Гаприн - белок ферментации метана

На сегодняшний день общая картина в мире по производству кормовых белков не благоприятна. Особенный дефицит белка заметен в России. Основным источником белкового продукта является соевый шрот. Однако природные условия нашей страны не подходят для выращивания сои. Специалистам приходится искать другие способы. Одним из перспективных путей получения полноценного белкового кормового продукта является белок на газе (гаприн).

Метанотрофные бактерии в подходящих условиях активно перерабатывают природный газ, быстро размножаются и наращивают свою биомассу, богатую ценным белком, витаминами и иными биологически активными веществами. Еще в восьмидесятых годах в московском институте ВНИИсинтезбелок (ныне ГосНИИсинтезбелок) была создана технология получения из этой биомассы отличного белково-витаминного кормового продукта гаприна. Исследования в области микробиологического синтеза белка на метане были начаты почти одновременно с разработкой процессов культивирования микроорганизмов на жидких углеводородах. Однако из-за низких выходов биомассы и трудностей конструктивного оформления технологического процесса разработка методов микробиологического получения белка на природном газе долго время находилась на стадии лабораторных исследований.

В результате выделения активных культур метанотрофов, а также достижения определенных успехов в разработке технологии непрерывного культивирования, стало возможным получать сравнительно высокие урожаи бактерий при таких скоростях протока, которые обеспечивают экономически приемлемую продуктивность процесса (1 г биомассы/л.час).
При выращивании смешанной культуры метанокисляющих бактерий рода Pseudomonas и Mycobacterium в ферментере с циркуляцией газовоздушной смеси в замкнутой системе была получена концентрация биомассы в культуральной жидкости 1,2 г СБ/л за 38 ч, выход биомассы - 0,6 г СБ на 1 л потребленного метана. В начале ферментации содержание метана и кислорода составляло соответственно 25 и 16%, введение в установку в экспоненциальной фазе роста культуры свежей метано-воздушной смеси, содержащей около 5% кислорода, продлило логарифмическую фазу роста микроорганизмов и сократило время культивирования. Максимальная удельная скорость роста равнялась 0,077 ч-1, а средняя продолжительность генерации составила 9,9 ч при концентрации метана 19-22%, концентрации кислорода 9- 13% и значении рН 6,7-7,1. В расчете на I л потребленного метана (0,715 г) было получено 0,59 г биомассы, что составляет 82,6%. Расход метана и кислорода на 1,8 г сухого вещества, полученного в опыте, составил соответственно 2,18 и 5,47 г. Молярное соотношение потребленных метана и кислорода 1 : 1,2, массовое- 1 : 2,5. цинка, 0,001% сульфата меди, но стимулируется присутствием 0,00025- 0,3% хлористого натрия. Молибден, вольфрам, цинк и марганец в концентрации от 0,0001 до 0,00001 % угнетают рост метанокисляющих бактерий, но стимулируют развитие бактерий, окисляющих пропан. Свинец в указанных концентрациях тормозит рост тех и других микроорганизмов. Медь в концентрации 0,00001% улучшает рост бактерий, окисляющих метан, и угнетает развитие бактерий, использующих пропан. Добавки кобальта (10-150 мг/л) увеличивают скорость роста спороносных бактерий рода Bacillus, потребляющих метан.

При выращивании метанокисляющих бактерий смешанные культуры этих микроорганизмов развиваются на среде с метаном лучше, чем чистые. Часто после нескольких пассажей на минеральную среду с метаном чистые культуры полностью теряют способность расти только за счет углеводорода.
Установлено, что рост метанокисляющих бактерий улучшается при внесении в среду небольшого количества вытяжки из почвы, экстракта агар-агара, дрожжевого автолизата, пиридоксина, тиамина, биотина, аскорбиновой кислоты и других аминокислот.

Условия культивирования

Специфика культивирования микроорганизмов на газообразных углеводородах состоит в том, чтобы питательные вещества (газ и кислород), находящиеся в газообразном состоянии, переместить из пузырьков, рассеянных по всей жидкой фазе, к стенкам растущих клеток для дальнейшего переноса их в область локализации ферментов, осуществляющих метаболические реакции.
Для увеличения поверхности контакта газа с жидкостью при культивировании в стационарных условиях на жидких и твердых минеральных средах рекомендуется вносить в питательную среду песок, исследования, оптимальные пределы рН и температуры для конкретных видов микроорганизмов различаются.
Так, максимальное поглощение метана культурой Methanomonas carbonatophila наблюдается при сравнительно низком значении начального рН (около 6,5) и температуре культивирования 30-36° С. Для роста Methanomonas methanooxidans оптимальными параметрами процесса роста являются рН 6,1, температура 30° С. Pseudomonas propanica лучше всего растет при температуре 30° С на средах с начальным рН от 6,6 до 6,8. Pseudomonas methanica при выращивании на среде с нитратом натрия лучше растет в интервале рН от 6,6 до 8,0, на среде с сернокислым аммонием оптимум рН сдвигается в кислую зону.
Отдельные культуры микобактерий, усваивающих газообразные углеводороды, имеют более широкий начальный диапазон рН - от 4 до 10. Так, M.rubrum var propanicum иМ. lacticolura наиболее интенсивно растут при рН 7-8,5, культура М. flavum v. methanicum при рН 9,5 растет так же хорошо, как и при рН 7.
Оптимальная температура роста микроорганизмов зависит от физиологических особенностей данного штамма и от условий его обитания. Среди микроорганизмов, окисляющих газообразные и жидкие углеводороды, встречаются термотолерантные виды, развивающиеся при температурах 32-55е С и выдерживающие кратковременный прогрев до 70-80° С.
Использование метана для получения белка одноклеточных имеет ряд преимуществ по сравнению с жидкими углеводородами: большие запасы природного газа, хорошая его транспортабельность, возможность получения готового продукта без дополнительной очистки от субстрата.

К сожалению, на сегодняшний день заводы по получению гаприна демонтированы и корма для животных приходиться закупать в Европе. Учитывая, что в России большие газовые запасы недр, по некоторым данным они составляют до 40% мировых. Внедрение микробиологического производства белка одноклеточных на Российских предприятиях сулит не только экономический эффект, но и способно обеспечить продовольственную безопасность страны.

Метан в качестве субстрата обладает рядом преимуществ по сравнению с жидкими углеводородами:

  • большие запасыприродного газа; 
  • хорошая его транспортабельность; 
  • возможность получения готового продукта без дополнительной очистки от субстрата.

Выращивание смешанной культуры метанокисляющих бактерий рода Pseudomonas и Mycobacterium осуществляется в производственных ферментерах Ф-63-1К-01. Процесс ферментации происходит непрерывно при рециркуляции газовой фазы через жидкую фазу (суспензия бактерий в растворе питательных солей). Ферментер выполнен в виде вертикальной цилиндрической емкости с эллипсоидными днищами, обычно работает под давлением. Метан и кислород подаются в аппарат в нижнюю часть колонны. Выращивание биомассы происходит при t = 30оС и рН 6,7 - 7,1. Перед засевом в ферментер подаются от установки непрерывной стерилизации
движется сушильный агент - смесь топочных газов и атмосферного воздуха.

При сушке в распыленном состоянии удельная поверхность испарения достигает столь большой величины, что процесс завершается через 15-20 секунд. Температура теплоносителя перед сушкой 260-450оС. Бактериальная суспензия после плазмолиза поступает на распылительный механизм, где высокооборотным диском распыливается до мелкодисперсного состояния и высушивается в потоке сушильного агента. Основное количество высушенных клеток сепарируется в конической части сушильной камеры и выводится через разгрузочное устройство в трактпневмотранспорта.
Готовый продукт по пневмотранспорту непрерывно подается в отделение упаковки. В отделении упаковки поступает после разгрузочных циклонов и шлюзовых питателей.
Готовый продукт запаковывается в бумажные мешки и подается на стол пакетирования, откуда поддоны с мешками отвозятся на склад готового продуктаили непосредственно в железнодорожные вагоны.

 

При поддержке