Корма и кормовые добавки

09.06.2022

Сырьевая база получения кормового микробного белка из метана

Винаров Александр Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, академик Международной инженерной академии, Российской инженерной академии, Международной академии информатизации, многие годы руководил лабораторией «Технология промышленного биосинтеза» института ГосНИИсинтезбелок, разработчик в области промышленной биотехнологии, методов математического моделирования и системного анализа биотехнологических систем и биореакторов. Автор более 200 научных статей и докладов, 25 монографий и учебных пособий, 90 патентов, многие из которых успешно внедрены на предприятиях микробиологической промышленности.

В данной работе, продолжающей опубликованную ранее в настоящем журнале серию статей об актуальной и экономически значимой проблеме биотехнологического получения кормового белка из метансодержащего газа [1, 2, 3], основное внимание уделено сырьевой базе для обеспечения успешного промышленного биопроизводства кормового белка. Биомасса микроорганизмов богата полноценным белком,   включает      все      необходимые      для полноценного питания животных аминокислоты и витамины, не уступает традиционным белковым добавкам на основе рыбной и мясокостной муки и значительно превосходит основные растительные корма [1, 2]. Использование сбалансированного по        аминокислотному   составу    кормового микробиологического белка позволяет значительно снизить расход кормов и получить дополнительные привесы в животноводстве.

Так, например, средние затраты кормовой смеси в свиноводстве при использовании  несбалансированных   кормов   составляют 8–9 кг на 1 кг привеса, а при применении полнорационного корма со сбалансированным аминокислотным составом — 4–5 кг. Установлено, что одна тонна микробиологического белка позволяет получать дополнительно 1–1,5 тонны мяса птицы, высвобождая до 5 тонн фуражного зерна.  

Важным фактором развития микробиологических производств кормового белка является также высвобождение земельных площадей; в частности, потребность в земельных площадях для производства 100 тыс. тонн белка составляет:

– под зерно на неорошаемых землях — 900 тыс. га;

– под пшеницу (15% белка, 3,9% лизина) на орошаемых землях — 400 тыс. га

– под посевы сои (44% белка, 2,8% лизина) — 200 тыс. га; 

– для биозавода по выпуску кормового белка — 50 га.

Получение кормового белка на основе метана — одно из актуальных и перспективных направлений промышленной биотехнологии в интересах сельскохозяйственного         кормопроизводства, учитывая значительные запасы природного газа и высокое качество получаемого кормового продукта по составу аминокислот, витаминов и микроэлементов. Микробный белок из метансодержащего газа является конкурентоспособным при сравнении с различными видами белковых кормовых добавок [1, 2].

В 1980-х годах в институте ВНИИсинтезбелок (ГосНИИсинтезбелок)     была    разработана биотехнология получения белково-витаминного кормового продукта из природного газа и введена в эксплуатацию первая опытно-промышленная установка получения белка из природного газа на Светлоярском биозаводе, которая после 4-летнего периода эксплуатации была закрыта по экономическим причинам. В настоящее время кроме РФ практический интерес к промышленному развитию данного направления проявляют Дания, Норвегия, США, Китай и другие страны со значительным запасом и добычей метансодержащего газа.

Важным аспектом развития промышленного производства  кормового белка на основе метансодержащего газа является обеспечение сырьевой базы. Средние достигаемые на сегодня показатели процесса составляют:

– удельная продуктивность по биомассе — 4–6 кг биомассы на 1 м3 в час;

– удельный расход кислорода (96% О₂) — 2500–3000 м3/тонну;

– удельный расход метана (95% СН₄) — 3100–3400 м3/тонну.

Результаты многолетних испытаний белковой биомассы, получаемой из метансодержащего газа, показали ее высокую эффективность, обусловленную наличием всех незаменимых аминокислот, в частности лизина, аргинина, гистидина, цистина, метионина, триптофана, 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: для свиней — 12,2 МДж, для птицы — 12,0 МДж, для крупного рогатого скота — 11,6 МДж [3]. Получаемая из метана высокобелковая биомасса (гаприн), содержащая 72–75% сырого протеина, была рекомендована и использовалась в качестве компонента комбикормов и белково- витаминных добавок в животноводстве — для крупного рогатого скота, для свиней, как заменитель цельного молока для телят; в птицеводстве — при выращивании цыплят-бройлеров; в рыбоводстве — с изготовлением из биомассы гранул при прудовом разведении рыб.

На сегодня основным источником метана в качестве сырья для получения кормового белка является природный газ, учитывая значительные его природные запасы в РФ и добычу, а также тенденцию сокращения использования углеродсодержащих источников энергии и постепенный переход к «чистой» энергетики.

При этом метан как основной компонент природного газа оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО₂, и сохраняется в атмосфере 12 лет. Использование метана, его переработка в различных процессах — лучший способ предотвращения глобального потепления. Таким образом, перспективным и эффективным направлением полезного применения метансодержащего природного газа может являться его использование в биотехнологии для получения ценных биопродуктов, в частности кормового белка, особенно с учетом постоянно развивающегося объема производства сельскохозяйственного животноводства, птицеводства и рыбоводства.

Природный газ добывается с помощью эксплуатационных газовых скважин. Большинство известных газовых залежей сосредоточены в пластах некоторых горных пород на глубине от 1000 м. Газовые шапки также располагаются над нефтью и в растворенном в ней виде — это так называемый попутный нефтяной газ, содержащий большее число примесей — гомологов метана. Основную часть природного газа (от 70 до 98%) составляет метан. В состав природного газа могут также входить гомологи метана: этан, пропан, бутан, пентан.

По данным «Ежегодника мировой энергетики» за 2020 год, добыча природного газа по основным странам составила (в млрд м3): США — 960, Россия — 705, Иран — 234, Китай — 195, Канада — 172, Катар — 167, Австралия — 154, Норвегия — 116, Саудовская Аравия — 97, Алжир — 84, Объединенные Арабские Эмираты — 66, Малайзия — 65.

Перспектива использования природного газа в качестве сырья для промышленного производства кормового белка привлекает многие зарубежные компании. Фирма ВР посредством своей дочерней компании British Petroleum Ventures вложила 30 млн USD в компанию Calysta Inc., которая планирует производить белковые корма для животных с использованием природного газа в США и КНР. По данным компании, в ближайшем будущем новая технология позволит удовлетворить растущий мировой спрос на белковые корма для животных и рыб за счет получения экопротеина FeedKind путем газовой ферментации [4].

Ожидается, что к 2025 г. мировой рынок аквакультуры вырастет на 25%, при этом белок FeedKind заменит другие виды корма без негативного воздействия на окружающую среду.

На сегодняшний день дефицит белковых кормовых продуктов, производимых в России, составляет около 2 млн тонн в год, а в мире — более 30 млн тонн в год. Заводы по производству белка на метане мощностью 30–100 тыс. тонн в год могут располагаться практически в любой точке России, где есть природный газ.

Другим  перспективным  природным и значительным по объему источником метансодержащего сырья для производства белка является угольный газ. Добыча метана на основе угольного газа ведется в Австралии, США, Канаде и Китае. Геологические ресурсы метана угольных пластов составляют (в трлн м3): Россия — 78, США — 60, Китай — 28, Австралия — 22, Индия

— 16, Германия — 16. При этом каменный уголь, занимающий промежуточное положение между бурым углем и антрацитом, относится к самым перспективным для добычи угольного газа, и именно его запасы преобладают в Кузбассе. Прогнозные ресурсы метана угольных пластов в Кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн м3. Угольный метан добывают двумя методами: шахтным и скважинным. Шахтный метод — стандартный метод добычи угля, основанный на улавливании газа действующих угольных шахт. Объемы добычи при этом не столь значительны, а газ используется непосредственно в районе добычи угля для обеспечения внутренних нужд. Скважинный метод основывается на бурении горизонтальной скважины в угольном пласте с последующим применением технологии гидроразрыва. Надо отметить, что угольный метан не содержит вредных примесей и не нуждается в глубокой очистке. Необходимо только очистить его от угольной пыли и осушить. Концентрация метана угольных пластов составляет в среднем 80–98%.

Перспективным и дополнительным к природным запасам метансодержащих газов является биогаз. Биогаз получается в процессе метанового (анаэробного) сбраживания в основном из органических отходов, при этом конечные продукты состоят преимущественно из диоксида углерода и метана. В процессе метанообразования участвуют сложные микробные ассоциации, последовательно воздействующие на разложение субстрата с образованием биогаза, содержащего метан. Метановое сбраживание служит эффективным средством защиты окружающей среды от загрязнения, а также способом получения метансодержащего биогаза.

Строительство крупных биопроизводств для получения кормового белка из природного газа требует значительных финансовых вложений, и в этой связи представляет определенный интерес вопрос создания более экономных на стадии строительства минипроизводств на основе биогаза, получаемого при метановом сбраживании сельскохозяйственных отходов, в первую очередь навозных стоков от агроферм крупного рогатого скота и свиноводческих комплексов.

Получение     биогаза  из навоза сельскохозяйственных животных широко развито в странах Африки, Латинской Америки, Азии и Ближнего Востока, особенно в таких, как Индия, КНР, а также в ряде стран Европы (Германия, Швейцария, Франция и др.), но в основном для получения тепловой и электроэнергии. В то же время с учетом новых разработок возможно техническое решение полезного использования биогаза как сырья для получения высокопротеиновой белковой добавки в корма на основе биотехнологической переработки [3].

Метод метанового сбраживания навоза позволяет получать биогаз и переработанный (проферментированный) навоз в качестве удобрения. Благодаря процессу метанового сбраживания оптимизируется соотношение C/N, при этом доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения — щелочная (рН 7,2–7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза обычным способом, урожайность увеличивается на 10–15%. Получаемый в процессе метанового сбраживания биогаз имеет плотность 1,2 кг/м3 и следующий усредненный состав: метан — 65%, углекислый газ — 34%, сопутствующие газы — до 1% (в том числе сероводород — до 0,1%). Содержание метана может меняться в зависимости от состава и технологии в пределах 55–70%. Метод очистки газа от СО₂ (например, в абсорбционных колоннах водным щелочным раствором) и серосодержащих примесей известен и эффективно применяется. Углекислый газ после его извлечения из биогаза можно подавать в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.

Эффективность сбраживания различных видов органического сырья иллюстрируют приведенные в таблице показатели по выходу биогаза.

Тип сырья	Выход газа на тонну сырья, м3
Навоз коровий	38–52
Навоз свиной	52–88
Помет птичий	47–94
Отходы бойни	250–500
Жир	1300
Барда послеспиртовая	50–100
Зерно	400–500
Силос	200–400
Трава	300–500
Жом свекольный	30–40
Глицерин технический	400–600
Дробина пивная	40–60

Рассмотрим пример работы агрофермы на 1000 голов крупного рогатого скота, типовой корм которой состоит из силоса, сена, свеклы, жмыха подсолнечника, отрубей пшеницы, ячменя, картофельной мезги, комбикорма, всего в количестве 45–50 кг/гол./сут. При этом для коровы весом 500 кг потребность в сыром протеине с поступающим кормом составляет около 1,5 кг/сут. По разработанным рекомендациям применения микробного белка, его доля в корме должна составлять 10–20%, т.е. ≈0,23 кг в сутки на одну корову. Учитывая, что в белковой биомассе, получаемой на метане, содержится ≈75% протеина, суточная потребность для 1000 коров составит 310 кг сухого белкового биопродукта для данной фермы.

Далее оценим количество биогаза, образующегося при метановом сбраживании навоза с этой фермы. От одной коровы в год получают ≈20 т жидкого навоза (90% влажности). При метановом сбраживании из тонны коровьего навоза производят до 50 м3 биогаза, а с фермы 1000 голов крупного рогатого скота можно получить 1 000 000 м3 биогаза, содержащего ≈65% метана, или 650 000 м3 метана в год. В процессе микробиологического синтеза можно использовать в среднем 65–70% биогаза, т.к. остальное необходимо расходовать на поддержание теплового режима в метантенках. Таким образом, на стадию ферментации при использовании метана в качестве углеродного субстрата поступит в год ≈420 000 м3 СН4. С учетом расходного коэффициента по метану в непрерывном процессе ферментации (около 3,4 м3/кг сухой биомассы) получим 125 000 кг сухого биопродукта в год, или 340 кг в сутки. Произведенное из переработанного навоза количество кормового белка с полным набором требуемых аминокислот обеспечивает агроферму с поголовьем 1000 коров необходимой потребностью в микробном белке без приобретения дорогостоящих белковых добавок в корма.

В промышленно значимых количествах биогаз может быть получен также в технологии производства этилового спирта из растительного сырья. Разработанная нами безотходная схема многопродуктовой переработки исходного сырья в производстве этанола включает биотехнологии, связанные с получением в процессе метанового сбраживания биогаза [5]. Так, при синтезе витамина В₁₂ с использование спиртовой барды образуется за счет метанообразующих бактерий биогаз, содержащий до 70% метана. Технология получения биоорганических удобрений методом анаэробного сбраживания также связана с выделением в процессе биосинтеза биогаза. Значительный отход спиртового производства — послеспиртовая барда, образуемая в количестве до 12 тонн на 1 тонну производимого спирта, требует ее экологически безопасного и полезного использования, что обеспечивается в процессе метанового сбраживания. Из одной тонны исходного сырья — спиртовой барды — получают:

– при использовании в технологии спирта зерна — 60–70 м3 биогаза;

– при использовании мелассы — 40–60 м3 биогаза.

Заключая рассмотрение наиболее значимых источников метана в качестве сырья для биотехнологии производства кормового белка, важно отметить перспективу и экономическую эффективность создания  современных крупнотоннажных биохимических производств мощностью 30–60–100 тыс. тонн в год, а также малотоннажных установок (5–10 тыс. тонн в год), привязанных к животноводческим агрокомплексам или нескольким фермерским хозяйствам, обеспечивающих достаточное получение биогаза из животноводческих и других сельскохозяйственных отходов. При этом создание современных и оптимальных по структуре автоматизированных биопроизводств должно основываться на использовании методов системного анализа и математического моделирования биотехнологических систем и разработке энергоэкономных биореакторов большого объема [6], что позволит производить экономически конкурентный белковый продукт, исключая его импортные поставки.

Литература

1. Винаров, А.Ю. Кормовой белок из природного газа / А.Ю. Винаров // Ценовик. — 2017. — № 5. — С. 32–35.

2. Винаров, А.Ю. Биотехнологические кормовые добавки. Этапы развития и задачи / А.Ю. Винаров // Ценовик. — 2017. — № 12. — С. 11–12.

3. Винаров, А.Ю. Протеиновые корма из биогаза навозных отходов / А.Ю. Винаров // Ценовик. — 2018. — № 9. — С. 9–12.

4. FeedKind™ Protein // Сalysta.com. — URL: http://www.feedkind.com.

5. Винаров, А.Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта: монография / А.Ю. Винаров, А.А. Кухаренко, Н.Е. Нико- лайкина. — М.: Юрайт, 2019. — 217 с.

6. Винаров, А.Ю. Процессы и аппараты биотехнологии: ферментационные аппараты: учебное пособие для вузов / А.Ю. Ви- наров, Л.С. Гордеев, А.А. Кухаренко, В.И. Панфилов; под ред. В.А. Быкова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт, 2021. — 274 с.

Количество показов: 1384
Автор:  А. Винаров, д-р техн. наук, профессор vinarov@hotmail.com