Пища будущего: одноклеточный белок против сои

Население планеты Земля неустанно растет. На данный момент насчитывается порядка 8 миллиардов людей. У каждого из них есть свои индивидуальные потребности и желания, но есть и такие, что применимы ко всем, независимо от страны, религии, пола или возраста. Это первичные потребности человека, т.е. физиологические: воздух, вода, пища, сон и секс. Очевидно, что без воздуха долго не протянешь, в отличие от последнего пункта. Однако вопрос обеспечения пищей постоянно растущую популяцию нашего вида становится все острее и острее. Как говорится, у нас есть все, вот только всего на всех не хватает. Пока одни ученые думает о колонизации и последующем терраформировании других планет, другие сосредоточены на новых сельскохозяйственных культурах, новых методах выращивания пищи, ее обработки и хранения. Группа ученых из Гёттингенского университета (Германия) считают, что будущее не за новым сортом кукурузы или картофеля, а за микроорганизмами. Используя солнечные панели им удалось вырастить микробный белок. Данный метод, по их словам, намного эффективнее, стабильнее и экологичнее, чем выращивание классических культур. Какие именно микроорганизмы использовались в разработке, насколько сложен процесс, и сколько продукта, полученного таким методом, нужно, чтобы накормить человека? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Проблема продовольственного обеспечения достаточно глобальна. Численность населения растет, как и площадь земли, используемая для выращивания продуктов. Однако Земля не безграничная и не плоская, чтобы всю ее засеять пшеницей и радоваться урожаю. Многие регионы не пригодны для выращивания культур массового потребления, не говоря уже о климатических особенностях, а также о глобальных климатических изменениях, которые тем или иным образом влияют на урожайность по всей планете. Большая часть Земли покрыта водой, на которой пшеницу особо не вырастишь. Но многие считают, что именно мировой океан будет основным кормильцем людей, хотя и тут есть масса проблем и сложностей.

Если упростить гастрономические предпочтения человека, то можно сказать, что мы непривередливы. Для нормального функционирования организм требует определенного количества определенных питательных веществ. Что является источником этих веществ — организму безразлично. Голод не тетка, как говорится.

Посему исследования по получению питательных веществ из микробной биомассы, таких как микробный белок или одноклеточный белок (SCP от single-cell protein), являются крайне перспективным вариантом разрешения продовольственного кризиса.

На данный момент уже есть полноценное производство SCP из грибов, водорослей и бактерий. Сырье, используемое для выращивания этих микробов, обычно представляет собой либо глюкозу сельскохозяйственного происхождения, либо метан и метанол ископаемого происхождения.

Тем не менее более устойчивой альтернативой, которая сводит к минимуму использование ископаемого углерода и сельскохозяйственных земель, является использование возобновляемой энергии (в данном случае фотоэлектрической) для преобразования атмосферного углекислого газа и воды в молекулы, которые могут служить донорами электронов для микроорганизмов.

Авторы исследования считают, что использование солнечной энергии позволяет сравнить потенциал производства продуктов питания с использованием микробов и современного сельского хозяйства на равных условиях, поскольку обе технологии зависят от одних и тех же первичных ресурсов (земля, солнечный свет, вода и удобрения).

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые попытались понять, насколько продуктивными могут быть системы производства SCP на базе фотовольтаики* (PV-SCP). То есть провести сравнение с точки зрения производства калорий и белка в единицу времени и необходимой для этого площади земли.

Фотовольтаика* — наука, изучающая процесс возникновения электрического тока в материале, когда на него воздействует свет.

Данные, полученные от такого сравнения, могут помочь в дальнейшем планировании распределения ограниченных земельных ресурсов для производства кормов и продуктов питания.

В ходе исследования ударение было поставлено на бактериях, так как они гибко используют исходное сырье и имеют более высокое содержание белка, чем другие микроорганизмы. Также было сделано предположение, что потребности в углероде удовлетворяются за счет прямого улавливания углекислого газа из атмосферы (DAC от direct air capture), что позволило свести к минимуму зависимость от ископаемого топлива, а также обеспечило справедливое сравнение с сельхоз растениями.

Результаты исследования

Энергетическая эффективность производства SCP

Система PV-SCP, преобразующая солнечную энергию в энергию, запасаемую в пище, может быть описана в виде цепочки из четырех основных этапов (изображение №1):

Солнечная энергия → (1) → электричество → (2) → донор электронов → (3) → биомасса → (4) → корм/пища.


Изображение №1

Процесс (1) соответствует фотоэлектрическим солнечным фермам, улавливающим солнечную энергию и преобразующим ее в электричество. Процесс (2) представляет собой электрохимическое преобразование электрической энергии в химическую энергию, хранящуюся в доноре электронов и/или в источнике углерода. Процесс (3) относится к росту микробов, который преобразует химическую энергию предыдущего этапа в химическую энергию, хранящуюся в самой биомассе. Процесс (4) описывает стадию фильтрации, на которой удаляются нуклеотиды, жирные кислоты и углеводы, в то время как остается только белок.

Удаление нуклеиновых кислот имеет решающее значение, когда речь идет об использовании SCP в качестве пищи для человека, поскольку при слишком высоких концентрациях их катаболизм* приводит к накоплению мочевой кислоты, которая не может быть легко разложена и может вызывать подагру*.

Катаболизм* — метаболический распад сложного вещества на более простые / окисление какого-либо вещества. Результатом сего процесса является высвобождение энергии в виде тепла и молекул АТФ.

Подагра* — метаболическое заболевание, характеризующиеся отложениями мочевой кислоты или моноурата натрия в различных тканях.

Для животных это не является проблемой, так как у них есть фермент уриказа, который предотвращает вышеописанные эффекты. Следовательно, для производства кормов удаление нуклеиновых кислот не является необходимым.

У каждого из этих процессов (этапов) имеется своя энергетическая эффективность: η_pv, η_ec, η_bio и η_filter, соответственно. Совокупность всех процессов является прямой передачей энергии от солнечных лучей к биохимическому хранилищу в продуктах питания. Однако работа системы SCP также связана и с другими энергетическими процессами, которые отсутствуют в вышеописанной линейной цепочке. Посему дополнительно был введен еще один параметр эффективности η*. Например, η* учитывает энергетические затраты на эксплуатацию DAC, который поставляет CO₂, необходимый на этапах (2) или (3).

Рассматривая первый этап, т.е. улавливание солнечной энергии, обычно энергетический КПД преобразования солнечной энергии в электричество (η_pv) близок к 20%. Но эти данные не учитывают множество сопутствующих факторов: коэффициент покрытия земли фотоэлектрическими элементами; потери из-за силовой электроники, отслеживания положения Солнца, инвертора, температуры и загрязнения поверхности панелей (пыль, снег и т.д.).

Чтобы получить более реалистичное представление об эффективности солнечной фермы, в исследовании использовались данные из > 600 объектов (солнечных ферм). В результате анализа этих данных было установлено, что η_pv на самом деле находится в диапазоне от 4.1% до 5.6%. Именно эти цифры и нужно учитывать в дальнейшем сравнении.

На следующем этапе электрическая энергия преобразуется в химическую путем производства простых молекул (доноров электронов), которые поддерживают рост микробов. Дабы получить больше данных о свойствах различных электрохимических и биологических процессов, были рассмотрены три донора электронов (водород, метанол и формиат) и несколько путей микробной ассимиляции. Для производства всех этих доноров вода сначала расщепляется и окисляется на аноде, чтобы обеспечить процессы электронами и кислородом (O₂). Двуокись углерода (CO₂), которая является единственным первичным источником углерода в производственном процессе, получается с помощью DAC CO₂. Как показано на изображении №1, есть две возможные точки входа CO₂.

Энергетическая эффективность, связанная с производством донора электронов (η_ec), определяется его энергией сгорания, деленной на вложенную электрическую энергию. Наиболее часто используемым донором электронов является водород, получение которого с помощью электролиза относительно эффективно (η_ec = 70% ± 5%).

Помимо водорода, только формиат и монооксид углерода (CO) могут быть непосредственно получены электрохимически с достаточной энергетической эффективностью, эффективностью Фарадея и плотностью тока. Посему было решено сосредоточиться именно на формиате, поскольку он легко смешивается, т.е. можно нивелировать проблемы массопереноса, которые ограничивают биопотребление малорастворимых газообразных соединений, таких как CO. Кроме того, ассимиляция формиата в биомассу намного эффективнее, чем у CO. Электрохимическое восстановление CO₂ до формиата дает η_ec = 40% ± 10%.

Доноры электронов могут также производиться из электричества косвенно, посредством чего водород, полученный в результате электролиза, реагирует с CO₂ с образованием восстановленного соединения. В качестве примера этого подхода выступил метанол, так как его двухэтапное производство из электроэнергии относительно эффективно (η_ec = 55% ± 5%).

Для этапа микробной ассимиляции были выбраны бактерии, так как они метаболически гибки с точки зрения использования доноров электронов и/или источников углерода и могут достигать более высокого содержания белка, чем водоросли и дрожжи. Рассматривался только аэробный рост, поскольку анаэробный рост (ацетогенез, к примеру) утягивает большую часть углерода на небелковые соединения (например, ацетат), что приводит к низкому выходу биомассы.

Аэробный рост на H₂/CO₂ в основном поддерживается циклом Кальвина. Из-за относительно высокой стоимости АТФ этого пути энергетическая эффективность достаточно низка (η_bio = 32% ± 5%). Цикл Кальвина также может поддерживать рост на формиате или метаноле (η_bio = 27% ± 6% и 21% ± 2%, соответственно) через полное окисление этих доноров для поддержки фиксация углерода.

Вместо этого рост микробов на формиате и метаноле может происходить через прямую ассимиляцию этих источников углерода в биомассу, что обычно способствует более высокой энергетической эффективности. Сериновый цикл усваивает формиат с η_bio = 46% ± 7% и метанол с η_bio = 35% ± 2%. Цикл монофосфата рибулозы (RuMP) также поддерживает высокую эффективность ассимиляции метанола с η_bio = 45% ± 3%.

Ученые отмечают, что в своем труде рассматривали два пути использования SCP — для пищи и для корма.

Для производства корма вся микробная биомасса сушится (центрифугированием и распылительной сушкой) и непосредственно используется в качестве корма для животных.

Для производства продуктов питания после обезвоживания центрифугированием белки извлекаются из биомассы и очищаются для удаления нуклеиновых кислот и используются в качестве пищевой добавки. Расчеты говорят, что содержание пригодного для использования клеточного белка составляет от 55% до 75% в пересчете на сухую массу. Это означает, что энергетическая эффективность преобразования биомассы в белок (η_filter) составляет от 46% до 63%.

В конечном итоге получается формула общей энергетической эффективности преобразования солнечной энергии в корм/пищу: η_scp = η_pv x η_ec x η_bio x η_filter (где последний член не нужен в случае с кормом).

В этом упрощенном выражении не учитывается дополнительная энергия, потребляемая процессами преобразования и получаемая не от солнца. Можно предположить, что энергия от фотоэлектрических систем поддерживает все подобные процессы (поставка макроэлементов, DAC CO₂, работа биореактора, обработка биомассы). В результате начальная произведенная электрическая энергия распределяется между основной производственной цепочкой и вспомогательными процессами.

Доля электроэнергии, используемой для электрохимии, по сравнению с общей производимой электрической энергией эквивалентна η*, который зависит от других значений эффективности (η_ec и η_bio) и, следовательно, не является независимым коэффициентом. Получается, что 1-η* является долей энергии, необходимой для вспомогательных процессов.


Таблица №1

Как видно из таблицы выше, η* находится в диапазоне от 64% до 83% (т.е. от 17% до 36% произведенной электроэнергии потребляется вспомогательными процессами).

Учитывая вышесказанное, общая энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в корм/пищу будет выглядеть так: η_scp = η_pv x η_ec x η_bio x η_filter x η*.

Из таблицы также видно, что производство и усвоение метанола с помощью цикла RuMP поддерживает самый высокий уровень η_scp: до 0.8% для производства корма и 0.4% для производства пищи. Это обусловлено высокой энергетической эффективности роста микробов на метаноле (η_bio).

Подобного результата можно достичь и с помощью выращивания на водороде. Несмотря на его зависимость от относительно неэффективного цикла Кальвина, водород, как донор электронов, крайне эффективно производится электрохимическим способом (η_ec).

Если объединить цикл Кальвина с другим донором, то η_scp снизится вдвое: 0.4% для корма и 0.2% для пищи.

В то же время выращивание через сериновый цикл на метаноле или формиате приводит к относительно высокому η_scp: до 0.7% для производства корма и 0.3% для пищи.

Выход калорий классического сельхоз производства

Далее было проведено сравнение PV-SCP и сельского хозяйства с точки зрения выхода калорий и белка на единицу площади земли.

Для сравнения были выбраны самые продуктивные и калорийные культуры (соевые бобы и сахарная свекла), а также еще семь культур, мировое производство которых в перерасчете на массу является самым высоким (сахарный тростник, кукуруза, рис, пшеница, картофель, маниока и масличная пальма).

Данные по этим культурам были собраны из базы данных FAOSTAT (от food and agriculture organization cCorporate statistical database) продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН за 2017-2019 годы из 180 стран.


Таблица №2

В таблице выше приведены результаты анализа базы данных. Было установлено, что соя имеет самый высокий выход белка, т.е. 115 г/м² в год. Самой калорийной оказалась сахарная свекла (4520 ккал/м² в год), затем кукуруза (2640 ккал/м² в год) и масличная пальма (2650 ккал/м² в год).

Ученые отмечают, что SCP не может быть одинаково эффективной заменой для всех культур. К примеру, соя часто используется для производства богатого белком корма, потому SCP может ее заменить. Но вот сахарная свекла чаще всего используется для получения сахарозы, а потому SCP не может быть ей заменой.

Свекла показывает весьма любопытные результаты. Ее выход белка кажется достаточно высоким, но это лишь из-за высокой урожайности данной культуры на единицу земли. Сама же культура обладает низким белковым выходом (менее 1.5%), а потому не может рассматриваться в качестве белковой добавки в корм или пищу.

Выход калорий PV-SCP производства

Для сравнения классических культур и SCP необходимо было рассчитать калорийность (Y_cal) производства PV-SCP в килокалориях на квадратный метр в год.

Y_cal равно ранее вычисленному η_scp, умноженному на соответствующие уровни освещенности (I), для которых был принят глобальный диапазон от 700 до 2700 кВт/м² в год.

Однако была выявлена статистически значимая отрицательная корреляция между освещенностью и энергетической эффективностью солнечных ферм (η_pv) которая может быть связана с известной отрицательной корреляцией между температурой и напряжением. Посему была выведена безразмерная «корректирующая функция» f_C = 1.6 — I (2800 кВт/м² в год). Используя эту поправку, прогнозируемая эффективность η_pv при 1000 кВт/м² в год составит 6.0%, а при 2500 кВт снизится до 3.4%. Учитывая вышеописанное, формула калорийности производства PV-SCP будет таковой: Y_cal = I x f_C x η_scp.


Изображение №2

Графики выше показывают предполагаемые значения Y_cal для SCP производства корма (вверху) и пищи (внизу) с учетом разных комбинаций доноров электронов и процессов ассимиляции.

Анализ показал, что PV-SCP может давать больший выход энергии по сравнению с классическими сельхоз культурами в обоих сценариях (корм или пища). В частности, при освещенности > 1600 кВт/м² в год методика PV-SCP может дать в 2-4 раза больше белка на выходе, чем сельскохозяйственные культуры.

Желтыми линиями на графиках выше отмечен процесс SCP производства без электрохимического восстановления или использования специализированных микроорганизмов. Этот метод основан на выращивании гетеротрофных микробов на сахаре, полученном в сельском хозяйстве. Однако даже этот метод сильно уступает предложенному PV-SCP.

Выход белка PV-SCP производства

Для сравнения выхода белка сельхоз культур и SCP калорийность, полученную в результате предыдущего анализа, преобразовали в единицы массы в граммах белка.


Изображение №3

Выше показано, что выход белка PV-SCP намного выше, чем у сои — культуры, демонстрирующей самый высокий выход белка среди сельхоз культур (115 г/м² в год). При этом не имеет значение ни донор электронов, ни используемые пути метаболизма.

Выращивание на водороде (через цикл Кальвина), а также на метаноле или формиате через циклы серина и RuMP может поддерживать на порядок более высокий выход белка (1200 г/м² в год), чем соя. Выращивание микробов на сахарозе (желтая линия на графиках), экстрагированной из сахарной свеклы, также дает высокий выход белка, но не такой, как у PV-SCP.

Напоследок ученые решили рассчитать, как в случае PV-SCP будет утилизироваться земля. Для расчетов использовалась площадь в 1 га (10000 м²), получающая примерно 2000 кВт/м² в год.


Изображение №4

На 4A показано, что при использовании водорода в качестве донора электронов около 6650 м² должно быть отведено для производства фотоэлектрической электроэнергии для расщепления воды.

Энергия, необходимая для культивирования микробов (которая включает обеспечение питательными веществами, работу биореактора и последующую переработку биомассы) потребует ≈ 2400 м² для фотоэлектрических систем, а DAC CO₂ потребует примерно 900 м². Следовательно, 1 га земли, выделенной под нужды PV-SCP, сможет обеспечивать годовую потребность в белке порядка 500 человек (15 тонн в год).

Для производства SCP из сахарозы, которая извлекается из сахарной свеклы, необходимо выделить ≈9400 м² для выращивания сахарной свеклы, в то время как только ≈600 м² можно будет покрыть массивами PV для активизации микробиологического культивирования и экстракции сахарозы (4B). Этот метод может стать промежуточным, как говорят ученые, ибо он достаточно прост в реализации, т.к. не требует использования DAC процессов или электролиза. Такой метод обеспечит годовую потребность в белках 90 человек (2.7 тонн в год).

А вот с 1 га сои можно получить 1.1 тонны белка в год, т.е. обеспечить им лишь 40 человек (4C). При этом энергозатраты на процессы, поддерживающие выращивание сои (например, для топлива на технику и для удобрений), не учитывались, поскольку они не удовлетворяются за счет фотоэлектрической энергии в традиционном сельском хозяйстве. Однако их включение в расчет еще больше снизило бы урожайность сои, тем самым еще ярче показав преимущества PV-SCP.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые провели сравнительный анализ эффективности производства классических сельхоз культур и методики выращивания SCP (одноклеточный белок) с помощью солнечных панелей (сокращенно PV-SCP). По результатам сравнения PV-SCP метод стал неоспоримым лидером. Это было видно и по энергетической эффективности, и по выходу белка/калорий. PV-SCP смог обойти даже сою, которая среди других сельхоз культур занимает лидирующее место по выходу белка.

Конечно, никто не говорит о полной замене нашего рациона на микробный белок, однако он может стать отличным дополнением, поскольку он может быть источником высококачественного белка, состоящего из всех незаменимых аминокислот, минералов и витаминов.

Важность этого исследования заключается в том, что оно показывает вероятные пути решения продовольственного кризиса. Современные методы ведения сельского хозяйства требуют немало энергии (часто получаемой из невозобновляемых источников), земли (то бишь площади) и воды. На данный момент порядка 30-40% земли используется под сельхоз нужды, но при этом каждый десятый человек на планете недоедает.

PV-SCP, по сути своей, предоставляет возможность получить больше еды (в грубом понимании этого слова) с меньшими затратами ресурсов, при этом максимально используя возобновляемые источники энергии (в данном случае солнечную). Немало важно и то, что эта методика гораздо экологичнее и устойчивее, т.е. на нее мало влияют изменения погодных условий, климата, паразиты и т.д.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?