Периодическое издание: Химия и жизнь
Страна: СССР
Тематика: Научно-популярный журнал Академии наук СССР
Регистрационная информация:Академии наук СССР
Главный редактор: И. В. Петрянов-Соколов
Периодичность: Ежемесячно
Тираж: 175 000 экз.
Количество полос:
Формат: 84 х I08 1/16
Цена: 30 коппек
Мельникова, Л., Белок из газа. //[Текст] .- журнал Химия и хизнь.– 1973 .– № 6 .- С.12-С.18.
На схеме — два пути
преобразования природного газа.
Первый, традиционный: синтез
аммиака, производство
минеральных удобрений,
выращивание
сельскохозяйственных культур
и так далее. Второй путь, который
сегодня только просматривают
ученые, намного короче и
экономичней. Он позволяет
миновать химическую и
агрономическую стадии, а в
будущем, возможно, исключить
и зоотехническую —»разведение
сельскохозяйственных животных.
Это — производство белка (пока
кормового, а потом, наверное,
и пищевого) непосредственно из
природного газа
ЭКОНОМИКА, ПРОИЗВОДСТВО
БЕЛОК ИЗ ГАЗА
Согласно данным Организации ООН по вопросам
продовольствия и сельского хозяйства (ФАО), в развитых странах
среднестатистический житель потребляет 50 г животного белка
в сутки. В развивающихся странах — 9—10 г. Это примерно
в 6—7 раз ниже физиологической нормы.
К 1980 г. потребность населения Земли в белке составит
42,5 миллиона тонн в год, к 2000 г.— 65 миллионов тонн.
Сельское хозяйство не сможет дать столько продуктов.
Микроорганизмы растут в 500 раз быстрее самых урожайных
сельскохозяйственных культур, в 1000—5000 раз быстрее
самых продуктивных животных. Массовое производство
микробного белка может восполнить нехватку растительной и
животной пищи.
Заводы по производству белкэ из углеводородов нефти уже
работают. По прогнозам ученых, через несколько лет
начнется выпуск белка из газа. Специалисты считают, что этот белок
будет самым питательным, самым чистым, самым дешевым.
САМЫЙ КОРОТКИЙ
ПУТЬ
Сейчас природный газ используют в основном как топливо. Однако с каждым годом расширяется его химическая переработка, и из ценнейшего энергетического топлива он становится не менее важным химическим сырьем, ресурсы которого практически неисчерпаемы.
По автомобильным дорогам мира движется огромное количество сажи, около 5 миллионов тонн,— каждая шина содержит до 5 килограммов этой непременной составной части резины. А получают сажу из природного газа. Из него же производят ацетилен, метиловый спирт синтетический аммиак. В производстве аммиака, а затем и азотных удобрений химики используют лишь одну элементарную составную часть природного газа — водород, углерод же остается неиспользованным. Это не последняя потеря на долгом пути от газа до белка.
Далеко не весь входящий в состав азотных удобрений азот (а следовательно, и связанный с ним водород) полностью усваивают растения. И, наконец, животные используют для построения своей биомассы лишь около 7% съеденного растительного корма.
Сегодня ученые просматривают другой, намного более короткий путь, позволяющий миновать по крайней мере химическую (синтез аммиака и получение азотных удобрений) и агрономическую (выращивание кормовых культур) стадии, а в будущем, возможно, и стадию зоотехническую (выращивание и откорм сельскохозяйственных животных). Это самый экономичный путь: полезно используются и водород, и углерод природного газа. Речь идет о получении необходимого человечеству белка — кормового, а в будущем, возможно, и пищевого — непосредственно из природного газа.
PSEUDOMONAS, METHANOMONAS И ДР.
S природном газе до 99% метана, который при обычных условиях в химическом отношении довольно инертен. Этот бесцветный, легкий, горючий гаэ при комнатной температуре реагирует лишь с хлором. Только при высокой температуре в присутствии кислорода он вспыхивает и сгорает. Инертность метана объясняется прочной химической связью между углеродом и водородом.
Однако то, что не по силам самым агрессивным веществам, легко делают бактерии. Существуют
микроорганизмы, способные расщеплять связь между водородом и углеродом, и что особенно важно — в обычных условиях. Первые научные сообщения о потреблении метана микроорганизмами появились в начале века. Однако многие исследователи того времени считали, что эта способность присуща лишь небольшому числу почвенных микроорганизмов. Сегодня хорошо известно, что метан, этан, пропан легко окисляют бактерии Pseudo- monas, Methanomonas, Bacillus, Corynebacterium, Brevi- baclerium, Tycobacterium.
Вообще же в научной литературе описаны микроорганизмы более шестидесяти видов, способные потреблять газообразные углеводороды. Они размножаются в почве при ничтожных концентрациях газе — Ю-3—10-5%, И самые распространенные среди этих микроорганизмов как раз те, что потребляют самый распространенный из газообразных углеводородов — метан.
Бактерии используют метан и в энергетическом, и в конструктивном процессах, иначе говоря, и для дыхания, и для построения своих клеток. Часть метана окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды— через метанол, формальдегид и муравьиную кислоту. S конструктивный обмен поступает метан, окисленный до формальдегида. По-видимому, около 60—90% формальдегида идет на образование живых клеток, остальное окисляется до муравьиной кислоты, а затем до углекислого газа.
Биохимические процессы, которые идут в микроорганизмах, можно представить примерно так:
Конечно, такая схема лишь в самом общем виде показывает микробиологическое окисление метана, она представляет собой всего лишь один из теоретически возможных вариантов процесса. Но именно этот вариант, эта теория подтверждается все новыми и новыми экспериментальными данными.
ДВА ПРЕИМУЩЕСТВА
Подсчитано, что одна бактеоия. размножаясь в идеальных условиях, способна за пять суток заполнить биомассой все моря и океаны нашей планеты. Пусть это крайний случай, пусть этот расчет не очень реален, он тем не менее подчеркивает неоспоримые преимущества микробиологического метода получения белка.
Микробная биомасса, полученная из метана, представляет собой продукт, содержащий 60—70% белка, в котором есть все без исключения необходимые организму аминокислоты. В состав этого продукта входят также углеводы, жиры, немного минеральных солей, много витаминов группы В. И главное, в белковом концентрате, полученном из природного газа, не обнаружено неусваиваемых и вредных соединений. По питательности газовый белок сравнивают с рыбной или соевой мукой.
Потребность населения планеты в белке G0 граммов на человека в сутки) можно было бы удовлетворить микробиологической переработкой 43 миллиардов кубометров природного газа в год. Разумеется, речь вовсе не идет о том, чтобы человечество отказалось от мяса, рыбы и овощей и полностью перешло на микробный рацион. Никто так вопрос не ставит. Но если бы применяемые в животноводстве корма можно было заменить белком из метана, количество традиционной пищи резко возросло.
Производство белка из природного газа крайне заманчиво. Оно обладает теми же достоинствами, что и производства микробной биомассы из углеводородов нефти: практическая неограниченность сырьевых ресурсов, отличная транспортабельность сырья, независимость производства от климата, капризов погоды, наличия земельных угодий и их плодородия. Но по сравнению с нефтью метан как сырье для получения белка имеет еще два важных преимущества.
Преимущество первое, экономическое: природный газ в несколько раз дешевле углеводородных фракций нефти.
Преимущество второе, технологическое: на метане можно получать белок без дополнительной очистки. При выращивании бактерий на нефтяных фракциях далеко не все жидкие и твердые углеводороды ассимилируются микроорганизмами. Значит, после завершения процесса неусвоенные углеводороды нужно отделять. Это вызывает серьезные затруднения. Для метана таких проблем не существует. Любое количество не усвоенного микроорганизмами газа легко удалить из ферментера.
Казалось бы, преимущества метана очевидны. Тем не менее первое производство белка из углеводородов было организовано не на газе, а на нефти.
ДВЕ ПРОБЛЕМЫ
При разработке микробиологического синтеза белка на природном газе ученые и технологи столкнулись с двумя весьма серьезными проблемами, от решения которых во многом зависит реализация метода в промышленности.
Проблеме первая. Микроорганизмы, которые потребляют метан, аэробны — они нуждаются в кислороде для дыхания. (У бактерий, окисляющих природный газ, потребность в кислороде значительно выше, чем у микроорганизмов, которые перерабатывают углеводы и парафины нефти. Это связано с тем, что углеводы и парафины окисляются гораздо легче метана.) Поэтому в питательную среду одновременно с метаном необходимо подавать кислород или воздух. А смеси метана и кислорода, метана и воздуха взрывоопасны!
Работать с такими смесями нужно чрезвычайно осторожно, чтобы не угодить в область тех концентраций, когда смесь воспламеняется и взрывается. А именно в этих опасных областях наиболее благоприятные для бактерий условия. Если концентрация метана ниже взрывоопасной, микроорганизмам не хватает питания, если для безопасности процесса уменьшить количество
кислорода в смеси, они начинают «задыхаться». И в том и в другом случаях микроорганизмы растут медленно, производительность ферментеров невелика.
Проблема вторая. Для успешного ведения биосинтеза очень важно, чтобы кислород и метан легко
переходили из газовой фазы в жидкость, чтобы пузырьки газов, несущие микроорганизмам топливо и окислитель, быстро подходили к растущим клеткам, а затем проникали внутрь клеток, туда, где сосредоточены ферменты, где происходят обменные реакции.
Здесь главный камень преткновения — низкая растворимость метана и кислорода в воде. В присутствии других газов (азота, углекислоты) она еще больше падает. Концентрация жидких углеводородов в питательной среде обычно составляет несколько граммов на литр, а для природного газа исчисляется сотыми долями грамма.
Конечно, растворимость метана можно повысить, увеличив давление в аппарате. Но тогда станет дороже оборудование, повысятся и эксплуатационные расходы. Биосинтез белка из газа может потерять свою экономическую привлекательность.
Другое решение — вводить в питательную среду метан, растворенный в каком-нибудь органическом растворителе (это также предупреждает образование взрывчатой смеси). Но и такой способ имеет существенный недостаток: микроорганизмы могут предпочесть растворитель метану, и тогда применение природного газа потеряет всякий смысл.
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС ПЕРЕРАСТАЕТ
В ПРАКТИЧЕСКИЙ
Один из главных путей решения проблемы газового белка — поиск новых штаммов бактерий, активно окисляющих метан. Эта задача значительно сложнее, нежели выбор микроорганизмов для переработки жидких парафинов. Микроорганизмы, способные расти на природном газе, выделяются с большим трудом и могут быстро потерять свою активность.
Природный газ содержит кроме метана и другие низшие алканы (до 3%), а также примеси азота 0,2— 3%), двуокиси углерода @,1—0,3%), следы сероводорода 0,01—0,03%). Эти примеси не только не способствуют росту микроорганизмов, но в некоторых случаях даже подавляют его. Например, небольшая добавка этана G%) может полностью остановить рост бактерий. Поэтому для микробилогического окисления природного газа надо выбирать микроорганизмы, противостоящие воздействию ингибиторов.
Выращивая подобные штаммы микроорганизмов, микробиологи столкнулись с любопытным фактом. Чистые культуры, которые хорошо усваивают природный газ, нередко сосуществуют с бактериями, абсолютно не окисляющими метан. Более того, без этих как будто бы вредных примесей полезные микроорганизмы отказывались усваивать газ. Было установлено, что смешанные популяции зачастую растут более активно, чем выделенные из них чистые культуры, что смешанные популяции устойчивы: на протяжении многих пассажей (пересевов) в них поддерживается постоянное соотношение видов. Конечно, если на смешанных системах изучать механизмы микробного окисления метана, получится, как говорят исследователи, микробиологический кошмар. Однако для промышленного использования сложные искусственные популяции могут быть весьма полезными.
Возможности работать со смешанными культурами микроорганизмов уделяется сейчас большое внимание. На то есть несколько причин. Прежде всего: получить смешанные популяции легко, а теоретически такие системы обещают немалые выгоды. Например, можно создать искусственную микробиологическую систему, в которой основной вид будет окислять газ и вырабатывать белок, а другие бактерии-спутники обогащать эго аминокислотами и витаминами.
Результаты последних исследований, а также проведенный на их основе экономический расчет устранили сомнения в целесообразности получать белок из метана. И примерно с 1968 года стали появляться патенты на способы микробиологического окисления природного газа и аппараты для этого процесса. Значит, чисто академический интерес к предмету перерос в практический. По некоторым прогнозам, массовое промышленное производство белка из газа начнется уже в конце десятилетия.
Л. МЕЛЬНИКОВА
Мельникова, Л., Белок из газа. //[Текст] .- журнал Химия и хизнь.– 1973 .– № 6 .- С.12-С.18.
При использовании любого материала с данного веб-сайта ссылка на http://www.kirishi-eco.ru обязательна.