Биотехнологический инновационный территориальный кластер ПУЩИНО Российская академия наук Институт биологического приборостроения с опытным производством 1 Экологические проблемы переработки возобновляемого растительного сырья биотехнологическими методами 2 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. Субстрат (растительное и зерновое сырьё) Продуцент (грибы, бактерии, дрожжи) + = Полезный продукт: биотопливо (спирты), белок, жиры, витамины микробного происхождения Биотехнологическое оборудование Несовершенство применяемых в настоящее время технологий при переработке возобновляемого растительного сырья порождают экологические проблемы Возобновляемое растительное сырье как субстрат микробиологических технологий 3 Растительное сырье как субстрат отличается сложным составом, основная масса компонентов нерастворимы в воде, нативное сырье содержит ингибирующие компоненты 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 5 Зерновое сырье ЗЕРНО Крахмал Клетчатка Белки влага - 15, крахмал - 65-68, белки - 15, сахар - 3, жиры - 2-2,5, клетчатка - 2, зола - 2, гемицеллюлоза -8 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 В цельном зерне и муке (крупах) соотношение белков-углеводовжиров (БУЖ) находится в диапазоне 1:6-7:0,2. Для спиртовой промышленности оптимально соотношение 1:100:<1, для пищевой и комбикормовой промышленности оптимальным соотношением БУЖ в продуктах является диапазон значений 1:3- 4:0,5 ГЛУБОКАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНОГО И ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ - переход на новый уровень развития экономики зернового Пример научно-технического икомплекса технологического решения безотходной экологически безопасной переработки зернового сырья Схема комплексной переработки зернового растительного сырья. сырья Соотношение основных питательных веществ в пшеничном сырье, промежуточных результатах переработки и в конечных продуктах потребления Мука пшеничная Крахмал сортовой применение крахмала Клейковина товарная Сырье Пищевое и техническое Переработка Пищевые и кормовые продукты 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: 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 Объем переработки будет сдерживаться емкостью рынка сухой клейковины. Суммарный возможный объем переработки может составить величину 2 000 000 тн. пшеницы/год Зависимость объема переработки от емкости рынка сухой клейковины отсутствует. Суммарный возможный объем переработки может составить величину > 10 000 000 тн. пшеницы/год Сравнение удельных характеристик 3-х и 2-х фазной схем глубокой переработки пшеницы Оценка количества предприятий возможных к размещению на территории РФ при использовании 3х и 2-х фазной схем глубокой переработки зерна При условии минимальной возможной переработки 300 тн пшеницы сутки и прогнозируемого рынка сухой клейковины в 200 000 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. > 3000 20 При условии типового модуля с мощностью переработки 10 тн пшеницы сутки и прогнозируемого рынка углеводно-белковых концентратов 8 000 тыс. тн количество производств в РФ можно оценить величиной более 3 000 (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. 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 1. 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