Сотрудники лаборатории перспективных энергоэффективных технологий Физического факультета Новосибирского государственного университета запатентовали способ получения биомассы красной микроводоросли Porphyridium purpureum во вихревом фотобиореакторе, который заметно повышает его продуктивность. Новый подход ориентирован на переход от лабораторных объёмов к десятилитровым реакторам, что важно для последующего промышленного масштабирования.
— Мы показали, как на объёме в десятки литров можно получать Porphyridium purpureum с высокой эффективностью, и этот способ сейчас защищён патентом, — рассказал один из соавторов патента, руководитель лаборатории, доктор технических наук, профессор РАН Игорь Наумов.
Лаборатория была создана на физическом факультете НГУ в 2021 году в рамках мегагранта для совершенствования энергосберегающих технологий на основе энергоэкономичных решений природы в задачах энергетики. После завершения мегагранта коллектив продолжил работу по ряду проектов, поддержанных Российским научным фондом, в том числе грант, по которому выполняется текущий проект интенсификации методов перемешивания в вихревых реакторах для биохимических и энергетических технологий.
— Цель нашего проекта — в переходе от классической гидродинамики непосредственно к техническим и инженерным решениям для биотехнологий, фактически мы работаем на стыке физики, биологии и химии, – отметил Игорь Наумов.
В этом направлении НГУ в рамках проектов РНФ тесно сотрудничает с Институтом биологии Южных морей РАН в Севастополе, где хранятся коллекции морских микроводорослей. Проекты включают развитие энергоэффективных низкоуглеродных технологий культивирования микроорганизмов как источника тепловой энергии из биомассы; реализацию практических приложений вихревой гидромеханики ограниченных течений в области биотехнологий, в том числе для эффективной утилизации CO2.
Запатентованный способ предусматривает культивирование Porphyridium purpureum на стерильной питательной среде, предложенной сотрудниками Института биологии Южных морей РАН (рук. группы к.б.н. Геворгиз Р.Г.), на основе морской воды в накопительном режиме. Культуру выращивают в вихревом фотобиореакторе, в котором суспензию перемешивает погружённая или плавающая поликарбонатная шайба с заданной частотой вращения. Такое решение обеспечивает мягкое, но равномерное перемешивание клеток в вязкой среде, улучшает подвод питательных веществ, отвод продуктов метаболизма и снижает зоны затенения, где клетки могли бы оседать и погибать.
По сути, речь идёт о том, чтобы адаптировать физические методы организации вихревого движения к «капризным» культурам, которые плохо чувствуют себя в классических мешалочных реакторах.
— Есть несколько микроводорослей, чье производство в мире к настоящему времени хорошо освоено. Это довольно простые в выращивании виды, типа спирулины или хлореллы, обладающие сравнительно низкой себестоимостью. Для их промышленного производства прежде всего нужны солнечный свет и тепло, и нам будет трудно конкурировать со странами Юго-Восточной Азии и с Индией, где эти виды природной энергии есть в достатке и практически бесплатно. В то же время существуют тысячи других видов морских микроводорослей, которые интересны с точки зрения повышенного содержания уникальных полезных веществ, но выращивать их гораздо труднее из-за их свойств, таких как вязкость и плотность, которые при этом изменятся в процессе культивирования. Вот тут более сложные технологические решения, подобные нашему, создают значительные преимущества, — отметил исследователь.
Отсюда вытекает задача, выходящая за рамки уже полученного патента, — используя компетенции в области вихревой гидромеханики и других направлений физики, ученые стремятся расширить номенклатуру выращиваемых микроводорослей с высокой прибавочной стоимостью за счет тех, для которых есть лабораторные данные об их значительной пользе, но пока нет готовых решений по культивации в промышленных масштабах.
Porphyridium purpureum в этом плане — показательный пример. В отличие от упомянутых спирулины и хлореллы, эта красная микроводоросль даёт другой набор ценных элементов, в том числе, белков и пигментов с выраженной противоопухолевой и антиоксидантной активностью. По словам Наумова, это фактически природный «антибиотик» без выявленных побочных реакций, потому что он синтезирован самой природой.
Красный белок Porphyridium purpureum рассматривается как перспективное сырьё для фармакологии, косметологии и пищевых добавок, однако пока технологии его получения оставались на уровне небольших лабораторных установок порядка нескольких десятков миллилитров.
Авторы патента подчёркивают, что их цель — помочь пройти путь от пробирочных объёмов к технически и экономически оправданным масштабам — хотя бы 10–20, 50–100 литров, уже достаточным для реальных технологических линий.
— Мы показали, что для вязких и тяжёлых культур наш вихревой метод гораздо эффективнее: чем культура становится «жирнее» и вязче, тем лучше перемешивается и выше продуктивность, — объяснил Наумов.
По его словам, те объёмы, которые уже освоены в лаборатории, с точки зрения экономики могут оказаться оптимальным решением для начала промышленного применения.
Следующий шаг — поиск индустриальных партнёров, готовых запускать производство на основе нового способа выращивания микроводорослей. При наличии заинтересованной компании возможно как дальнейшее масштабирование вихревых фотобиореакторов, так и адаптация методов к другим типам микроводорослей, в том числе диатомовым с тяжёлыми кремниевыми панцирями и присоединённым формам. Это позволит расширить линейку штаммов, которые российская промышленность сможет выращивать у себя, вместо того чтобы опираться на импортируемое сырьё.
