vaikutti merkittäväsi FBS:n, proteiinihydrolysaattien ja glukoosin tuotannon ympäristövaikutuksiin. Ympäristövaikutuksia voitaisiin pienentää merkittävästi myös huomioimalla raaka-aineiden tuotantovaihe ja valinnat eri raaka-aineiden välillä. Arvioiduista proteiinihydrolysaattien raaka-aineista maataloustuotanto vaikutti eniten kananmunan kuoren kalvoa ja kanan ruhoa sisältävien skenaarioiden CO2 eq päästöihin. Maataloustuotannon osuus proteiinihydrolysaattien valmistuksen kokonaispäästöistä oli 31 % kun raaka-aine oli kananmunan kuoren kalvo ja 17 % kun raaka-aine oli kanan ruho. Tulosten mukaan porsaan plasma, munan valkuainen ja herneet olivat parhaat raaka-aineet proteiinihydrolysaattien tuotantoon, kun huomioidaan ympäristövaikutukset ja proteiinihydrolysaattien saanto. Kun ympäristövaikutuksia ja suhteellista solujen kasvua tarkasteltiin yhdessä, havaittiin, että porsaan plasmasta valmistettu hydrolysaatti oli paras raaka-aine soluviljelyssä käytettäväksi. Herkkyystarkastelun perusteella tulokset olivat luotettavia proteiinihydrolysaattien osalta. Parhaat vaihtoehtoiset raaka-aineet glukoosin tuotantoon olivat sahanpuru ja puun hake, sekä tärkkelyskasvit – vehnä, peruna ja herneet. Näiden tulosten osalta herkkyystarkastelu näytti enemmän vaihtelua. Tuloksia voidaan pitää suuntaa antavina. Glukoosin tuotanto useista vaihtoehtoisista biomassoista voi johtaa etuihin ympäristön kannalta, jos glukoosin tuotannossa tarvittavaa teknologiaa ja prosesseja optimoidaan lignoselluloosapitoisille raaka-aineille sopiviksi.