Животных накормят бактериями, а бактерии — газом
Компания «Биопрактика» запустила опытно-промышленную установку по производству кормовой добавки для животных из метанотрофных бактерий. Это ускорит развитие в России микробиологической промышленности
Они маленькие, но очень прожорливые, эти штаммы бактерий вида Methylococcus capsulatus, которые питаются растворенным в воде метаном, кислородом, солями — в качестве источника азота и в благоприятной среде растут в геометрической прогрессии. Аэробным метаноокисляющим бактериям миллионы лет, но взять их под контроль и поставить на службу человеку ученые пытаются относительно недавно: около шестидесяти лет назад начались эксперименты по созданию технологии выращивания метанотрофных бактерий в биореакторах. Зачем они нам? В ближайшей перспективе — чтобы стать качественной высококонцентрированной протеиновой добавкой в питании сельскохозяйственных животных и рыб, а в дальнейшем — чтобы войти в рацион человека. Помимо этого бактерии, использующие для роста одноуглеродные молекулы, откроют новые горизонты в индустриальной биотехнологии: кроме биомассы, их научат производить этиловый спирт, уксусную кислоту, биоразлагаемый пластик и другие полезные продукты. При этом они еще и внесут вклад в борьбу за устойчивость климата, так как будут питаться не только метаном, но и отходами промышленных производств, загрязняющих атмосферу: СО2 и биогазом.
Белка нужно все больше и больше
Развивать технологии по производству кормового микробного белка, или биопротеина, сейчас заставляют процессы, происходящие на мировом рынке индустриального животноводства, а именно нарастающий дефицит кормовых белковых добавок, прежде всего сои и рыбной муки. По данным Global Market Insights, продажи на глобальном рынке белковых добавок для нужд животноводства и аквакультуры в 2019 году составили 150 млрд долларов и будут расти в среднем на 6% в год и к 2026 году достигнут достигнув 220 млрд. Объем потребления кормовых белковых добавок оценивается в 400 млн тонн, из них 240 млн тонн — продукты переработки сои. В России производство кормовых белковых добавок за период с 2010 по 2019 год выросло в 2,3 раза и достигло 10,6 млн тонн, из них свыше 90% приходится на продукты и отходы переработки масличных культур. При этом было импортировано два миллиона тонн соевых бобов стоимостью свыше 790 долларов за тонну, и ежегодно цена на сою растет, тогда как внутренние резервы ее посевов практически исчерпаны: она хорошо растет только на Дальнем Востоке и частично в Краснодарском крае, где и так высока конкуренция между другими сельскохозяйственными культурами.
Еще сложнее ситуация с рыбной мукой. Ее производство практически не увеличивается последние лет десять, в 2019 году мировое потребление составило 4,5 млн тонн при цене около 1500 долларов за тонну; по прогнозам, в ближайшее время цена вырастет до 1700 долларов. В России объемы производства рыбной муки составили 126 тыс. тонн, однако потребление в два с половиной раза ниже производства из-за экспорта в Китай и Корею, и это понятно: разница между внутренними и экспортными ценами на рыбную муку достигает 20–30%. При этом особенностью «домашних» продаж является доминирование рыбной муки низких качественных категорий или фальсификата, разбавленного мочевиной, перьевой и птичьей мукой.
Что касается микробного белка, способного возместить дефицит рыбной муки и других белковых кормов, то мировому рынку он уже знаком: в 2019 году продажи составили 280 млн долларов, и ожидается, что объем рынка достигнет 4,7 млрд долларов к 2026 году, или 7–10 млн тонн. В России, где дефицит кормового белка составляет 1–1,5 млн тонн, емкость рынка микробного белка в ближайшей перспективе оценивается в 200–500 тыс. тонн. Правда, все эти оценки справедливы при условии конкурентоспособной цены, однако до сих пор микробный белок был не очень доступен: цена за тонну, в зависимости от технологии, продуцента и субстанции, находится в диапазоне от 2500 до 4000 долларов. Это объясняется просто: продукт выпускают небольшими партиями, в мире пока не построено ни одного крупнотоннажного завода.
В последние годы сразу несколько научно-производственных коллективов в России взялись за решение масштабирования выпуска микробного белка. Одной из первых на финишную прямую, похоже, вышла компания «Биопрактика», которая недавно совместно с негосударственным институтом развития «Иннопрактика» и производителем авиавооружений «Дукс» запустила в Москве опытно-промышленную установку по производству биопротеина емкостью 350 литров. Через несколько лет после отработки всех процессов компания планирует выпускать 50 тыс. тонн продукта в год, а затем масштабировать бизнес с учетом емкости рынка.
Еще раз про гаприн
Первые метанотрофные проекты были запущены еще в 70–80 е годы прошлого века, почти параллельно в Советском Союзе и Западной Европе. «Тогда возникло понимание, что дальнейший рост сельского хозяйства в мире будет ограничен недостатком высокобелковых добавок в корм животным», — говорит эксперт в области биотехнологий Максим Захарцев. Свойства гаприна (так назвали белок из метанотрофных бактерий в СССР) удивительны: в составе биомассы отсутствует клетчатка, чистый протеин составляет примерно 75%, что сопоставимо с качественной рыбной мукой и намного превышает уровень сои (40%), его аминокислотный профиль близок к рыбной муке, он полностью усваивается животными и рыбами, богат витаминами, микроэлементами. Растут бактерии в биореакторе, производство основывается на рециркуляции воды, и готовый продукт не нуждается в очистке от остатков субстрата, хорошо гранулируется и хранится.
В Советском Союзе смогли дальше всех продвинуться в создании технологии гаприна. На опытно-промышленной установке завода белковых витаминных концентратов в Светлом Яре Волгоградской области его выпускали до 15 тыс. тонн год, производство работало с 1985 по 1994 год, а потом завод закрыли. «Благодаря лучшему дизайну биореактора и оперирования процесса советские ученые и инженеры смогли выйти на промышленное производство гаприна, что тогда не получилось у европейских компаний. Но в 90-е на наш рынок хлынула дешевая соя из Америки, инвестиции в проект были прекращены, тогда как европейские коллеги продолжали научно и технологически развиваться», — продолжает экскурс в историю Захарцев.
И вот теперь «апгрейд» темы. Над созданием эффективной технологии получения микробного белка работают в США, Европе и Китае. Но наиболее активно ведут себя российские компании, что понятно в связи с доступностью рынка сырья. Так, компания «Протелюкс» несколько лет назад приобрела технологию производства у датской Unibio, объявив об инвестициях в проект в размере 35 млн долларов и планах по производству до 20 тыс. тонн продукта в год на площадке в Ивангороде Ленинградской области. Остальные игроки сосредоточены на собственных разработках. Помимо «Биопрактики» это московская компания «Гипробиосинтез», созданная в 2014 году и за это время вложившая в проект несколько сотен миллионов рублей — здесь планируют к 2023 году запустить завод: сначала первую очередь мощностью 1000 тонн, а уже через год вывести его на заданные показатели в 21 тыс. тонн. «Гипробиосинтез» продвинулся дальше всех в получении разрешительных документов на сам продукт: в ноябре прошлого года компании выдали в Россельхознадзоре свидетельство о государственной регистрации кормовой добавки для животных. Севастопольская «Метаника» вложила в проект около 100 млн рублей и планирует выйти на финишную прямую через два-три года, одновременно доработав и технологию производства для дальнейшего масштабирования. Еще один разработчик — консорциум «Биопротеин» из Москвы, объединивший силы несколько ведущих научно-исследовательских организаций, в том числе ФИЦ биотехнологии РАН и Института теплотехники СО РАН. Не раскрывая детали проекта, в компании сообщают, что его задача — воссоздать на новом уровне советскую технологию производства гаприна и что уже пройдены все этапы лабораторной стадии — теперь идет оптимизация и масштабирование технологических решений.
Кто купит гаприн
Сегодня речь идет не о полной замене микробным белком сои или рыбной муки, а о вхождении наряду с ними в состав комбикормов для балансировки по аминокислотному составу. Но в дальнейшем, по мнению игроков рынка и специалистов, можно ожидать постепенного вытеснения традиционных белков за счет более эффективного микробного белка и, как следствие, расширения рынка. «По нашим оценкам, с учетом сбалансированности рациона расчетный объем потребления белковых кормов в сельскохозяйственных организациях страны может достигать одиннадцати миллионов тонн», — говорит генеральный директор компании «Биопрактика» Станислав Новиков. То есть речь идет о перспективе десятикратного роста рынка.
«Рынок протеинов для кормов я бы назвал необъятным и беспроигрышным, ведь только в нашей стране дефицит протеина составляет около миллиона тонн в год, а экспортные рынки еще больше, особенно растущие азиатские», — считает президент Российской биотопливной ассоциации Алексей Аблаев. По мнению председателя правления Национальной ассоциации микробиологии Владимира Цымбала, производители комбикормов ждут биопротеин и готовы с ним работать, хотя это и потребует разработки новых линеек кормов и тесной работы с хозяйствами для отслеживания их эффективности. Но уже и результаты кормления в опытных группах животных производят впечатление. «Применение биопротеина позволяет существенно влиять на производительность ферм, стартовые корма с микробным белком не только заметно увеличивают скорость прироста массы животных, но и повышают их выживаемость», — говорит Владимир Цымбал.
Еще один очевидный рынок для гаприна — корма для аквакультур, где потребляется почти 75% рыбной муки. Другой вопрос, что основные производители рыб и моллюсков расположены в Китае, Индии и Индонезии, а в России аквакультура развита слабо: в 2019 году объемы производства составили 287 тыс. тонн, или 0,35% мировых, но хорошая новость в том, что прирост в последние десять лет варьируется от 7 до 20% в год. Пока что на аквафермах используют корма с соевым белком, но в отличие от поросят и птицы рыбы с соей не дружат. Во-первых, соевый белок, будучи растительным, не совсем подходит по составу аминокислот для хищных рыб и креветок, которые усваивают его лишь частично, а также плохо подходит для всех стартовых кормов. Во-вторых, он включает в себя так называемые антипитательные вещества (ингибиторы протеаз, лектины), которые дополнительно снижают его усвояемость и питательность.
Так что с соей микробный белок, особенно в питании рыб, поспорит легко. Но и в сравнении с рыбной мукой у него есть преимущества. Состав рыбной муки можно варьировать, что не гарантирует одинакового содержания протеина в каждой партии. Теряет мука в качестве при хранении и транспортировке, а поскольку это продукт сезонный, для производителей комбикормов, составляющих корма в определенных пропорциях, все это представляет проблему. «Мы же способны предложить биопротеин стабильного, то есть воспроизводимого качества», — подчеркивает Владимир Цымбал.
Впрочем, несмотря на все заявленные преимущества метанотрофного белка, участники будущей отрасли понимают, что на пути в рынок их ждут и препятствия. Наряду с инерцией спроса понадобится преодолеть неприятный шлейф памяти, который достался гаприну от другой кормовой добавки, которую тоже выращивали в СССР, но на парафинах, остатках после очистки нефти. Речь идет о паприне — дрожжах рода Candida, производство которых намного проще, оно было запущено более чем на десяти заводах, выпускавших до миллиона тонн продукции в год. Проблема паприна заключалась в том, что дрожжи становятся условно патогенными, если их не до конца обработали и высушили перед тем, как добавлять в комбикорм, и в результате у животных часто возникал дисбактериоз. Еще больше животные страдали от передозировки паприна, так как в те времена аграрии часто работали на глазок, руководствуясь принципом «чем больше, тем лучше», что приводило к подагре. Наконец, попадавшая в атмосферу дрожжевая пыль вызывала аллергию у людей на близлежащих к заводу территориях. «На самом деле технологию производства паприна можно было доработать точно так же, как и систему очистных сооружений заводов, но второго шанса паприну не дали», — вспоминает Максим Захарцев.
Гаприн, в отличие от паприна, изначально лишен перечисленных недостатков, так как метанотрофным бактериям для роста нужны кислород и метан, кишечник животного не их среда, они в нем не будут размножаться, даже если после сушки метанотрофная бактерия останется живой. Все это очевидно микробиологам, но потребителям придется это объяснять и доказывать. Хотя на уровне экспертных мнений отношение к продукту вполне лояльное. «Знаю, что такой продукт есть и его можно использовать в кормлении животных с целью экономии рыбной муки, — говорит заведующий кафедрой кормления и разведения животных РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева, доктор биологических наук, профессор Николай Буряков. — У гаприна большие перспективы, ведь население растет, и нужно производить больше мяса, молока, но важно соблюдать его нормы ввода в комбикорма и выводить из рациона животных за месяц до убоя».
Чья технология лучше
Суть выращивания метанотрофов в биореакторе заключается в том, чтобы перевести метан из газовой фазы в жидкую и тем самым дать бактериям возможность его съесть. Классические ферментеры с мешалкой не могут обеспечить достаточный массообмен метана, кислорода или достаточную площадь для отвода выделяемого тепла. Метан является гидрофобным газом, и растворить его в воде — сложная процедура, нужны специализированные, так называемые гетерофазные реакторы, в которых создается динамическое равновесие между количеством метана в газовой фазе и растворенным метаном в жидкой фазе. Этот процесс называется массообменом, и достижение его высоких характеристик, при которых метан и кислород под действием физико-химических свойств в реакторе из газовой фазы переходят в жидкую фазу, а СО2 — в обратную сторону, определяет успех, эффективность, энергоемкость, а следовательно, и экономику процесса. «Все технологические отличия, которые существуют между производителями, связаны с дизайном биореактора, который может быть либо струйным, в виде одной большой бочки-колодца, либо петлевым, в виде труб», — говорит Максим Захарцев.
Отправной точкой для таких компаний, как «Гипробиосинтез», «Метаника», «Биопротеин» стал струйный дизайн, созданный в СССР: в реактор-емкость сверху бьет струя культуральной жидкости с бактериями, внутрь которой добавлен поток газа. Этот принцип позволяет достичь очень высоких показателей массообмена газов в центральной зоне реактора, но они могут меняться в других частях реактора из-за того, что газожидкостная смесь циркулирует по всему объему. Процесс сложен еще и тем, что надо одновременно растворять для питания бактерий метан и кислород, а выводить — углекислый газ, и технологию непросто масштабировать, так как законы линейного роста в ней не работают — например, трудно соблюдать одинаковые температурные режимы в большом объеме реактора, а для живых бактерий это крайне важно. Однако в советские времена были построены огромные реакторы — объемом 400 и 750 кубометров, и современные разработчики лишь перепроектируют эту технологию с учетом новых материалов и систем автоматизации и контроля. «Современными средствами моделирования, используя вычислительные мощности суперкомпьютеров, удалось показать эффективность решений, разработанных в свое время немецкими (ГДР) и советскими учеными, определить пути оптимизации и повышения безопасности работы биореактора», — поясняет директор по науке консорциума «Биопротеин», кандидат физико-математических наук Ирина Низовцева. В компании используют методы цифрового двойника и современные средства измерения и обработки больших данных и контроля, чтобы обеспечить взрыво-пожаробезопасность, снизить удельные энергозатраты на растворение кислорода и метана в жидкой фазе.
Другое направление разработок — петлевые реакторы, построенные некогда в Норвегии. Такой реактор выглядит как труба, по которой циркулирует поток газожидкостной смеси, а процессы ферментации и массообмена обеспечены системой статических миксеров, а также баком-дегазатором для удаления СО2 и газовых пузырей из жидкости. Труба может быть расположена как горизонтально, так и вертикально. К примеру, у американской компании Calysta, купившей технологию у норвежцев лет двадцать назад, часть петли находится в горизонтальном положении, а датская компания Unibio расположила трубу вертикально, в виде английской буквы U. Реактор с U-образным контуром рассчитан на высокую степень смешения газа и жидкости и отвода тепла. «Научная группа Unibio из датского Технического университета долго занималась этой разработкой, они значительно продвинулись вперед, и на основании их исследований компания “Протелюкс” построила завод в Ивангороде, — говорит Максим Захарцев. — Насколько мне известно, они уже построили четыре петлевых биореактора».
«Биопрактика» тоже пошла по пути петлеобразного реактора, но усовершенствовала метод U-образной петли и отказалась от бака-дегазатора сверху, тем самым упростив конструкцию. Это стало возможным благодаря разработке принципиально новых статических миксеров и онлайн-дегазатора, за счет которых значимо увеличилось контролируемое поперечное перемешивание в потоке и массообмен.
Более того, эта технология позволяет устанавливать множество статических миксеров и онлайн-дегазаторов в одном реакторе, что, в свою очередь, позволяет отказаться от использования чистого кислорода для обеспечения ферментации и работать только на воздухе для обеспечения процесса в любом объеме. Отсутствие в реакторе газовой полости, помимо прочего, решает проблему взрывоопасности. В целом эти достижения снижают капитальные и операционные затраты, упрощают возможности масштабирования процесса, так как оно идет практически линейно.
Кто сделает дешевле
Вопрос снижения затрат при производстве микробного биопротеина, как все понимают, далеко не праздный, так как успех нового продукта на рынке будет зависеть в том числе от его цены. «У одних себестоимость гаприна будет тысяча долларов за тонну, а у других 600–700 долларов, и станет понятно, чью технологию будут заказывать», — говорит директор «Метаники» Вячеслав Лень. Директор по развитию «Биопротеина» Дмитрий Чернушкин уверен, что при правильно выбранной конструкции биореактора и оптимально организованном технологическом процессе можно получить себестоимость не выше 750 долларов за тонну.
Что касается рыночной цены, то, по мнению Алексея Аблаева, гаприн должен продаваться не дороже рыбной муки. Это выглядит логично, но с одним уточнением: речь идет о качественной рыбной муке. Дело в том, что рыбную муку в России можно купить по цене от 30 до 130 рублей за килограмм в зависимости от содержания протеина: если его 40–45%, мука стоит от 30 рублей, если 64%, как в муке из кильки и бычков, то 79 рублей, а продавец муки из черноморской хамсы с заявленным содержанием протеина 77% просит за килограмм 130 рублей. Микробный белок содержит до 75% протеина, поэтому, как считают в «Биопрактике», стартовые ценовые возможности у него должны быть соответствующие.
Впрочем, по мнению директора «Гипробиосинтеза» Павла Нюнькова, цена на биопротеин в первую очередь будет зависеть от стоимости для производителя природного газа, основного питания бактерий. По технологии на тонну готового продукта надо порядка четырех тысяч кубометров газа, но при этом в компании стремятся к тому, чтобы повышать продуктивность процесса и делать тонну продукта из 3500 кубов газа, цена которого в разных регионах отличается. В этом смысле перспективной выглядит идея выпускать не только сам микробный протеин, но и оборудование для его производства и продавать газовщикам или угольщикам — для переработки сопутствующего газа.
У компании «Метаника» уже есть заказы от горнодобывающих комбинатов, для которых они намерены делать небольшие установки мощностью четыре тысячи тонн биопротеина в год, причем из этих установок можно будет собирать завод любой мощности. «Для завода мощностью 20 тысяч тонн понадобится пять таких установок и одна в запас на случай, если технолог вдруг не выполнит регламент и в одной из них культура бактерий погибнет», — поясняет преимущества модульной установки Вячеслав Лень. Строительство типовых модульных заводов будет предлагать потенциальным производителям и «Биопрактика», только они ведут речь о более масштабной производительности, о ферментационных установках по 50 кубов каждая — кассета из таких биореакторов сможет выводить завод на мощность до 200 тыс. тонн биопротеина в год.
Корма для человека
Конкуренция за выход на перспективный рынок метанотрофных белков нарастает стремительно: по данным Bloomberg, за первые семь месяцев 2020 года венчурные инвестиции в альтернативные белки составили 1,4 млрд долларов, в два раза больше, чем в 2019 году. Американская Calysta строит завод по выпуску гаприна в китайском Чунцине и в 2022 году планирует запустить производство объемом 20 тыс. тонн, а потом наращивать мощности для поставки биопротеина на азиатский рынок аквакормов.
Впрочем, рынок микробных кормовых белков для животных и рыб далеко не конечный горизонт для формирующейся отрасли. К примеру, компания «Гипробиосинтез» уже произвела килограммы очищенного микробного белка DreamFood для использования в питании человека и первой в стране запустила процесс его сертификации — уже проходят испытания на крысах. Через три года, получив государственный сертификат, их микробный протеин прямиком отправится на хлебобулочные, колбасные производства, потеснит в спортивном питании и веганских продуктах белки из пшеницы и гороха. Пока сертификата на применение микробного биопротеина на основе метана в питании человека нет ни у одной компании в мире, но это тоже дело времени. Между тем рынок новых источников белка и инновационных продуктов питания, по данным ГК «Эфко», составит в 2025 году шесть миллиардов долларов при среднегодовом темпе роста более 50%.
Далее грядет еще более глубокий передел биомассы — извлечение веществ, которые могут использоваться в фармакологии, в химической промышленности. «Перспективы огромны, путем генетической модификации метанотрофов можно получать янтарную кислоту или спирты 1,4-бутандиол или изобутанол, можно делать изопрен, который пойдет на производство резины, можно даже получить истинно биоразлагаемые полимеры полигидроксиалканоаты и так далее», — говорит Максим Захарцев. При этом, как он полагает, отечественным компаниям помогла бы единая научная площадка и государственная поддержка — для объединения усилий в отработке технологий в опытно-промышленных условиях и выборе микробного консорциума, то есть штамма-продуцента и его спутников. «Иначе непросто будет удержать технологический паритет с такими структурами, как BP, Cargill, Mitsui, Mitsubishi и ChemChina, инвестирующими в промышленные технологии получения микробного протеина на протяжении многих лет», — рассуждает эксперт.
Фото: предоставлено компанией «Биопрактика»
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl