CC BY
54УДК 664.1
Целесообразность переработки отходов свеклосахарного производства
Ю.И. ЗЕЛЕПУКИН, канд. техн. наук
Воронежский государственный университет инженерных технологий (8-473-255-07-51) С.Ю.ЗЕЛЕПУКИН
ООО «Перелешинский сахарный комбинат»
Сахарные заводы перерабатывают существенные объёмы сырья, в связи с чем и объёмы отходов производства значительны. В качестве основных отходов получают мелассу, свекловичный жом и фильтрационный осадок сока I сатурации. Кроме того, отходами являются вода (в жидком и газообразном состояниях), дымовые газы и т.д.
На некоторых заводах России возводятся участки по дешугари-зации мелассы. Меласса, помимо сахарозы, содержит большое количество других полезных соединений: органические кислоты, аминокислоты и др. Желательно извлекать из мелассы не только сахарозу, но и другие вещества, которые с высокой эффективностью могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства. Сама по себе меласса является востребованным продуктом и может быть использована в спиртовом, дрожжевом и других производствах.
Менее всего пользуется спросом еще один вид отходов свеклосахарного производства — фильтрационный осадок сока I сатурации. Ежегодно на сахарных заводах России образуется до 3—4 млн т фильтрационного осадка, основная масса которого выводится на поля фильтрации в смеси с другими сточными водами. Накапливаясь в отвалах, осадок занимает значительные земельные площади, часть его смывается весенними талыми водами в реки, загрязняя их. На сегодняшний день уровень исполь-
зования фильтрационного осадка не достигает и 20%.
Наиболее перспективный метод утилизации фильтрационного осадка — использование его в сельском хозяйстве в качестве мелиорирующего средства для раскисления почв, что весьма актуально для многих областей России [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Однако разработаны более эффективные методы применения этого отхода при производстве комплексных органо-минеральных удобрений. Одним из них, по нашему мнению, является использование его в качестве добавок при производстве удобрения. Применение фильтрационного осадка как удобрения обусловлено главным образом содержанием в нем связанной и частично свободной извести. Наличие калия, фосфорной кислоты и азота также повышает ценность удобрения, одним из компонентов которого является фильтрационный осадок. Действие извести на почву состоит в том, что в кислых почвах мало кальция, усвояемого полезными почвенными микроорганизмами и культурными растениями, поэтому растения на таких почвах испытывают кальциевый голод [6, 7, 8, 9]. Кроме того, кальций является поглощающим катионом, придающим почвам структуру, наиболее прочную и благоприятную в сельскохозяйственном отношении. Это единственный катион, который может полностью насыщать почву без всякого вреда для растений. Так, на каждый гектар
кислой подзолистой почвы предлагалось ежегодно вносить около 300 кг извести в виде доломитовой муки, молотого известняка и др. По своему химическому составу фильтрационный осадок вполне может заменить известковую муку, вырабатываемую на карьерах, а наличие в нём азота и фосфора делает его более полезным, чем известковая мука.
Свекловичный жом является ещё одним отходом свеклосахарного производства и в основном используется для корма животных или производства комбикормов. Практически весь жом, направляемый на корм скоту, высушивается, что позволяет хранить его длительный срок и снижать транспортные расходы на перевозку. Сахарные заводы продают сухой свекловичный жом частным хозяйствам в среднем по цене 6 000 руб. за тонну. Однако экономически выгоднее использовать его для производства пектина, цена которого варьируется от 367 до 2 000 руб. за килограмм, а выход пектина из тонны жома составляет примерно 180 кг.
Технология получения пектина включает в себя следующие стадии. Высушенный свекловичный жом измельчают для интенсификации процессов извлечения пектиновых веществ. После этого жом подвергается гидролизу. Полученная смесь направляется в фильтр-прессы для грубой и тонкой очистки экстракта. Прогидро-лизованный жом после нейтрализации отправляют на корм скоту.
САХАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Сш^россахар - 20 лет на $лаш страны-!
Экстракт тонкой фильтрации поступает на очистку. Далее следует стадия осаждения пектина. Затем его измельчают, очищают, высушивают, упаковывают и направляют на хранение [2].
В России пектин для пищевых целей (производство кондитерских изделий; плодоовощных, мясных, мясорастительных консервов; фруктово-ягодных соков и напитков; молочных и кисломолочных продуктов; хлебобулочных, макаронных изделий и т.п.) и для предприятий-потребителей многоотраслевого народного хозяйства, фармацевтики и медицины приходится в основном импортировать.
Длительная ориентация отечественной пищевой промышленности на импортные поставки высокоэтерифицированного пектина (т.е. только для кондитерской промышленности) затормозила рост пектинового производства в России. Мало внимания уделялось совершенствованию техники и технологии производства, углублению научных исследований.
Потребность пищевой промышленности в пектине составляет более 8 тыс. т в год. И это без учёта нормы потребления пектина в лечебно-профилактических целях (2—4 г на человека в сутки). Наиболее обширным и перспективным в дальнейшем видится рынок продуктов питания, обогащённых низкометоксилированным пектином, получаемым из овощей (жома сахарной свёклы, тыквы и др.) и обладающим оздоровительными, защитными и лечебно-профилактическими свойствами. Учитывая минимальную профилактическую норму потребления пектина в экологически неблагоприятных районах, его количество при круглогодичном потреблении пектинсодержащих продуктов из расчёта на 100 млн человек составляет свыше 70 тыс. т.
Важнейшей задачей пищевой промышленности является обеспечение населения продуктами
питания, которые отвечают требованиям, предъявляемым к полноценной и здоровой пище. С ухудшением экологии в целом происходит загрязнение воды, воздуха, почвы, растений, а следовательно, и пищи токсичными органическими и неорганическими веществами. Среди медико-биологических мероприятий, предусматривающих ограничение неблагоприятных воздействий на организм человека вредных факторов окружающей среды, существенное место занимает лечебно-профилактическое питание. Разработка и пропа-гандирование среди населения гигиенически обоснованных рационов, построенных на включении в них доступных, биологически активных и обладающих достаточными вкусовыми достоинствами ингредиентов, предопределяет возможность профилактики общей заболеваемости, повышение работоспособности, увеличение продолжительности жизни.
Поскольку свои потребности в пектине кондитерские и фармацевтические предприятия России удовлетворяют лишь частично за счёт импорта, проблема производства отечественного пектина в данный момент очень актуальна.
Пектиновые вещества — это кислые полисахариды растительного происхождения, главным компонентом которых является поли-галактуроновая кислота. В промышленном производстве пектин извлекают из яблочных и цитрусовых выжимок, свекловичного жома, корзинок подсолнечника. Крупнейшие производители этого продукта на современном мировом рынке — компании США, Германии, Швейцарии и Дании. Известно, что пектины способны связывать и выводить из организма стабильные и радиоактивные металлы. Наибольшей комплек-сообразующей способностью обладают низкоэтерифицированные пектины, к которым относится и свекловичный пектин. Пектины также обладают способностью
пролонгировать и потенцировать действие некоторых лекарственных веществ, снижать их токсичность и устранять побочное действие. Используемые в лекарственных препаратах пектины должны обладать высокой степенью чистоты.
Свекловичный пектин по жели-рующей способности несколько уступает пектинам, получаемым из яблок и цитрусовых, но вместе с тем имеет гораздо лучшие ком-плексообразующие свойства, что чрезвычайно важно для производства продуктов лечебно-профилактического назначения.
Технологические схемы позволяют получить свекловичный пектин чистотой 75—77% с ком-плексообразующей способностью 500—600 мг РЬ2+/г, который удовлетворяет требованиям, предъявляемым к пектинам пищевого и медицинского назначения.
Следует отметить, что развитие производства пектина и пищевых волокон (ПВ) в России в течение длительного времени сдерживалось отсутствием экономической заинтересованности перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса (АПК), надлежащего технологического оборудования и технологий для получения высококачественных ПВ и пектиновых веществ. Новые экономические отношения, складывающиеся в сфере производства, должны устранить эти препятствия, способствовать внедрению новых технологий рационального использования первичных сырьевых ресурсов на основе последних достижений науки и техники. Это обеспечит выпуск высококачественной, конкурентоспособной отечественной продукции с низкой себестоимостью.
В Российской Федерации запасы сырья для производства пектина из свекловичного жома не-ограничены. На передовых предприятиях свеклосахарного производства рассматриваются вопросы по организации данного процесса.
Это позволит повысить рентабельность свеклосахарного производства. Однако есть ряд факторов, которые на данный момент препятствуют активному внедрению линий по производству пектина на сахарных заводах.
Пектин, полученный из свекловичного жома по современной промышленной технологии, удовлетворяет требованиям пищевой промышленности, но в медицине он не может быть использован из-за низкого показателя его чистоты. Отсутствие научных разработок, позволяющих получить высоко-очищенный пектин, явилось главной причиной того, что пектин для медицинских целей не производится.
Сахарная промышленность относится к числу высокоматериало-ёмких отраслей промышленного производства, потребляющих значительное количество сырья в расчёте на единицу выпускаемой продукции. Технология получения сахара предполагает максимальное извлечение сахарозы в виде готовой продукции. Между тем в 100 кг сахарной свеклы, кроме сахарозы, содержится 2,2 кг клетчатки и ге-мицеллюлозы, 2,5 кг пектина, 0,2 кг аминокислот, микро- и макроэлементы. Классическая технология свеклосахарного производства не решает проблемы получения этих веществ, так как они затрудняют проведение технологических процессов, повышают потери сахарозы. Часть из них безвозвратно теряется при очистке диффузионного сока и термической обработке полупродуктов, остальные выводятся в побочных продуктах производства — жоме и мелассе.
В связи с этим актуальным является создание более совершенных технологий переработки сахарной свёклы и получения из неё новой продукции, что способствовало бы более рациональному использованию растительного сырья в сахарной промышленности и расширению ассортимента продуктов диетического и лечебно-профи-
лактического направлений. К таким продуктам можно отнести пищевые волокна и пектин [2].
Пищевые волокна представляют собой комплекс биополимеров, включающий в себя полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза (ГМЦ), пектиновые вещества), а также лигнин и связанные с ним белковые вещества, формирующие клеточные стенки растений. Значительная роль ПВ в ежедневном рационе не подвергается сомнению. Они не только снабжают организм энергией, выводят из него ряд метаболитов пищи и загрязняющих веществ, но и регулируют физиологические, биохимические процессы в органах пищеварения. Благодаря содержанию значительного числа полярных групп ПВ сорбируют как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные вещества, влияют на их обмен. ПВ способствуют выведению из организма холестерина, препятствуют всасыванию ядовитых веществ, содержащийся в них пектин связывает ионы тяжёлых металлов. Недостаток в рационе балластных веществ способствует ожирению, развитию желчнокаменной болезни, сердечно-сосудистых заболеваний. По данным многих исследователей, суммарное содержание ПВ в суточных рационах питания населения в среднем должно составлять 25—30 г.
Традиционная технология производства пектина включает в себя кислотный гидролиз пек-тинсодержащего сырья сильными минеральными кислотами, отделение жидкой фазы, осаждение пектина этиловым спиртом или ацетоном, его очистку и сушку. Эта схема, безусловно, экологически опасна, энергоёмка, и её реализация предусматривает наличие оборудования из специальных коррозионностойких конструкционных материалов и дорогостоящих химических реактивов, очистных сооружений. Повышенная пожаро- и взрыво-
опасность процессов также свойственны традиционной технологии производства пектина.
Следует отметить, что пектиновых веществ больше в тех тканях, где меньше сахара, и наоборот. Особенностью свекловичного сырья является то, что содержание протопектина в нём достигает 95—98% суммы пектиновых веществ, что обусловливает технологические параметры извлечения целевого продукта. До начала 1950-х гг. существовало мнение, что пектиновые вещества жома имеют очень низкую желирую-щую способность и не представляют ценности как студнеобра-зователи. Результатами исследований последних лет установлено, что свекловичный пектин по своим физико-химическим свойствам является наилучшим природным комплексообразователем по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам. Это приобретает особую актуальность в современных условиях ухудшения экологической ситуации.
Сухие вещества свекловичного жома представлены не только пектинами. В нём содержится (в %): целлюлозы — 22—25, гемицеллю-лозы 21—23, азотистых веществ 1,8—2,5, золы 0,8—1,3, сахара 0,15— 0,20. Кроме того, в свежем сыром жоме имеются витамин С и такие дефицитные в питании аминокислоты, как лизин и треонин. Поэтому наиболее целесообразным способом консервирования жома является его сушка, при которой происходит коагуляция коллоидных соединений, деформация клеточных оболочек и уменьшение первоначального объема материала. Конечная влажность сушёного жома обычно составляет 12—14%. Сушёный жом представляет собой сыпучую массу частиц неправильной вытянутой формы, которая обусловлена формой свекловичной стружки. Частицы сушёного жома могут быть пылевидными и в виде стружки длиной 20—70 мм. В условиях влажности менее 10%
НОВОСТИ
Сш^россахар - 20 лет на $лаш страны-!
жом приобретает ломкость, легко крошится и истирается в сушилке и транспортных устройствах, образуя много мелочи и пыли. Пересушенный жом плохо гранулируется. При влажности более 14% в жоме в процессе хранения могут развиваться микроорганизмы, снижающие его качество и приводящие к порче.
Были проведены исследования по извлечению пектиновых веществ из сушёного жома. Полученный пектин по органолепти-ческим показателям имел серый оттенок, что негативно влияло на качество продукта. В качестве сырья использовался жом, который высушивался с помощью дымовых газов. Для сравнения был получен пектин из сушёного жома, в качестве теплоносителя которого использовался пар. Пектин, выделенный из такого жома, имел более высокие качественные показатели. К сожалению, на российских сахарных заводах свекловичный жом высушивают в основном дымовыми газами, что может ограничивать использование такого жома для производства пектина. На передовых сахарных заводах проводят реконструкцию жомосушиль-ных отделений с переходом на высушивание паром. При этом завод получает возможность уменьшить расход воды на технологические нужды и организовать производство пектина из обессахаренной стружки, улучшив свои технико-экономические показатели. Выпаренная из жома вода на начальном этапе может быть использована в качестве теплоносителя для обогрева продуктов свеклосахарного производства. И на следующем этапе полученный конденсат также возвращается в производство, что позволяет снизить расход воды на технологические нужды по заводу в целом.
Не менее важно и рациональное использование тепла выводимых в атмосферу дымовых газов при работе парогенераторов ТЭЦ сахарных заводов. Так как температура
уходящих газов достаточно высокая, целесообразно применить это тепло, например, для обогрева почвы в теплицах, которые можно будет построить рядом с сахарными заводами. И хотя это потребует определенных материальных вложений, эффективность такого использования тепла уходящих газов высока, что позволит быстро окупить вложения.
Рациональная комплексная утилизация всех отходов свеклосахарного производства позволит существенно повысить эффективность производства сахара, снизить его себестоимость, обеспечить нашу страну ценными продуктами для ряда отраслей и снять зависимость российской экономики от импортных продуктов, в том числе пектина.
Список литературы
1. Донченко Л.В. Пектин: основные свойства, производство и применение / Л.В. Донченко, Г.Г. Фирсов. — М.: ДеЛи принт, 2007. - 276 с.
2. Лосева В.А. Пищевые волокна из сахарной свеклы / В.А. Лосева, Т.В. Санина, Л.Н. Шахбулатова, Ю.В. Ряховский. — Воронеж: Гос. технол. акад., 2001. — 256 с.
3. Пузанова Л.Н. Аспекты обращения побочных продуктов и отходов свеклосахарного про-
изводства /Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Сахар. — № 9. — 2013. — С. 26—28.
4. Зелепукин Ю.И. Утилизация фильтрационного осадка / Зеле-пукин Ю.И., Бирюков И.И., Бирюкова Н.И., Зелепукин С.Ю. // Сахар. — № 6. — 2011. — С. 41—43.
5. Рациональное использование фильтрационного осадка. Зелепукин Ю.И., Бирюков И.И., Бирюкова Н.И., Зелепукин С.Ю. // Сахарная свекла. — № 6. —2011. — С. 31—33.
6. Удобрение с применением обессахаренного фильтрационного осадка. Зелепукин Ю.И. // Сахар. — № 11. — 2011. — С. 33—34.
7. Зелепукин Ю.И. Использование фильтрационного осадка при производстве удобрений / Зелепукин Ю.И., Зелепукин С.Ю. // Сахар. — № 40. — 2013. — С. 22—24.
8. Зелепукин Ю.И. Способ производства гранулированного удобрения / Зелепукин Ю.И., Бирюков И.И., Бирюкова Н.И., Зелепукин С.Ю. Патент РФ № 2404258. Заявлен 25.11.2009. Опубл.: Бюл. № 32 от 20.11.2010.
9. Зелепукин Ю.И. Способ изготовления удобрения / Зелепукин Ю.И., Бирюков И.И., Бирюкова Н.И., Зелепукин С.Ю. Патент РФ № 2435749. Заявлен 30.11.2009. Опубл.: Бюл. № 16 от 10.06.2011.
Аннотация. Физико-химические свойства свекловичного пектина позволяют использовать его не только как желирующее вещество в кондитерской и пищевой промышленности, но и в качестве наилучшего природного комплексообразователя по отношению к тяжёлым металлам и радионуклидам. В статье обосновывается экономическая целесообразность использования свекловичного жома, являющегося отходом сахарного производства, в качестве сырья для получения пектина как продукта с низкой себестоимостью и высокой добавленной стоимостью, что позволит снизить импортозависимость России в отношении пектина.
Ключевые слова: переработка отходов сахарного производства, пектин, фильтрационный осадок, меласса.
summary. physical and chemical properties of beet sugar pectin allow to use it as gelling agent not only in confectionary and food industry but as the best natural complexing agent in respect to heavy metals and radionuclides. The article validates economic feasibility of beet pulp usage, being sugar industry waste, as a raw material for pectin production. Beet pectin is a low cost and high added value product which may permit to reduce dependence of Russia on import in terms of pectin. Keywords: waste management, sugar mill, pectin, sludge cake, molasses
