|
газообразных углеводородов, главным образом, – метана, источником
которого служит широко распространенный природный газ. Природный
газ, помимо сравнительно низкой стоимости и доступности, характеризу-
ется отсутствием ингибирующих рост микроорганизмов примесей, позво-
ляет получать сравнительно большие выходы биомассы и не требует спе-
циальной очистки ни исходного сырья, ни получаемой биомассы. Проду-
центами микробного белка на метане являются бактерии родов
Methylococcus, Pseudomonas, Mycobacterium, Methanomonas, которые ути-
лизируют метан в качестве источника углерода и энергии, окисляя его
через ряд последовательных стадий через спирт и альдегид до углекисло-
ты:
СН
4
→ СН
3
ОН
→ НСОН→ НСООН → СО
2
.
При использовании метана возникает ряд существенных технологиче-
ских проблем в связи с особенностями метана как субстрата роста. Метан
поступает из газовой фазы и имеет низкую растворимость (до 0.02 г/л при
нормальном давлении), поэтому скорость его растворения в культуре яв-
50
ляется лимитирующим фактором, определяющим скорость роста проду-
цента. Синтез биомассы сопровождается выделением в околоклеточную
среду промежуточных продуктов окисления метана (до 0.2–0.6 г углерода
на 1 г синтезированной биомассы), ингибирующих развитие основного
производственного штамма. Поэтому используют микробную ассоциа-
цию, в составе которой, помимо метанотрофов, развиваются 5–6 гетеро-
трофных видов, утилизирующих продукты неполного окисления метана.
В связи с высокой восстановленностью метана для его микробного окис-
ления требуется большое количество кислорода (в 5 раз больше, чем на
углеводах и в 2–3 раза больше, чем при окислении жидких углеводоро-
дов). Поэтому процесс требует сложного аппаратурного оформления ста-
дии ферментации. Выращивание метанотрофных бактерий осуществляет-
ся в проточной культуре при 34–38
°С и нейтральных значениях рН среды.
Питательная среда содержит обычный набор минеральных элементов;
источником азота служит как восстановленая, так и окисленные формы.
При использовании олигонитрофильных микроорганизмов концентрация
азота в среде низка (20–30 мг/л). Потребности в кислороде у микробных
клеток в 2–3 раза превышает их потребности в метане. Однако из-за взры-
воопасности субстрата стехиометрическое соотношение данных газов
принимается не оптимальным для развития бактерий, и процесс реализу-
ют при лимите по кислороду и избытке метана.
Для выращивания метанотрофных бактерий используют аппараты со
струйным диспергированием газовой среды, имеющие высокие массооб-
менные характеристики. Для более полного усвоения метана применяют
рециркуляцию газовой смеси, повышение рабочего давления в аппарате, а
также использование вместо воздуха кислорода. Это позволяет повысить
степень утилизации газового субстрата до 95 %. Скорость протока среды в
ходе ферментации составляет 0.25–0.30 ч
–1
; концентрация клеток в куль-
туре на выходе из ферментера не превышает 10 г/л. Затраты субстрата на
1 т биомассы составляют для метана и кислорода 1.8–2.2 и 4.5–5.0 т соот-
ветственно. Биомасса содержит (%): сырой протеин – до 75, нуклеиновые
кислоты – 10, липиды – 5, зола – до 10, влажность – не выше 10. Получае-
мый белок по содержанию и соотношению аминокислот близок к рыбной
муке и соевым шротам.
Крупнотоннажное производство белка одноклеточных на природном
газе реализовано в России. Технологию и данный субстрат прогнозно счи-
тают перспективными. Однако рентабельность и развитие этого направле-
ния во многом будут зависеть от возможности совершенствования аппа-
ратурного оформления и интенсификации процесса.
Принципиально новым направлением в изыскании перспективных про-
дуцентов белка является привлечение фотоавтотрофных организмов,
использующих в качестве углеродного источника углекислоту, а энергии
– свет. Исследования водорослей в качестве возможных продуцентов бел-
51
ка проводят несколько десятилетий. Внимание к водорослям определяется
способом их питания, химическим составом биомассы, технологично-
стью. Процесс прироста биомассы водорослей происходит за счет фото-
синтеза, поэтому главным фактором, определяющим эффективность, яв-
ляется освещенность. С середины 60-х в качестве перспективных биосин-
тетиков белка активно рассматривали водоросли (Chlorella, Scenedesmus).
Однако эти надежды не оправдались из-за малой доступности данных
биомасс (неперевариваемые клеточные стенки, необходимость дезинте-
грации клеток и очистки белков от токсичного хлорофилла и др.), а также
низкой энергетической эффективности фотосинтеза.
Эффективным белковым продуктом оказались цианобактерии рода
Spirulina, растущие в природных условиях и способные фиксировать ат-
мосферный азот. Биомасса Spirulina содержит (%): до 70 белков, полно-
ценного аминокислотного состава, 19 углеводов, 4 нуклеиновых кислот и
4 липидов, 6 пигментов и по 3 золы и волокон. Клеточная стенка имеет
отличный от микроводорослей состав и легко переваривается. Низкий
уровень нуклеиновых кислот в биомассе, нетоксичность пигментов фико-
цианинов, высокий уровень переваримого белка, – все это сделали данную
биомассу полноценным белковым продуктом пищевого назначения. При
метаболизме белков спирулины в организме человека не образуется холе-
стерина, поэтому данный белок стали рассматривать в качестве компонен-
та диетического питания.
Первые упоминания о спирулине относятся к началу XVI, когда на ба-
зарах в окрестностях Мехико продавали в виде галет высушенную
Spirulina maxima, растущую в естественных условиях в щелочном озере
Текскоко. В середине XIX века бельгийская экспедиция через Сахару на
деревенских базарах в районе озера Чад также обнаружила сине-зеленые
галеты, представляющие собой высушенную биомассу другой популяции
– Spirulina platensis, растущей в шелочных прудах, окружающих озеро.
Спирулина растет практически как монокультура, так как рН озерной во-
ды в местах ее естественного обитания достигает 10.5–11.0. Благодаря
наличию в клетках наполненных газом вакуолей и спиральной форме фи-
ламентов, клубки водорослей всплывают на поверхность, и ветер выносит
их на берег. Время удвоения биомассы спирулины составляет около 3–4
дней, и собирать урожай можно круглосуточно. В оптимальных условиях
выход биомассы составляет до 20 г АСВ/м
2
в сутки. Это на порядок пре-
вышает урожаи пшеницы, при этом качество получаемого белка сущест-
венно выше растительного (табл. 2.2).
Эксперименты по исследованию биологической ценности спирулины,
выполненные Французским институтом нефти совместно с компанией
«Соса Текскоко», завершились в 1973 г. созданием первой опытной фаб-
рики. К 1982 г. производство достигло 1000 т/г. Главными импортерами
продукта (мука, таблетки) являются Япония, США, европейские страны.
52
Аналогичные производства по выращиванию спирулины в искусственных
условиях планируют Франция, Италия. В Израиле близ г. Хайфа на боло-
тах площадью 12 000 м
2
выращивают водоросль Spirulina platensis для
кормовых и пищевых целей. Генетическое усовершенствование имею-
щихся штаммов Spirulina может существенно повысить их урожайность.
Получены мутанты, у которых при сохранении скорости роста пул амино-
кислот может быть существенно выше, чем у исходного. Показана воз-
можность выращивания спирулины в искусственных щелочных прудах, а
также в отходящих теплых водах теплостанций.
В середине 70-х годов активизировались исследования, направленные
на разработку технологий получения микробного белка с использованием
Do'stlaringiz bilan baham: |
