СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИИ БАКТЕРИАЛЬНО ОБОГАЩЕННОГО КОРМА ДЛЯ ЖИВОТНЫХ
METHOD FOR PRODUCING A COMPOSITION OF A BACTERIALLY ENRICHED ANIMAL FEED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения композиции корма для животных и к применению полученной композиции корма для животных для снижения количества метана, выделяющегося из пищеварительного тракта жвачных животных.
Предпосылки создания изобретения
Домашний скот, такой как крупный рогатый скот, буйволы, овцы, козы и верблюды, производят большие количества метана как часть своего нормального процесса пищеварения. Кроме того, метан образуется, когда навоз хранят или используют в отстойниках или в сборных резервуарах.
Метан является вторым преобладающим газом, выделяющимся в теплицах. Продолжительность жизни метана в атмосфере значительно короче, чем диоксида углерода, но метан более эффективен при улавливании излучения, чем диоксид углерода. Если сравнивать, то за 100-летний период относительное влияние метана на изменение климата более чем в 25 раз более сильное, чем диоксида углерода.
Таким образом, существует необходимость в способе снижения выделения метана от скота.
Сущность изобретения
Первый аспект относится к способу получения композиции бактериально обогащенного корма для животных, включающему стадии
а) предоставления белкового кормового материала для ферментации;
b) предоставления инокулята, включающего бактерии, и причем концентрация бактерий в инокуляте на стадии b) является достаточной для разрастания любых бактерий, дрожжей или плесневых грибов, присутствующих в белковом кормовом материале со стадии а);
с) объединения материалов со стадий а) и b) и ферментации белкового кормового материала со стадии а) с использованием инокулятов со стадии b), причем посредством этого предоставляется ферментированный белковый кормовой материал; и
d) добавления метанотрофных бактерий к ферментированному белковому кормовому материалу с предоставлением композиции бактериально обогащенного корма для животных.
Второй аспект относится к композиции бактериально обогащенного корма для животных, которую можно получить/полученной способом согласно настоящему изобретению.
Третий аспект относится к применению композиции бактериально обогащенного корма для животных, которую можно получить/полученной способом согласно настоящему изобретению, для снижения количества метана, выделяющегося из пищеварительного тракта жвачных животных (или скота).
Краткое описание фигур
Фигуры 1-5 показывают различные способы получения бактериально обогащенного корма для животных согласно различным воплощениям изобретения.
Подробное описание изобретения
В настоящем описании ферментер или биореатор определяется как сосуд, подходящий для проведения ферментации или для использования биокатализаторов.
Процесс ферментации определяется как рост или сохранение живых биокатализаторов в аэробных, анаэробных или частично аэробных условиях с тем, чтобы получить желательный продукт, представляет ли собой этот продукт сами клетки или вещества, продуцированные клетками или конвертированные клетками.
Живые биокатализаторы охватывают микробные клетки, клетки животных, клетки насекомых, растительные клетки, вирусы, фаги, прионы, амебы, водоросли, грибы, бактериальные, прокариотные или эукариотные клетки.
Неживые биокатализаторы представляют собой погибшие клетки или экстракты из живых или погибших клеток, например, ферментов.
Применение для получения продуктов биокатализаторов, таких как микробные клетки или ферменты, хорошо известно и практикуется веками, что стало известным как биотехнология. Типично в биотехнологических способах микроорганизмы культивируют в чане (также называемом бродильным чаном или просто ферментером), в который добавляют вещества, необходимые для производства продукта микроорганизмами.
Такие процессы культивирования обычно происходят в водных растворах (также называемых сбраживаемыми средами, культуральными жидкостями или просто бульонами), содержащих различные субстраты, такие как источники углерода, а также источники азота, фосфаты, сульфаты, а также широкий ряд других компонентов, в зависимости от используемого микроорганизма и продукта, который получают. Во многих случаях используют общее название «ферментация» для таких процессов, которые можно осуществлять в присутствии или в отсутствие кислорода или воздуха.
При многих способах культивирования используемые микроорганизмы требуют кислород, и его необходимо добавлять. В качестве источника кислорода также можно использовать чистый кислород или обогащенный кислородом воздух. Культивирование, при котором добавляют кислород, называется аэробной ферментацией или аэробным культивированием. В некоторых случаях другие субстраты, используемые микроорганизмами, добавляют в раствор в виде газов, и примерами могут быть, например, источники углерода, такие как метан. Во время ферментации также образуются отходы. Одним из отходов, который обычно образуется в наибольшем количестве, является диоксид углерода. Добавление в культуральную жидкость газообразных субстратов, таких как кислород или метан, является проблематичным, так как микроорганизмы не могут использовать газы непосредственно. Поэтому газы необходимо растворить в культуральной жидкости, после чего они поглощаются микроорганизмами и используются в качестве источника энергии и/или для роста микроорганизмов.
Скорость переноса субстратов из газовой фазы в жидкую фазу можно улучшить, если использовать мелкие пузырьки, или если в ферментере использовать более высокое давление (т.е. давление в свободном пространстве ферментера выше атмосферного давления), или если снизить температуру бульона. Так как микроорганизмы являются чувствительными живыми клетками, значительное снижение температуры невозможно без влияния на скорость роста микроорганизмов.
В бродильных чанах обычно используют большое количество энергии для уверенности в том, что в культуральной жидкости растворились достаточные количества газообразных субстратов.
Обычные ферментеры являются высокими чанами с перемешиванием, в которых смешивание газов с культуральной жидкостью осуществляется с помощью лопастей мешалки, помещенных по центру ферментера. Лопасти мешалки генерируют турбулентность в жидкости, что означает, что газ, обычно подаваемый в донную часть реактора, будет рассеиваться в жидкости в форме очень маленьких пузырьков.
Также созданы другие типы ферментеров с целью снижения потребления энергии для смешивания, но также с гарантией достаточного переноса газов в жидкую фазу. Такие ферментеры обычно называют эрлифтными ферментерами, петлевыми ферментерами со струйным перемешиванием или U-образными петлевыми ферментерами.
Различные типы эрлифтных реакторов созданы для того, чтобы избежать механического перемешивания. Большинство таких реакторов являются так называемыми петлевыми реакторами, имеющими два отделения: где поток идет вверх (up-flow) и где поток идет вниз (down-flow), которые соединены по обоим концам. Газы подают в виде мелких пузырьков в донную часть реактора, где поток идет вверх, обычно в компоновке жиклера. Пузырьки смешиваются с жидкостью, посредством чего снижается общая плотность, и смесь газ-жидкость поднимается, причем в то же время замещается новой жидкостью, выходящей из части, где поток идет вниз. Смесь газ-жидкость движется вверх через часть реактора, где поток идет вверх, и высвобождает пузырьки газа в верхней части. Затем жидкость опускается через часть, где поток идет вниз. Для того чтобы получить протяженное время пребывания пузырьков газа в жидкости, эрлифтные реакторы обычно являются очень высокими узкими реакторами, и газ следует подавать в донную часть реактора под высоким, но изменяемым давлением для преодоления гидростатического давления.
Тип ферментера как таковой не является определяющим для настоящего изобретения.
Первый аспект относится к способу получения композиции бактериально обогащенного корма для животных, включающему стадии
а) предоставления белкового кормового материала для ферментации;
b) предоставления инокулята, включающего бактерии, и причем концентрация бактерий в инокуляте на стадии b) является достаточной для разрастания любых бактерий, дрожжей или плесневых грибов, присутствующих в белковом кормовом материале со стадии а);
с) объединения материалов со стадий а) и b) и ферментации белкового кормового материала со стадии а) с использованием инокулятов со стадии b), причем посредством этого предоставляется ферментированный белковый кормовой материал; и
d) добавления метанотрофных бактерий к ферментированному белковому кормовому материалу с предоставлением композиции бактериально обогащенного корма для животных.
Термин «инокуляция» относится к размещению микроорганизмов (например, бактерий, продуцирующих молочную кислоту), которые будут расти, когда включены в культуральную среду, такую как бродильный чан, включающий среды для ферментации. Термин «инокулят» относится к материалу, используемому при инокуляции, например, композиции, включающей микроорганизмы, которую используют как затравку для процесса, представляющего интерес. Например, инокулят, в котором бактерии в основном являются бактериями, продуцирующими молочную кислоту, можно использовать для управления процессом образования молочной кислоты в культуральной среде в бродильном чане, включающем указанные среды (например, кормовой продукт). Таким образом, термин «инокулировать» относится к переносу инокулята в среды для переработки, например, переносу инокулятов в белковый кормовой материал для ферментации. Термин «первичный инокулят» относится к генерации начального инокулята в ряду повторяющихся подобных, по существу идентичных процессов инокуляции, например, одного или нескольких повторений процесса ферментации. Аликвоту продукта в процессе образования можно использовать для инокуляции в новом процессе ферментации. Таким образом, инокулят может представлять собой ферментированный кормовой продукт, который включает жизнеспособные бактерии, продуцирующие молочную кислоту, в достаточном количестве для служения затравкой в процессе ферментации молочной кислоты другого белкового кормового материала, который ферментируют. Инокулят может находиться в жидкой форме, сухой форме или по существу сухой форме. Влажность, в %, инокулята можно регулировать для того, чтобы оптимизировать процесс ферментации. Таким образом, инокулят, используемый в способах по настоящему изобретению, может представлять собой ферментированный кормовой продукт.
В одном или нескольких воплощениях инокулят предоставляется как по существу чистые жизнеспособные бактерии (такие как бактерии в высушенной вымораживанием форме) или бактерии, суспендированные перед применением в подходящих средах (таких как вода, буфер или питательные среды).
Пропорция инокулята, добавляемого к белковому кормовому материалу, может изменяться. В случае, когда считается, что нагрузка нежелательными микробами в белковом кормовом материале является существенной, пропорция инокулята в смеси для ферментации (инокулят+белковый кормовой материал+необязательно добавленная вода) может возрастать для уверенности в том, что ферментация управляется микробами (например, молочнокислыми бактериями) инокулятов. Таким образом, инокулят может быть предоставлен с концентрацией бактерий в инокуляте, дрстаточной для разрастания любых бактерий, дрожжей или плесневых грибов, присутствующих в продукте со стадии а).
Соответственно, в одном воплощении изобретения пропорция указанного инокулята в комбинированных материалах, предоставляемых на стадии с), находится в интервале 0,1-99,9 об.%, 1-99,9 об.%, 5-95 об.%, 10-90 об.%, 15-85 об.%, 20-80 об.%, 25-75 об.%, 30-70 об.%, 35-65 об.%, 40-60 об.%, 45-55 об.%, предпочтительно примерно 1-5 об.%, таком как 2-4 об.%.
В одном или нескольких воплощениях бактерии в инокуляте являются по существу бактериями, продуцирующими молочную кислоту, и процесс ферментации выполняют в анаэробных условиях.
Молочнокислые бактерии включают клейд грамположительных, низко-GC, кислототолерантных, недышащих палочек или кокков, которые ассоциированы за счет их общих метаболических и физиологических характеристик. Эти бактерии, обычно обнаруживаемые в разлагающихся растениях и молочных продуктах, продуцируют молочную кислоту как основной метаболический конечный продукт ферментации углеводов. Это свойство исторически связывает молочнокислые бактерии с ферментацией продуктов, так как подкисление ингибирует рост агентов, портящих продукты. Бактериоцины продуцируются несколькими штаммами молочнокислых бактерий и обеспечивают дополнительное препятствие для вызывающих порчу и патогенных микроорганизмов. Кроме того, молочная кислота и другие продукты метаболизма вносят вклад в органолептический и текстурный профиль самого пищевого продукта. Промышленная важность молочнокислых бактерий также подтверждается тем, что по статусу их рассматривают как безопасные (GRAS) из-за их повсеместного появления в пищевых продуктах и их вклада в здоровую микрофлору слизистых оболочек человека.
В настоящем изобретении продуцирующие молочную кислоту бактерии в инокуляте, используемом для ферментации, являются в основном, но не только, молочнокислыми бактериями рода Enterococcus, Lactobacillus, Pediococcus или Lactococcus или их комбинациями. В одном воплощении настоящего изобретения инокулят включает по меньшей мере один вид молочнокислых бактерий, выбранный из группы, включающей один или больше видов из Enterococcus spp., Lactobacillus spp., Lactococcus spp. и Pediococcus spp. В еще одном воплощении изобретения молочнокислые бактерии выбирают из группы, включающей одну или больше из Enterococcus faecium, Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus plantarum, Pediococcus acidililactili и Pediococcus pentosaceus. В другом воплощении бактерии, продуцирующие молочную кислоту, являются бактериями отряда Lactobacillales. Бактерии, продуцирующие молочную кислоту, также можно выбрать из Lactobacillus spp., Pediococcus spp., Enterococcus spp. и Lactococcus spp. или их комбинации. В еще одном воплощении бактерии, продуцирующие молочную кислоту, включают Pediococcus pentosaceus, Pendiococcus acidilactici и Lactobacillus plantarum, Lactobacillus rhamnosus и Enterococcus faecium или их комбинацию. В еще одном воплощении молочнокислые бактерии включают Enterococcus faecium и/или Lactobacillus rhamnosus. В другом воплощении молочнокислые бактерии включают одну или несколько из Enterococcus faecium MCIMB 30122, Lactobacillus rhamnosus NCIMB 30121, Pediococcus pentosaceus HTS (LMG P-22549), Pendiococcus acidilactici NCIMB 30086 и/или Lactobacillus plantarum LSI (NCIMB 30083).
Процесс ферментации на стадии с) можно регулировать, изменяя, например, температуру и время для оптимизации реакции ферментации. Таким образом, в еще одном воплощении стадию с) выполняют при температуре в интервале 15-45°С, таком как 15-40°С, таком как 25-40°С, таком как 30-40°С, таком как 15-20°С или таком как 40-45°С.
В другом воплощении стадию с) выполняют в течение периода в интервале 1-10 суток, таком как 2-9 суток, таком как 3-8 суток, таком как 4-7 суток, таком как 5-6 суток, предпочтительно по меньшей мере 1 сутки, например, по меньшей мере 2 суток. Когда реакция протекает в течение более длительных периодов, фактическая ферментация может идти на убыль или полностью прекратиться из-за пониженной жизнеспособности бактерий. Однако в случае, когда добавляют ферменты, ферментативное разложение может продолжаться и, следовательно, это может быть выгодным для продолжения процесса. Кроме того, так как рН снижается во время ферментации, загрязнение нежелательными микроорганизмами минимизируется.
В одном или нескольких воплощениях концентрация добавленных микроорганизмов в композиции бактериально обогащенного корма для животных является достаточной для снижения количества метана, выделяющегося из пищеварительного тракта жвачных животных (или скота).
Метанотрофные бактерии можно добавлять в виде а) инокулята, включающего по существу метанотрофные бактерии, и/или b) изолированных метанотрофных бактерий или споры.
Соответственно, в одном воплощении изобретения пропорция указанного инокулята, включающего по существу метанотрофные бактерии, добавленного в композицию бактериально обогащенного корма для животных, находится в интервале 0,1-99,9 об.%, 1-99 об.%, 5-95 об.%, 10-90 об.%, 15-85 об.%, 20-80 об.%, 25-75 об.%, 30-70 об.%, 35-65 об.%, 40-60 об.%, 45-55 об.%, предпочтительно примерно 1-5 об.%, таком как 2-4 об.%. Таким образом, инокулят предоставляется с концентрацией метанотрофных бактерий, достаточной для снижения количества метана, выделяющегося из пищеварительного тракта жвачных животных (или скота).
В одном или нескольких воплощениях метанотрофные бактерии выбирают из группы, включающей Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus и их смеси.
В одном или нескольких воплощениях метанотрофные бактерии выбирают из группы, включающей Methylococcus Capsulatus.
В одном или нескольких воплощениях ферментированный белковый кормовой материал перед стадией d) передают в испаритель (flash-tank) для возможности испарения летучего материала.
В одном или нескольких воплощениях ферментированный белковый кормовой материал перед стадией d) передают в сепаратор, такой как центрифуга, адаптированная для удаления по меньшей мере части жидкой фракции ферментированного белкового кормового материала.
В одном или нескольких воплощениях ферментированный белковый кормовой материал перед стадией d) передают в установку для стерилизации.
Второй аспект относится к композиции бактериально обогащенного корма для животных, которую можно получить/полученной способом согласно настоящему изобретению.
Третий аспект относится к применению композиции бактериально обогащенного корма для животных, которую можно получить/полученной способом согласно настоящему изобретению, для снижения количества метана, выделяющегося из пищеварительного тракта жвачных животных (или скота).
Может потребоваться удаление побочных продуктов процесса ферментации или исходных компонентов для того, чтобы композиция бактериально обогащенного корма для животных подходила для применения. На фигуре 1 показан способ, где ферментированный белковый кормовой материал перед стадией d) передают в газовый сепаратор, такой как испаритель, для возможности испарения летучего материала. На фигуре 2 ферментированный белковый кормовой материал перед стадией d) передают в жидкостной сепаратор, такой как центрифуга, адаптированная для удаления по меньшей мере части жидкой фракции ферментированного белкового кормового материала. На фигуре 3 ферментированный белковый кормовой материал сначала передают в газовый сепаратор, такой как испаритель, для возможности испарения летучего материала. Затем обезгаженный ферментированный белковый кормовой материал передают в жидкостной сепаратор, такой как центрифуга, адаптированная для удаления по меньшей мере части жидкой фракции ферментированного белкового кормового материала. Обе стадии осуществляют перед стадией d). На фигуре 4 ферментированный белковый кормовой материал сначала передают в газовый сепаратор, такой как испаритель, для возможности испарения летучего материала. Затем обезгаженный ферментированный белковый кормовой материал передают на участок перемешивания, где выполняют стадию d). Затем композицию бактериально обогащенного корма для животных передают в жидкостной сепаратор, такой как центрифуга, адаптированная для удаления по меньшей мере части жидкой фракции композиции бактериально обогащенного корма для животных. На фигуре 5 ферментированный белковый кормовой материал сначала передают в газовый сепаратор, такой как испаритель, для возможности испарения летучего материала. Затем обезгаженный ферментированный белковый кормовой материал передают в жидкостной сепаратор, такой как центрифуга, адаптированная для удаления по меньшей мере части жидкой фракции ферментированного белкового кормового материала. Затем обезгаженный и обезжиженный ферментированный белковый кормовой материал передают на установку стерилизации. Все стадии предшествуют стадии d).