05.12.2012 Сельское хозяйство

Alltech: переработка водорослей

Ребекка Тиммонс, директор по прикладным исследованиям и гарантии качества, Alltech

Водоросли являются одними из самых важных и уникальных живых организмов в природе. Они вносят в воздух, которым мы дышим, порядка 50% кислорода, напрямую поддерживают практически всю жизнь в океане, и являются, таким образом, важнейшим элементом биосферы Земли.
Мировое производство водных растений составило в 2008г. 15,8 млн. тонн, что составляет 24,8% от общего объема мировой аквакультуры, с объемом стоимости продукции 7,4 млрд. долларов (FAO, 2010). Доминируют в этом объеме макроскопические водоросли, являющиеся сырьем для извлечения из них таких веществ, как йод, алгин и каррагинаны, использующиеся в качестве добавок в кормлении животных и питании человека.
Промышленное выращивание микроскопических водорослей главным образом сосредоточено на пресноводных родах Chlorella и Arthospira (ранее называвшимся Spirulina), из которых производят добавки для животных и человека. Культивируют также и другие микроскопические водоросли, из которых извлекают такие ценные компоненты, как витамины (С и В2), ω-непредельные жирные кислоты, натуральные пигменты и антиоксиданты (β-каротин, астаксантин, лютеин).
Несмотря на свою значимость в природе, пресноводные и морские микроскопические водоросли, которых в литературе сейчас описано порядка 40 тысяч видов, до сих пор остаются одними из наименее изученных живых организмов. Однако в настоящее время наши знания о водорослях, их жизнедеятельности и богатых возможностях их практического использования, сейчас претерпевают бурный рост. Наиболее активно развивающейся областью исследования водорослей сейчас является выращивание видов, богатых липидами, которые нужны человеку в качестве компонента биологического топлива и кормов для животных. Водоросли являются также побочным продуктом очистки сточных вод при многих производственных процессах, однако из-за присутствия в таких водорослях вредных веществ, таких как тяжелые металлы, для их утилизации в сельском хозяйстве требуются достаточно сложные и дорогостоящие мероприятия по их очистке и детоксификации.
Промышленное производство микроскопических водорослей, в виде цельных клеток или экстрактов, требует экономически эффективной технологии производства водорослевой биомассы. К тому же, партии такого продукта должны быть стабильными по качеству и производиться по биологически безопасной технологии, не допускающей их заражения вредными веществами.
Промышленное производство микроскопических водорослей ранее осуществлялось, в основном, в автотрофном режиме, в открытых каналах или прудах под открытым небом. При автотрофном росте водоросли используют энергию солнечного света для связывания углекислого газа из атмосферы, своего источника углерода, и превращения его в углеводы с одновременным выделением кислорода в качестве побочного продукта. У таких открытых систем есть ряд недостатков, включающих плохую освещенность водной толщи и загрязнение воздуха выделениями живущих в водоемах микробов, зоопланктона и сопутствующих видов водорослей. Успешное выращивание некоторых культур в таких системах стало возможным только благодаря использованию нишевых условий выращивания в сочетании с хорошим пониманием физиологии этих отдельных видов.
Успешная интенсификация аутотрофного производства водорослей произошла только после создания высокоспециализированных и контролируемых закрытых (или приближающихся к закрытым) фотобиореакторов (ФБР). В таких реакторах, при полном контроле параметров состава и освещенности, продуктивность выращивания повысилась до 30 г сухой клеточной биомассы на литр объема реактора (Javanmardian and Palsson, 1991). Несмотря на этот очевидный прогресс, ФБР очень большого объема, как оказалось, не оправдывают себя с экономической точки зрения для производства дешевой и объемной конечной продукции, требующейся для кормовой и пищевой промышленности.
Если исключить из производственного процесса свет, то окажется, что для гетеротрофного выращивания водорослей подойдет любой ферментер, наподобие тех, что используются для промышленного производства лекарств, напитков и пищевых добавок. Такие ферментеры могут достигать объема в 100 тыс. л, и в них можно выращивать большие объемы высокопродуктивных водорослевых культур, которые будут намного дешевле по сравнению со световым аутотрофным производственным циклом. При гетеротрофном цикле водоросли ассимилируют в качестве источника углерода и энергии органические вещества субстрата, которыми обычно служат глюкоза, глицерин или ацетат. Эти органические вещества выделяют в митохондриях водорослей свой кислород, который служит акцептором электронов – подобно кислороду воздуха при дыхании животной клетки.
Такими производственными системами обычно довольно легко управлять, и при наличии дешевого органического источника углерода с их помощью можно получать устойчивые выходы на уровне 50-100 г сухой клеточной водорослевой биомассы на литр (Radmer & Parker, 1994), что приближает их к уровню промышленных дрожжевых ферментеров, где выход биомассы составляет до 130 г/л (Chen, 1996).
Манипуляции с физическими и химическими свойствами питательной среды могут побудить разные виды водорослей синтезировать и накапливать избыточное количество специфических жирных кислот, причем их максимальные уровни получаются именно при гетеротрофных системах выращивания. Xu et al. (2006) показали, что при гетеротрофном выращивании в водорослях вида C. protothecoides может накапливаться до 55% липидов, что примерно в 4 раза больше, чем при аутотрофном. Было показано, что ограничение содержания биологически доступного азота в субстрате повышает синтез и накопление липидов в клетках «голодающих» водорослей (Sheehan et al., 1998), а также усиливает накопление астаксантина в клетках Haematocuccos pluvialis (Boussiba, 2000).
Barclay et al. (1994) сообщали, что в гетеротрофных условиях синтез непредельных жирных кислот ряда ω-3 был в 2-3 раза выше, чем в аутотрофных. Сейчас основным источником соединений этой группы, таких как эйкозапентаеновая (ЭПК) и докозагексаеновая (ДГК) кислоты, является рыбий жир, получаемый на рыбоводческих предприятиях. Однако в связи с расширением сферы применения и растущего спроса на эти вещества, а также для сохранения качества продуктов рыбоводства, полезно было бы получить альтернативный источник этих непредельных кислот.
Сейчас в промышленность внедряется выращивание водорослей в качестве альтернативного рыбьему жиру источника больших количеств высококачественных ЭПК и ДГК. Кроме того, было показано, что жирные кислоты водорослей по питательной ценности вполне эквивалентны рыбьему жиру, и потому могут заменять последний в кормах для мальков (Barclay et al., 1996), в рационах для леща (Atalah et al., 2007; Ganuza et al., 2008) и молодняка атлантического лосося (Miller et al., 2007).
Ферментативные процессы всегда были сильной стороной компании Alltech, и емкость ферментеров водорослевого завода Alltech по переработке водорослей, современного продукта высокой биологической технологии, уже превысила миллион литров. На заводе установлено высоко-функциональное экспериментальное оборудование для полного производственного цикла водорослей, включая системы дозирования и посева, ферментирования, центрифугирования и сушки. Этот гибкий пилотный завод представляет собой, по сути, уменьшенную копию аналогичного большого производства. Он позволяет исследователям компании и специалистам по качеству продукции экспериментировать с новыми видами и штаммами водорослей и новыми производственными технологиями для оптимизации производства и развития спектра получаемой продукции. Alltech делает ставку на дальнейшее улучшение современной технологии выращивания водорослей видов Thraustochytrid и Schitzocitrium sp., на достижение максимальной автоматизации производства для получения больших объемов качественной продукции при низкой ее себестоимости.
Качество, стабильность и прослеживаемость продукции – это необходимые предпосылки создания высоких стандартов пищевой безопасности. Наш водорослевый завод также входит в общую «Систему качества Alltech», контролирующую качество сырья и стандарты готовой продукции. Кроме проверки всего неорганического сырья по программе «Q+», компания также проверяет всю готовую продукцию на основные загрязнители, такие как диоксины, полихлорбифенилы и тяжелые металлы.
Наши внутренние стандарты качества соответствуют и даже зачастую превышают стандарты других родственных предприятий. Наш унифицированный подход создает для компании конкурентные преимущества в виде гибкости и доверия потребителей, позволяет легко проходить любую необходимую сертификацию или государственную инспекцию без прерывания производственных процессов.