С.А. Глухих. Белок - комплексный инжиниринг биосинтеза на метане.

2017 г. 

В книге дан обзорный анализ узкопрофильной природоподобной технологии – биотехнологии белка на метане природного газа и других источников метана, описаны характеристики производственных штаммов метанотрофных бактерий, их свойства, дана характеристика биомассы и результаты её испытаний, представлена эффективность и безвредность применения в кормопроизводстве, продуктах питания и органическом синтезе. Обосновано понятие «комплексный инжиниринг», дан анализ всех стадий технологического процесса производства и современное аппаратурное решение с позиций минимизации себестоимости целевого продукта. Произведен сравнительный анализ питательных сред, включая естественные среды на основе воды морей, океанов и угольных шахт. Выработаны предложения по комплексному инженерному обеспечению создания эффективных экологически чистых производств. Предложены принципы создания мобильных технологических комплексов производства белка взамен факельного сжигания попутного нефтяного газа месторождений и НПЗ, шахтного метана и метана биогаза от переработки отходов. Книга предназначена для специалистов и работников предприятий биосинтеза, кормопроизводства, животноводства, нефтяной и газовой промышленности, машиностроения, НИИ и заводов органического синтеза, а также для инвесторов, желающих создавать предприятия данного профиля.

 

Предисловие.

В выступлении Президента Российской Федерации В.В. Путина на 70-й сессии Генассамблеи ООН в 28 сентября 2015 года, в частности, был затронут вопрос природоподобных технологий: «Речь должна идти о внедрении принципиально новых, природоподобных технологий, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой". 

В основе таких технологий лежат принципы производства без вреда для окружающей среды. К этому можно добавить ещё и свойственные природе принципы минимизации затрат и отсутствия перепроизводства.

Человечество в рыночных условиях производит огромное количество разнообразной продукции, часть которой не находит покупателя и либо сжигается, либо перекочевывает на растущие с астрономической скоростью свалки и полигоны отходов по всему миру, которые выделяют газы и стоки гниения. А ведь на производство этой продукции были затрачены сырьё и энергия, полученные от природы с издержками для неё самой.

Австрийский изобретатель Виктор Шаубергер, ещё в начале 20-го века призывал отказаться от несвойственных природе технологий, он говорил: "Человечество! Ты возвысишься! Ты сможешь управлять природой, если научишься ей подчиняться!».

Да, применение природоподобных технологий требует от прикладной науки и производства новых, глубинных навыков и заставляет человека дополнительно задуматься, по-другому взглянуть на привычные вещи и многократно ответить себе на простой вопрос – «Зачем?», в том числе – «Зачем так много производить и так много выбрасывать?»

Киотский протокол, а с декабря 2015 года и Парижское соглашение по защите окружающей среды, защиту природы переводят к квотированию выбросов и, в конечном счете, всё сводится к штрафам и торговле  квотами на выбросы парниковых газов, т. е. опять пресловутые рыночные отношения с возможностями манипулирования.

Настоящая монография является результатом многолетней практической работы автора в области биотехнологии и посвящена комплексному инжинирингу биосинтеза белковых продуктов на основе использования природного метана.

В книге описана узкая область прикладной биотехнологии – биосинтез на метане, начиная от изучения и подбора производственных штаммов – до выделения целевых продуктов на этапе постферментационной обработки культуральной жидкости. При этом приведено много материала, заимствованного у большого числа авторов на каждом этапе применения различных технологий, интегрированных в целостную систему комплексного инжиниринга производства биопротеина на метане. Особое внимание уделено ферментационному процессу и его современному инженерному оформлению.

Инструментами этой биотехнологии являются производственные штаммы метанокисляющих, термотолерантных, облигатных, аэробных бактерий - метанотрофов, полученных из природных источников различных экосистем.  

«Метанокисляющие /метанотрофные/ бактерии являются первичным звеном пищевой цепи в океане. Поэтому их биомасса, полученная благодаря биотехнологии, является безопасным и эффективным белковым ингредиентом комбикормов и кормовых добавок, необходимых для интенсивного животноводства, птицеводства и рыбоводства» (В.Ф.Гальченко, д.б.н., академик РАН).

Кроме того, при специальной обработке биомассы метанотрофных бактерий, получаемый белок может быть применён непосредственно в продуктах питания человека.

Таким образом – метанотрофные бактерии напрямую и опосредовано, через комбикорма, способствуют производству натуральных продуктов питания и могут создавать основу продовольственной независимости стран. 

В книге рассматриваются не только вопросы производства белка из метана природного газа. Особое внимание уделено производству белка на метане попутного нефтяного газа, часто сжигаемого в факелах нефтяных месторождений, НПЗ и морских нефтедобывающих платформ, а также производству белка на метане угольных пластов и шахт и производству белка на метане биогаза, получаемого при переработке отходов.

Биотехнология производства белка на метане – наглядный и яркий пример природоподобной технологии.

Комплексный инжиниринг данной технологии имеет два направления реализации, учитывающих особенности работы в стационарных и мобильных условиях. Основная технология производства – биоферментация, решается в объемном варианте - для стационарных производств и в струйном варианте - для мобильных комплексов.

Большое внимание уделено оптимальным параметрам технологического процесса и среде культивирования. Наряду с искусственными средами в работе рассматриваются среды на основе натуральной шахтной, морской и океанской воды.

Много внимания уделено вопросам безотходного производства, так, в частности, предлагается биотехнология утилизации ферментационного углекислого газа и технология попутной биологической деминерализации /опреснения/ морской и шахтной воды, а также максимально возможное использование в процессах оборотной технологической воды.

Масштабное внедрение данной природоподобной технологии, кроме получения крайне востребованных в мире белковых продуктов и продуктов тонкого органического синтеза на биомассе, направлено и на устранение техногенных источников загрязнения окружающей среды углекислым газом и метаном и на предотвращение загрязнения природы продуктами сжигания нефтяных и шахтных газов в факелах.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в написании данной монографии, консультационное содействие, обучение и практические работы, за содействие в исследованиях, испытаниях, технологическом и конструкционном моделировании процессов, за использование опубликованных материалов: Ванагса Ю.Я., д.т.н.; Ведерникова Н.А., д.х.н., академика АН Латвии; Виестура У.Э., д.т.н., академика АН Латвии; Воробьеву Г.И., д.б.н. профессора; Гальченко В.Ф., д.б.н., академика РАН; Горскую Л.А., к.б.н.; Дебабова В.Г., д.б.н., профессора, академика РАН; Калвиньша И.Я., д.х.н., профессора; Лалова В.В., д.т.н.; Матвеева В.Е., д.б.н., академика; Максимову Г.Н., д.б.н.;  Муйжниекса И.О., д.б.н., профессора; Римареву Л.В., д.т.н., профессора; Руклеш М.П., д.б.н.; Троценко Ю.А., д.б.н.

Спонсоры издания:

Оглавление:                                                                                                    Введение.

Часть 1. Комплексный инжиниринг.

Глава 1.1. Определения, история, цели и предметная область.

Глава 1.2. Инжиниринг в биотехнологии.

Глава 1.3. Инжиниринг расширения масштаба производства в биотехнологии. 

Глава 1.4. Комплексный инжиниринг проектов биосинтеза на метане.

Часть 2. Метанотрофные микроорганизмы в качестве инструмента биотехнологии белка.

Глава 2.1. История открытия и изучения метанотрофных микроорганизмов.

Глава 2.2. Роль метанотрофных бактерий в глобальном цикле метана.

Глава 2.3. Питательные среды для культивирования метанотрофных бактерий.

Глава 2.4. Чистые культуры метанотрофных бактерий.

Глава 2.5. Влияние окружающей среды на рост бактерий.

Глава 2.6. Производственные штаммы.

Глава 2.7. Повышение скорости роста.

2.7.1. Метод выделения наиболее активной фракции.

2.7.2. Интенсификация роста биомассы путем корректировки среды.

2.7.3. Метод КБС-технологии.

Часть 3. Метан.

Глава 3.1. Общие сведения о метане.

Глава 3.2. Источники метана для производства белка:

3.2.1. Товарный природный газ.

3.2.2. Метан угольных пластов и шахт.

3.2.3. Попутный нефтяной газ.

3.2.4. Биогаз от переработки отходов.

Часть 4. Белок метанотрофных бактерий.

Глава 4.1. Характеристика биопротеина метаприн.

Глава 4.2. Эффективность и безопасность комбикормов на биопротеине из метана.

Глава 4.3. Наставление по применению.

Глава 4.4. Технические условия.

Часть 5. Предферментационная подготовка производства.

Глава 5.1. Очистка и концентрация метана.

Глава 5.2. Асептика производства биопротеина на метане.

Глава 5.3. Получение растворов питательной среды.

5.3.1. Применение законов аэро и гидродинамики при смешивании жидкостей и газов.

5.3.2. Условия перехода струи жидкости из ламинарного в турбулентное состояние.

Глава 5.4. Предварительное растворение кислорода и метана в стерильной питательной среде.

Глава 5.5. Создание минимально насыщенных сред с целью повышения рентабельности производства белка на метане.

Глава 5.6. Питательные среды на основе морской и шахтной воды.

Глава 5.7. Особенности подготовки и подачи питательной среды в условиях мобильного технологического комплекса переработки попутного нефтяного газа и шахтного метана.

Глава 5.8. Использование особенностей СВЧ - технологии на предферментационной и других стадиях биосинтеза на метане.

Глава 5.9. Кавитационные технологии при подготовке питательной среды и других технологиях биосинтеза на метане.

Часть 6. Чистая засевная культура.

Глав 6.1.  Условия хранения производственного штамма-продуцента.

Глава 6.2. Масштабирование засевного материала.

Часть 7. Ферментация белка на метане.

Глава 7.1.  Классическая схема процесса, периодический и непрерывный процессы  биосинтеза на метане.    

Глава 7.2.  Примеры процессов и технологических установок ферментации белка на метане.

7.2.1. Способ культивирования микроорганизмов и установка для его осуществления авторского коллектива в составе: Лосев Г.Е., Лалов В.В., Осокина Н.В., Коломина Н.К., Корниевский Л.Г., Кузнецов Л.Л., Сторожук И.П.

7.2.2. Способ культивирования микроорганизмов и установка для его осуществления, автор: Зимин Б.А.

7.2.3. Способ культивирования микроорганизмов и установка для его осуществления авторского коллектива, в составе:  Лалов В.В., Назаров А.В., Осокина Н.В.

7.2.4.  Способ культивирования микроорганизмов и установка для его осуществления авторского коллектива, в составе: Лалов В.В., Лалова М.В., Потапов С.С., Петров В., Кочетков В., Кустов А.

7.2.5.   Другие патенты по биосинтезу.

Глава 7.3. Газогидродинамический ферментер, математическая модель и условия полного смешивания.

Глава 7.4. Принципы построения гидроструйного ферментера непрерывного действия для использования в мобильных технологических комплексах.

Глава 7.5. Выделение углекислоты из ферментационного газа.

Глава 7.6.  Контроль и автоматизация технологических процессов ферментации на метане.

Часть 8. Финишные технологии обработки культуральной жидкости и биомассы метанотрофных бактерий.

Глава 8.1. Разделение фракций культуральной жидкости.

Глава 8.2. Технологии инактивации биомассы.   

Глава 8.3.  Цель и методы разрушения клеточных оболочек – гомогенизация биомассы.

Глава 8.4. Цели и методы денуклеинизации биомассы.

Глава 8.5. Гранулирование, сушка и фасовка целевых белковых продуктов.

Глава 8.6. Оборотное водоснабжение, особенности при работе с шахтной и морской водой.

Часть 9. Биологическая утилизация углекислого газа от процесса ферментации белка.

Глава 9.1. Описание свойств и характеристик фотосинтезирующих  цианобактерий и микроводорослей.

Глава 9.2. Технология фотосинтеза и оборудование культивирования микроводорослей, утилизирующих углекислоту.

Глава 9.3. Товарные формы и применение целевого продукта.

Часть 10. Органический синтез продуктов на основе биомассы метанотрофных бактерий.

Часть 11. Строительный инжиниринг проектов создания производств и мобильных комплексов биосинтеза на метане.

Часть 12. Эксплуатационный инжиниринг производств биосинтеза на метане.

Глоссарий.

Библиографический список.