Бактерии, способные использовать метан в качестве источника энергии, были впервые обнаружены в почве в 1905 году. Они проживают в подледных озерах Антарктиды, в осадочных отложениях морей, озер, прудов, в «грязевых вулканах», в тектонически активных зонах Байкала, «питаются» метаном. В биомассе из метанотрофных бактерий содержится порядка 70–75% белка; по составу аминокислот (содержит лизин, метионин, цистин, триптофан, аргинин, тиамин, рибофлавин) он близок к молочному и легко усваивается.
Российский научно-производственный коллектив, в составе которого сотрудники УрФУ, возродил технологию выращивания метанотрофных бактерий, которую развивали в Советском Союзе. По этой технологии из бактерий получают высококонцентрированные белковые корма (биопротеин) для сельскохозяйственных животных и рыб.
— Первые проекты по производству биопротеина запускали еще в 1970-80-е годы в СССР, Европе, США. На Западе разработки продолжили, а в России в 1994 году исследования и производство прекратились. Сейчас технологию возрождают, — рассказывает директор по науке консорциума „Биопротеин“, научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Ирина Низовцева.
Математики УрФУ проводили расчеты для биореактора эжекторного типа. С помощью математических моделей и суперкомпьютеров они спрогнозировали поведение среды в реакторе.
Суть технологии в том, что бактерии питаются растворенными в воде метаном, кислородом, солями, размножаются, формируется биомасса. Затем биомассу сушат и добавляют в корма в виде гранул. Одна из главных проблем — перевести метан из газового в жидкое состояние и дать бактериям его съесть. Метан — гидрофобный газ, и растворить его в воде непросто. Нужны специальные реакторы.
— Сложность выращивания бактерий в том, что надо одновременно растворять для питания бактерий метан и кислород, а выводить — углекислый газ. Так как бактерии живые, важно поддерживать одинаковый температурный режим — примерно 42 градуса — во всем реакторе. И все это нельзя просто взять и масштабировать. В промышленных крупнотоннажных установках процесс происходит иначе, чем в лабораторных. Множество факторов необходимо просчитывать и измерять не в реальных условиях — это дорого, долго и опасно, а с помощью моделирования. Этим мы и занимаемся, — поясняет младший научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Илья Стародумов.
Кроме того, ученые ведут работы по настройке управления биореактором при помощи нейросетей. Обученные алгоритмы должны непрерывно рассчитывать и прогнозировать гидродинамику процесса, вычислять параметры безопасности (микробиологические и физические). Это позволяет минимизировать человеческий фактор, обеспечить взрыво- и пожаробезопасность, снизить энергозатраты на растворение кислорода и метана. Над улучшением технологии работают не только математики УрФУ, но и генетики, микробиологи, физики, технологи других научно-исследовательских центров.
В будущем метанотрофные бактерии могут стать качественной протеиновой добавкой к еде не только для сельскохозяйственных животных и рыб, но и для людей. Сегодня в корм для животных и рыбы добавляют преимущественно белок из сои и рыбной муки.
На фото: на доске нарисована схема реактора для бактерий