CC BY
72ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕПРОЦЕССЫ,МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 664+663: 66.081.6
Области применения, эффективность и перспективы использования баромембранных процессов в АПК
Н. Д. ЛУКИН, д-р техн. наук
ВНИИ крахмалопродуктов — филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова, п. Красково, Московская обл. В. Л. КУДРЯШОВ, канд. техн. наук
ВНИИ пищевой биотехнологии — филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, Москва
На 8-ом международном Гайдаровском форуме (январь 2017 г.) одной из основных проблем экономики РФ признано технологическое отставание. Следовательно, вновь создаваемые производства должны основываться не на традиционных, а на принципиально новых технологиях, которыми являются биотехнологические и мембранные процессы (МП) [1—3]. Они относятся к двум критическим технологиям РФ, а именно — №3 (биотехнологические, биосинтетические технологии) и № 8 (нано-, биотехнологии), входящим в «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ», а именно — № 2 (индустрия наносистем), № 4 (науки о жизни), № 6 (рациональное природопользование) и № 8 (энергоэффективность и энергосбережение), которые утверждены Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. № 899).
Модернизируемые и вновь создаваемые пищевые производства должны быть экспортоориентированными, а не просто импортозамещающими. Иначе, после снятия санкций, они не выдержат конкуренции на мировом рынке, а, следовательно, усилия и затраты могут оказаться напрасными. В настоящее время это возможно только в результате освоения нового технологического уклада, в который входят также нанобиотехнологические и МП.
Существует широкий класс МП, различающихся движущими силами, диаметром пор, используемыми материалами и другими свойствами мембран [1—3].
На предприятиях АПК наиболее распространены баро-мембранные процессы (БМП): микрофильтрация (МФ), ультрафильтрация (УФ), нанофильтрация (НФ) и обратный осмос (ОО). В них под действием гидростатического давления (Р, МПа) с помощью полупроницаемых мембран в зависимости от молекулярной массы (ММ) осуществляются разделение и концентрирование компонентов растворов (табл. 1).
Основные достоинства БМП предопределяются низкими энергозатратами (табл. 2), отсутствием фазовых переходов и необходимости в нагреве, а также неприменением дополнительных реагентов. Они исключают тепловую денатурацию и сохраняют в биологически активном состоянии белки, витамины, ферменты и другие биологически активные (ценные) вещества (БАВ), а следовательно, способствуют производству продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности.
Видно, что самые низкоэнергоемкие процессы — центрифугирование, фильтрование и флотация. Однако их существенный недостаток: они не позволяют выделять и концентрировать растворенные сухие вещества (СВ).
Таблица 1
Основные характеристики баромембранных процессов
Баромембранный процесс Диаметр пор, мкм Рабочее давление, МПа Области применения
Микрофильтрация 0,1-1,0 0,1-0,3 Холодная «стерилизация»; удаление взвесей, коллоидов
Ультрафильтрация 0,01-0,1 0,3-1,0 Концентрирование высокомолекулярных веществ
Нанофильтрация 0,0001-0,1 1,0-3,0 Разделение и концентрирование солей и органических веществ
Обратный осмос >0,0001 плотные > п 2,0-12,0 Очистка воды; концентрирование низкомолекулярной органики и БАВ; обессоливание
Таблица 2
Энергозатраты в различных процессах удаления влаги
Тип разделения и концентрирования (удаления влаги) Энергозатраты, МДж/м3
Мембранные процессы:
теоретическое значение при давлении 5 МПа при однонаправленном потоке в тупик (dead-end flow) 4,9
достигаемые на современных рулонных ОО- и НФ установках в проточном режиме (cross flow) 15-25
характерные для современных УФ-, НФ- и МФ установок в режиме cross flow 100-150
с высокой тангенциальной скоростью в межмембранных каналах
Вакуум-выпаривание в 4-х корпусной установке 566
Сушка 2270
Вымораживание 336
Центрифугирование. Флотация 13
Фильтрование на вакуумных фильтрах 35-45
Таблица 3
Стадии применения БМП в пищевой промышленности
Отрасль Технологические стадии применения по отраслям
Спиртовая Ликероводочная Пивобезалкогольная Молочная, сыромаслодельная Мясная и птицепереработка Крахмалопаточная Масложировая Плодоовощная Сахарная Винодельческая Дрожжевая Переработка зерновой и вторичной барды, очистка конденсатов вакуум-выпарок, производство ультраконцентратов ферментов [9, 10] Очистка ликероводочных изделий и полуфабрикатов (морсов, соков и экстрактов), водок и воды [5, 6] Переработка остаточных дрожжей и дробины; очистка и стерилизация пива и напитков; производство концентратов сусла [11] Переработка пахты, обрата, сыворотки с концентрированием белка и лактозы; концентрирование сырного и творожного сгустка; нормализация и стерилизация молока, технология «Бактотеч» [12, 13] Регенерация посолочных рассолов; выделение и концентрирование желатина, сычужных ферментов, белков из бульонов, плазмы крови, яиц, пера и субпродуктов [14] Утилизация картофельного сока, глютена, кукурузного экстракта; очистка мальтозных, глюкозных и фруктозных сиропов [15, 16] Производство концентратов и изолятов белка из шротов масличных культур и сои [17]; очистка растительных масел и соапстока Очистка, холодная «стерилизация» и концентрирование соков; производство пектина [18, 19] Очистка диффузионного и преддефекованного сока и жомопрессовой воды; производство пектина из жома [20, 21] Очистка, исправление (некондиционного), холодная «стерилизация» вина и коньяка перед розливом, переработка коньячной барды (www.technofilter.ru; express-eco.ru) Переработка бражки после выделения пекарских дрожжей (А.с. СССР № 1634710); производство супероксиддисмутазы и аминокислот [22, 23]
Кроме того, они часто требуют использования коагулянтов, флокулянтов, а также вспомогательных фильтрующих материалов и сорбентов.
БМП дают возможность углублять переработку; исправлять некачественное, а также вовлекать в производство вторичное, обедненное и нетрадиционное сель-хозсырье; осуществлять холодную «стерилизацию»; уменьшать потери при хранении.
Входящая в ядро нового технологического уклада современная биотехнология может эффективно развиваться только в системном единстве с МП. Это обусловлено необходимостью выделять, очищать и концентрировать без нагрева термолабильные продукты микробиосинтеза. Для этих целей создают мембранные биореакторы (МБР), которые основаны на оптимальном сочетании биореакторов с мембранными модулями и установками (МУ) [4].
В МБР биохимические реакции протекают одновременно с выделением (разделением) их продуктов на мембранах. Они выгодно отличаются как от биореакторов с иммобилизованными ферментами или микроорганизмами, так и от биореакторов с глубинным культивированием штаммов-продуцентов или с гидролизом (от первых — тем, что ферменты или штаммы-продуценты находятся в растворе, и биохимические процессы не лимитируются медленно протекающими процессами диффузии, от вторых — возможностью смещения биохимического синтеза или гидролиза в сторону образования целевых продуктов). Это соответствует принципу смещения равновесия Ле-Шателье-Брауна — удаление продукта из зоны реакции сдвигает равновесие в сторону его образования. МБР позволяют увеличивать выход целевых компонентов, а также в разы производительность биоконверсии и биосинтеза.
Общими областями использования БМП для всех отраслей АПК являются подготовка воды для алкогольных и безалкогольных напитков, паровых и водогрейных
котлов, восстановления соков и молока [5—8]; очистка оборотной воды, моющих средств и стоков из аэротенков.
Традиционные отрасли и стадии применения БМП представлены в табл. 3.
На основе наших НИОКР и анализа литературы следует дополнительно выделить следующие перспективные области использования БМП в АПК.
1. Получение гидролизатов (автолизатов, ферментолиза-тов) дрожжей (ГД) Saccharomyces, Torula и Candida, которые в зависимости от ММ имеют специфический вкус с преобладанием в различных сочетаниях оттенков хлебного, мясного, сладкого, кислого, острого, жаренного и горького. Это дает возможность подбирать гидролизаты с соответствующей ММ для оптимизации состава, вкуса и аромата различных пищевых продуктов [23].
Создание в РФ производства таких гидролизатов для мясной и других отраслей позволит заменить запрещенные (Дополнением № 8 к СанПиН 2, 3, 2.1078-01 с 01.07.2008 г.) к применению в ряде продуктов синтетические усилители вкуса — глютаминовую кислоту (Е-620) и глютамат натрия (Е-621).
2. Производство ферментного препарата супероксиддис-мутазы (СОД), обладающего чрезвычайно высокой анти-оксидантной активностью.
СОД нейтрализует один из самых опасных свободных радикалов — супероксид. Этот фермент относится к натуральным БАВ, так как содержится в слюне и крови человека и представляет собой одну из форм естественной защиты организма от мутагенов, снижая уровень Н2О2 и О2. СОД повышает иммунитет и помогает при лечении повреждений сердечной мышцы, атеросклероза, диабета, анемии, лейкемии и онкологических заболеваний [22]. Он перспективен как натуральный пищевой антиокислитель, например взамен синтетического бутилгидротолуола.
В лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) ВНИИПБТ из пекарских и пивных дрожжей Saccharomyces
Вода, NaCl
УФ-пермеат (раствор лактозы)
НФ-концентрат лактозы
Кислота
Щелочь
Продуцент
Лактозил-мочевина
Лактулоза
3
Бифидобактерии
^ 1
Сыворотка -> \ \ N
УФ-концентрат белков
Кормовая функциональная протеино-локтулозная пробиотическая добавка
Рис. 1. Обобщенная блок-схема производства кормовой протеин-лактулозной пробиотической добавки: 1 — УФ установка; 2 — НФ установка; 3, 4 и 5 — биореакторы; 6 — сборник
6
cerevisiae после обработки их ультразвуком (УЗ) отработан процесс выделения и концентрирования с помощью МФ-и УФ мембран СОД с ММ = 32,5 кДа (Си, Zn — СОД) и с ММ = 86-88 кДа (Мп — СОД) [22]. Создана совмещенная технология производства СОД и ГД.
3. Переработка молочной сыворотки (МС) — крупнотоннажного вторичного ценного белково-углеводного сырья. В РФ ее образуется до 5 млн т в год. При этом до 75% из этого количества скармливают скоту в нативном виде или вообще сбрасывают в окружающую среду и только около 25% перерабатывают молокозаводы в пищевые продукты, добавки и ингредиенты, в том числе с применением биотехнологии и БМП. Хотя к настоящему времени создано много способов переработки МС [12, 13, 19], поиск наиболее эффективных продолжается.
3.1. Переработка в кормовую протеин-лактулозную про-биотическую добавку. Скармливание скоту МС ограничено из-за быстрого закисания, низкого содержания СВ при высоком содержании плохо усваиваемой лактозы и минеральных веществ.
Разработано много способов переработки лактозы с применением биотехнологии и МП, в том числе конверсией лактозы в пребиотик лактулозу [24], а также в лакто-зил-мочевину [25] — источник сырого протеина. Недостаток этих способов производства лактулозы и лактозил-мочевины — наличие (после их синтеза) стадий нейтрализации: первой — кислотой, второй — щелочью, что приводит к повышенному содержанию в них солей.
Предлагаемый способ (рис. 1) устраняет эти недостатки. Он рассчитан на производство синбиотической про-теин-лактулозной кормовой добавки. Способ учитывает результаты фундаментальных НИР, которые показали, что трансформацию лактозы в лактулозу следует проводить при высоких концентрациях лактозы и при отсутствии в растворе белков — для недопущения меланоидинообра-зования (достигается благодаря УФ установке) и хлорид-ионов — для недопущения образования хлорорганики (достигается благодаря НФ установке) [24].
Вначале из сыворотки с помощью УФ установки выделяют и концентрируют высокомолекулярные сывороточные белки, которые используют по одной из известных технологий [12, 13, 19].
Лактозил-мочевину синтезируют в биореакторе (см. рис. 1, поз. 3) по известной технологии, которая адаптирована применительно к производству НФ-концентратов лактозы. В НФ-концентрат, после подкисления до рН 1,6-2,5 серной или фосфорной кислотой, вносят мочевину. Синтез осуществляется при 65...70 °С за 15-16 ч. В результате кислотного гидролиза лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу, которые, взаимодействуя с мочевиной, образуют гликозил-мочевину, галактозил-мочевину и лактозил-мочевину. Для сокращения продолжительности процесса до 4 ч вносят кристаллизующее вещество — сернокислый натрий. При этом до 65% мочевины вступает в химическую реакцию с лактозой и продуктами ее гидролиза. По данным [26] синтез лактозил-мочевины эффективнее при высокой концентрации лактозы, что достигается благодаря НФ установке.
Биотрансформация лактозы в лактулозу осуществляется в биореакторе (см. рис. 1, поз. 4) также по известной технологии, адаптированной применительно к использованию ее НФ-концентратов [24]. Процесс проводится при рН 11,5 (доза внесения №ОН — около 0,15%), температуре 82 °С и продолжительности 40 мин.
Лактозил-мочевину смешивают с лактулозой в соотношении, обеспечивающем рН смеси 6,5-7,5, чем достигается их взаимная нейтрализация без дополнительного использования кислот и щелочей. Затем в смесь вводят культивируемый в биореакторе (см. рис. 1, поз. 5) пробиотик, и образуется синбиотическая добавка, содержащая азотное питание, пребиотик и пробиотик.
3.2. Биосинтез биоконсерванта бактериоцина — низина, включающий следующие оптимально совмещенные стадии: культивирование штамма Ь. \actis в анаэробных условиях на МС и обрате; выделение, очистку и концентрирование низина с помощью БМП, электродиа-
лиза, ионообмена и адсорбции с последующей сушкой [27].
Низин (единственный бактериоцин, допущенный в пищевой промышленности) эффективен в сыродельной, молочной, консервной и хлебопекарной отраслях. При его применении на 15—25% снижается температура стерилизации (а следовательно, теплоэнергозатраты, и сохраняются БАВ); повышается допустимая температура и увеличиваются сроки хранения пищи; создается возможность ее хранения вне холодильников.
Низин не ингибирует грамотрицательные бактерии и дрожжи. Его использование предотвращает инфицирование при производстве этанола, вина, пива, пекарских дрожжей и других продуктов микробиосинтеза в результате подавления грамположительной микрофлоры.
4. Производство функциональных белков при глубокой переработке яиц отделением основного (95% от общего количества) яичного легкоусвояемого (не требующего ферментов для усвоения) белка овальбумина (расщепленный полипептид с ММ = 46 000) от другого яичного белка — овамукоида с ММ = 28 000, способного ингиби-ровать активность протеаз. Это позволяет повысить пищевую ценность овальбумина, а овомукоид использовать в медпрепаратах для детоксикации патологий, сопровождающихся активацией протеолиза, а также в пероральных препаратах инсулина.
С помощью БМП из яичного белка можно выделить и сконцентрировать антибактериальный (катализирует гидролиз полисахарида, входящего в состав клеточных стенок ряда бактерий) фермент лизоцим с ММ = 14 600.
5. Получение высокоценных растворимых пищевых функциональных изолятов и концентратов белков из цитоплазма-тической фракции листостебельной биомассы красного клевера, люцерны и других сеяных трав в результате отделения от клетчатки и хлоропластовой (кормовой) фракции с последующей очисткой и концентрированием на УФ- и НФ-мембранах [15, 28].
Зеленый сок, отжатый из люцерны и красного клевера, содержит много белка (до 45%) и витаминов группы С, Е, К, В, Д и бета-керотина. Кроме того, в красном клевере значительно количество флавоноидов.
Эти растительные недорогие (дешевле соевых) биологически активные добавки (БАД) эффективны для обогащения белком мясных, молочных, хлебобулочных и других продуктов питания.
По аналогичной технологии можно перерабатывать сою, топинамбур, цикорий, ламинарию с производством анальгината натрия [28].
6. Производство ингредиентов и БАВ из растительного сырья. НИР, проведенные в ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии», установили следующие нарушения в питании населения РФ: избыточное потребление животных жиров; дефицит полноценных белков, полиненасыщенных жирных кислот, пищевых волокон (ПВ), большинства витаминов (особенно С, В1, В2, А, Е, фолиевой кислоты и каротиноидов), а также минеральных веществ (особенно кальция, железа, цинка, йода и селена) [29, 30]. При этом количество и калорийность пищи превышают потребности человека.
Отсюда объективно возникает причина, из-за которой даже теоретически невозможно при рационе из обычных продуктов питания обеспечить человека необходимыми микронутриентами и всеми БАВами в достаточном количестве и в оптимальном соотношении. Эта проблема решается введением БАД с повышенным содержанием того или иного нутриента или их комплекса. При этом, в отличие от лекарственных средств (ЛС), содержащих БАВы в лечебных дозах (в десятки и сотни раз превышающих физиологическую потребность), в БАДах они содержатся в дозах, соответствующих суточной норме.
БАДы можно использовать и при лечении с помощью ЛС в качестве дополнительного диетического или лечебного питания.
Содержание активных нутриентов в БАДах значительно варьируется. Так, в США при анализе безопасности БАДов из 20-ти наиболее продаваемых растений (чеснока, гинкго, эхинацеи, женьшеня, зверобоя, валерианы, рас-торопши и др.) установлено, что содержание действующих начал в них (аллицина, гинкголидов, цикориевой кислоты, панаксозидов, гиперицина и др.) различается в 5—10 раз. При их использовании наблюдали побочные эффекты, в том числе тяжелые: кровотечения, кому и инфаркт миокарда [31].
В РФ безопасность БАДов и ЛС решается более эффективно. Контроль качества сырья, в том числе растительного, осуществляют по фармакопейным статьям. Безопасность оценивают по результатам токсикологических исследований, а эффективность — по результатам клинических испытаний. Требования по безопасности БАДов и ЛС, обусловленные патогенными микроорганизмами, радионуклидами, тяжелыми металлами, пестицидами и другими контаминантными факторами в РФ жестче, чем в США.
Так, Минздравом РФ введено в действие Дополнение 1 к СанПиН 2.3.2.1078-01 — СанПиН 2.3.2.1153-02, касающееся п. 1 Приложения 56 к СанПиН «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов», содержащее список из 177 растений, которые не могут быть использованы в составе БАД. В список включены растения, содержащие наркотические, психотропные, ядовитые и сильнодействующие вещества (аконит, белладонна, конопля, чистотел, спорынья, чернокорень, ландыш, кока, морозник, белена, баранец, мандрагора, мак, прострел, строфант и др.) [31].
Кроме того, введен новый пункт № 9, включающий перечень растений и продуктов их переработки, которые не подлежат включению в состав однокомпонентных БАД. К ним относятся кора дерева йохимбе, листья дерева гинкго двулопастного (билоба), трава зверобоя продырявленного, а также ряд широко применяемых в медицине стимулирующих (тонизирующих) лекарственных растений (женьшень настоящий, лимонник китайский, левзея сафлоровидная, родиола розовая, заманиха высокая, аралия высокая и элеутерококк колючий). Однако, их можно включать в поликомпонентные БАД в количествах не более 50% от суточной терапевтической дозы [31].
Для производства БАД из различного растительного сырья создана линия, которая постадийно отработана на
примере получения глубоко сконцентрированных экстрактов плодов (шиповника), травы (зверобоя), корней (цикория) и клубней (топинамбура) (рис. 2) [32].
7. Переработка вторичного сырья крахмалопаточных предприятий. Одна из сложных проблем картофелекрах-мальных заводов (ККЗ) — переработка картофельных сока (КС) и мезги. Картофель, кроме целевого продукта ККЗ — крахмала, содержит протеин, жиры, клетчатку, витамины и другие БАВ. На ККЗ из 25% СВ картофеля выделяют в основном крахмал (15,7% СВ), а остальные 9,3% — КС и мезга. Известно много способов их утилизации, в том числе с применением БМП. Один из них описан в источнике [15].
Основное его достоинство — универсальность технологической линии, позволяющей в весенне-летнее время перерабатывать на ее оборудовании листостебельную массу сеяных трав [15, 28]. Создан также способ выращивания на КС кормовых дрожжей с последующим их концентрированием с помощью БМП и высушиванием совместно с мезгой (рис. 3).
У крахмалопаточных предприятий (КПП), перерабатывающих кукурузу, имеется аналогичная проблема — утилизация мезги и кукурузного экстракта (КЭ). Содержание СВ в нативном КЭ в зависимости от метода зама-
Вода + спирт
чивания составляет 5—12%. В нем содержатся белки, аминокислоты, витамины, биотин, стимуляторы роста, микроэлементы и другие БАВ.
Традиционно КЭ выпаривают и поставляют в виде сиропа с концентрацией СВ около 45%. Нашими исследованиями доказано, что вместо выпаривания целесообразнее использовать БМП. При этом сокращаются теп-лоэнергозатраты (до 4 раз). В последнее время КЭ используют в виде сухой кормовой добавки после выпаривания до 35% и последующего совместного высушивания с мезгой. Мы разработали способ обогащения таких добавок лизином и другими незаменимыми аминокислотами [16].
8. Переработка отходов животноводства — куриного помета и навоза. В поручениях Президента России по итогам заседания Госсовета от 27.12.2016 г. «Об экологическом развитии Российской Федерации в интересах будущих поколений» акцентируется внимание на переработке отходов и стоков, в том числе АПК, прежде всего животноводческих.
В РФ образуется до 250 млн т в год помета, навоза и навозсодержащих стоков. Многие животноводческие предприятия не оснащены системами их глубокой переработки и утилизации, что привело к загрязнению более 2 млн га земли и серьезным экологическим проблемам.
Оболочки
8
*
ПВ
1
*
Растительное сырье
6 ..... .......... 7 у
/
7Г
7
\ \
\ N
УФ-пермеат экстракта
Масляный __ОО-концентрат .
экстракт экстракта
Рис. 2. Блок-схема универсальной технологической линии производства ингредиентов и БАВ из растительного сырья (плодов, травы, корней и клубней):
1 — измельчитель; 2 — рассеиватель; 3 и 4 — УЗ экстракторы; 5 — шнековый пресс; 6 и 7 — мембранные ОО- и УФ установки; 8 — тонкий измельчитель
УФ-пермеат
Ч \ \
УФ-концентрат
Рис. 3. Блок-схема производства из картофельных сока и мезги сухих кормов, обогащенных кормовыми дрожжами: 1 и 3 — мембранные УФ- и ОО установки; 2 — биореактор; 4 — сушилка
МФ-пермеат
Фугат СВ = 5,(
Рис. 4.
2 и 3 -
Сыворотка
ОО-пермеат (вода)
растворимых СВ = 3,1%
ч
\
\
2
Закваска
Подстилочный помет
> Сырье
для удобрений
Удобрение
Блок-схема переработки клеточного помета с применением БМП: 1 — шнековый сепаратор; ■ мембранные УФ- и ОО установки; 4 — смеситель; 5 — полигон; 6 — сборник
Жидкая кормовая добавка
Известно, что в животноводческую продукцию переходит только 16,4% всей энергии кормов, 25,6% из них идет на переваривание и усвоение и более половины энергии (до 58%) переходит в помет и навоз, поэтому они — перспективный кормовой резерв. Это подтверждается всесторонним и длительным зарубежным опытом, который показал эффективность их использования в комбикормах для крупного рогатого скота (КРС), бычков, овец, свиней, бройлеров и других животных. Это позволяет, в том числе, до 20% снижать затраты на корма. Например, в рационах с высоким содержанием грубого корма молодняка КРС куриный помет как источник протеина лучше, чем другие источники небелкового азота [33].
На основе совместных НИР сотрудники ЛМТ ВНИИ-ПБТ и ЗАО «Энергоресурс-СП» с применением БМП разработали самоокупаемый способ переработки в корма трудноутилизируемых отходов животноводства: куриного
помета [34], навоза свиней [35] и КРС [36]. Технологические схемы и используемое оборудование (прежде всего мембранное) имеют близкие конструкцию и параметры работы. На рис. 4 в качестве примера приведена блок-схема переработки клеточного помета в жидкую кормовую добавку. В источнике [34] описан способ производства сухой кормовой добавки из помета.
Разработчики описанных здесь технологий совместно с соисполнителями могут их внедрить на предприятиях АПК любой мощности с использованием российских импортозамещающих мембран и мембранных элементов, выпускаемых ЗАО «НТЦ Владипор», ООО «Керамик-фильтр» и АО «РМ Нанотех». Кроме того, мы заинтересованы как в продолжении НИОКР с соответствующими научными организациями по совершенствованию описанных здесь технологий, так и по созданию современных, востребованных заказчиками.
Литература
1. Мембраны и мембранные технологии / Коллектив авторов. Отв. редактор А. Б. Ярославцев. — М.: Научный мир, 2013. — 612 с.
2. BakerR. B. Membrane Technology and Applications. Third Edition / R B. Baker// John Wiley and Sons Ltd. 2012. — 590 p.
3. Свитцов, А. А. Введение в мембранную технологию / А.А. Свит-цов. — М.: ДеЛи принт, 2007. — 280 с.
4. Кудряшов, В. Л. Разработка перспективного многоступенчатого мембранного биореактора для биокатализа ценных веществ / В. Л. Кудряшов // Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов. Матер. конф. ВНИИПБТ — М.: ВНИИПБТ 2012. — С. 159-168.
5. Рябчиков, Б. Е. Современная водоподготовка / Б. Е. Рябчиков. — М.: ДеЛи принт, 2013. — 679 с.
6. Бурачевский, И. И. Технология ликероводочного производства / И. И. Бурачевский. — М.: Пищевая промышленность, 2010. — 360 с.
7. Кудряшов, В. Л. Нанофильтрация — способ подготовки воды для производства спирта / В. Л. Кудряшов // Производство
References
1. Yaroslavtsev A. B., ed. et all. Membrany i membrannye tekhnologii [Membranes and membrane technologies]. Moscow, Nauchnyi mir Publ., 2013. 612 p.
2. Baker R. B. Membrane Technology and Applications. Third Edition. John Wiley and Sons Ltd. 2012. 590 p.
3. Svittsov A. A. Vvedenie v membrannuyu tekhnologiyu [Introduction to membrane technology]. Moscow, DeLiprint, 2007. 280 p.
4. Kudryashov V L. [Development ofa promising multistage membrane bioreactor for the biocatalysis of valuable substances]. Perspektivnye fermentnye preparaty i biotekhnologicheskie protsessy v tekhnologiyakh produktov pitaniya i kormov. Mater. konf. VNIIPBT [Promising enzyme preparations and biotechnological processes in food and feed technologies. Proc. of Conf. VNIIPBT]. Moscow; VNIIPBT Publ., 2012, pp. 159-168. (In Russ.)
5. Ryabchikov B. E. Sovremennaya vodopodgotovka [Modern water treatment]. Moscow, DeliPiint, 2013. 679 p.
6. Burachevskii I. I. Tekhnologiya likerovodochnogoproizvodstva [Technology of alcoholic beverage production]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost' Publ., 2010. 360 p.
7. Kudryashov V L. [Nanofiltration is a method of preparing water for
спирта и ликероводочных изделий. — 2011. — № 3. — С. 20—25.
8. Кудряшов, В. Л. Подготовка воды для питания паровых и водогрейных котлов / В. Л. Кудряшов // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2003. — № 2. — С. 28—29.
9. Кудряшов, В. Л. Эффективность и перспектива использования мембранных процессов для импортозамещения линий переработки барды / В. Л. Кудряшов // Спиртовое и ликерово-дочное производство. — 2015. — № 2. — С.4—9.
10. Кудряшов, В. Л. Производство отечественных ультраконцентратов ферментов / В. Л. Кудряшов // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2001. — № 1. — С. 25—28.
11. Кудряшов, В. Л. Комплексная линия переработки вторичного сырья пивзаводов на основе мембранных процессов / В. Л. Кудряшов // Пиво и напитки. — 2008. — № 2. — С. 22—25.
12. Евдокимов, И. А Обработка молочного сырья мембранными методами / И. А. Евдокимов // Молочная промышленность. — 2012. — № 2. — С. 34—37.
13. Храмцов, А Г. Адаптация доктрины нанобиомембранных технологий на основе кластеров молочной сыворотки /
A. Г. Храмцов // Молочная промышленность. — 2010. — № 1. — С. 34—37.
14. Кудряшов, В. Л. Роль и эффективность сквозных аграрно-пищевых технологий с применением мембран в повышении конкурентоспособности мясной отрасли / В. Л. Кудряшов, Н. С. Погоржельская // Теоретические и практические аспекты управления технологиями пищевых продуктов в условиях усиленной международной конкуренции: Труды 17-й Междунар. науч.-практ. конф. (11—12 дек. 2014 г.). — М.: ВНИИМП, 2014. — С. 128—132.
15. Лукин, Н. Д. Совместимые технологии производства кормовых и пищевых добавок из побочных продуктов картофеле-крахмальных заводов и биомассы трав / Н. Д. Лукин,
B. Л. Кудряшов // Достижения науки и техники АПК. — 2015. — Т 29. — № 11. — С. 112—114.
16. Лукин, Н. Д. Пути повышения кормовой ценности кукурузных кормов с помощью биотехнологических и мембранных процессов / Н. Д. Лукин, В. Л. Кудряшов, Д. Н. Лукин // Достижения науки и техники АПК. — 2016. — № 3. —
C. 71—73.
17. Шишков, В. А Получение изолятов соевого белка с применением ферментативного гидролиза и мембранных процессов / В. А. Шишков, В. А. Поляков, В. Л. Кудряшов // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2007. — № 3. — С. 49—52.
18. Гореньков, Э. С. Биотехнологические способы переработки плодово-ягодного сырья в производстве соков / Э. С. Гореньков // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. РАСХН (сент. 2009 г.). — Углич, 2009. — С. 47—50.
19. Мембранные технологии в производстве напитков и молочных продуктов / А. И. Тамим (ред.). — Пер. с англ. — СПб.: Профессия, 2016. — 420 с.
20. Патент № 2281335. Способ очистки жомопрессовой воды / Горбатюк А. В., Славянский А. А. Заявл. 29.03.2005. Опубл. 10.08.2006. Бюл. № 92.
21. Патент № 2235478. Способ производства пектинового концентрата из свекловичного жома / Г Н. Игнатьева. Заявл. 06.12.2002. Опубл. 10.09.2004. Бюл. № 25.
22. Павлова, Е. С. Выделение фермента супероксиддисмутазы из дрожжей / Е. С. Павлова, В. Л. Кудряшов // Микробные био-
the production of alcohol]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2011, no. 3, pp. 20—25. (In Russ.)
8. Kudryashov V L. [Preparation of water for the supply of steam and hot water boilers]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2003, no. 2, pp. 28-29. (In Russ.)
9. Kudryashov V L. [Efficiency and perspective of using membrane processes for import substitution of processing lines ofbard]. Spirto-voe i likerovodochnoe proizvodstvo, 2015, no. 2, pp. 4-9. (In Russ.)
10. Kudryashov V L. [Manufacture of domestic ultra-concentrates of enzymes]. Proizvodstvo spirta i likerovodochnykh izdelii, 2001, no. 1, pp. 25-28. (In Russ.)
11. Kudryashov V L. [Complex line for processing secondary raw materials ofbreweries based on membrane processes]. Pivoinapitki, 2008, no. 2, pp. 22-25. (In Russ.)
12. Evdokimov I.A. [Processing milk raw materials by membrane methods]. Molochnaya promyshlennost', 2012, no. 2, pp. 34-37. (In Russ.)
13. Khramtsov A. G. [Adaptation ofthe doctrine ofnanobiomembrane technologies based on clusters of milk serum]. Molochnaya promyshlennost', 2010, no. 1, pp. 34-37. (In Russ.)
14. Kudryashov V L., Pogorzhel'skaya N. S. [The role and effectiveness ofend-to-end agrarian-food technologies with the use of membranes in improving the competitiveness ofthe meat industry]. Teoreticheskie i prakticheskie aspekty upravleniya tekhnologiyami pishchevykh produktov v usloviyakh usilennoi mezhdunarodnoi konkurentsii: trudy 17-oiMezhdunar. nauch.-prakt. konf. (11—12dek. 2014g.) [Theoretical and practical aspects of the management of food technology in conditions of increased international competition: Proc. of the 17th International Scientific-Practical Conf. (Dec. 11-12, 2014)]. Moscow VNIIMP Publ., 2014, pp. 128-132. (In Russ.)
15. Lukin N. D., Kudryashov V L. [Compatible technologies for the production of feed and food additives from by-products of potato starch plants and biomass grasses]. Dostizheniya nauki i ekhniki APK, 2015, vol. 29, no. 11, pp. 112-114. (In Russ.)
16. Lukin N. D., Kudryashov V. L., Lukin D. N. [Ways to increase the feed value of corn fodder using biotechnological and membrane processes]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK, 2016, no. 3, pp. 71-73. (In Russ.)
17. Shishkov V A., Polyakov VA, Kudryashov V L. [Preparation ofiso-lates of soy protein using enzymatic hydrolysis and membrane processes]. Khranenie i pererabotka selkhozsyrya, 2007, no. 3, pp. 49-52. (In Russ.)
18. Goren'kov E. S. [Biotechnological methods of processing fruit and berry raw materials in the production of juices]. Materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. RASKhN (sent. 2009g.) [Proc. ofthe All-Russian scientific-practical conf. RAAS (September 2009)]. Uglich, 2009, pp. 47-50. (In Russ.)
19. Tamim A. I., ed. Membrannye tekhnologii v proizvodstve napitkov i molochnykh produktov [Membrane technologies in the production of beverages and dairy products]. Transl. from Engl. St. Petersburg, Professiya Publ., 2016. 420 p.
20. Gorbatyuk A. V, Slavyanskii A. A. Sposob ochistki zhomopressovoi vody [Method ofpurification ofpulp water]. Patent RF No. 2281335; 10.08.2006.
21. Ignat'eva G. N. Sposob proizvodstva pektinovogo kontsentrata iz svek-lovichnogo zhoma [Method for the production of pectin concentrate from beet pulp]. Patent No. 2235478; 10.09.2004.
22. Pavlova E. S., Kudryashov V L. [Isolation ofthe enzyme superoxide dismutase from yeast]. Mikrobnye biokatalizatory dlya pererabatyv-ayushchikh otraslei APK: Sbornik nauchnykh trudov VNIIPBT
катализаторы для перерабатывающих отраслей АПК: Сборник научных трудов ВНИИПБТ — М., 2006. — С. 88-97.
23. Курбатова, Е. И. Исследование и разработка гибридного способа производства глубокоочищенных жидких и сухих гидролизатов дрожжей / Е. И. Курбатова, В. Л. Кудряшов // Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов: Сборник научных трудов ВНИИПБТ — М., 2016. — С. 180-189.
24. Храмцов, А. Г. Научные основы получения бифидогенных добавок из молочного белково-углеводного сырья /
A. Г. Храмцов // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2005. — № 2. — С. 39-43.
25. Доклады, представленные во время шведских агротехнических дней в Москве в сентябре-октябре 1981 г. — 64 с.
26. Панова, Н. М. Синтез лактозил-мочевины в лактозосодержа-щем сырье / Н. М. Панова // Лактоза и ее производные. Тез. Междунар. симп. Междунар. молоч. Федерации (Москва, 14-16 мая 2007 г.). — М.: НОУ «Образов. науч.-техн. центр молоч. пром-ти», 2007. — С. 146-147.
27. Кудряшов, В. Л. Синтез биоконсерванта низина на отходах и вторичном сырье ряда биотехнологических производств /
B. Л. Кудряшов // Биотехнология. — 1995. — № 2. — С. 25-28.
28. Кудряшов, В. Л. Производство белково-витаминных добавок из листостебельной биомассы / В. Л. Кудряшов // Пищевая промышленность. — 2010. — № 2. — С. 13-15.
29. Тутельян, В. А Современные подходы к обеспечению качества и безопасности биологически активных добавок к пище в РФ / В. А. Тутельян, Б. П. Суханов // Тихоокеанский медицинский журнал. — 2009. — № 1. — С. 12-19.
30. Беспалов, В. Г. Современный взгляд на биологически активные добавки к пище и их использование в лечебно-профилактических целях в клинической медицине / В. Г Беспалов,
B. Б. Некрасова, А. К. Иорданишвили // Медицина, XXI век, 2007. — № 8 (9). — С. 86-94.
31. Парахонский, А П. Побочные эффекты биологически активных добавок./ А. П. Парахонский // Наука в современном мире: матер. XXV Междунар. науч.-практ. конф. центра науч. мысли. — М.: Изд-во «Перо», 2016. — С. 30-37.
32. Кудряшов, В. Л. Основы, области применения, эффективность и перспективы использования баромембранных процессов при производстве ингредиентов, добавок и продуктов питания / В. Л. Кудряшов // Матер. конгр. «Наука, питание и здоровье» (8-9 июня 2017 г.). НАН Беларуси. — Минск: Белорусская наука, 2017. — С. 302-310.
33. Повышение питательной ценности побочных продуктов для жвачных животных / Пер. с англ. — М.: Агропромиздат, 1985. — 200 с.
34. Кудряшов, В. Л. Технологии переработки куриного помета с использованием баромембранных процессов / В. Л. Кудряшов // Эффективное животноводство. — 2017. — № 3 (апр.). — С. 34-37.
35. Кудряшов, В. Л. Переработка свиного навоза в кормовые добавки, топливо и концентрированные органические удобрения с применением мембран / В. Л. Кудряшов // Эффективное животноводство. — 2017. — № 7 (сент.). —
C. 26-31.
36. Кудряшов, В. Л. Инновационная технология переработки навоза КРС на основе мембранных процессов / В. Л. Кудряшов // Сельский механизатор. — 2016. — № 1. — С. 20-21.
[Microbial biocatalysts for processing industries of the agroindus-trial complex: Collection of scientific works VNIIPBT]. Moscow,
2006, pp. 88-97. (In Russ.)
23. Kurbatova E. I., Kudryashov V. L. [Research and development of a hybrid method for the production of deeply purified liquid and dry yeast hydrolysates]. Perspektivnye fermentnye preparaty i biotekhno-logicheskie protsessy v tekhnologiyakh produktov pitaniya i kormov: Sbornik nauchnykh trudov VNIIPBT [Promising enzyme preparations and biotechnological processes in food and feed technologies: Collection of scientific works VNIIPBT]. Moscow, 2016, pp. 180189. (In Russ.)
24. Khramtsov A. G. [Scientific foundations of obtaining bifidogenic additives from milk protein-carbohydrate raw materials]. Khranenie i pererabotka selkhozsyrya, 2005, no. 2, pp. 39-43. (In Russ.)
25. The reports presented during the Swedish agrotechnical days in Moscow in September-October 1981. 64 p.
26. Panova N. M. [Synthesis of lactosyl urea in lactose-containing raw materials]. Laktoza ieeproizvodnye. Tez. Mezhdunar. simp. Mezhdu-nar. moloch. Federatsii (Moskva, 14—16 maya 2007g.). [Lactose and its derivatives: Abstracts ofthe International Symposium of the International Dairy Federation (Moscow May 14-16, 2007). Moscow, Educational Scientific and Technical Center of the Dairy Industry Publ., 2007, pp. 146-147. (In Russ.)
27. Kudryashov V L. [Synthesis ofbiosecurity of nisin on waste and secondary raw materials of biotechnological productions]. Biotekh-nologiya, 1995, no. 2, pp. 25-28. (In Russ.)
28. KudryashovV.L. [Production ofprotein-vitamin additives from leafstalks biomass]. Pishchevaya promyshlennost', 2010, no. 2, pp. 13-15. (In Russ.)
29. Tutel'yan V A., Sukhanov B. P [Modern approaches to ensuring the quality and safety ofbiologically active food supplements in the Russian Federation]. Tikhookeanskiimeditsinskiizhurnal, 2009, no. 1, pp. 12-19. (In Russ.)
30. Bespalov V G., Nekrasova V B., Iordanishvili A. K. [Modern view on biologically active food additives and their use in therapeutic and prophylactic purposes in clinical medicine]. Meditsina, XXIvek,
2007, no. 8 (9), pp. 86-94. (In Russ.)
31. Parakhonskii A. IP [Side effects ofbiologically active additives]. Nauka v sovremennom mire: materialy XXV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Tsentra nauch. mysli [Science in the modern world: Proc. ofthe 25th Intern. scientific-practical conf. ofthe Center ofScientific Thought]. Moscow «Pero» Publ., 2016, pp. 30-37. (In Russ.)
32. Kudryashov V L. [Basics, applications, efficiency and prospects for using baromembrane processes in the manufacture of ingredients, additives and food products]. Mater. kongr. «Nauka,pitanieizdorov'e» (8—9 iyunya 2017g.). NANBelarusi [Proc. of the Congress «Science, Nutrition and Health» (June 8-9, 2017). NAS of Belarus]. Minsk: Belorusskaya nauka Publ, 2017, pp. 302-310. (In Russ.)
33. Increasing the nutritional value ofby-products for ruminants. Transl. from Engl. Moscow Agropromizdat, 1985. 200 p. (In Russ.)
34. Kudryashov YL. [Technologies for processing chicken manure using baromembrane processes]. Effektivnoe zhivotnovodstvo, 2017, no. 3 (apr.), pp. 34-37. (In Russ.)
35. Kudryashov V. L. [Processing pig manure in feed additives, fuel and concentrated organic fertilizers with use of membranes]. Effektivnoe zhivotnovodstvo, 2017, no. 7 (sent.), pp. 26-31. (In Russ.)
36. KudryashovV L. [Innovative technology for processing cattle manure based on membrane processes]. Sel'skii mekhanizator, 2016, no. 1, pp. 20-21. (In Russ.)
Области применения, эффективность и перспективы использования баромембранных процессов в АПК
Ключевые слова
баромембранные процессы; вторичное сырье; кормовые добавки; обратный осмос; нанофильтрация; ультрафильтрация.
Реферат
Баромембранные процессы находят все более широкое применение в основных отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности АПК: спиртовой, ликероводочной, пивобез-алкогольной, птицеперерабатывающей, молочной, маслосы-родельной, мясной, крахмалопаточной, масложировой, плодоовощной, сахарной, винодельческой и дрожжевой. В статье раскрыта суть баромембранных процессов, используемых в описанных технологических линиях: микро-, ультра-, нано-фильтрации и обратного осмоса, а также области их применения и основные параметры используемых в них мембран — диаметр пор и рабочее давление. Приведены теплоэнергозат-раты в различных процессах удаления влаги, показывающие достоинства баромембранных процессов. Обобщены почти все технологические стадии их применения во всех вышеперечисленных отраслях АПК. Названы новые перспективные области применения мембранных процессов: получение гидролизатов дрожжей, позволяющих заменять синтетические усилители вкуса (глютаминовую кислоту и глютамат натрия) натуральными полипептидами; выделение из дрожжей одного из самых высокоактивных антиоксидантов — фермента супероксиддис-мутазы. Показаны новые области переработки молочной сыворотки в кормовую протеин-лактулозную пробиотическую добавку и пищевой бактериоцин — низин. Обоснована целесообразность разделения белка яиц на легкоусваиваемый белок овальбумин и способный ингибировать активность про-теаз — овамукоид. Раскрыты перспективные технологии производства высокоценных растворимых пищевых изолятов и концентратов белков из листостебельной биомассы широкораспространенных сеяных трав, а также функциональных пищевых добавок из различного растительного сырья (плодов, травы, корней и клубней). Представлены способы производства кормовых дрожжей из картофельных сока и мезги, а также кормовой добавки, обогащенной лизином, из кукурузных экстракта и мезги. Приведены принципиально новые технологии утилизации куриного помета, а также навоза свиней и крупного рогатого скота, получения кормовых добавок, топлива и концентрированных органических удобрений.
Авторы
Лукин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук
ВНИИ крахмалопродуктов —
филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова,
140051, Московская обл., Люберецкий р-н, п. Красково,
ул. Некрасова, д. 11, [email protected]
Кудряшов Вячеслав Леонидович, канд. техн. наук
ВНИИ пищевой биотехнологии —
филиал ФИЦ питания, биотехнологии и безопасности пищи, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4Б, [email protected]
Areas of Application, Efficiency and Prospects for Using Baromembrane Processes in the Agroindustrial Complex
Key words
baromembrane processes; secondary raw materials; feed additives; reverse osmosis; nanofiltration; ultrafiltration.
Abstract
Baromembrane processes are increasingly used in the main branches of the food and processing industry of the agroindustrial complex: alcohol, distillery, beer-alcohol, poultry, dairy, butter-cheese, meat, starch, fat and oil, fruit and vegetable, sugar, wine and yeast. The article reveals the essence of the baromembrane processes used in the described technological lines: micro-, ultra-, nanofiltration and reverse osmosis, as well as the field of their application and the main parameters of the membranes used in them — pore diameter and working pressure. Heat energy costs in various processes of moisture removal are shown, showing the advantages of baromembrane processes. Almost all the technological stages of their application in all the above sectors of the agro-industrial complex are generalized. Named new promising areas of application of membrane processes: the preparation of yeast hydrolysates, which allow replacing synthetic flavor enhancers (glutamic acid and sodium glutamate) with natural polypeptides; isolation from the yeast of one of the most highly active antioxidants — the enzyme superoxide dismutase. New areas of whey processing for fodder protein-lactulose probiotic supplement and food bacteriocin-nisin are shown. The expediency of separating egg protein into digestible protein ovalbumin and capable of inhibiting protease-ovamucoid activity is substantiated. Promising technologies for the production of high-value soluble food isolates and protein concentrates from leaf-stalked biomass of widely spread grass seeds, as well as functional food additives from various plant raw materials (fruits, grass, roots and tubers) are disclosed. Methods for the production of fodder yeast from potato juice and pulp, as well as fodder additive enriched with lysine, from corn extract and pulp are presented. Essentially new technologies for utilization of chicken manure, as well as manure of pigs and cattle, production of feed additives, fuel and concentrated organic fertilizers are presented.
Authors
Lukin Nikolai Dmitrievich, Doctor of Technical Sciences All-Russian Research Institute of Starch Products — a branch of the Federal Scientific Center for Food Systems named after V. I. Gorbatova,
11 Nekrasov St., Kraskovo, Luberetskiy district, Moscow region,
140051, Russia, [email protected]
Kudryashov Vyacheslav Leonidovich,
Candidate of Technical Sciences
Institute of Food Biotechnology —
FIC branch of Nutrition, Biotechnology and Food Safety,
4B Samokatnaya st., Moscow, 111033, Russia, [email protected]
