«Корм из метана мы получаем, выращивая особых бактерий в биореакторе»
Можно ли съесть метан? Это ведь топливо, горючий газ. Животные и люди и правда не жалуют это «блюдо», а вот некоторые виды бактерий с удовольствием уплетают метан на завтрак, обед и ужин. С их помощью газ и превращается в еду, пригодную для животных и людей. Дело в том, что из метана можно получить белок. О неочевидных тонкостях этого превращения, выделении углекислого газа в процессе, вкусе и возможной стоимости такого корма «Энергии+» рассказал руководитель биотех-проектов в компании «Газпром нефть» Максим Захарцев.
Как «приготовить» корм из газа
Источниками «строительного материала» и энергии для роста человека и животных являются углеводы, белки и жиры. Для бактерий метанотрофов это метан, кислород и аммиак. Метанотрофы довольно широко распространены в природе, в основном они обитают в водоемах и почве. Один из видов, с которым сейчас активно работают ученые, был найден на дне Тувинского озера в республике Хакасия.
Чтобы переработать метан, бактерия использует фермент метанмонооксигеназу, который захватывает метан из воды — среды обитания бактерий — и окисляет его кислородом до метанола. Далее он окисляется до формальдегида, который участвует в синтезе белка, — основного строительного блока для роста и размножения бактерий. Таким образом белок получают из газа.
Процесс производства белкового корма из метана сводится к выращиванию как можно большего числа бактерий метанотрофов, которые на 75% состоят из чистого и легко усваиваемого белка. Их выращивают в специальных аппаратах, называемых биореакторами и наполненных водным раствором с необходимыми макро- и микроэлементами. Бактерии живут в этой среде, называемой культуральной, поглощают растворенные в ней метан, кислород и аммиак, быстро растут и делятся.
Чтобы получить один килограмм бактерий в биореакторе, необходимо 1,3 килограмма (или примерно 2 кубических метра) метана. Обычно для этого подходит природный газ с содержанием метана 96%. Чем чище «корм» для бактерий, тем лучше и стабильнее идет процесс, так как не образуется ненужных побочных продуктов.
Переживаете из-за лишних килограммов, набранных за лето? Представьте, каково бактериям-метанотрофам: каждый час их биомасса увеличивается на 30%.
После трапезы бактерии выделяют углекислый газ, воду и много тепла, поэтому к биореакторам предъявляются серьезные требования по теплообмену: они должны хорошо отводить лишнее тепло, чтобы раствор с бактериями не перегревался.
Максим Захарцев
руководитель биотех-проектов Центра промышленных инноваций «Газпром нефти»
Какие бактерии нам подходят? Не все, конечно. В природе существует много разных видов метанотрофных бактерий.
«Некоторым видам бактерий нужны дополнительные условия для переработки метана, например наличие нитратов, — рассказывает эксперт. — Другие растут очень медленно или становятся несъедобным продуктом. К тому же не любая бактерия хочет расти в большой бочке. Есть виды, которым нужна поверхность и маленькое количество соседей: стоит переместить их в большой объем, они отказываются расти, как деревенские жители, которые не хотят переезжать в город».
Когда культура бактерий разрастается, приросшую биомассу собирают и концентрируют — убирают часть воды, увеличивая содержание бактерий в растворе с 2 до 15%. Однако полученный «кисель» пока не пригоден для трапезы: бактерии необходимо инактивировать, то есть разрушить их оболочку. Для этого «кисель» пропускают через нагретый капилляр. Этот процесс называется термическим плазмолизом, и в результате кратковременного воздействия температуры и перепада давления на выходе из капилляра оболочка бактерии разрушается, но белки при этом сохраняются. С этой же целью проводят пастеризацию молока на молокозаводах. После плазмолиза белковый продукт высушивают и получают безвкусный порошок темно-бежевого цвета.
Кого можно накормить едой из газа
Белок из метана добавляют в комбикорм животным. В высокобелковой диете особенно нуждаются хищные породы рыб — лосось, семга, форель, осетр, а также домашний скот: телята, поросята и цыплята на фермах, так как от темпов роста молодых животных зависит их вес в зрелом возрасте. Сегодня в качестве добавок используют рыбную муку или растительные белки.
Однако рыбные ресурсы ограничены, а растительные белки дают меньше питательных веществ, не обеспечивают необходимые темпы роста и не подходят для хищных животных. Поэтому в мире назрел глобальный дефицит белковых добавок для использования в сельском хозяйстве и рыбоводстве.
Биомасса метанотрофных бактерий по качеству и содержанию питательных элементов не уступает рыбной муке высшего сорта. Однако бактериальный белок из метана дольше хранится и может производиться круглый год: «урожай» не зависит от сезона, колебаний погоды, количества полей, удобрений, транспортировки из океана. При этом себестоимость производства бактериального белка ниже, чем рыбной муки.
Белки, полученные из бактерий, по составу, запаху, цвету и вкусу аналогичны белковым добавкам для культуристов. Чтобы получить белковый изолят и сделать белки из бактерий пригодными для человека, необходимо дополнительно выделить чистые белки из бактериальной биомассы. Один из российских стартапов проводит тестирование белковой добавки из бактерий для людей. Теоретически она совершенно безопасна для человека, так как бактериям обязательно нужен кислород для роста. Это значит, что, даже если после плазмолиза бактерия чудом выживет и попадет в желудок, она не сможет дальше расти, потому что внутри кишечника кислорода нет.
Экология еды из метана
Если сравнивать тонну белкового порошка из бактерий и такую же массу пшеницы, в каком случае углеродный след будет больше? Казалось бы, пока пшеница растет, то поглощает углекислый газ из воздуха, но не все так просто. Зерно завозят, землю пашут, поливают, удобрения производят, собранный урожай хранят на элеваторах — сооружениях, где с затратами электроэнергии очищают, сушат, сортируют зерно. Если посчитать углеродный след производства пшеницы, он будет выше, чем при получении белка из бактерий. Если же пшеницу дальше перерабатывать в крахмал или сахара, отрыв станет еще больше. Исследования по производству белка из газа перспективны. В будущем эти знания можно будет применить для создания нового источника сырья.
Для достижения полной углеродной нейтральности в будущем при создании бактериального белка из газа можно использовать связанные технологии. Например, ископаемый метан легко заменить биогазом — химически идентичным метаном, но собираемым с очистных сооружений или мусорных полигонов. Поставщиком пищи для бактерий также могут стать другие бактерии — метаногены. Они поглощают углекислый газ и производят метан, который можно запустить в биореактор и таким образом снизить выбросы CO2. Все перспективы развития этой технологии еще только предстоит изучить.
