Дебюты без последствий: биомасса из метана

После вопросов энергетической безопасности в повестку правительств многих стран вошла и безопасность продовольственная. В мире, где регулярно недоедают более 1 млрд человек, это не кажется странным. А вот то, что нефтегазовая отрасль может пересечься с сельским хозяйством, действительно на первый взгляд удивляет.

Технология выращивания бактерий на метане известна давно, в СССР ее апробировали на нескольких предприятиях и получили обнадеживающие результаты. Но ко времени, когда ее можно было внедрять, отечественное сельское хозяйство впало в кризис. Колхозы и совхозы исчезли, агропромышленные холдинги только зарождались, а у первых фермеров для новаций не было ни денег, ни знаний, ни желания – нужно было «снимать сливки» от производства того, что выгодно в моменте.

Птичку больше не жалко: как синтетическая еда изменит культуру питания и качество жизни

Итог исследований российских химиков и биологов – написание нескольких диссертаций, но в производство в промышленных масштабах «метановые корма» так и не пошли. Выпуском их занимаются единицы фирм, и не на промышленных, а на опытных установках. Например, «Биопрактика» в октябре 2020-го сообщала о выпуске в Москве газовых кормов для замены импортной сои. Сведений об объемах производства нет, а на сайте компании сейчас предлагаются только травяные чаи, о кормах ни слова.

Примеры союза газовиков, химиков и биотехнологов в мире единичны. Исследования вели еще в нулевых норвежская нефтегазовая компания Equinor (тогда Statoil) и американский химический гигант DuPont. Их совместное предприятие NorFerm «откармливало» бактерии метаном и поставляло полученный белок норвежским рыбным фермам и производителям кормов для животных. Мощность скромная, всего порядка 60–80 тыс. тонн в год. Сырье – вода, метан и ферменты. В 2006 году NorFerm не выдержало конкуренции и закрылось. Эстафету переняла норвежская Gas2Feed. Из одной тонны метана она производит 0,7 тонны биомассы кормов для рыб.

По данным обзора «Перспективы развития агропродовольственного сектора» (Alltech Agri-Food Outlook), 23 тыс. комбикормовых заводов мира произвели в 2023 году 1,266 млрд тонн кормов для животных, птиц и рыб. Из них для домашних питомцев – 35,3 млн тонн, остальное пошло на мясное и молочное животноводство, производство птицы и яиц, а также на аквакультуры. В этом объеме доля газовых кормов мизерная – десятые доли процентов.

Дрожжи на нерастительной основе

В 1 кг ржаной озимой соломы содержится всего 4 г перевариваемого белка, в овсяной мякине – 21 г, в луговом сене – 50 г. Потребность же в белке составляет у свиноматки – до 500 г в сутки, у коровы весом 500 кг – до 1500 г. Идея производства новых белков проста: их основа – бактерии, которые выращены на газе как питательной среде. Белки микроорганизмов с успехом могут заменить белки традиционного происхождения. Преимущества бактерий заключаются в высоком содержании белка в биомассе и большой скорости их роста.

В начале ХХ века биологи обратили внимание на дрожжи: в них содержание белка доходит до 66%. Дрожжевой белок сначала использовался не как корм, а как добавка в готовую продукцию: в 1910-е годы в Германии стали добавлять дрожжи в колбасы. В 1930-е кормовые дрожжи начали производить в СССР. Выяснилось, что дрожжевые клетки могут расти как на растительном сырье, так и на нерастительном – нефтяных парафинах (паприн), метаноле (меприн), этаноле (эприн) и метане (гаприн).

Первые советские заводы по производству паприна были созданы в городе Кстове Нижегородской области (1973 год) и в городе Кириши Ленинградской области (1974 год). Сырьем для производства кормов служили отходы нефтепереработки. Но масштабным процесс не стал. Сначала появились данные об отрицательном эффекте от применения паприна при откорме птицы, потом добавились экологические и гигиенические проблемы, а в 90-е годы в связи с общим кризисом стало уже не до этих технологий.

К концу 1990-х производство кормовых белков в промышленных масштабах на углеводородах в России было свернуто. Оно не исчезло, но снова вернулось на пилотные стадии.

Гаприн как источник кормового белка

«Одноклеточный» белок (Single cell protein, SCP) – это биомасса, состоящая из дрожжей, грибков, бактерий и водорослей. В природе растения и микроорганизмы образуют органические вещества из углекислого газа под действием реакции фотосинтеза. Но биомассу можно быстро выращивать и без фотосинтеза, на органическом сырье – том же метане. Получается пригодный как корм продукт – гаприн.

Содержание белка в гаприне рекордное – до 80%. Кроме того, часть его аминокислот не может быть заменена из животных источников. К тому же он содержит большое количество витаминов, особенно группы B. Гаприн пригоден в качестве пищи для животных, птицы и рыбы. Об использовании его как добавки в пищу человека сведений не обнаружено.

На опытном производстве один дрожжерастильный аппарат вместимостью 300 кубометров позволяет получить в сутки одну тонну гаприна. К сожалению, исследователи держат технологию в секрете и не разглашают ее детали, поэтому экономика производства неясна. Один из источников утверждает, что стоимость получения гаприна из метана составляет три рубля за 1 кг, притом что аналогичные корма, полученные традиционным способом, стоят около 60 рублей. Арифметика очень заманчивая, но как оно на самом деле – неясно. Пока обладатели прав на технологию не раскрыли ее экономику, воспринимать «метановые корма» можно только с большой долей скепсиса. Или юмора. Важно другое – то, что это возможно в принципе.

Сколько стоят пищевые отходы

Проблема нехватки продовольствия относится лишь к развивающимся странам, которые не имеют средств на поддержку аграриев. На Западе сельскохозяйственная продукция производится в избытке. Это дотируемая государством отрасль. Одна из ее задач – обеспечить занятость жителей села. У богатых государств нет стимулов для развития биотехнологий применительно к кормам. Слишком производительное сельское хозяйство увеличит безработицу среди фермеров, а многих из них просто разорит. У бедных же стран нет на биотехнологии научного и финансового ресурса.

Мухи с котлетами: кто и зачем хочет приучить человечество есть растительное мясо и насекомых

В результате гаприн не стал манной небесной, но накопленный опыт может пригодиться. Во-первых, потому, что рост населения обеспечивает спрос на белковую продукцию, и в будущем он будет только расти. Во-вторых, потому, что корма растительного происхождения (силос, гранулы) дорожают. Производство белка из газа может оказаться востребованным. Кажется фантастикой, но кто знает, а вдруг для газа откроется новый, необычный рынок?

У «газового животноводства» есть, на первый взгляд, незаметный, но важный подвох. Газ – конечный ресурс. Эксперты Wood Mackenzie (WoodMac) считают, что его хватит на 45–50 лет, ОПЕК – на 60–70, а Международное энергетическое агентство прогнозирует, что в ближайшие десятилетия спрос на газ будет падать из-за развития зеленой энергетики. Газ останется, но станет не нужен.

Сроки газового пика регулярно сдвигаются вправо, но существующий газ все равно когда-то закончится, а на его воспроизводство нужны десятки миллионов лет. Если применять его в животноводстве будут в больших масштабах, то это ускорит истощение невосполнимого ресурса. Как же тогда быть с газом в энергетике, газохимии, производстве удобрений? Выход есть. В метан можно превращать любую органику, например пищевые отходы.

Почти треть производимых на планете продуктов так и не употребляется в пищу. Что-то уничтожается производителями как невостребованное, часть – оптовиками и ретейлерами как просроченное, ну а больше всего еды пропадает в домашних кухнях: до 20% содержимого холодильников уходит в мусорный контейнер из-за истечения срока годности или просто потому, что человеку вдруг расхотелось что-то есть. Это явление наблюдается и в развитых странах, и в странах со средним достатком.

Продовольственная небережливость дорого обходится человечеству. Только в США ежегодные потери продуктов измеряются более чем в 60 млн тонн. Из них примерно половина – 32 млн – вывозится на свалки, что тоже стоит денег. К 2030-му стоимость невостребованной еды составит $600 млрд в год. Это не только выброшенные деньги. Это еще и экологическая безалаберность – под выращивание зерновых и выпас скота отводятся большие участки земель. На производство продовольствия тратятся вода и удобрения, на переработку – энергия и упаковка, на транспортировку и хранение – опять же энергия. И на всех этапах расходуется немало человеческого труда. И это для того, чтобы пятая часть произведенного пошла на свалку?

Замкнутый цикл: чем «кормят» биогаз

Оставим в стороне вопросы этического характера и посмотрим на проблему в энергетическом ракурсе. Как любое органическое вещество, продовольственные отходы можно сжигать. Но это не самое эффективное топливо. Горит только сухая масса, очистка от жидкости требует энергии, усложняет и удорожает процесс. Гораздо эффективнее биологическая переработка отходов.

Личинки на столе: когда россияне перейдут на еду из насекомых и искусственное мясо

О том, что разлагающаяся биомасса выделяет горючие газы, известно со времен средневековых алхимиков, только до активного развития микробиологии в 30-х годах ХХ века пользы от этих знаний не было никакой. Биогаз в ХIХ веке получали в Великобритании, однако масштабирование и повышение эффективности этого процесса стали возможны лишь после изучения метаболизма микроорганизмов в условиях отсутствия кислорода – анаэробного сбраживания.

Главное – найти подходящие микроорганизмы. И такие есть, и название имеют говорящее – метаногены, то есть производящие метан. «Кормить» их можно любой органикой, в нашем случае – тем, что не съел человек. Биогаз – это 50–87% метана, 13–50% углекислого газа (CO2) плюс небольшие примеси серы. Состав газа на выходе зависит от состава сырья. Наибольший выход метана дают жиры, меньше всего – белки. Метан биогаза – тот же самый, что и у природного газа, CH4. Если к невостребованным людьми продуктам добавить отходы животноводства, то получится замкнутый цикл: органика – метан – корма – органика.

Ниша для биогаза есть. Он не станет конкурентом газовой отрасли, поскольку в ней другой масштаб производства метана, возможный только из месторождений. Ни одна электростанция не будет покупать биогаз (не тот объем), поэтому сейчас он применяется на локальных установках в домохозяйствах. Если биогаза мало для производства кормов, то его можно смешать и с обычным природным газом, взятым из газораспределительной сети.

Технических сложностей нет, но есть вопросы к экономике. «Газовые корма» могут стать массовыми только при эффекте масштаба, а он зависит от цен на продовольствие. Они растут, но пока корма по-прежнему дешевле получать из растительной органики. Только вот посевные площади не увеличиваются. Вполне возможно, что наступит момент, когда развитие животноводства будет сдерживать именно нехватка кормов. Ответ на этот вызов уже готов: метановый корм, который только и ждет, когда для него созреет рынок.