Перспективная замена рыбной муке в аквакультуре
Группа российских ученых, включая специалистов УрФУ, по заказу компании «Промпроект инжиниринг» усовершенствовала метод получения кормовой добавки для аквакультуры — биопротеина. Суть метода в том, что бактерии Methylococcus capsulatus активно растут, потребляя метан, кислород и соли, растворенные в воде. Образовавшаяся биомасса высушивается и превращается в гранулы для корма.
Полученный продукт содержит высокий процент белка (до 71%), богат незаменимыми аминокислотами (лизин, метионин, цистин, триптофан, аргинин, тиамин, рибофлавин), витаминами и микроэлементами, хорошо усваивается и безопасен для животных. Детали процесса газовой ферментации были опубликованы в научном издании Theoretical Foundations of Chemical Engineering.
Индустриальный партнер сейчас ведет переговоры с ведущей биотехнологической компанией АО «Биотех» о передаче лицензии и внедрении этой технологии в промышленное производство.
Максим Захарцев, главный научный советник проекта «Биопротеин» в АО «Биотех», отметил, что работа над проектом ведется с 2018 года при поддержке Российского научного фонда, Минобрнауки и Минпромторга. За последние три года достигнуты значительные успехи, в частности, запущены эффективные биореакторы, обеспечивающие стабильно высокий выход биомассы. Свойства полученного биопротеина подтверждены экспериментально, что указывает на его высокий потенциал для крупномасштабного применения в промышленности.
Эксперты считают, что биопротеин способен полностью заменить рыбную муку в кормах для аквакультуры. Российский продукт соответствует госстандартам и по своим качествам не уступает, а иногда и превосходит импортные премиальные аналоги.
По словам Максима Захарцева, мировой и российский опыт показывают, что биопротеин — отличная добавка для различных видов аквакультуры (карповых, осетровых, лососевых, креветок), особенно важная на ранних этапах развития, когда происходит интенсивный рост и формирование иммунитета. Ожидается, что продукт будет пользоваться спросом как в России, так и за рубежом благодаря сочетанию качества и цены. Предварительно, его стоимость будет сопоставима с премиальной рыбной мукой, и он сможет дополнить ее, предоставляя не только белок, но и другие полезные элементы.
Производство биопротеина на основе природного газа — перспективное направление в индустрии кормовых добавок и альтернативных источников белка. Ежегодная потребность мирового рынка (включая Россию и Китай) оценивается в 60 миллионов тонн. Основными игроками на международной арене являются компании из США и Дании. В России работают три центра, занимающиеся этой сферой, один из которых связан с «Промпроект инжиниринг».
Над проектом работала междисциплинарная команда ученых: генетики, микробиологи, физики, математики, технологи. Специалисты УрФУ (при поддержке программы «Приоритет-2030») внесли вклад в моделирование: используя математические методы и суперкомпьютеры, они прогнозировали поведение газожидкостной среды внутри биореактора.
Илья Стародумов, ведущий научный сотрудник лаборатории моделирования многофазных физико-биологических сред УрФУ, пояснил, что их работа сосредоточена на моделировании гидродинамических процессов и биоинженерии в области газовой ферментации. Им удалось найти оптимальные параметры работы смесителя и соотношения газа с жидкостью для максимально эффективного перемешивания. Это позволило стабилизировать размер газовых пузырьков в биореакторе, что критически важно для экономической эффективности, безопасности эксплуатации оборудования и жизнедеятельности бактерий.
Одна из ключевых технологических задач, решенных учеными, — эффективное растворение метана в воде, что затруднено из-за гидрофобных свойств газа. Для этого необходимы не обычные, а специальные биореакторы. Эффективность процесса, энергопотребление, стоимость готового продукта и его конкурентоспособность напрямую зависят от конструкции биореактора, точности настройки технологических параметров и условий перехода газов в жидкость.
Масштабирование технологии потребовало доработок, поскольку процессы в промышленных установках отличаются от лабораторных. Задача была упрощена благодаря моделированию, которое позволило заранее рассчитать и оценить различные параметры до проведения испытаний в реальных условиях, добавил Илья Стародумов.
В разработке технологии участвовали специалисты из ряда ведущих научных и образовательных центров: 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.
Интервью с Максимом Захарцевым, главным научным советником проекта «Биопротеин» АО «Биотех»
— Каковы основные конкурентные преимущества российской технологии по сравнению с зарубежными?
— Главное отличие — в используемом типе биореакторов. Компании Calysta, Unibio и некоторые российские разработчики используют датскую технологию U-loop (петлевой биореактор). АО «Биотех» предпочло более эффективную немецкую разработку — Tauchstrahlfermentor, позволяющий масштабировать производство до сотен тысяч тонн в год без потери эффективности.
— Какие конкретные преимущества дает использование бактерий Methylococcus capsulatus по сравнению с другими микроорганизмами?
— Methylococcus capsulatus — это природные бактерии с рядом преимуществ для промышленного производства кормового белка. Их главная особенность — быстрый рост: биомасса удваивается всего за 2–3 часа, что позволяет получать много продукта за короткий срок. Кроме того, они термотолерантны (выдерживают высокие температуры), что упрощает их культивирование и делает процесс более надежным и выгодным. Белок из этих бактерий показал высокую эффективность для аквакультуры благодаря хорошей усвояемости и питательности. Исследования подтверждают, что он полностью обеспечивает потребности гидробионтов, способствуя их здоровому росту.
— Как компьютерное моделирование помогло оптимизировать параметры работы биореакторов?
— Компьютерное моделирование позволило убедиться в создании однородной среды, насыщенной субстратом, при минимальных энергозатратах. С помощью суперкомпьютеров сравнили различные конструкции реакторов и выбрали наиболее эффективную по энергопотреблению и производительности. Моделирование помогло оптимизировать конструкцию и повысить точность управления процессом.
— С какими техническими трудностями сталкивались при масштабировании технологии от лабораторных образцов до промышленного производства?
— Несмотря на то, что полная стерильность не требуется, поддержание стабильности сообщества бактерий — основная сложность при масштабировании.
- Контроль состава: Важно минимизировать попадание сторонних микроорганизмов, нарушающих баланс. Чистота оборудования критична.
- Подача газов: Равномерное распределение метана и кислорода в больших объемах сложно, могут возникать зоны с недостатком или избытком.
- Однородность среды: В больших реакторах перемешивание сложнее, появляются зоны застоя, где накапливаются продукты метаболизма, меняются pH и температура.
- Экономика: Рентабельность зависит от энергозатрат на подачу газов, скорости роста бактерий и стабильности процесса. Оптимизация этих факторов — ключевая задача.
Масштабирование культивирования метанотрофных бактерий требует тщательного контроля за составом сообщества, условиями среды и технологическими параметрами. Успех перехода к промышленности зависит от чистоты оборудования, эффективного газораспределения и гомогенизации среды при минимальных затратах энергии.
— Насколько биопротеин безопасен для рыб и других гидробионтов?
— Многочисленные исследования подтверждают безопасность и эффективность биопротеина из Methylococcus capsulatus в аквакультуре. При соблюдении норм ввода он не оказывает негативного влияния на различные виды гидробионтов. Добавка может полностью заменить рыбную муку в корме для креветок (включение до 15% не влияет на рост и выживаемость). Для рыбы замена до 66% рыбной муки сохраняет темпы роста и улучшает качество продукции (например, содержание жирных кислот). Биопротеин также обладает пробиотическим эффектом, улучшая микрофлору кишечника и общее состояние гидробионтов. Использование биопротеина способствует устойчивому развитию аквакультуры и повышает качество конечного продукта.
— Может ли эта технология помочь решить проблему дефицита белка в животноводстве?
— Стабильное производство кормового белка из природного газа в полностью контролируемых условиях, независимо от погодных условий, позволит в значительной степени решить проблему нехватки белка для животноводства.
— Какие еще кормовые добавки можно получать на основе метанотрофных бактерий?
— Перспективное направление — производство ферментолизатов и гидролизатов путем расщепления клеточной стенки бактерий. Эти продукты содержат легкоусвояемые пептиды, аминокислоты, витамины и микроэлементы, значительно повышая питательную ценность корма. Интересна также разработка биопротеина, обогащенного природными каротиноидами, получаемого из специальных пигментированных штаммов. Каротиноиды — мощные антиоксиданты, укрепляющие иммунитет. Их естественное присутствие в биомассе — большое преимущество, особенно для аквакультуры.
— Может ли использование метанотрофных бактерий снизить углеродный след в аквакультуре?
— Использование биопротеина вместо рыбной муки само по себе значительно снижает углеродный след (более чем в 30 раз). В России также разрабатывается технология доочистки и повторного использования газа, что открывает путь к углеродно-нейтральному производству.
— Как производство биопротеина может снизить антропогенную нагрузку на морские экосистемы?
— Классические методы получения кормового белка (растительные белки, рыбная мука) часто связаны с эксплуатацией природных ресурсов, загрязнением воды, истощением почв, негативным влиянием на популяции дикой рыбы. Производство биопротеина не требует плодородных земель, не загрязняет водоемы и не влияет на природное биоразнообразие. Это компактное производство в контролируемой среде.
— Насколько рентабельно производство биопротеина по сравнению с традиционной рыбной мукой?
— Стоимость биопротеина сопоставима с ценой рыбной муки. Однако главная проблема рыбной муки — ее нестабильное качество, зависящее от погоды, и перебои в поставках. Бывают ситуации, когда рыбная мука просто отсутствует на рынке, несмотря на наличие цены (как в 2023 году из-за Эль-Ниньо и запрета на вылов анчоуса в Перу).
— Какие страны могут стать основными потребителями российского биопротеина и почему?
— Основные потребители — производители продукции аквакультуры, для которых биопротеин идеально подходит в качестве корма. Это в первую очередь Китай, Вьетнам и другие страны Юго-Восточной Азии, где сосредоточено 80% мирового производства аквакультуры.