Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание и трансфер зеленых технологий глубокой переработки зернового и масличного сырья с целью снижения потерь от социально значимых заболеваний

Докладчик: Герасименко Евгений Олегович

Должность: профессор кафедры технологии жиров, косметики, товароведения, процессов и аппаратов, Директор Инновационного центра КубГТУ

Цель проекта:
Основной проблемой, на решение которой направлен проект является снижение потерь от социально значимых заболеваний путем разработки и реализации превентивных мер, направленных на нивелирование основных факторов их возникновения и развития, а именно, экологии и питания. Целями проекта являются: 1. Снижение экологической нагрузки на природу и уровня загрязнения окружающей среды, путем разработки и внедрения технологии получения биогаза из отходов переработки основного продовольственного сырья растительного происхождения – масличных культур и злаковых на примере подсолнечника и риса. 2. Структурно- технологическая модернизация агропромышленного комплекса, основанная на переходе на «зеленые» технологии мирового уровня, предусматривающие эффективную утилизацию отходов, получение и использование возобновляемых источников энергии, рациональное переработку продовольственного сырья с максимальным использованием всех его компонентов. 3. Вывод на рынок новых технологических и технических решений, реализующих системный подход к обеспечению ресурсосберегающей переработки растительного сырья с получением высокотехнологичных конечных продуктов, составляющих оптимальный ассортимент с позиций социально-экономической значимости продукции и ее вклада в нивелирование макроэкономических, технологических, агроэкологических и внешнеторговых рисков и угроз обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации. 4. Повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования, используемого для реализации термической конверсии отходов (производства биогаза, его тригенерации), химической конверсии (производство фурфурола и пентозанов, производство биоэтанола). 5. Вывод на рынок физиологически ценных растительных масел, характеризующихся природным составом триацилглицеринов и содержащих физиологически ценные нутриенты, такие, как природные антиоксиданты, жирорастворимые витамины и витаминоподобные вещества. 6. Обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта фракционированных лецитинов, широко используемых в современных пищевых технологиях, в том числе при производстве продуктов специализированного питания, а также являющихся сырьем для получения липосомальных систем и фармацевтических субстанций. 7. Вывод на рынок новых методов и технологий органического синтеза основанных на принципах Green Chemistry, являющихся вкладом в возрождение отечественной фармацевтической промышленности путем поиска и создания новых лекарственных средств, не только не уступающих современным зарубежным образцам, но и превосходящих их по эффективности фармакологического действия. Достижение указанных целей планируется путем выполнения наукоемких исследований по разработке «зеленых» технологий глубокой переработки зернового и масличного сырья для снижения потерь от социально значимых заболеваний, в том числе: -. разработка технологии термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых на примере зерна риса и семян подсолнечника методом пиролиза с получением высокоочищенного биогаза; - разработка технологии экстрагирования липидов из ядра подсолнечника с получением в качестве целевых продуктов физиологически ценного подсолнечного масла, фракционированных фосфолипидов и пищевого растительного белка; - разработка методов направленного синтеза новых гетероциклических систем из продуктов глубокой переработки пентозансодержащего сырья, в рамках химической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых, для поиска новых лекарственных препаратов, химических средств защиты растений и органических наноматериалов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Результаты теоретических изысканий на основе анализа современной научно-технической, методической литературы и нормативной документации по задачам исследования.
2. Результаты патентных исследований.
3. Выбор и обоснование направления исследования и наиболее эффективные пути решения поставленных задач с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичным проблемам..
4. Научная концепция решения проблемы по направлениям ПНИ.
5. Результаты анализа данных экологического мониторинга предприятий, реализующих технологии утилизации отходов переработки масличных и злаковых культур методами газификации и пиролиза, во взаимосвязи с данными медицинской статистики по заболеваемости и болезненности населения, проживающего в окружающей местности. Полученные результаты позволяют сформулировать конкретные задачи по улучшению экологических показателей линий термической конверсии отходов и будут являться аргументом для предприятий в пользу внедрения разработанных технических и технологических решений.
6. Программы лабораторных исследований по следующим направлениям:
- термическая конверсия целлюлозосодержащего сырья (лузги и соломы) с получением высокоочищенного биогаза;
- экструдирование безлузгового ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции;
- экстракция липидсодержащих компонентов с использованием биоэтанола, в том числе отделение нейтральных липидов и гликолипидов от фосфолипидов;
- синтез гетероциклических систем для получения соединений, обладающих биологической и фармакологической активностью.
7. Результаты лабораторных исследований по разработанным программам.
8. Эффективная технология термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых на примере зерна риса и семян подсолнечника методом пиролиза с получением высокоочищенного биогаза, предусматривающая дифференцированное отделение полидисперсных фракций золы и смол с низкой и высокой температурами конденсации.
Необходимость получения результата определяется низкой эффективностью отделения золы по существующем технологиям, в связи с ее полидисперсным составом и высокой абразивностью. Планируется получение результата, способного к правовой охране.
8.1 Техническое задание на разработку или модификацию аппаратурного оформления узлов очистки биогаза, обеспечивающих получение продукта (высокоочищенного биогаза), соответствующего требованиям высокоэффективных когенерационных установок и экологическим требованиям.
8.2 Технологические решения, обеспечивающие стабилизацию эффективной работы линии при различных температурах окружающей среды.
Полученные решения позволят обеспечить эффективную работу линии в условиях различных регионах РФ, в том числе тех, для которых характерны резкие колебания температур, что является нерешенной проблемой для существующих зарубежных установок. Отечественное серийное производство биогазового оборудования отсутствует. Планируется получение результата, способного к правовой охране.
8.3 Техническое задание на аппаратурное оформление технологии термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых на примере зерна риса и семян подсолнечника.
Получение результата позволит осуществить научно обоснованный подход к выбору и необходимой модификации технологического оборудования и комплектации линии в целом, особенностью которой будет возможность эффективной термической конверсии отходов переработки, как масличного, так и зернового сырья.
8.4. Система контроля и управления технологическим процессом в автоматическом режиме применительно к разработанной технологии термической конверсии;
Необходимость разработки обоснована отсутствием стандартных решений применительно к разрабатываемой линии и модернизированному оборудованию. Получение результата позволит управлять технологическим процессом в критических точках и обеспечит стабильную работу линии с получением продукции заданного уровня качества.
9 Технология экстрагирования липидов из ядра подсолнечника с получением в качестве целевых продуктов физиологически ценного подсолнечного масла, фракционированных фосфолипидов и пищевого растительного белка.
В отличие от углеводородных растворителей биоэтанол получают из возобновляемого сырья, его применение в пищевых технологиях минимизирует риски негативного воздействия на природу и человека.
9.1 Способ экструдирования ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции биоэтанолом.
Необходимость получения результата обусловлена спецификой используемого сырья- безлузгового ядра подсолнечника, требованиями к сохранению физиологической ценности целевых продуктов и спецификой выбранного экстрагента – биоэтанола. Существующие технологии экструдирования разработаны в основном применительно к низкомасличному сырью и ориентированы на подготовку сырья для последующей экстракции углеводолродным растворителем. Планируется получение результата, способного к правовой охране.
9.2 Оптимизация технологии получения биоэтанола. Технологические режимы химической конверсии целлюлозосодержащего сырья с получением биоэтанола, соответствующего требованиям, предъявляемым для материалов, используемых в пищевых технологиях.
Получение биоэтанола, соответствующего требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в пищевых технологиях, соответствует мировым тенденциям развития экстракционного производства липидсодержащего растительного сырья. В России промышленно ориентированные технологии получения биоэтанола высокой степени чистоты до настоящего времени отсутствует. Отработка разработанных режимов на имеющейся опытной установке позволит позволит сформулировать технические требования к процессу, которые будут использованы при организации биоэтанола требуемого уровня качества в промышленных масштабах.
9.3 Математическая модель экстракции липидов из ядра подсолнечника с использованием биоэтанола в качестве экстрагента.
Разработанная модель позволит осуществлять численное моделирование технологических процессов экстракции, учитывая особенности используемого экстрагента, особенности структуры и химического состава используемого сырья и прогнозирование качественных показателей получаемых продуктов.
9.4 Технологии выделения фракции фосфолипидов, обогащенной фосфатидилхолином, из биоэтанольной мисцеллы.
Необходимость решения задачи обусловлена отсутствием промышленно ориентированных технологий экстракции масличного сырья биоэтанолом. Особенностью и инновационной составляющей предлагаемого подхода является совмещение процессов извлечения липидов с фракционированием их по степени полярности и способности к мицеллообразованию и корреляционной температурной зависимости растворимости липидов и фосфолипидов в биоэтаноле. Планируется получение результата, способного к правовой охране.
Реализация технологии позволит осуществить эффективное получение растительных фосфолипидов, являющихся ценным ингредиентом для пищевых технологий. Решит проблему импортозамещения лецитина.
9.5 Технология отделения нейтральных липидов и гликолипидов от фосфолипидов с последующим получением фракционированных фосфолипидов заданной степени чистоты.
В настоящее время промышленно ориентированная технология отделения гликолипидов от фосфолипидов не разработана, однако, является важной задачей. Присутствие гликолипидов в фосфолипидном комплексе снижает степень проявления фосфолипидами технологически и физиологически функциональных свойств, а также затрудняет их прогнозирование.
Реализация технологии решит проблему импортозамещения лецитина предназначенного для использования в технологиях продуктов специализированного назначения, для создания липосомальных систем или фармацевтических субстанций.
9.6 Техническое создание на проектирование экспериментальной установки по получению фракционированного обезжиренного лецитина.
Экспериментальные и полупромышленные установки по получению обезжиренных фосфолипидов при использовании в качестве сырья фракционированных фосфолипидов в РФ отсутствуют.
9.7 Способ дистилляции биоэтанольной мисцеллы, обеспечивающего сохранение физиологически-ценных свойств получаемого масла.
Необходимость получения результата обусловлена новизной используемого экстрагента.
9.8 Способа тостирования пищевого высокобелкового шрота.
Промышленное получение пищевого шрота из семян подсолнечника до настоящего времени не реализовано, однако, белок семян подсолнечника является ценным пищевым сырьем.
9.9 Технологическая схема и аппаратурное оформление технологии биоэтанольной экстракции, включая получение фракционированного лецитина, дистилляцию мисцеллы, тостирование шрота с получением пищевого белкового продукта.
Получение результата необходимо для осуществления трансфера технологии и ее коммерциализации.
9.10 Технологическая схема и аппаратурного оформления технологии обезжиривания фракционированных лецитинов с получением БАД, а также сырья для липосомальных систем и фармацевтических субстанций.
Получение результата необходимо для осуществления трансфера технологии и ее коммерциализации.
9.11 Техническая документация, включающая технологические инструкции и технические условия на физиологически ценное растительное масло, пищевой растительный белковый продукт; фракционированный и фракционированный обезжиренный лецитин.
9.12 Опытные партии продукции, выработанные на пилотных и экспериментальных установках. Результаты комплексной оценки их безопасности, физико-химических и технологических характеристик, пищевой и физиологической ценности.
Необходимость получения результата обусловлена новизной используемых технологий и получаемых продуктов.
10. Методы направленного синтеза новых гетероциклических систем из продуктов глубокой переработки пентозансодержащего сырья, исходным сырьем для получения которого являются отходы переработки масличных культур и злаковых, для поиска новых лекарственных препаратов, химических средств защиты растений и органических наноматериалов
10.1 Новые знания о природе гетероциклических соединений, механизмах химических процессов, протекающих с их участием.
10.2 Новая стратегия построения гетероциклических систем "раскрытие фуранового цикла – формирование нового гетероцикла" с целю создания новых химических соедиений с потенциальной биологической активностью.
Такой стратегических подход к планированию органического синтеза соответствует одному из основополагающий принципов Green Chemistry – в ходе одного химического процесса реализуется несколько химических реакций (так называемые домино-процессы), что позволяет существенно сократить количество стадий полного синтеза, а, следовательно, отходов производства, растворителей, затрат энергии и пр.
10.3 Методы органического синтеза гетероциклов через домино-реакции раскрытия фуранового цикла и одновременного формирования другого гетероцикла.
10.4 Новые уникальные химические соединения (производных пирролодиазепинов и нафтофуранов) с высокой потенциальной биологической активностью.
О практической важности двух классов гетероциклических соединений (производных пирролодиазепинов и нафтофуранов) свидетельствуют многочисленные литературные сведения о применении бензодиазепинов и нафтофуранов в медицинской практике в качестве лекарственных препаратов (назепам, хлорназепам и другие антидепрессанты), а также данные о других видах их биологического действия.
Предлагаемые в настоящем проекте подходы к получению гетероциклов через домино-реакции раскрытия фуранового цикла и одновременного формирования другого гетероцикла не имеют аналогов в мировой науке и пока не имеют конкурентов в синтетической органической химии. В связи с этим, необходимо интенсифицировать научные исследования в данном направлении, имеющем важное теоретическое и прикладное значение для развития органического синтеза и закрепления приоритета отечественной науки.
11 Предложения и рекомендации по внедрению разработанных технических и технологических решений и (или) технологий в целом на предприятиях агропромышленного комплекса, в том числе на зерноперерабатывающих предприятиях, и предприятиях масложировой отрасли, в биогазовой и биотопливных отраслях, предприятиях пищевой и фармацевтической промышленности.
12 Результаты испытаний разработанных технологий, методов контроля и управления технологическими процессами на пилотных технологических установках имеющихся и приобретаемых ЦКП, отдельные технологии и методы контроля и управления технологическими процессами будут испытаны в производственных условиях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты характеризуются высоким потенциалом коммерциализации.
Прежде всего, это определяется тем, что реализация разработок, выполненных в рамках проекта, явится весомым вкладом в решение актуальной, государственной проблемы структурно- технологической модернизации агропромышленного комплекса. При этом масштабность применения отдельных результатов достаточно велика, так как их потенциальными потребителями являются предприятия биогазовой и биотопливной отрасли, предприятия пищевой промышленности, химической промышленности, а также фармацевтические предприятия.
Результаты ПНИ могут быть использованы для применения в области разработки «зеленых» технологий глубокой переработки зернового и масличного сырья, предусматривающих термическую и глубокую химическую конверсию образующихся отходов с получением высокоочищенного биогаза, используемого для последующей тригенерации, а также с получением биологически и фармакологически активных соединений; обеспечивающих получение в качестве основных продуктов физиологически ценных растительных масел, растительного белка и фракционированных лецитинов. Указанные технологии могут быть использованы на предприятиях перерабатывающей и пищевой промышленности АПК, предприятиях фармацевтической, биогазовой и биотопливной отрасли.
Разработанная в рамках ПНИ технология термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых на примере зерна риса и семян подсолнечника методом пиролиза с получением высокоочищенного биогаза соответствует конкретным потребностям индустриального партнера и будет внедрено в рамках заключенного договора.
Разработанные технологии экстракции масличного сырья с использованием биоэтанола, обеспечивающие получение физиологически ценных масел, фракционированных лецитинов и пищевого растительного белка могут быть использованы при проведении опытно-технологических работ с целью их последующего внедрением на предприятиях масложировой отрасли, предприятиях пищевой промышленности, а также предприятиях, производящих биологически активные добавки к пище, в том числе филиал «МЭЗ Лабинский» ООО «МЭЗ Юг Руси», г. Лабинск; ЗАО «Арт-Лайф», г.Томск; ОАО «Ювикс Фарм», г. Краснодар.
Оптимизированные технологии химической конверсии целлюлозосодержащего сырья с получением биоэтанола могут быть использованы при проведении опытно-технологических работ с целью создания производства биоэтанола, используемого в качестве экстрагента липидов, возобновляемого энергоресурса, а также сырья для органического синтеза, в рамках зарноперерабатывающих предприятияй и предприятий масложировой отрасли.
Результаты ПНИ в области химии гетероциклических соединений могут быть востребованы научно-исследовательскими структурами университетов и академии наук, работающими в области тонкого органического синтеза, например, использованы в научных исследованиях Московского государственного университета, Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, Южного федерального университета и НИИ ФОХ ЮФУ, Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского, Новосибирского Института органической химии СО РАН и других научных организаций, работающих в области органического синтеза.
Результаты ПНИ в области химии гетероциклических соединений могут быть также востребованы организациями изучающими биологические свойства новых химических соединений с целью создания новых лекарственных препаратов и химических средств защиты растений, например, Химико-фармацевтическим институтом им. С. Орджоникидзе, Естественно-научным институтом Пермского государственного университета и др.
Социально-экономический эффект от внедрения полученных научно-технических результатов прежде всего заключается в снижении экологической нагрузки на природу, путем разработки и внедрения технологии получения биогаза из отходов переработки основного продовольственного сырья растительного происхождения – масличных культур и злаковых на примере подсолнечника и риса. Наряду с этим на рынок будут выведены продукты нового уровня качества, такие, как физиологически ценные растительные масла, характеризующихся нативным составом триацилглицеринов и содержащие физиологически ценные нутриенты, в том числе природные антиоксиданты, жирорастворимые витамины и витаминоподобные вещества; фракционированные лецитины, обладающие рядом физиологически и технологически функциональных свойств и широко используемых в современных пищевых технологиях, в том числе при производстве продуктов специализированного питания, а также являющихся сырьем для получения липосомальных систем и фармацевтических субстанций. Последнее будет вкладом в обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта, так как в настоящее время конкурентоспособные лецитины в России не производятся и нужды предприятий пищевой и фармацевтической промышленности удовлетворяются за счет импортной продукции, не всегда соответствующей требованиям безопасности, предъявляемым к ингредиентам для продуктов специализированного, в том числе детского питания, и субстанциям для производства фармпрепаратов.
Снижение уровня загрязнения окружающей среды, оптимизация экологической обстановки и вывод на рынок физиологически ценных продуктов, на базе которых может быть расширен ассортимент продукции специализированного питания позволит снизить уровень возникновения и распространения социально значимых заболеваний, а, следовательно и предотвратить их последствия, связанные с потерей трудоспособности социально активными гражданами, затратами на медицинское обслуживание, демографическими проблемами и т.д.
Экономический эффект будет заключаться в выводе на рынок новых технологических и технических решений, обладающих патентоспособностью и реализующих системный подход к обеспечению ресурсосберегающей переработки растительного сырья с получением высокотехнологичных конечных продуктов, составляющих оптимальный ассортимент с позиций социально-экономической значимости продукции и ее вклада в нивелирование макроэкономических, технологических, агроэкологических и внешнеторговых рисков и угроз обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации.
Перспективность вновь создаваемой интеллектуальной собственности, в том числе связанной с разработкой патентоспособных способов модернизации технологических процессов и оборудования определяется тем, что их внедрение обеспечит повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования, например, используемого для реализации термической конверсии отходов (производства биогаза, его тригенерации), химической конверсии (производство фурфурола и пентозанов, производство биоэтанола);
Новые знания о природе гетероциклических соединений будут использованы в учебных курсах по дисциплинам «Органическая химия» и «Химия гетероциклических соединений».
Новые методы синтеза будут использованы в практике тонкого органического синтеза лабораторий университетов и академии наук. Полученные новые химические соединения могут стать предметом исследования организаций, работающих в области создания новых лекарственных препаратов и химических средств защиты растений. Конкурентные преимущества заявляемой тематики состоит в том, что все получаемые вещества новые, поэтому могут быть легко защищены патентами при обнаружении того или иного вида биологического действия
В целом, вывод на рынок новых методов и технологий органического синтеза основанных на принципах Green Chemistry, являющихся вкладом в возрождение отечественной фармацевтической промышленности путем поиска и создания новых лекарственных средств, не только не уступающих современным зарубежным образцам, но и превосходящих их по эффективности фармакологического действия.

Текущие результаты проекта:
В результате первого этапа выполнения работ по проекту получены следующие результаты.
Результаты теоретических изысканий на основе анализа современной научно-технической, методической литературы, нормативной и патентной документации. Среди проанализированных источников 87 опубликован за период 2009-2013 гг, что соответствует требованиям технического задания.
Получены результаты патентных исследований по задачам исследования в рамках основных целей выполнения ПНИ.
Сформулированы обоснованные направления исследований и предложенные на их основе наиболее эффективные пути решения поставленных задач.
Обоснован оптимальный алгоритм исследований по основным направлениям ПНИ с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичным тематикам.
Сформулирована научная концепция решения проблемы по направлениям ПНИ, заключающаяся в применении альтернативных по отношению к традиционно используемым технологических и технических приемов, соответствующих принципам «зеленых» технологий и реализующих системный подход к обеспечению ресурсосберегающей переработки растительного сырья с получением высокотехнологичных конечных продуктов, составляющих оптимальный ассортимент с позиций социально-экономической значимости продукции и ее вклада в проблему снижения потерь от социально значимых заболеваний и нивелирование макроэкономических, технологических, агроэкологических и внешнеторговых рисков и угроз обеспечения продовольственной безопасности Российской Федерации.
Разработаны программы проведения лабораторных исследований по направлениям:
- термическая конверсия целлюлозосодержащего сырья (лузги и соломы) с получением высокоочищенного биогаза;
- экструдирование безлузгового ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции;
- экстракция липидсодержащих компонентов с использованием биоэтанола, в том числе отделение нейтральных липидов и гликолипидов от фосфолипидов;
- синтез гетероциклических систем для получения соединений, обладающих биологической и фармакологической активностью.
Проведен анализ данных экологического мониторинга во взаимосвязи с данными медицинской статистики по заболеваемости и болезненности населения, проживающего в местности расположения перерабатывающих предприятий АПК, что позволило сформулировать конкретные задачи по улучшению экологических показателей линий термической конверсии отходов.
Получены результаты лабораторных исследований по направлению: термическая конверсия целлюлозосодержащего сырья (лузги и соломы) с получением высокоочищенного биогаза.
Разработана эффективная технология термической конверсии отходов переработки злаковых на примере зерна риса с получением высокоочищенного биогаза, предусматривающая дифференцированное отделение полидисперсных фракций золы и смол с низкой и высокой температурами конденсации.
Разработанные технологические решения, обеспечивающие стабилизацию эффективной работы экспериментальной технологической линии при различных температурах окружающей среды являются патентоспособными. Поданы 2 заявки на патент на изобретение.
Разработано Техническое задание на проектирование экспериментальной линии утилизации отходов переработки риса с получением высокоочищенного биогаза, в том числе разработаны требования для модификации конструкции газификатора.
Разработана стратегия построения гетероциклических систем "раскрытие фуранового цикла – формирование нового гетероцикла" с целью создания новых химических соединений с потенциальной биологической активностью.