Переработка водорослей – технология ферментации
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.
28.06.2012
Источник: SoyaNews
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 использования 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.
Atalah E, Hernández-Cruz CM, Izquierdo MS, Rosenlund G, Caballero MJ, Valencia A, Robaina L (2007) Two microalgae Crypthecodinium cohnii and Phaeodactylum tricornutum as alternative source of essential fatty acids in starter feeds for seabream (Sparus aurata). Aquaculture 270:178–185.
Barclay WR, Meager KM, Abril JR (1994) Heterotrophic production of long chain omega-3 fatty acids utilizing algae and algae-like microorganisms. J. Appl. Phycol. 6, 123-129.
Barclay W, Zeller S (1996) Nutritional enhancement of n-3 and n-6 fatty acids in rotifers and Artemia nauplii by feeding spray-dried Schizochytrium sp. J World Aqua Soc 27: 314- 322.
Boussiba S (2000). Carotenogenesis in the green algal Haematococcus pluvialis: cellular physiology and stress response. Physiol Plant 108, 111-117.
Chen F, (1996) High cell density culture of microalgae in heterotrophic growth. Trends Biotechnol. 14, 412-426.
FAO (2010) State of World Fisheries and Aquaculture. FAO Rome.
Ganuza E., Benitez-Santana T., Atalah E., Vega-Orellana O., Ganga, R., Izquierdo M.S. (2008). Crypthecodinium cohnii and Schizochytrium sp. as potential substitutes to fisheriesderived oils from seabream (Sparus aurata) microdiets. Aquaculture 277, 109–116.
Javanmardian M, Palsson BO (1991) High-density photoautotrophic algal cultures: design, construction, and operation of a novel photobioreactor system. Biotechnol.Bioeng.38, 1182-1189.
Miller MR, Nichols PD, Carter CG (2007) Replacement of fish oil with thraustochytrid Schizochytrium sp. L oil in Atlantic salmon parr (Salmo salar L) diets. Comp. Biochem. Physiol., A 148, 382–392.
Radmer RJ, Parker BC (1994) Commercial applications of algae: opportunities and constraints. J. Appl. Phycol 6, 93-98.
Sheehan J, Dunahay T, Benemann J, Roessier P (1998) A look back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species program : Biodiesel from Algae. Golden, Colorado: TP-580- 24190 National Renewable Energy Laboratory.
Xu H, Miao X, Wu Q (2006) High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. J. Biotechnol. 126, 499-507.
Предприятие Alltech по переработке водорослей (Винчестер, штат Кентукки): большие ферментеры
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 использования 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.
Предприятие Alltech по переработке водорослей (Винчестер, штат Кентукки): небольшой экспериментальный ферментер
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).
Опытная установка по повторному использованию отработанной воды и отделению углекислого газа
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.
Предприятие Alltech по переработке водорослей (Винчестер, штат Кентукки): общий вид
ЛИТЕРАТУРА:
Atalah E, Hernández-Cruz CM, Izquierdo MS, Rosenlund G, Caballero MJ, Valencia A, Robaina L (2007) Two microalgae Crypthecodinium cohnii and Phaeodactylum tricornutum as alternative source of essential fatty acids in starter feeds for seabream (Sparus aurata). Aquaculture 270:178–185.
Barclay WR, Meager KM, Abril JR (1994) Heterotrophic production of long chain omega-3 fatty acids utilizing algae and algae-like microorganisms. J. Appl. Phycol. 6, 123-129.
Barclay W, Zeller S (1996) Nutritional enhancement of n-3 and n-6 fatty acids in rotifers and Artemia nauplii by feeding spray-dried Schizochytrium sp. J World Aqua Soc 27: 314- 322.
Boussiba S (2000). Carotenogenesis in the green algal Haematococcus pluvialis: cellular physiology and stress response. Physiol Plant 108, 111-117.
Chen F, (1996) High cell density culture of microalgae in heterotrophic growth. Trends Biotechnol. 14, 412-426.
FAO (2010) State of World Fisheries and Aquaculture. FAO Rome.
Ganuza E., Benitez-Santana T., Atalah E., Vega-Orellana O., Ganga, R., Izquierdo M.S. (2008). Crypthecodinium cohnii and Schizochytrium sp. as potential substitutes to fisheriesderived oils from seabream (Sparus aurata) microdiets. Aquaculture 277, 109–116.
Javanmardian M, Palsson BO (1991) High-density photoautotrophic algal cultures: design, construction, and operation of a novel photobioreactor system. Biotechnol.Bioeng.38, 1182-1189.
Miller MR, Nichols PD, Carter CG (2007) Replacement of fish oil with thraustochytrid Schizochytrium sp. L oil in Atlantic salmon parr (Salmo salar L) diets. Comp. Biochem. Physiol., A 148, 382–392.
Radmer RJ, Parker BC (1994) Commercial applications of algae: opportunities and constraints. J. Appl. Phycol 6, 93-98.
Sheehan J, Dunahay T, Benemann J, Roessier P (1998) A look back at the U.S. Department of Energy’s Aquatic Species program : Biodiesel from Algae. Golden, Colorado: TP-580- 24190 National Renewable Energy Laboratory.
Xu H, Miao X, Wu Q (2006) High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. J. Biotechnol. 126, 499-507.
регион:
США
