Биопротеин из метана

Российский научно-производственный коллектив, в составе которого сотрудники УрФУ, по заказу индустриального партнера «Промпроект инжиниринг» усовершенствовал технологию создания кормовых добавок (биопротеин) для аквакультуры. Суть технологии в том, что бактерии Methylococcus capsulatus питаются растворенными в воде метаном, кислородом, солями, стремительно размножаются и формируют биомассу. Затем биомассу сушат и добавляют в корма в виде гранул. Полученная учеными биомасса содержит до 71% белка (основа кормовых смесей), богата аминокислотами (содержит лизин, метионин, цистин, триптофан, аргинин, тиамин, рибофлавин), витаминами и микроэлементами, безопасна и легко усваивается. Процесс газовой ферментации ученые описали в научной статье в журнале Theoretical Foundations of Chemical Engineering.

В настоящее время индустриальный партнер ведет переговоры с одним из лидеров биотехнологического рынка — компанией АО «Биотех» о лицензировании и внедрении разработанной технологии на промышленном уровне.

«Над созданием технологии при поддержке Российского научного фонда и Минобрнауки, Минпромторга России индустриальные партнеры работают с 2018 года. За последние три года были достигнуты значительные результаты, включая успешный запуск эжекционных и классических биореакторов с высокой эффективностью массопереноса, обеспечивающих стабильно высокую продуктивность биосинтеза. Экспериментально подтверждены характеристики произведенных образцов биопротеина, демонстрирующие перспективы для масштабного промышленного применения»,— рассказывает главный научный советник проекта «Биопротеин» АО «Биотех» Максим Захарцев.

Как полагают эксперты, биопротеин может стать полноценной заменой рыбной муки в кормах для аквакультуры. Полученный российским коллективом продукт соответствует ГОСТу и не уступает, а по некоторым показателям и превосходит существующие премиальные добавки.

«Как показывают мировой опыт и наши собственные исследования, биопротеин является отличной добавкой для аквакультуры — карповых, осетровых, лососевых, креветок, особенно на ранних стадиях выращивания, когда необходим быстрый набор массы и формируется иммунная система. Полагаем, наш продукт будет востребован и на российском, и на зарубежном рынках из-за соотношения качества и стоимости. По предварительным оценкам, цена на наш биопротеин будет сопоставима с ценой рыбной муки премиального сегмента и вполне может стать ее дополнением, так как содержит не только белок, но и другие полезные вещества»,— добавляет Максим Захарцев.

Производство биопротеина на основе природного газа — перспективное направление на рынке кормовых добавок и альтернативных белковых продуктов. Потребности российского, китайского и международного рынков оцениваются в 60 млн тонн ежегодно. Ключевыми производителями биопротеина на международном рынке являются компании из США и Дании. В России в этой сфере работают три научно-производственных центра, один из которых — под руководством «Промпроект инжиниринг».

Над созданием технологии работали генетики, микробиологи, физики, математики, технологи научно-исследовательских центров. Работа специалистов УрФУ (велась при поддержке по программе «Приоритет-2030») заключалась в проведении расчетов: с помощью математических моделей и суперкомпьютеров физики прогнозировали поведение среды в реакторе.

«Наша научная работа сосредоточена на моделировании в сфере многофазной и вычислительной гидродинамики, биоинженерии в сфере газовой ферментации. Нам удалось оптимизировать режим работы смесителя, оптимальное соотношение газа и жидкости для максимально эффективного перемешивания. Так, мы смогли обеспечить устойчивое распределение размеров газовых пузырьков в биореакторе, что в конечном счете влияет на экономическую составляющую, безопасность работы аппарата и жизнедеятельность бактерий, их размножение»,— поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории моделирования многофазных физико-биологических сред УрФУ Илья Стародумов.

Одна из важных технологических проблем, которую решили ученые,— растворить метан в жидкости, что сделать непросто из-за гидрофобных свойств газа. Обычные ферментеры в таком случае не подходят, нужны специальные биореакторы. Эффективность и энергоемкость процесса, соответственно, стоимость готового продукта и конкурентоспособность на рынке в итоге определяют конструкция биореактора, настройка технологического процесса и характеристики, при которых газы превращаются в жидкость.

«Масштабирование требовало доработки, так как в промышленных крупнотоннажных установках процесс происходит иначе, чем в лабораторных. Упростило задачу моделирование, которое помогло просчитать и измерить различные факторы до апробации технологии в реальных условиях»,— добавляет Илья Стародумов.

Отметим, в создании технологии приняли участие специалисты МФТИ, ИТМО, МГТУ имени Баумана, УрФУ, ФИЦ биотехнологии РАН, ВНИРО Минсельхоза РФ, Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, ФИЦ Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН.

Максим Захарцев, главный научный советник проекта «Биопротеин» АО «Биотех», ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— В чем заключаются конкурентные преимущества российской технологии по сравнению с зарубежными аналогами?

— Основное отличие в используемом типе ферментеров (биореакторов). Calysta, Unibio и некоторые российские разработчики опираются на датскую разработку U-loop, или петлевой биореактор. АО «Биотех» выбрало более эффективную разработку немецких ученых Tauchstrahlfermentor, который позволяет масштабировать технологию без потери эффективности до сотен тысяч тонн в год.

— Какие конкретные преимущества имеет использование именно бактерий Methylococcus capsulatus по сравнению с другими микроорганизмами?

— Methylococcus capsulatus — это природные микроорганизмы, обладающие рядом ключевых преимуществ, делающих их идеальными кандидатами для промышленного производства кормового белка. Главная особенность Methylococcus capsulatus заключается в их способности к быстрому росту. Благодаря этому свойству за короткий промежуток времени можно получить значительное количество белкового продукта. Всего за два-три часа бактерии способны удваивать биомассу.

Но скорость — не единственное достоинство этих микроорганизмов. Methylococcus capsulatus являются термотолерантными, то есть способны выдерживать высокие температуры, что значительно упрощает процесс их промышленного культивирования и делает технологию производства более устойчивой и экономически выгодной.

Получаемый из этих бактерий белок уже зарекомендовал себя как эффективный кормовой компонент, особенно в аквакультуре, за счет высокой усвояемости и питательной ценности, в том числе благодаря относительно тонкой клеточной стенке, которая легко разрушается пищеварительными ферментами. Исследования показали, что кормовой белок на основе Methylococcus capsulatus не только полностью удовлетворяет потребности аквакультурных организмов в питательных веществах, но и способствует их здоровому росту и развитию.

— Как компьютерное моделирование позволило оптимизировать параметры работы биореакторов?

— Компьютерное моделирование позволяет убедиться в том, что в биореакторе формируется однородная среда, насыщенная субстратом, и при этом тратится минимальное количество энергии. С помощью суперкомпьютерных расчетов нам удалось сравнить несколько вариантов конструкции аппаратов и выбрать наилучший с точки зрения энергопотребления и производительности биореактора, оптимизировать его конструкцию и более точно управлять процессом.

— Какие технические сложности возникают при масштабировании технологии от лабораторных образцов к промышленному производству?

— Хотя процесс получения белка из природного газа не требует полной стерильности, поддержание стабильности микробной ассоциации остается ключевой задачей при масштабировании. В лабораторных условиях состав сообщества относительно легко контролировать, но при переходе к промышленным объемам возникают сложности.

• Контроль состава ассоциации.
  Даже в нестерильной среде важно минимизировать попадание посторонних микроорганизмов, которые могут нарушить баланс метан-окисляющего сообщества. Чистота оборудования — один из основных факторов. Оставшиеся после предыдущих культивирований бактерии или контаминации извне способны изменить соотношение ключевых штаммов, что приведет к снижению эффективности процесса.
• Подача метана и кислорода.
  На больших масштабах равномерное распределение газов становится сложной задачей. В лабораторных условиях метан и кислород легко диффундируют в среде, но в промышленных ферментерах могут возникать зоны с недостаточной или избыточной концентрацией. Это влияет на активность бактерий и может провоцировать рост нежелательных микроорганизмов.
• Поддержание гомогенности среды.
  При увеличении объемов перемешивание усложняется — в больших биореакторах образуются зоны с разной скоростью потока, где оседают клетки и накапливаются ингибирующие продукты метаболизма. Это может приводить к локальным изменениям pH, температуры, доступности субстратов и формированию градиентов питательных веществ, что нарушает стабильность ассоциации и может приводить к замедлению роста бактерии.
• Экономическая эффективность.
  Теоретически процесс генерации биомассы бактерий на метане должен идти в любом объеме, однако его рентабельность зависит от множества факторов, как например: энергозатраты на подачу природного газа и воздуха, скорость роста культуры и устойчивость ассоциации к колебаниям условий. Оптимизация этих параметров — одна из главных задач при масштабировании.

Несмотря на отсутствие жестких требований к стерильности, масштабирование культивирования метан-окисляющих ассоциаций требует тщательного контроля за составом сообщества, условиями среды и технологическими параметрами. Чистота оборудования, эффективное газораспределение и гомогенизация среды при низких затратах энергии — ключевые аспекты, от которых зависит успешный переход от лабораторных экспериментов к промышленному производству.

— Насколько биопротеин безопасен для рыб и других гидробионтов?

— Многочисленные исследования последних лет убедительно доказали, что биопротеин, полученный из метанотрофных бактерий Methylococcus capsulatus, является не только безопасной, но и высокоэффективной альтернативой традиционным кормовым ингредиентам в аквакультуре. Научные данные свидетельствуют о полном отсутствии негативного воздействия на различные виды гидробионтов при соблюдении рекомендуемых норм ввода.

В частности, кормовая добавка из метанотрофных бактерий может полностью заменить рыбную муку в рационе креветок. Включение 15% такого бактериального белка в корм не оказывает негативного влияния на показатели роста, усвояемость корма и уровень выживаемости креветок.

Для различных видов рыб также получены обнадеживающие результаты. Замена до 66% рыбной муки биопротеином не только сохраняет нормальные темпы роста и усвояемость питательных веществ, но и улучшает качественные характеристики продукции. Наблюдается увеличение содержания жирных кислот в мышечной ткани, что имеет важное значение для пищевой ценности конечного продукта.

Особого внимания заслуживает пробиотический эффект биопротеина, проявляющийся в положительном влиянии на микробиом кишечника гидробионтов. Регулярное потребление кормов с добавкой метанотрофного белка способствует увеличению разнообразия полезных бактерий, улучшению состояния кишечного эпителия (что подтверждается увеличением плотности микроворсинок) и нормализации липидного обмена. При этом даже высокие уровни включения (до 75% замены рыбной муки) не вызывают воспалительных реакций или других негативных последствий.

Таким образом, использование биопротеина позволяет не только решить проблему устойчивости аквакультуры, но и улучшить качественные характеристики конечной продукции, что открывает новые возможности для развития отрасли.

— Может ли эта технология решить проблему дефицита белка в животноводстве?

— Погодонезависимое, равномерное производство кормового белка из природного газа в полностью контролируемых условиях позволит в перспективе практически полностью решить проблему дефицита белка.

— Какие еще кормовые добавки можно производить на основе метанотрофных бактерий?

— Одним из наиболее перспективных направлений является производство ферментолизатов и гидролизатов. Эти продукты получают путем ферментативного расщепления клеточной стенки бактерий. В результате высвобождаются легкоусвояемые пептиды, свободные аминокислоты, витамины и микроэлементы. Такая обработка значительно повышает биодоступность питательных веществ в конечном кормовом продукте, делая его более эффективным для использования в животноводстве и аквакультуре.

Особый интерес представляет разработка биопротеина, обогащенного натуральными каротиноидами, который производится с использованием специальных пигментированных штаммов бактерий. Каротиноиды — это мощные природные антиоксиданты, которые играют ключевую роль в укреплении иммунной системы и защите организмов от окислительного стресса. Это немаловажно в аквакультуре, где такие добавки способствуют повышению устойчивости к заболеваниям и улучшению показателей выживаемости. Главное преимущество этой технологии заключается в том, что ценные каротиноиды являются естественной составной частью бактериальной биомассы, что исключает необходимость их дополнительного внесения в корм.

— Может ли использование метанотрофных бактерий снизить углеродный след в аквакультуре?

— Использование биопротеина вместо рыбной муки значительно (более чем в 30 раз) снижает углеродный след без дополнительных усилий. Однако в России разработана технологическая платформа, позволяющая получать продукцию с низким углеродным следом путем доочистки и повторного использования газового субстрата, что позволит в перспективе подойди к углеродно-нейтральному производству.

— Как производство биопротеина может снизить антропогенную нагрузку на морские экосистемы?

— Классические методы получения кормового белка (растительные белки, рыбная мука) основаны на эксплуатации водных ресурсов, истощении почв, внесении удобрений и химикатов, деградации популяции рыбы, вытеснении естественных видов за счет ГМО-растений. Производство биопротеина не требует плодородных почв, не загрязняет воду, никак не влияет на природное разнообразие. Это компактное производство в контролируемых условиях.

— Насколько рентабельно производство биопротеина по сравнению с традиционной рыбной мукой?

— Стоимость биопротеина сопоставима с ценой на рыбную муку, но проблема лежит в другой плоскости: в зависимости от погодных условий рыбная мука выпускается разного, нестабильного качества. Кроме того, в некоторых случаях рыбную муку просто нельзя было купить. В 2023 году во время сильного Эль-Ниньо и запрета Перу на промысел перуанского анчоуса на рыбную муку была только цена, но самой рыбной муки по этой цене не было!

— Какие страны могут стать основными потребителями российского биопротеина и почему?

— Ключевые потребители — производители аквакультуры, потому что биопротеин идеально подходит для кормления рыбы. Это Китай, Вьетнам и другие страны Юго-Восточной Азии, где сегодня производится 80% мирового объема аквакультуры.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки