Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0046

Руководитель: Герасименко Евгений Олегович

Должность: профессор кафедры технологии жиров

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
«зеленые» технологии, термическая конверсия, пиролиз, газификация, биогаз, химическая конверсия, фуранохимия, органический синтез, методы green chemistry, домино-процессы, биоэтанол, экстрагировании масличного сырья биоэтанолом, получение фракционированных лецитинов, растительный белок, жирорастворимые физиологически активные нутриенты

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.

Основные планируемые результаты проекта:
1. 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.
2. Результаты экспериментальных исследований, включающие описание исследований и результаты разработки способа экструдирования ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции биоэтанолом. На основе сопоставительного анализа известных и полученных результатов можно сделать вывод о том, что полученные результаты являются новыми;
3. Результаты экспериментальных исследований, включающих описание исследований и результаты разработки технологии экстрагирования липидов из ядра подсолнечника биоэтанолом, обеспечивающей получение физиологически ценных масел, фракционированных лецитинов и пищевого растительного белка.
4. Эффективная технология термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых на примере зерна риса и семян подсолнечника методом пиролиза с получением высокоочищенного сингаза, 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.
5. 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 сингазового оборудования отсутствует.
6. 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.
7. 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
8. 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. 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.
10. 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. Реализация технологии позволит осуществить эффективное получение растительных фосфолипидов, являющихся ценным ингредиентом для пищевых технологий. Решит проблему импортозамещения лецитина
11. 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.
12. Техническое задание 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.
13. Способ тостирования пищевого высокобелкового шрота.
Промышленное получение пищевого шрота из семян подсолнечника до настоящего времени не реализовано, однако, белок семян подсолнечника является ценным пищевым сырьем.
14. Результаты экспериментальных исследований с применением новой стратегии построения гетероциклических систем «раскрытие фуранового цикла – формирование нового гетероцикла», демонстрирующие эффективный способ получения новых химических соединений, обладающих потенциальной биологической активностью, в том числе в отношении профилактики и коррекции ряда социально-значимых заболеваний



Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Рабочий проект линии термической конверсии отходов переработки масличных культур и злаковых, методом пиролиза с получением высокоочищенного сингаза, предусматривающая дифференцированное отделение полидисперсных фракций золы и смол с низкой и высокой температурами конденсации.
Актуальность проекта обусловлена низкой эффективностью отделения золы по существующем технологиям, в связи с ее полидисперсным составом и высокой абразивностью.
Реализация проекта 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 аналогичного оборудования отсутствует
2. Техническая документация, включающая технологические инструкции и технические условия на физиологически ценное растительное масло, пищевой растительный белковый продукт; фракционированный и фракционированный обезжиренный лецитин.
Актуальность 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.
Реализация технологии позволит осуществить эффективное получение растительных фосфолипидов, являющихся ценным ингредиентом для пищевых технологий. Решит проблему импортозамещения лецитина.
3. Опытные партии продукции, выработанные на пилотных и экспериментальных установках. Результаты комплексной оценки их безопасности, физико-химических и технологических характеристик, пищевой и физиологической ценности.
4. Новая стратегия построения гетероциклических систем "раскрытие фуранового цикла – формирование нового гетероцикла" с целю создания новых химических соединений 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. 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.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИ могут быть использованы для применения в области разработки «зеленых» технологий глубокой переработки зернового и масличного сырья, предусматривающих получение в качестве основных продуктов физиологически ценных растительных масел, пищевого растительного белка и фракционированных лецитинов; термическую и глубокую химическую конверсию образующихся отходов с получением высокоочищенного сингаза, а также биологически и фармакологически активных соединений идентичных природным. Указанные технологии могут быть использованы на предприятиях перерабатывающей и пищевой промышленности АПК, предприятиях фармацевтической, биогазовой и биотопливной отраслей.
Разработанная в рамках 2 этапа ПНИ система контроля и управления качеством технологического процесса термической конверсии соответствует конкретным потребностям индустриального партнера и будет внедрена в рамках заключенного договора.
Социально-экономический эффект от внедрения полученных научно-технических результатов, заключается в снижении уровня загрязнения окружающей среды и оптимизации экологической обстановки; выводе на рынок новых продуктов – экструдированного ядра и физиологически ценного масла, на базе которых может быть расширен ассортимент продукции специализированного и функционального питания; получения новых продуктов органического синтеза для создания отечественных фармацевтических препаратов, не только не уступающих современным зарубежным образцам, но и превосходящих их по эффективности фармакологического действия. Это в целом позволит снизить уровень возникновения и распространения социально значимых заболеваний, а, следовательно, предотвратить их последствия, связанные с потерей трудоспособности социально активными гражданами, затратами на медицинское обслуживание, демографическими проблемами и т.д.
Экономический эффект заключается в реализации новых технологических и технических решений, обладающих патентоспособностью и обеспечивающих повышение эффективности применения существующего зарубежного оборудования для комплексной переработки масличного и злакового сырья в условиях отечественного АПК.

Текущие результаты проекта:
Результаты экспериментальных исследований, включающие описание исследований и результаты разработки способа экструдирования ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции биоэтанолом. В том числе установлены особенности состава и морфологии ядра семян подсолнечника современной селекции; обоснована замена традиционной влаготепловой обработки семян насыщением их этанолом; установлено, что добавление абсолютизированного этанола к ядру перед загрузочной камерой экструдера в количестве 50% существенно повышает эффективность экструзии, что выражается в увеличении пористости эструдата и возрастании выхода масла; разработан способ экструдирования безлузгового ядра подсолнечника с целью подготовки его к экстракции биоэтанолом;
- Результаты экспериментальных исследований, включающих описание исследований и результаты разработки технологии экстрагирования липидов из ядра подсолнечника биоэтанолом, обеспечивающей получение физиологически ценных масел, фракционированных лецитинов и пищевого растительного белка. В том числе: впервые показана целесообразность применения импульсного электрического поля (ИЭП), в качестве метода интенсификации процессов выделения масла из безлузгового ядра семян подсолнечника современной селекции; предложен механизм воздействия ИЭП и установлены значения параметров ИЭП, обеспечивающие наибольшее влияние на показатель выхода масла (более 9% по сравнению с контролем): напряженность 7 кВ/см; частота 15Гц, содержание этанола 40мас%, время обработки 30 с; длительность импульса 30 мкс; установлено, что наибольшее влияние на выход масла при экстракции оказывает соотношение «экструдат – экстрагент», при этом, наибольшая эффективность экстракции достигается при величине Re 8000; установлено, что с повышением температуры экстракции в групповом составе фосфолипидов снижается содержание фосфатидилхолинов, а также приводит к увеличению содержания в масле фосфолипидов и β-каротина, при незначительном изменении содержания других сопутствующих липидов; показано, что гидродинамический режим экстракции практически не оказывает влияния на групповой состав фосфолипидов и состав сопутствующих липидов; разработана технология экстрагирования липидов из ядра подсолнечника биоэтанолом, которая оказывает щадящее воздействие на липидную часть ядра
Разработано техническое задание на разработку автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) термической конверсии отходов переработки зерна риса. Результат получен Индустриальным партнером на основе переданной ему документации, полученной при разработке системы контроля и управления качеством технологического процесса термической конверсии.
Разработана экологическая и электрическая части пояснительной записки проекта линии утилизации отходов переработки риса с получением высокоочищенного сингаза. Результат получен Индустриальным партнером на основе переданной ему документации, полученной при осуществлении ПНИ. Результат необходим для дальнейшего внедрения разработанной технологии газификации на перерабатывающих предприятиях АПК России.
Разработана техническая документация на АСУТП. Результат получен Индустриальным партнером на основе переданной ему документации, полученной при осуществлении ПНИ. Результат необходим для дальнейшего внедрения разработанной технологии газификации на перерабатывающих предприятиях АПК России.
Разработано техническое задание на проектирование экспериментальной линии утилизации подсолнечной лузги с получением высокоочищенного биогаза.
Разработана технология отделения нейтральных липидов и гликолипидов от фосфолипидов, основанная на использовании селективного экстрагента;
Разработан способ выделения фракции фосфолипидов, обогащенной фосфатидилхолином, из биоэтанольной мисцеллы;
Разработана технологии получения фракционированных лецитинов (содержание фосфатидилхолинов в продукте не менее 60%).
Разрабоана и изготовлена экспериментальная установка для получения обезжиренных лецитинов;
Разработана Программа испытаний и проведены испытания экспериментальной установки для получения обезжиренных лецитинов;
Осуществлен полный синтез производных пирролодиазепинов;
Осуществлен полный синтез нафтофуранов.
Изучена тонкая структура синтезированных соединений методами ядерно-магнитного резонанса (ЯМР);
Установлена структура синтезированных органических соединений методами масс-спектрометрии, ИК-спектроскопии, рентгеноструктурным анализом.
Разработана строительная часть проекта линии термической конверсии отходов переработки злаковых для размещения экспериментальной технологической линии утилизации отходов переработки риса.