Здесь представлена подробная презентация по проекту
Микроскопия штамма Methylococcus capsulatus
Технология производства высокобелковой кормовой добавки (гаприна) из метана природного газа
Гаприн — высокобелковая кормовая добавка, получаемая из биомассы метанотрофных бактериальных ассоциаций, выращенных на основном компоненте природного газа – метане. Технология производства гаприна основана на не стерильном открытом процессе культивирования в проточных биореакторах, обеспечивающем высокую конверсию метана в биомассу (0,8 г гаприна/г метана) и быстрое удвоение биомассы (около 3-4 ч). Гаприн содержит до 75% легкоусвояемого белка с полноценным аминокислотным составом, соответствующим потребностям рыб и креветок, что делает его конкурентоспособной альтернативой традиционным источникам кормового белка (рыбной муке, соевому шроту, и тд). Производство гаприна имеет конкурентные преимущества в сравнении с соевым шротом вследствие отсутствия потребности в значительной территории, пахотной земли, удобрений и пресной воды, и меньшего углеродного следа, и в сравнении с рыболовством вследствие отсутствия сезонности и зависимости от состояния запасов гидробионтов и квот вылова. Мировой и внутренний рынок кормовых белковых добавок имеет сильный дефицит. Производство гаприна в России обладает стратегическим потенциалом благодаря обширным запасам природного газа, холодному климату и накопленному научному опыту. Крупнотоннажное производство, ориентированное на экспорт в страны Восточной и Юго-Восточной Азии, может обеспечить высокую инвестиционную привлекательность за счет эффекта масштаба и интеграции с газоперерабатывающей отраслью. ФИЦ Биотехнологии РАН проводит фундаментальные исследования в области микробиологии, метаболического инжиниринга и оптимизации процессов культивирования метанотрофов, создавая научную базу для масштабирования технологии. Разработка ГОСТ Р 71301-2024 формирует нормативную основу для возрождения отрасли производства микробного белка в России, способствуя достижению целей биоэкономики и технологического лидерства.
Гаприн — это сухая биомасса метанотрофной бактериальной ассоциации, выращенной на природном газе. Основной компонент этой ассоциации – облигатные аэробные метанотрофные бактерии, использующие метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Стехиометрия роста метанотрофной бактериальной ассоциации описывается уравнением:
CH4 + 1.454 O2 + 0.105 NH3 à 0.520 biomass + 0.480 CO2 + 1.690 H2O + 50 [кДж/г_гаприна]
Также в процессе роста потребляются минеральные соли и производятся некоторые конечные органические метаболиты, в основном карбоновые кислоты. Культивирование метанотрофной бактериальной ассоциации на метане является асептическим открытым процессом, что значимо удешевляет производство. В оптимальных условиях, созданных в проточном биореакторе (температура, pH, давление, скорости: массообмена, теплообмена, перемешивания, стационарные концентрации субстратов и конечных метаболитов), метанотрофные бактериальные ассоциации быстро растут – время удвоения биомассы около 3-4 часов, в чём они существенно опережают традиционные источники кормового белка. При этом бактерии показывают очень высокую конверсию субстрата в биомассу – 0.8 [г_гаприна/г_метана]. То есть стехиометрическое потребление метана примерно 1.85 [н.м3/кг_гаприна].
Источником метана для производства гаприна могут являться – природный газ, биогаз, метан из состава попутного нефтяного газа, и тд. Использование метана в качестве субстрата даёт финансовые и технологические преимущества: низкая стоимость метана как биосубстрата, метан хорошо транспортируется (сжиженный, трубопроводный) на большие расстояния, не требуется очистка готового продукта от остатков субстрата, и тд. Данные обстоятельства открывают возможность для газодобывающих и газоперерабатывающих компаний создать крупнотоннажные производства высокодоходного экспортного продукта из метана.
Гаприн — высокобелковая кормовая добавка, получаемая из биомассы метанотрофных бактериальных ассоциаций, выращенных на основном компоненте природного газа – метане. Технология производства гаприна основана на не стерильном открытом процессе культивирования в проточных биореакторах, обеспечивающем высокую конверсию метана в биомассу (0,8 г гаприна/г метана) и быстрое удвоение биомассы (около 3-4 ч). Гаприн содержит до 75% легкоусвояемого белка с полноценным аминокислотным составом, соответствующим потребностям рыб и креветок, что делает его конкурентоспособной альтернативой традиционным источникам кормового белка (рыбной муке, соевому шроту, и тд). Производство гаприна имеет конкурентные преимущества в сравнении с соевым шротом вследствие отсутствия потребности в значительной территории, пахотной земли, удобрений и пресной воды, и меньшего углеродного следа, и в сравнении с рыболовством вследствие отсутствия сезонности и зависимости от состояния запасов гидробионтов и квот вылова. Мировой и внутренний рынок кормовых белковых добавок имеет сильный дефицит. Производство гаприна в России обладает стратегическим потенциалом благодаря обширным запасам природного газа, холодному климату и накопленному научному опыту. Крупнотоннажное производство, ориентированное на экспорт в страны Восточной и Юго-Восточной Азии, может обеспечить высокую инвестиционную привлекательность за счет эффекта масштаба и интеграции с газоперерабатывающей отраслью. ФИЦ Биотехнологии РАН проводит фундаментальные исследования в области микробиологии, метаболического инжиниринга и оптимизации процессов культивирования метанотрофов, создавая научную базу для масштабирования технологии. Разработка ГОСТ Р 71301-2024 формирует нормативную основу для возрождения отрасли производства микробного белка в России, способствуя достижению целей биоэкономики и технологического лидерства.
Гаприн — это сухая биомасса метанотрофной бактериальной ассоциации, выращенной на природном газе. Основной компонент этой ассоциации – облигатные аэробные метанотрофные бактерии, использующие метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Стехиометрия роста метанотрофной бактериальной ассоциации описывается уравнением:
CH4 + 1.454 O2 + 0.105 NH3 à 0.520 biomass + 0.480 CO2 + 1.690 H2O + 50 [кДж/г_гаприна]
Также в процессе роста потребляются минеральные соли и производятся некоторые конечные органические метаболиты, в основном карбоновые кислоты. Культивирование метанотрофной бактериальной ассоциации на метане является асептическим открытым процессом, что значимо удешевляет производство. В оптимальных условиях, созданных в проточном биореакторе (температура, pH, давление, скорости: массообмена, теплообмена, перемешивания, стационарные концентрации субстратов и конечных метаболитов), метанотрофные бактериальные ассоциации быстро растут – время удвоения биомассы около 3-4 часов, в чём они существенно опережают традиционные источники кормового белка. При этом бактерии показывают очень высокую конверсию субстрата в биомассу – 0.8 [г_гаприна/г_метана]. То есть стехиометрическое потребление метана примерно 1.85 [н.м3/кг_гаприна].
Источником метана для производства гаприна могут являться – природный газ, биогаз, метан из состава попутного нефтяного газа, и тд. Использование метана в качестве субстрата даёт финансовые и технологические преимущества: низкая стоимость метана как биосубстрата, метан хорошо транспортируется (сжиженный, трубопроводный) на большие расстояния, не требуется очистка готового продукта от остатков субстрата, и тд. Данные обстоятельства открывают возможность для газодобывающих и газоперерабатывающих компаний создать крупнотоннажные производства высокодоходного экспортного продукта из метана.
Гаприн производится в технологической цепочке, состоящей из следующих основных шагов/элементов:
Аппараты культивирования метанотрофов представляют собой сложные инженерные конструкции, что создаёт высокий наукоёмкий барьер входа в данную отрасль. Разработка технологии производства гаприна требует:
• Проведения фундаментальных научных исследований – микробиология, биохимия, биоинформатика, метаболический инжиниринг, системная биология, аналитическая химия, физика, математика, математическое моделирование;
• Создания передовых инженерных решений с поддержкой автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), специализированного приборостроения и информационных технологий (IT);
• Применения передовых практик из области газоподготовки, биореакторостроения, теплообменных аппаратов, downstream технологий;
• Разработка экономической модели производства гаприна с оптимизацией параметров производства для минимизации себестоимости в режиме реального времени;
Технологии производства кормового белка на основе использования метанотрофных бактерий начали развиваться в 60-х годах прошлого столетия. В середине 80-х в СССР было создано промышленное производство гаприна, наша страна обладала значительными технологическими преимуществами в этом производстве, гаприн пользовался хорошим спросом, значительная его экспортировалась. Однако, после распада СССР все заводы в РФ были остановлены, разорены, кадры и документация утеряны, научные подразделения расформированы. Тем не менее, учитывая рост численности населения и увеличение потребности в продуктах питания в мире, развитие этой технологии в мире продолжилось, и на данный момент существует ряд зарубежных компаний по производству гаприна. В РФ интерес к этой технологии начал снова возрождаться лишь в начале 2010-х годов, и на данный момент функционирует несколько опытно-промышленных установок по производству гаприна.
• Проведения фундаментальных научных исследований – микробиология, биохимия, биоинформатика, метаболический инжиниринг, системная биология, аналитическая химия, физика, математика, математическое моделирование;
• Создания передовых инженерных решений с поддержкой автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), специализированного приборостроения и информационных технологий (IT);
• Применения передовых практик из области газоподготовки, биореакторостроения, теплообменных аппаратов, downstream технологий;
• Разработка экономической модели производства гаприна с оптимизацией параметров производства для минимизации себестоимости в режиме реального времени;
Технологии производства кормового белка на основе использования метанотрофных бактерий начали развиваться в 60-х годах прошлого столетия. В середине 80-х в СССР было создано промышленное производство гаприна, наша страна обладала значительными технологическими преимуществами в этом производстве, гаприн пользовался хорошим спросом, значительная его экспортировалась. Однако, после распада СССР все заводы в РФ были остановлены, разорены, кадры и документация утеряны, научные подразделения расформированы. Тем не менее, учитывая рост численности населения и увеличение потребности в продуктах питания в мире, развитие этой технологии в мире продолжилось, и на данный момент существует ряд зарубежных компаний по производству гаприна. В РФ интерес к этой технологии начал снова возрождаться лишь в начале 2010-х годов, и на данный момент функционирует несколько опытно-промышленных установок по производству гаприна.
По доступным производственным регламентам, и стоимости расходных материалов за 2024 год себестоимость производства гаприна составила примерно 70 [тыс.₽/тонну].
Таким образом снижение себестоимости возможно за счёт:
· Оптимизация расхода и стоимости природного газа – минимизация потерь метана в процессе, расположение производства в регионах с низкой стоимостью ПГ;
· Поиск замены ортофосфорной кислоты на более дешёвые источники фосфатов;
· Оптимизация расхода и стоимости э/э – разработка более энергоэффективного биореактора, процесса сушки гаприна и расположение производства в регионах с низкой стоимостью э/э;
· Рекуперация тепла от биореактора с целью снижения энергозатрат на генерацию пара;
Гаприн относится к микробиологическим кормовым белкам, применяемым в животноводстве и аквакультуре. Гаприн используется в качестве концентрированной высокобелковой кормовой добавки, потому что содержит до 75% легкоусвояемого (с высокой долей короткоцепочечных водорастворимых белков) сырого белка в составе своей биомассы. По этому параметру гаприн имеет преимущества по сравнению с традиционными источниками кормового белка, такими как: рыбная мука (до 65% белка), соевый шрот (до 45% белка), кормовые дрожжи (до 40% белка). По аминокислотному составу гаприн практически полностью совпадает с животными белками и имеет высокую биодоступность. Таким образом, по ряду ключевых параметров, определяющих питательную ценность и эффективность использования в рационах сельскохозяйственных животных и объектов аквакультуры на разных стадиях вскармливания, гаприн схож с высококачественной рыбной мукой: (i) граммы (г) – содержание сырого или перевариваемого белка на 100 г или 1 кг корма; (ii) перевариваемый протеин (г/кг или %) – количество белка, которое животное может усвоить из корма; (iii) энергетическая ценность (МДж/кг) – количество метаболизируемой энергии, связанной с белковыми компонентами корма; (iv) аминокислотный состав (г/100 г белка) – содержание незаменимых аминокислот, таких как лизин, метионин, триптофан и др.; (v) биологическая ценность (в процентах, %) – показатель, отражающий, какая доля потреблённого белка используется организмом для синтеза собственных белков; (vi) коэффициент усвояемости (%) – доля белка, которая всасывается в кишечнике животного и используется организмом; (vii) чистая энергетическая ценность (NE, МДж/кг) – учитывает количество энергии, которая может быть использована животным для продуктивных целей (рост, лактация и тд). Гаприн, будучи бактериальной биомассой, имеет довольно высокое содержание полинуклеотидов (РНК/ДНК), что ограничивает его применение в большой дозировке в составе комбикормов для с/х животных, тогда как для объектов аквакультуры этот обстоятельство не имеет значимого эффекта. Лучший практический результат был показан при совместном использовании гаприна с рыбной мукой в составе комбикормов что позволяет повысить питательную ценность кормов, улучшить конверсию, снизить зависимость от импортных источников белка и аминокислот, а также поддержать устойчивое развитие аквакультуры и животноводства.
На текущий момент в РФ активно ведутся работы по развитию технологии крупнотоннажного производства, разрабатываются отраслевые стандарты. Так, 1 апреля 2024 года был принят ГОСТ Р 71301-2024 «Биотехнология. Добавка белковая кормовая на основе метанокисляющих бактерий (гаприн)» регламентирующий требования к гаприну, который был разработан при участии Ассоциации ТП Биотех 2030, ООО «Гипробиосинтез» и ФИЦ Биотехнологии РАН в рамках работы по стандартизации Центра компетенций НТИ «Молекулярная инженерия в науках о жизни», при поддержке технического комитета по стандартизации ТК 326 «Биотехнологии» с привлечением экспертов отрасли – ООО «Биопрактика», ООО «Биофорте-Лаб», ООО «НПО Биосинтез», Союз производителей пищевых ингредиентов, АО «ИмпактБио», ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста и др. ». Введение стандарта формирует нормативную основу для развития новой (или воссоздания прежней) отрасли производства микробного белка в России.
Производство гаприна в РФ имеет стратегический характер, основанный на преимуществах нашей страны, отсутствующих у наших конкурентов. С точки зрения эффективной стратегии производства, для оптимального решения всех существующих задач и преодоления ограничений, производство гаприна должно быть крупнотоннажным (например >100 тыс.т/г), расположенным в местах крупных месторождений газа в холодной зоне РФ и экспортно-ориентированным на азиатский рынок.
С точки зрения инвестиционной привлекательности биотехнологических проектов наиболее экономически целесообразными являются крупнотоннажные производства, поскольку удельные капитальные затраты на единицу выпускаемой продукции снижаются за счёт эффекта масштаба. Однако такие проекты требуют наличия значительного потребительского рынка. Внутренний рынок Российской Федерации не обладает достаточной ёмкостью для стимулирования крупнотоннажного промышленного производства в данной сфере, что делает экспортно-ориентированную модель наиболее перспективной.
При этом конкуренция на глобальном рынке биотехнологий, основанных на переработке сахаросодержащего сырья (пшеницы, картофеля, сахарной свёклы и др.), крайне высока. В частности, Китай обладает значительными структурными преимуществами, включая развитые и избыточные производственные мощности, эффективные экспортные механизмы и государственную поддержку сектора. Дополнительным фактором конкурентоспособности китайских предприятий является благоприятный климат, снижающий энергозатраты и, соответственно, удельные капитальные вложения на единицу продукции.
При этом, в странах Восточной и Юго-Восточной Азии (Китай, Южная Корея, Вьетнам, Таиланд, Индонезия, Малайзия) наблюдается устойчивый рост спроса на кормовые белки (рыбную муку, белковые продукты микробиологического синтеза и др.), обусловленный ростом численности населения и стремительным развитием сектора высокоинтенсивной аквакультуры при ограниченности природных ресурсов и существующих экологических проблем в регионе. Региональные производственные мощности не позволяют удовлетворить данный спрос, что открывает возможности для поставщиков из других стран.
В данном контексте Российская Федерация обладает ключевыми конкурентными преимуществами, которые отсутствуют у Китая и других стран Азии и Ближнего Востока:
1. Значительные запасы природного газа – метан, содержащийся в природном газе, может быть использован в качестве субстрата для биотехнологического производства микробного белка. В текущей геополитической обстановке избыток газа необходимо перерабатывать внутри страны.
2. Холодный климат – низкие температуры способствуют снижению энергетических затрат на охлаждение биореакторов.
3. Хорошо развитые логистические пути от мест производства к основным рынкам – ж/д, СМП.
4. Прежний опыт, научные школы, существующий научный задел – гарантируют преодоление наукоёмкого барьера при собственной разработке технологии в сжатые сроки.
Эти факторы создают предпосылки для масштабного промышленного производства гаприна ориентированного на экспорт. Для снятия риска масштабирования крупнотоннажного производства необходимо развивать фундаментальные научные компетенции, диверсифицировать технологические решения создаваемые start-up компаниями и укрепить их дополнительными научными и инженерными решениями.
Для реализации крупнотоннажного производства гаприна необходимо привлечение крупных компаний, работающих в сфере добычи и переработки природного газа. Их участие обеспечит:
• Финансирование технологического масштабирования;
• Инжиниринг и экспертизу в области проектирования и эксплуатации промышленных установок;
• Естественную синергию с существующими производствами по газопереработке;
• Минимизацию технологических и инвестиционных рисков.
Таким образом, интеграция газодобывающих и газоперерабатывающих компаний в сектор промышленной биотехнологии может способствовать развитию конкурентоспособного производства белка микробиологического происхождения, ориентированного на удовлетворение глобального спроса, достижению национальных целей в области технологического лидерства и независимости по средством национального проекта «биоэкономика». В этом смысле, такие компании могут активно участвовать в создании «биотехнологии, которая является основой биоэкономики и формирует ядро нового технологического уклада» – промышленной С1-биотехнологии!
Таким образом, проект по производству гаприна в России может быть успешным, если он будет ориентирован на экспорт содействуя при этом импортозамещению качественных кормовых ингредиентов и поддержан крупными компаниями из газовой отрасли.
· Оптимизация расхода и стоимости природного газа – минимизация потерь метана в процессе, расположение производства в регионах с низкой стоимостью ПГ;
· Поиск замены ортофосфорной кислоты на более дешёвые источники фосфатов;
· Оптимизация расхода и стоимости э/э – разработка более энергоэффективного биореактора, процесса сушки гаприна и расположение производства в регионах с низкой стоимостью э/э;
· Рекуперация тепла от биореактора с целью снижения энергозатрат на генерацию пара;
Гаприн относится к микробиологическим кормовым белкам, применяемым в животноводстве и аквакультуре. Гаприн используется в качестве концентрированной высокобелковой кормовой добавки, потому что содержит до 75% легкоусвояемого (с высокой долей короткоцепочечных водорастворимых белков) сырого белка в составе своей биомассы. По этому параметру гаприн имеет преимущества по сравнению с традиционными источниками кормового белка, такими как: рыбная мука (до 65% белка), соевый шрот (до 45% белка), кормовые дрожжи (до 40% белка). По аминокислотному составу гаприн практически полностью совпадает с животными белками и имеет высокую биодоступность. Таким образом, по ряду ключевых параметров, определяющих питательную ценность и эффективность использования в рационах сельскохозяйственных животных и объектов аквакультуры на разных стадиях вскармливания, гаприн схож с высококачественной рыбной мукой: (i) граммы (г) – содержание сырого или перевариваемого белка на 100 г или 1 кг корма; (ii) перевариваемый протеин (г/кг или %) – количество белка, которое животное может усвоить из корма; (iii) энергетическая ценность (МДж/кг) – количество метаболизируемой энергии, связанной с белковыми компонентами корма; (iv) аминокислотный состав (г/100 г белка) – содержание незаменимых аминокислот, таких как лизин, метионин, триптофан и др.; (v) биологическая ценность (в процентах, %) – показатель, отражающий, какая доля потреблённого белка используется организмом для синтеза собственных белков; (vi) коэффициент усвояемости (%) – доля белка, которая всасывается в кишечнике животного и используется организмом; (vii) чистая энергетическая ценность (NE, МДж/кг) – учитывает количество энергии, которая может быть использована животным для продуктивных целей (рост, лактация и тд). Гаприн, будучи бактериальной биомассой, имеет довольно высокое содержание полинуклеотидов (РНК/ДНК), что ограничивает его применение в большой дозировке в составе комбикормов для с/х животных, тогда как для объектов аквакультуры этот обстоятельство не имеет значимого эффекта. Лучший практический результат был показан при совместном использовании гаприна с рыбной мукой в составе комбикормов что позволяет повысить питательную ценность кормов, улучшить конверсию, снизить зависимость от импортных источников белка и аминокислот, а также поддержать устойчивое развитие аквакультуры и животноводства.
На текущий момент в РФ активно ведутся работы по развитию технологии крупнотоннажного производства, разрабатываются отраслевые стандарты. Так, 1 апреля 2024 года был принят ГОСТ Р 71301-2024 «Биотехнология. Добавка белковая кормовая на основе метанокисляющих бактерий (гаприн)» регламентирующий требования к гаприну, который был разработан при участии Ассоциации ТП Биотех 2030, ООО «Гипробиосинтез» и ФИЦ Биотехнологии РАН в рамках работы по стандартизации Центра компетенций НТИ «Молекулярная инженерия в науках о жизни», при поддержке технического комитета по стандартизации ТК 326 «Биотехнологии» с привлечением экспертов отрасли – ООО «Биопрактика», ООО «Биофорте-Лаб», ООО «НПО Биосинтез», Союз производителей пищевых ингредиентов, АО «ИмпактБио», ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста и др. ». Введение стандарта формирует нормативную основу для развития новой (или воссоздания прежней) отрасли производства микробного белка в России.
Производство гаприна в РФ имеет стратегический характер, основанный на преимуществах нашей страны, отсутствующих у наших конкурентов. С точки зрения эффективной стратегии производства, для оптимального решения всех существующих задач и преодоления ограничений, производство гаприна должно быть крупнотоннажным (например >100 тыс.т/г), расположенным в местах крупных месторождений газа в холодной зоне РФ и экспортно-ориентированным на азиатский рынок.
С точки зрения инвестиционной привлекательности биотехнологических проектов наиболее экономически целесообразными являются крупнотоннажные производства, поскольку удельные капитальные затраты на единицу выпускаемой продукции снижаются за счёт эффекта масштаба. Однако такие проекты требуют наличия значительного потребительского рынка. Внутренний рынок Российской Федерации не обладает достаточной ёмкостью для стимулирования крупнотоннажного промышленного производства в данной сфере, что делает экспортно-ориентированную модель наиболее перспективной.
При этом конкуренция на глобальном рынке биотехнологий, основанных на переработке сахаросодержащего сырья (пшеницы, картофеля, сахарной свёклы и др.), крайне высока. В частности, Китай обладает значительными структурными преимуществами, включая развитые и избыточные производственные мощности, эффективные экспортные механизмы и государственную поддержку сектора. Дополнительным фактором конкурентоспособности китайских предприятий является благоприятный климат, снижающий энергозатраты и, соответственно, удельные капитальные вложения на единицу продукции.
При этом, в странах Восточной и Юго-Восточной Азии (Китай, Южная Корея, Вьетнам, Таиланд, Индонезия, Малайзия) наблюдается устойчивый рост спроса на кормовые белки (рыбную муку, белковые продукты микробиологического синтеза и др.), обусловленный ростом численности населения и стремительным развитием сектора высокоинтенсивной аквакультуры при ограниченности природных ресурсов и существующих экологических проблем в регионе. Региональные производственные мощности не позволяют удовлетворить данный спрос, что открывает возможности для поставщиков из других стран.
В данном контексте Российская Федерация обладает ключевыми конкурентными преимуществами, которые отсутствуют у Китая и других стран Азии и Ближнего Востока:
1. Значительные запасы природного газа – метан, содержащийся в природном газе, может быть использован в качестве субстрата для биотехнологического производства микробного белка. В текущей геополитической обстановке избыток газа необходимо перерабатывать внутри страны.
2. Холодный климат – низкие температуры способствуют снижению энергетических затрат на охлаждение биореакторов.
3. Хорошо развитые логистические пути от мест производства к основным рынкам – ж/д, СМП.
4. Прежний опыт, научные школы, существующий научный задел – гарантируют преодоление наукоёмкого барьера при собственной разработке технологии в сжатые сроки.
Эти факторы создают предпосылки для масштабного промышленного производства гаприна ориентированного на экспорт. Для снятия риска масштабирования крупнотоннажного производства необходимо развивать фундаментальные научные компетенции, диверсифицировать технологические решения создаваемые start-up компаниями и укрепить их дополнительными научными и инженерными решениями.
Для реализации крупнотоннажного производства гаприна необходимо привлечение крупных компаний, работающих в сфере добычи и переработки природного газа. Их участие обеспечит:
• Финансирование технологического масштабирования;
• Инжиниринг и экспертизу в области проектирования и эксплуатации промышленных установок;
• Естественную синергию с существующими производствами по газопереработке;
• Минимизацию технологических и инвестиционных рисков.
Таким образом, интеграция газодобывающих и газоперерабатывающих компаний в сектор промышленной биотехнологии может способствовать развитию конкурентоспособного производства белка микробиологического происхождения, ориентированного на удовлетворение глобального спроса, достижению национальных целей в области технологического лидерства и независимости по средством национального проекта «биоэкономика». В этом смысле, такие компании могут активно участвовать в создании «биотехнологии, которая является основой биоэкономики и формирует ядро нового технологического уклада» – промышленной С1-биотехнологии!
Таким образом, проект по производству гаприна в России может быть успешным, если он будет ориентирован на экспорт содействуя при этом импортозамещению качественных кормовых ингредиентов и поддержан крупными компаниями из газовой отрасли.
Лабораторный реактор для производства гаприна
Фундаментальные исследования C1Bio совместно с ФИЦ Биотехнологии РАН в области технологии производства гаприна
Наиболее критичным для создания крупнотоннажного производства гаприна является шаг масштабирования процесса, поэтому технологические решения развиваемые и оптимизируемые в лабораториях и R&D компаниях должны опираться на базу фундаментальной науки, которая приводит к полному пониманию кинетики процесса и поэтому возможности им управлять. ФИЦ Биотехнологии РАН ведёт фундаментальные научные исследования под руководством акад. В.О. Попова в следующих направлениях:
· Микробиология метанотрофных бактерий (отв. д.б.н. С. Дедыш, к.б.н. И. Ошкин) – поиск новых быстрорастущих штаммов; создание коллекции метанотрофов с биотехнологически важными характеристиками; исследование физиологии и метаболизма метанотрофов; анализ геномного потенциала метанотрофов; методы редактирования геномов метанотрофов;
· Создание бактериальных ассоциаций на основе метанотрофов (отв. д.б.н. С.Н. Дедыш, м.н.с. В. Салтыкова, к.б.н. И. Ошкин) – получение активных промышленных ассоциаций; анализ состава ассоциации; методы контроля и управления составом ассоциации; ко-эволюция ассоциации;
· Метаболический инжиниринг метанотрофов (отв. М. Захарцев, Ph.D., к.б.н. И. Ошкин) – кинетический анализ (скорости, ингибирование, лимитирование, и тд) процессов роста биомассы; определение критических количественных параметров/коэффициентов/констант метаболизма метанотрофов; математическое моделирование (полногеномные стехиометрические модели) метаболизма метанотрофов и бактериальной ассоциации на их основе; математическое моделирование (ODE модели) биопроцесса в биореакторе; оптимизация состава сред; разработка хемометрической системы мониторинга состава и содержания метаболитов в процессе;
· Разработка пилотных стендов для оптимизации методов культивирования метанотрофных ассоциаций (отв. М. Захарцев, Ph.D., к.б.н. И. Ошкин, вед.конструктор Д. Мартынов) – разработка биореактора с масс-балансом в режиме реального времени; моделирование, симуляция и анализ газо-гидродинамической обстановки в биореакторе; расчет и проектирование биореакторов с использованием гидро-газодинамических расчетов (CFD); расчёты энергоэффективности биореактора и downstream; разработка АСУТП, основанной на динамической компенсации флуктуаций; разработка алгоритмов управления процессом культивирования; разработка аналитических методов мониторинга состава и массы бактериальной ассоциации (гидродинамический stop-flow метод, анализ состава ассоциации с применением нейросетей); разработка прототипов биореакторов для минимизации энергозатрат на растворение газов; разработка математической модели биопроцесса интегрированной с физико-химическими процессами в биореакторе для её использования в управлении стабильностью процесса;
· Оптимизация энергозатрат на downstream процесс (отв. М. Захарцев, Ph.D., вед.конструктор Д. Мартынов) – разработка лабораторных стендов по исследованию энергозатрат на сушку гаприна; разработка прототипов downstream аппаратов по сушке гаприна приводящих к снижению энергозатрат на сушку гаприна;
· Разработка online платформы по динамической оптимизации себестоимости производства гаприна на основе текущих параметров (отв. М. Захарцев, Ph.D., эксперт А. Агеев, вед.конструктор Д. Мартынов) – цены на расходники, параметры окружающей среды, текущая потребность в продукте, и тд;
· Маркетинговые исследования (отв. М. Захарцев, Ph.D., эксперт А. Агеев) – анализ внутреннего и внешнего рынков гаприна и прочих белковых кормовых добавок; тренды и драйверы на рынках;
Наиболее критичным для создания крупнотоннажного производства гаприна является шаг масштабирования процесса, поэтому технологические решения развиваемые и оптимизируемые в лабораториях и R&D компаниях должны опираться на базу фундаментальной науки, которая приводит к полному пониманию кинетики процесса и поэтому возможности им управлять. ФИЦ Биотехнологии РАН ведёт фундаментальные научные исследования под руководством акад. В.О. Попова в следующих направлениях:
· Микробиология метанотрофных бактерий (отв. д.б.н. С. Дедыш, к.б.н. И. Ошкин) – поиск новых быстрорастущих штаммов; создание коллекции метанотрофов с биотехнологически важными характеристиками; исследование физиологии и метаболизма метанотрофов; анализ геномного потенциала метанотрофов; методы редактирования геномов метанотрофов;
· Создание бактериальных ассоциаций на основе метанотрофов (отв. д.б.н. С.Н. Дедыш, м.н.с. В. Салтыкова, к.б.н. И. Ошкин) – получение активных промышленных ассоциаций; анализ состава ассоциации; методы контроля и управления составом ассоциации; ко-эволюция ассоциации;
· Метаболический инжиниринг метанотрофов (отв. М. Захарцев, Ph.D., к.б.н. И. Ошкин) – кинетический анализ (скорости, ингибирование, лимитирование, и тд) процессов роста биомассы; определение критических количественных параметров/коэффициентов/констант метаболизма метанотрофов; математическое моделирование (полногеномные стехиометрические модели) метаболизма метанотрофов и бактериальной ассоциации на их основе; математическое моделирование (ODE модели) биопроцесса в биореакторе; оптимизация состава сред; разработка хемометрической системы мониторинга состава и содержания метаболитов в процессе;
· Разработка пилотных стендов для оптимизации методов культивирования метанотрофных ассоциаций (отв. М. Захарцев, Ph.D., к.б.н. И. Ошкин, вед.конструктор Д. Мартынов) – разработка биореактора с масс-балансом в режиме реального времени; моделирование, симуляция и анализ газо-гидродинамической обстановки в биореакторе; расчет и проектирование биореакторов с использованием гидро-газодинамических расчетов (CFD); расчёты энергоэффективности биореактора и downstream; разработка АСУТП, основанной на динамической компенсации флуктуаций; разработка алгоритмов управления процессом культивирования; разработка аналитических методов мониторинга состава и массы бактериальной ассоциации (гидродинамический stop-flow метод, анализ состава ассоциации с применением нейросетей); разработка прототипов биореакторов для минимизации энергозатрат на растворение газов; разработка математической модели биопроцесса интегрированной с физико-химическими процессами в биореакторе для её использования в управлении стабильностью процесса;
· Оптимизация энергозатрат на downstream процесс (отв. М. Захарцев, Ph.D., вед.конструктор Д. Мартынов) – разработка лабораторных стендов по исследованию энергозатрат на сушку гаприна; разработка прототипов downstream аппаратов по сушке гаприна приводящих к снижению энергозатрат на сушку гаприна;
· Разработка online платформы по динамической оптимизации себестоимости производства гаприна на основе текущих параметров (отв. М. Захарцев, Ph.D., эксперт А. Агеев, вед.конструктор Д. Мартынов) – цены на расходники, параметры окружающей среды, текущая потребность в продукте, и тд;
· Маркетинговые исследования (отв. М. Захарцев, Ph.D., эксперт А. Агеев) – анализ внутреннего и внешнего рынков гаприна и прочих белковых кормовых добавок; тренды и драйверы на рынках;
Реактор с культивируемым штаммом
Данный спектр работ проводится в плотном сотрудничестве с ООО «c1bioengineering» (Москва), однако ФИЦ Биотехнологии РАН открыт для коммерческого взаимодействия в данных научных направлениях.
ФИЦ Биотехнологии РАН обладает уникальными ресурсами для выполнение данного спектра работ:
· Коллекция метанотрофов;
· Микробиологическая лаборатория;
· Биоинформатические ресурсы; сервисы по секвенированию;
· Аналитические лаборатории, ЦКП:
o ГЖХ, ВЭЖХ, ААС, масс-спектрометры, и тд
· Ферментационный зал:
4 × 1 [л] газовые биореакторы;
2 × 10 [л] газовые биореакторы;
· Станция водоподготовки;
· Downstream оборудование:
Центрифуга – проточная, 5 [л], 20 000 [g];
Лиофильная сушка;
· Специализированное оборудование:
Deep freezer;
Воздушные компрессоры;
Парогенератор;
ФИЦ Биотехнологии РАН обладает уникальными ресурсами для выполнение данного спектра работ:
· Коллекция метанотрофов;
· Микробиологическая лаборатория;
· Биоинформатические ресурсы; сервисы по секвенированию;
· Аналитические лаборатории, ЦКП:
o ГЖХ, ВЭЖХ, ААС, масс-спектрометры, и тд
· Ферментационный зал:
4 × 1 [л] газовые биореакторы;
2 × 10 [л] газовые биореакторы;
· Станция водоподготовки;
· Downstream оборудование:
Центрифуга – проточная, 5 [л], 20 000 [g];
Лиофильная сушка;
· Специализированное оборудование:
Deep freezer;
Воздушные компрессоры;
Парогенератор;
2D-симуляция CFD прототипа перспективного аппарата культивирования метанотрофной ассоциации
Автоматизированный количественный анализ состава морфотипов клеток в ассоциации с помощью нейросети
Screenshot интерфейса АСУТП
Разработка метода вычисления внутриклеточного объёма и площади поверхности клеток в составе ассоциации
Полногеномная стехиометрическая модель метаболизма Methylococcus capsulatus
ODE модель биопроцесса (MATLAB)
Двухканальная модификация монитора концентрации биомассы μCheck
Исследовательский биореактор 1 [л]
