Кормовой белок из природного газа
Проблема получения микробиологического белка из нетрадиционных видов сырья многие годы была приоритетной в СССР и позволила в своё время создать крупнейшие биозаводы по производству белково-витаминных концентратов из н-парафинов нефти мощностью 70–240 тыс. тонн биопродукта в год. Одновременно проводились исследования и опытно-промышленные испытания по получению белковой биомассы из спиртов (этанол, метанол) и из природного газа.
А. Винаров, профессор, зав. лабораторией «Технология промышленного биосинтеза» ГосНИИсинтезбелок, г. Москва, vinarov@hotmail.com
Применение белковых добавок, получаемых путем микробиологического синтеза, является важной составляющей кормовой базы в нашей стране и за рубежом. Так, широко применяются в рационах сельскохозяйственных животных гидролизные дрожжи, получаемые на послеспиртовой барде. С развитием биотехнологии всё больший интерес вызывает возможность многотоннажного производства микробиологического белка из широко доступных источников сырья. При этом качество и питательная ценность микробиологических кормовых добавок не уступает, а в ряде случаев превосходит традиционные корма растительного или животного происхождения. По содержанию витаминов микробиологические кормовые белковые добавки превосходят все корма. Так, в 1 кг кормовых дрожжей содержится 5–20 мг тиамина, 40–150 мг рибофлавина, 50–100 мг пантотеновой кислоты, 2,5–6,0 г холина, 300–800 мг никотиновой кислоты, 8–18 мг пиридоксина, 0,6–2,3 мг биотина и 10–35 мг фолиевой кислоты. Важнейшим значением для оценки качества и питательной ценности кормов является содержание необходимых аминокислот, при этом их состав в микробиологическом белке не уступает растительным и животным кормам.
В таблице приведены основные (усредненные) показатели аминокислотного состава для микробиологических и традиционных кормовых добавок, используемых в рационах сельскохозяйственных животных.
Содержание сырого протеина и аминокислот в различных кормах, %
Показатели |
Биомасса гидролизных дрожжей |
Биомасса дрожжей из н-парафинов |
Бактериальная биомасса из природного газа |
Мясокостная мука |
Рыбная мука |
Сырой протеин |
50–52 |
58–62 |
70–75 |
50–54 |
62–65 |
Аргинин |
3,0–3,2 |
2,4–2,6 |
2,5–3,5 |
3,0–3,4 |
3,5–3,7 |
Валин |
3,5–3,7 |
3,0–3,2 |
4,0–4,2 |
2,3–2,5 |
3,5–3,8 |
Гистидин |
0,9–1,0 |
1,8–2,0 |
2,0–2,5 |
1,2–1,4 |
1,4–1,7 |
Метионин |
0,3–04 |
0,5–0,7 |
1,3–1,6 |
1,0–1,2 |
1,6–1,8 |
Цистин |
0,4–0,5 |
0,3–0,4 |
0,3–0,5 |
0,7–0,8 |
0,9–1,0 |
Лизин |
3,0–3,5 |
4,0–4,6 |
4,5–5,2 |
2,8–3,0 |
4,6–5,0 |
Треонин |
2,2–2,6 |
2,6–3,0 |
2,5–3,1 |
1,8–2,0 |
3,3–3,5 |
Триптофан |
0,3–0,4 |
0,5–0,7 |
1,3–1,6 |
0,9–1,2 |
0,7–0,9 |
Фенилаланин |
2,0–2,5 |
2,8–3,0 |
2,4–3,0 |
1,7–1,9 |
2,6–2,8 |
Лейцин и изолейцин |
8,0–8,8 |
7,0–8,0 |
6,0–8,0 |
4,5–5,0 |
7,0–8,0 |
Как видно из данных таблицы, по своему аминокислотному составу бактериальная биомасса из природного газа является полноценным белковым продуктом с высоким содержанием незаменимых аминокислот, а также витаминов и микроэлементов, полностью обеспечивающим потребности в них животных. Результаты многолетних испытаний получаемой из природного газа белковой биомассы показали высокую эффективность кормовой белковой добавки, характеризуемой наличием всех незаменимых аминокислот, а также витаминов группы B (B1 — 14,1 мг/кг, B12 — 5,6 мг/кг), и микроэлементов. В 1 кг кормовой добавки содержится в среднем около 1,1 кормовой единицы, обменной энергии (МДж): для свиней — 12,2; для птиц — 12,0; для крупного рогатого скота — 11,6.
Получаемая высокобелковая биомасса (гаприн), содержащая 70–75% сырого протеина, рекомендована и использовалась в качестве компонента комбикормов и белково-витаминных добавок в животноводстве, в частности для свиней; как заменитель цельного молока для телят; в птицеводстве при выращивании цыплят-бройлеров и в рыбоводстве с изготовлением из биомассы гранул при прудовом разведении рыб.
Биотехнология получения кормового белка из природного газа, содержащего до 96% метана, основана на реализации процессов непрерывного культивирования метанокисляющих микроорганизмов в биореакторах различной конструкции. В настоящее время достаточно отработана технология ферментации с использованием непатогенных штаммов метанассимилирующих культур, в качестве которых могут быть использованы бактерии рода Methylomonas, Methylococcus, Methylocystts, Methulosinus, Methylobacter, с непрерывной подачей в биореактор кислородсодержащего газа (воздух, кислородо-воздушная смесь, кислород) и метаносодержащего газа (природный газ, метан), обеспечивающих рост метанокисляющих микроорганизмов. Дальнейшие стадии переработки получаемой биомассы традиционны и включают процессы концентрирования клеток из биосуспензии, термостерилизации и сушки с получением готового продукта в виде порошка или гранул. В опытно-промышленном масштабе биотехнология по получению из природного газа белковой биомассы «гаприн» была реализована на Светлоярском ОПУ институтом ГосНИИсинтезбелок в период с 1985 по 1994 г. В 1994 г. это производство в связи с экономическими трудностями было закрыто.
Наряду с достигнутыми положительными результатами, полученными на опытно-промышленной установке, были выявлены проблемы, решение которых необходимо для реализации современного экономически обоснованного конкурентного производства. Основная проблема была связана с высокоэнергозатратным процессом ферментации в промышленном биореакторе, что приводило к высокой стоимости продукта. В то же время на сегодня получение белка на основе метана, безусловно, является одним из перспективных направлений промышленной биотехнологии в интересах сельскохозяйственного кормопроизводства, учитывая значительные запасы природного газа и высокое качество получаемого кормового продукта.
Прежние технические решения характеризовались низкой экономической эффективностью, в частности высокими энергозатратами на ферментацию в биореакторе. На получение 1 т белка из метана в зависимости от используемого штамма и технологических параметров культивирования затрачивается 3,0–4,0 тыс. м3 природного газа (95% метана) и 2,5–4,0 тыс. м3 O2. Энергозатраты по ранее использованной биотехнологии составляли около 4–5 тыс. кВтч/т.
Несмотря на значительное количество известных отечественных и зарубежных аппаратурных решений, специфика процесса с использованием двух труднорастворимых
газов не позволила к настоящему времени достаточно эффективно и энергоэкономно решить проблему получения белка из природного газа. При этом предъявляются серьезные требования к конструкции биореактора для обеспечения высокой скорости массопереноса в системе газ–жидкость и диспергирования газовой фазы при оптимальных энергозатратах в процессе ферментации, что решается за счет новых подходов к конструктивному оформлению процесса биосинтеза и создания принципиально нового промышленного биореактора.
Экономическая эффективность проведения процесса ферментации на природном газе в новом разрабатываемом биореакторе должна обеспечиваться низкими (не более 1,5–2,0 квтч/кг) энергозатратами на получение биомассы, что позволит получить экономический эффект (по сравнению с известными аппаратами, например эжекторного типа) порядка 15–20 млн руб. в год только в одном аппарате промышленного объема 200 м3. Учитывая непрерывный режим работы биореактора, выпуск белковой кормовой добавки составит с одного аппарата около 6 тыс. тонн в год.
Для регионов России, с учетом потребности в кормовом белке и транспортной доступности, целесообразно строительство до 10 заводов кормового белка из природного газа мощностью порядка 20–30 тыс. тонн в год каждый.
Количество показов: 9418
Автор: А. Винаров, профессор, зав. лабораторией «Технология промышленного биосинтеза» ГосНИИсинтезбелок, г. Москва, vinarov@hotmail.com