Биотехнологический инновационный территориальный кластер ПУЩИНО Российская академия наук Институт биологического приборостроения с опытным производством 1

Экологические проблемы переработки возобновляемого растительного сырья биотехнологическими методами

Биотехнологическое оборудование + Продуцент (грибы, бактерии, дрожжи) Субстрат (растительное и зерновое сырьё) = Полезный продукт: биотопливо (спирты), белок, жиры, витамины микробного происхождения БИОТЕХНОЛОГИЯ - наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов. БИОТЕХНОЛОГИЯ - промышленное использование биологических процессов и форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. 2

Несовершенство применяемых в настоящее время технологий при переработке возобновляемого растительного сырья порождают экологические проблемы

Растительное сырье как субстрат отличается сложным составом, основная масса компонентов нерастворимы в воде, нативное сырье содержит ингибирующие компоненты Возобновляемое растительное сырье как субстрат микробиологических технологий 3

Компоненты растительного сырья в зависимости от целевого продукта технологического процесса используются как субстрат (например, крахмал или целлюлоза при производстве этанола), а другие компоненты (в том числе, белковые компоненты зерна или лигнин и другие ценные компоненты древесины) образуют экологически вредные отходы. Решение проблемы экологической безопасности – использование современных технологий и оборудования, обеспечивающих комплексную переработку растительного сырья

Зерновое сырье ЗЕРНО КрахмалКлетчаткаБелки влага - 15, крахмал , белки - 15, сахар - 3, жиры ,5, клетчатка - 2, зола - 2, гемицеллюлоза - 8 5

Структурная схема технологических процессов комплексной переработки растительного сырья (на примере древесины лиственницы) 4

Основная объективно действующая движущая сила в создании технологий и производств глубокой переработки зерна – несоответствие содержания основных питательных веществ цельного зерна и прямых продуктов его переработки (мука, крупа) потребностям технического и пищевого применения и требования экологии. Например, в спиртовой промышленности сырьем, непосредственно участвующим в производственном процессе, является в основном крахмал, а белковые вещества (особенно водонабухающие) и клетчатка служат балластом. В пищевой и комбикормовой промышленности избыточное количество углеводов (крахмала) по сравнению с оптимальном в диетологическом смысле, вынуждает производителей вносить в рецептуры продуктов дополнительные источники белков БУЖ1:6-7:0,2 1:100:

ГЛУБОКАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНОГО И ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ - переход на новый уровень развития экономики зернового комплекса Пример научно-технического и технологического решения безотходной экологически безопасной переработки зернового сырья

Схема комплексной переработки зернового растительного сырья Схема комплексной переработки зернового растительного сырья.

Соотношение основных питательных веществ в пшеничном сырье, промежуточных результатах переработки и в конечных продуктах потребления Углеводы Белки Жиры Крахмал ~ 70% Прочие ~ 2- 5% Клейковина 8 - 9% Прочие < 4% < 2% Мука пшеничная Углеводы Белки Жиры Клетчатка < 10 % Прочие < 2% Клейковина 75% < 2% Клейковина товарная Углеводы Белки Жиры Крахмал > 85 % < 0,8% < 0,5% Крахмал сортовой Углеводы Белки Жиры Крахмал > 85 % < 0,8% < 0,5% Пищевое и техническое применение крахмала Углеводы Белки Жиры Крахмал % Прочие < 5% > % 2-7 % Пищевые и кормовые продукты СырьеПереработка Конечные продукты

Важным субъективным фактором сегодняшнего развития проектов технологий глубокой переработки пшеницы (и шире - зерновых культур) является наличие практикующих независимых исследовательских групп внутри РФ, ставящих перед собой цель создание передовых и применимых для условий РФ технологий выпуска продуктов глубокой переработки пшеницы (зерновых культур, в том числе традиционных для РФ – овес, рожь, ячмень). Исторически сложилось так, что основные исследования по технологиям глубокой переработки пшеницы в СССР, а позже в РФ производились в ГНУ НИИ Крахмалопродуктов РАСХН. Этим научным учреждением разработаны и проверены в опытной эксплуатации технологии глубокой переработки пшеницы, ячменя, ржи с суточным объемом производства 30 тн и более. В постсоветское время в разных районах РФ энтузиастами предпринимались попытки организовать на основе таких регламентов и собственных разработок производства с выпуском клейковины и крахмала, глюкозного сиропа, спиртовых продуктов. В частности, можно отметить многочисленные группы с Северо-Кавказского региона, а также Алтая, ЦФО, Калининградской области. Ни один из проектов не был доведен до конца. Обособленно от этих исследователей надо отметить группу в лаборатории биотехнологии ИБП РАН, занимающуюся вопросами комплексной переработки растительного и зернового сырья, и связанных с ней сотрудничеством предприятиями – ООО «Прогрессивные технологии в промышленности», ООО «ИРЕА-Пензмаш», ООО «Заветное». В лаборатории удалось создать оригинальную масштабируемую технологию переработки пшеничной муки на углеводно-белковый концентрат и крахмал, а также разработать и выпустить опытную партию ключевого оборудования для реализации такой технологии – центрифугу периодического действия ОВЦ 401-Н.

Глубокая переработка зерна пшеницы. Существующие промышленные технологии (версия Альфа Лаваль).

Примерная схема технологических решений

Все перечисленные технологические решения формируют 3 основных производственных потока: Водонерастворимые углеводы – крахмал Соответствует требованиям конечных потребителей по составу компонентов (слайд6)Водонерастворимые углеводы – крахмал Соответствует требованиям конечных потребителей по составу компонентов (слайд6) 1 Водонабухающий комплекс белков и углеводов (клейковина с клетчаткой)Водонабухающий комплекс белков и углеводов (клейковина с клетчаткой) Не соответствует требованиям конечных потребителей по составу компонентов, является полуфабрикатом (добавкой – улучшителем)Не соответствует требованиям конечных потребителей по составу компонентов, является полуфабрикатом (добавкой – улучшителем) 2 Водорастворимый комплекс белков и углеводовВодорастворимый комплекс белков и углеводов Соответствует требованиям конечных потребителей по составу компонентов, но почти всегда, по целому ряду причин, является отходом производства (в лучшем случае кормовой добавкой). 3

Решением задачи устранения несоответствия компонентов конечных продуктов схем глубокой переработки пшеницы может служить схема с двумя потоками продуктов – углеводнобелкового и крахмала

Решением задачи замещения использования сухой клейковины в хлебопекарных предприятиях может служить схема получения концентрата «живой» клейковины непосредственно на самом предприятии с использованием осадительной центрифуги

Сравнение оценок емкости рынка и объема требуемой переработки пшеницы для схем 3-х и 2х фазного потока Крахмал > тыс. тн/год Пищевые цели 500 тыс. тн/год Технические цели > тыс. тн/год Сырье для крахмалопаточной и микробиологических производств > тыс. тн/год (переспектива при реализации программы ТП «БиоТех2030») Сухая клейковина 200 тыс. тн/год Хлебопекарная промышленность 100 тыс. тн/год Прочее 100 тыс. тн/год Кормовая добавка Весь произведенный объем Объем переработки будет сдерживаться емкостью рынка сухой клейковины. Суммарный возможный объем переработки может составить величину тн. пшеницы/год Крахмал > тыс. тн/год Пищевые цели 500 тыс. тн/год Технические цели > тыс. тн/год Сырье для крахмалопаточной и микробиологических производств > тыс. тн/год (переспектива при реализации программы ТП «БиоТех2030») Углеводно-белковый концентрат >8 000 тыс. тн/год Хлебопекарная промышленность > тн/год Функциональное питание > тн/год Комбикорма > тн/год Зависимость объема переработки от емкости рынка сухой клейковины отсутствует. Суммарный возможный объем переработки может составить величину > тн. пшеницы/год

Сравнение удельных характеристик 3-х и 2-х фазной схем глубокой переработки пшеницы Стоимость оборудования приведенная к годовой производительности предприятия без капитальных затрат на инфраструктуру и здания. > 500 $ На 1 тыс. тн/год Минимально рентабельная суточная переработка (экспертная оценка) 300 тн пшеницы/сутки Потери сухих веществ в производственном процессе 2-5% Стоимость оборудования приведенная к годовой производительности предприятия без капитальных затрат на инфраструктуру и здания. < 300 $ На 1 тыс. тн/год Минимально рентабельная суточная переработка.

Оценка количества предприятий возможных к размещению на территории РФ при использовании 3-х и 2-х фазной схем глубокой переработки зерна При условии минимальной возможной переработки 300 тн пшеницы сутки и прогнозируемого рынка сухой клейковины в тн/год (выход 10 % от веса пшеницы) количество производств в РФ можно оценить величиной 20. Необходимо при таком объеме производства иметь ж/д хозяйство и станцию очистных сооружений. Минимальная оценка затрат на создание производств составляет величину 100 млн. уе. 20 При условии типового модуля с мощностью переработки 10 тн пшеницы сутки и прогнозируемого рынка углеводно-белковых концентратов тыс. тн количество производств в РФ можно оценить величиной более (при выходе концентрата в 55% от веса муки). Отсутствует при таком типе и объеме производства необходимость иметь ж/д хозяйство и станцию очистных сооружений. Минимальная оценка затрат на создание производств составляет величину около 1 млн. уе. > 3000

Широкое внедрение экологически безопасных биотехнологий комплексной переработки растительного и зернового сырья предусмотрено Программой развития Биотехнологического кластера ПУЩИНО, в которой запланировано выполнение ряда целевых проектов по созданию технологий и оборудования: 1. Широкое внедрение экологически безопасных биотехнологий комплексной переработки растительного и зернового сырья предусмотрено Программой развития Биотехнологического кластера ПУЩИНО, в которой запланировано выполнение ряда целевых проектов по созданию технологий и оборудования: 1.Организация производства и поставок комплектного лабораторного биотехнологического оборудования, включающее подсистемы стерилизации оборудования и питательных сред и биореакторное оборудование для оснащения научных и образовательных учреждений и производственных лабораторий действующих и проектируемых производственных лабораторий биотехнологических предприятий. 2. Разработка, освоение производства, организация поставок и технического сопровождения биотехнологического оборудования пилотного с вместимостью биореакторов 100 литров и промышленного с вместимостью биореакторов 1000 литров уровней для модернизации действующих и оснащения новых биотехнологических производств. 3. Разработка аппаратно-программного комплекса для создания автоматизированных систем управления многостадийными биотехнологическими процессами, включая совмещенные процессы твердофазного и жидкофазного культивирования микроорганизмов с возможностью моделирования и разработки алгоритмов

4.Разработка методов и оборудования для обеспечения энергоэффективности биотехнологических процессов и производства биотехнологических продуктов. 5. Разработка, освоение производства и организация поставок технологий и оборудования комплексной переработки растительного зернового сырья для получения биологически активных компонентов на стадии предварительной подготовки сырья, белково-углеводных концентратов за счет отделения избыточного крахмала на стадии основного производственного процесса и микробиологической конверсии выделенного крахмала в пищевые и технические продукты 6. Реконструкция Опытного производства ИБП РАН и создание опытно-производственного участка (обновление производственной инфраструктуры, оснащение технологическим оборудованием и сертификация) для выпуска биотехнологического оборудования для использования в фармацевтических и пищевых производствах 7. Создание опытно-экспериментального автоматизированного энергоэф-фективного пилотного биотехнологического участка для работы в условиях центра коллективного пользования для исследований микробных и клеточных опытно-промышленных биотехнологий, для выпуска опытных партий продуктов и обеспечения возможности их регистрации