Буряковий жом у контексті розвитку концепції циркулярної біоекономіки (частина 1)

 

Доведено, що неефективне управління відходами, що є, зокрема, наслідком існуючої лінійної моделі економіки, створює значні ризики для навколишнього середовища і населення. Це актуалізує імплементацію моделі циркулярної економіки, яка передбачає енергозбереження, регенеративне екологічно чисте споживання і виробництво, за прикладом ЄС, що є глобальним лідером із її впровадження. Україні в умовах євроінтеграції запропоновано скористатись вже напрацьованою в ЄС методикою, чітким алгоритмом імплементації циркулярної економіки, а також успішними прикладами міжнародних компаній. При цьому критичними визнано роль держави, чітку стратегію впровадження циркулярних принципів та кардинальну зміну суспільних цінностей. 

За матеріалами статті на тему «Буряковий жом у контексті розвитку концепції циркулярної біоекономіки» («Sugar Beet Pulp in the Context of Developing the Concept of Circular Bioeconomy») наукового інтернет-журналу «Energies» (15) 2022.

Можливості, що представляють концепцію циркулярної економіки, набули особливого значення в XXI столітті. Один із повних переліків, заснованих на комплексному аналізі визначень «економіки замкненого циклу», склав Кірххер та ін. Він сформулювали 114 визначень циркулярної економіки, які були закодовані 17 вимірами, що посилаються на принципи, цілі та фактори, що дозволяють реалізувати припущення циркулярної економіки. У 2016 році шукаючи визначення циркулярної економіки для аналізів і компіляцій Кірххер сформулював цілісний погляд, який всебічно використали Гізелліні та ін.

Об'єднуючи огляд Кірххера зі співвіднесенням та аналізом підходів циркулярної економіки Ліндера, можна зазначити, що: XXI століття змінило підхід до циркулярної економіки через призму промислової екології, включаючи цілісну економічну, промислову та соціальну структуру, що прагне створити системи, які є не тільки ефективними, а й по суті безвідходними. Циркулярна економіки також опирається на концепцію Боулдінга про «космічний корабель Земля», «економіку сталого стану» Дейлі та «кільцеву економіку» Стагеля та Редея. Ці ідеї були схвалені сферами формування політики в ЄС, Китаї та Японії та були популяризовані аналітичними центрами та неурядовими організаціями, такими як Зелений Альянс та Фонд Еллен Макартур. Сталий розвиток є найголовнішою метою циркулярної економіки.

У більшості країн підхід до циркулярної економіки є домінуючим через призму екологічних та економічних аспектів. Виняток становлять лише азіатські країни тихоокеанського регіону, де інтерпретація циркулярної економіки охоплює соціальні фактори в рамках політичної мети більш «гармонійного суспільства».

У той час як деякі визначення циркулярної економіки включають поняття економічної цінності та скороченого споживання енергії, основна суть циркулярної економіки пов’язана із впровадженням замкненого циклу продукту, ресурсу та матеріалу як засобу підвищення ефективності використання ресурсів. Кілька визначень циркулярної економіки зосереджуються на замкнених циклах: «Самодостатній економічний режим, що здійснюється через «замкнені цикли» ресурсів»; «Замкнений цикл матеріальних та енергетичних потоків»; «Суть циркулярної економіки — круговий (замкнений) потік ресурсів»; «Циркулярна економіка — це промислова система, зосереджена на змиканні кільця матеріальних та енергетичних потоків»; «У циркулярній економіці ресурси використовуються якомога довше з отриманням максимальної вигоди»; Економіка «... в якій концептуальна логіка процесу створення вартості заснована на використанні економічної цінності продуктів після їх використання»; «Циркулярна економіка ... має на меті скорочення надходження первинних ресурсів та відходів шляхом змикання економічних та екологічних ланцюгів ресурсних потоків»; Циркулярна економіка «... де цінність продукції, матеріалів і ресурсів зберігається в економіці якомога довше, а утворення відходів мінімізується».

Визначення, опубліковані у звітах, підготовлених до практичних застосувань, слід розглядати як корелюючі з підходом, згідно з яким циркулярна економіка визначається як економічна система, заснована на можливості повторного використання продуктів, їх компонентів, відновлюваних ресурсів, а також захисту природних ресурсів при прагненні створити додану вартість у кожній ланці системи.

Такий підхід однозначно ставить перед суб'єктами мікро- та макроекономічного масштабу завдання у вигляді дій, що сприяють кращому змиканню товарних та ресурсних ланцюжків.

Циркулярна економіка найчастіше характеризується як комбінація заходів зі зменшення відходів, повторного використання та повторної переробки, тоді як часто не згадується те, що циркулярна економіка потребує системного зрушення. Визначення показують кілька явних зв'язків концепції кругової економіки зі сталим розвитком. Циркулярна економіка вважається економічним процвітанням, за яким слідує якість навколишнього середовища; вплив на соціальну справедливість і майбутні покоління майже не згадується. Більше того, ані бізнес-моделі, ані споживачі часто не виділяються як чинники, що сприяють розвитку циркулярної економіки.

Слід також звернути увагу на визначення циркулярної економіки, сформульоване Кірххером, яке представляє її як економічну систему, яка замінює концепцію «закінчення життя» альтернативним повторним використанням, повторною переробкою та відновлюваними ресурсами для виробництва, реалізації та споживання. Дан система діє на мікро- (продукти, компанії, споживачі), мезо- (екотехнопарки) та макрорівні (місто, регіон, населення), маючи на меті досягти сталого розвитку, одночасно підтримуючи якість навколишнього середовища, економічне процвітання та соціальну справедливість на користь нинішнього та майбутніх поколінь. Більше того, нові бізнес-моделі та відповідальні споживачі дозволяють це зробити.

Зараз суть циркулярної економіки відображається в підході, згідно з яким «циркулярну економіку» можна визначити як економічну модель, спрямовану на ефективне використання ресурсів шляхом мінімізації відходів, забезпечення довгострокової прибутковості, скорочення використання сировинних ресурсів, а також змикання циклу продуктів, сировини і матеріалів для підтримки збереження навколишнього середовища та соціально-економічних переваг. Циркулярна економіка має потенціал для стимулювання сталого розвитку, водночас відокремлюючи економічне зростання від негативних наслідків виснаження ресурсів та забруднення навколишнього середовища.

Циркулярна економіка орієнтована на те, щоб якомога довше зберігати продукцію, матеріали та сировину при одночасній мінімізації відходів, які також класифікуються як вторинна сировина.

Циркулярна економіка, що використовує відходи для виробництва нової продукції, є альтернативою традиційної, нестабільної лінійної моделі економіки, яка часто залежить від наявних викопних ресурсів. Перехід від лінійної до циркулярної моделі економіки потребує більшої кількості відновлюваних біологічних ресурсів, включаючи біовідходи. Такий підхід, відомий як біоекономіка або циркулярна біоекономіка, може принаймні частково замінити традиційний спосіб виробництва певних продуктів та енергії та стати основою світової економіки. Таким чином, біоекономіка з її потенційними екологічними, соціальними та економічними перевагами стає «глобальною концепцією», що цікавить різні країни світу, різні державні та приватні структури й установи.

Циркулярна економіка, яка співвідноситься з терміном біоекономіка, заснована на діаграмі Фонду Еллен МакАртур, технічному циклі, який охоплює невідновлювані ресурси, а також біологічному циклі, що стосується відновлюваних ресурсів (біомаси) та циклічної діяльності. 

Біоекономіка є одним із ключових принципів, що дозволяють впроваджувати діяльність замкненого циклу, орієнтовану не тільки на подовження життєвого циклу продукції, але й на підтримку високої якості вихідної сировини протягом усього життєвого циклу біопродукту (від сировини до виробництва, зберігання, транспортування, споживання, утилізації відходів).

Перетворення біомаси в товарну продукцію залежить від доступності та якості відновлюваної сировини. До екологічних обмежень розвитку біоекономіки належать, зокрема, сезонність поставок, географічний розподіл ресурсів та конкуренція за наявні землі. Економічними факторами, що впливають на біоекономіку, є собівартість виробництва та транспортування, вартість ресурсів та отриманої продукції. На розвиток біоекономіки також впливають багато інших факторів, таких як наукові досягнення, інноваційна діяльність, наявність джерел фінансування, споживчі переваги, сприйняття генетичних технологій громадськістю і навіть фіскальна політика.

Основною метою даної статті є представлення переваг використання бурякового жому, побічного продукту виробництва цукру з буряків, у контексті розвитку концепції циркулярної біоекономіки. Особливу увагу приділено обсягам бурякового жому, що виробляється на польських цукрових заводах, та поточному використанню таких біовідходів. Польща – одна з європейських країн, яка виробляє надзвичайно великі обсяги цукру. За даними Європейської асоціації виробників цукру, під час цукрової кампанії 2018/2019 МР у Польщі було вироблено 2,2 млн т цукру, що склало близько 13% від загального виробництва цукру в ЄС. Польща посіла третє місце за виробництвом цукру в Союзі (після Франції та Німеччини). У Польщі весь цукор виробляється із цукрових буряків. Тому проблема належного поводження з відходами польської цукрової галузі стає особливо актуальною.

Циркулярна біоекономіка — поняття та значення

Лінійна модель економіки дуже залежить від викопних ресурсів, які використовуються як сировина. Вхідна сировина, побічні продукти та продукти, що використовуються у процесах виробництва і споживання, у кінцевому підсумку стають відходами, які повторно вже не використовуються та не переробляються. Наслідки такої нестійкої промислової системи включають виснаження невідновлюваних ресурсів і велику кількість відходів.

Лінійну модель необхідно замінити більш ефективною циркулярною економікою для розвитку стійких систем виробництва. Циркулярна економіка спрямована на підвищення ефективності використання ресурсів та зменшення утворення відходів шляхом їх використання у якості сировини у виробничих процесах. У деяких випадках відходи можна перетворити на високовартісну продукцію.

Циркулярна економіка — це тип економіки, спрямований на мінімізацію часу, простору, матерії та енергії (включаючи сировину та відходи), водночас максимізуючи ефективність їх використання шляхом створення процесів замкненого циклу.

Циклічні процеси у циркулярній економіці засновані на діаграмі Фонду Еллен МакАртур і відносяться до двох циклів:

  1. технічний цикл, що охоплює невідновлювані ресурси, тобто ресурси, які не можуть відновлюватися в результаті природних процесів або для цього знадобиться дуже багато часу;
  2. біологічний цикл, що охоплює відновлювані ресурси, тобто ресурси, які можна відновлювати на постійній основі або відновлення відбувається дуже швидко. Біологічний цикл також включає:
  • біомасу, тобто частину продукту, відходи, залишки, які підлягають біологічному розкладанню;
  • залишки біологічного походження;
  • промислову біомасу.

На діаграмі Фонду Еллен МакАртур представлені вищевказані фактори. На основі цієї діаграми існує три основні припущення циркулярної економіки:

(1) збереження природних багатств шляхом збалансування потоків природних ресурсів (замкнені цикли природних ресурсів);

(2) оптимізація використання сировини шляхом збереження готової продукції та компонентів для виробництва у вище згаданих циклах (технічних та біологічних);

(3) безперервність підвищення ефективності системи циркулярної економіки шляхом постійного спостереження, моніторингу та усунення негативних зовнішніх наслідків, пов'язаних з потоками потоків.

Циркулярний підхід до економіки передбачає необхідність раціонального використання відходів, щоб вони могли знову потрапити в біосферу, а небіологічні матеріали можна було переробити нешкідливим для довкілля способом, скорочення утворення відходів та якомога довше збереження цінності продуктів/ресурсів.

У моделі циркулярної економіки відходи одного процесу використовуються як сировина для проведення інших процесів, що, як наслідок, зменшує кількість відходів виробництва.

Згідно з наведеними вище міркуваннями, циркулярна модель економіки є протилежністю лінійної моделі економіки. У лінійній моделі ресурси повторно не використовуються і не переробляються. Іншими словами, виробничі цикли не змикаються, що призводить до збільшення відходів. Ключовою характеристикою розвитку циркулярної моделі економіки є те, що відрізняє її від лінійної економіки, тобто циркулярність. У цій моделі додана вартість ресурсів, матеріалів і продуктів максимізується, а кількість відходів мінімізується. Відходи повторно використовуються з дотриманням ефективної процедури та ієрархії поводження з відходами та побічними продуктами.

Для реалізації принципів циркулярної економіки важливо розробити технології перетворення різноманітної сировини з біомаси для виробництва продуктів, енергії та хімічних речовин на біологічній основі. Це також передбачає використання відходів біомаси, таких як агропромислові відходи, побутові відходи або промислові побічні продукти, та їх перетворення в цінні продукти. Біопродукти та енергія, вироблена з використанням біомаси, включають, наприклад, продукти харчування, хімічну продукцію, косметику, біопаливо тощо.

Біопереробка відходів не потребує сільськогосподарських угідь і допомагає заощаджувати енергію та воду, а отже може бути економічно ефективною. Інші потенційні переваги включають зменшення кількості синтетичних хімічних речовин і зниження забруднення навколишнього середовища. Кілька термохімічних і біохімічних методів можуть перетворювати відходи в цінні продукти. До них відносять ферментацію, анаеробне дигерування та газифікацію.

Таблиця 1. Лінійна економіка vs. циркулярна економіка

Безсумнівним наслідком економіки замкненого циклу є можливість економічного розвитку за рахунок одночасної мінімізації виснаження ресурсів, матерії та енергії. Іншими словами, шляхом повторного використання та переробки циркулярна модель економіки може сприяти відокремленню економічного зростання від використання природних ресурсів.

Згідно з інформацією, наведеною в Таблиці 1, модель, заснована на експлуатації вичерпних невідновлюваних ресурсів, призводить не тільки до великої кількості відходів, але й до багатьох інших екологічних, економічних та соціальних проблем. Вони включають збільшення викидів парникових газів у результаті використання викопного палива, залежність від ресурсів та залежність від коливань цін на нафту. Проблеми сталого розвитку можна вирішити, перейшовши до економіки, заснованої на відновлюваних біологічних ресурсах, які виробляються та перетворюються на інші біопродукти з високою доданою вартістю, включаючи енергетику. Це питання пов’язане з біоекономікою.

Вважається, що поняття «біоекономіка» ввів Дж. Енрікес; однак у своїй статті він не використав цей термін. Термін «біоекономіка» раніше використовувався для опису використання біологічних знань для комерційних та промислових застосувань. Нині «біоекономіка» в літературі та стратегічних документах розуміється зовсім інакше. Біоекономіка розглядається як світ, економіка, підхід або «глобальний індустріальний перехід» із використанням таких процесів, як виробництво, перетворення, використання та збереження відновлюваних біоресурсів. Тому біотехнології широко використовуються в біоекономіці, що дозволяє виробляти різноманітні товари та енергію. Велике значення мають інновації, знання, дослідження та розробки. Очікується, що товари (наприклад, продукти харчування, ліки), вироблені принаймні частково з відновлюваних біологічних ресурсів та біовідходів, принесуть економічні, соціальні та екологічні переваги, які є результатом впровадження рішень, що стосуються біоекономіки.

Таблиця 2. Потенційні переваги біоекономіки

Біоекономіка або стійка біоекономіка спочатку вважалася невід’ємним компонентом моделі економіки замкненого циклу. Біоекономіка розглядається також як циркулярна через притаманну їй природу або як модель, що якраз узгоджується з підходами циркулярної економіки.

Нещодавно дослідники розробили концепцію циркулярної біоекономіки, яка опирається на стійке та ефективне використання сировини з різноманітної біомаси, включаючи відходи. Деякі автори вважають циркулярну біоекономіку перетином двох понять — біоекономіки та циркулярної економіки. Однак циркулярна біоекономіка також вважається чимось більшим, ніж ці дві моделі окремо.

Концепція циркулярної біоекономіки передбачає використання біопереробних заводів, які переробляють відновлювані біоресурси, включаючи агровідходи та побічні продукти, для виробництва енергії (біопалива, електроенергії, тепла) та різноманітних продуктів, таких як продукти харчування, корми для тварин, хімічні речовини, фармацевтичні товари тощо. Такі об’єкти можуть використовувати різноманітні біологічні ресурси, зокрема лігноцелюлозу, водорості (мікроводорості), сільськогосподарські, комунальні, промислові та лісові відходи та залишки, такі як, наприклад, гній, продукти харчування, осад.

На біопереробних заводах має відбуватися комплексна, багатоплатформна та одночасна переробка великої кількості відходів біомаси та відходів агропромислового виробництва в хімічні речовини, енергію та паливо. З іншого боку, малотоннажна переробка має відбуватися на безвідходних переробних підприємствах, які характеризуються простотою та зручністю в експлуатації, що працюють як контейнерні та переносні установки, розташовані поблизу місць, де утворюються відходи. Наприклад, цех із переробки бурякового жому має розташовуватися поблизу цукрового заводу, що значно спрощує транспортування сировини та зменшує витрати на її переробку.

Переробні підприємства можуть виробляти невелику кількість хімічних речовин високої комерційної цінності, підвищуючи прибутковість виробництва, а також велику кількість менш цінних недорогих продуктів для кормів, а також паливо та енергію, що використовуються для задоволення особистих потреб або для продажів. Також найціннішу продукцію, отриману за цих умов, можна направити на подальшу переробку на біопереробних заводах, які комплексно переробляють лігноцелюлозну, білкову та жирову біомасу у великих масштабах.

Біоресурси можуть бути як місцевого, так і імпортного виробництва. На біопереробних заводах можуть застосовуватися різні технології переробки, а саме термохімічні, біологічні, хімічні (біохімічні) та механічні.

Біомаса може перероблятися у велику кількість продуктів із відносно низькою вартістю, таких як корми для тварин. Доступні технології також можуть використовуватися для перетворення різної сировини в більш цінні продукти. З точки зору економічного сталого розвитку, бажано максимізувати додану вартість та повністю використовувати хімічний потенціал відновлюваних ресурсів.

Біопереробні підприємства стикаються з багатьма проблемами. Деякі з них є технологічними, що є результатом того факту, що технології ще недостатньо розроблені та не зрілі (наприклад, виробництво хімічних речовин). Існує також певний ступінь невизначеності, коли йдеться про результати віртуальних виробничих процесів, оскільки деякі процеси або дослідження проводяться лише в лабораторних умовах.

У Таблиці 3 представлено короткий виклад обмежень, які гальмують, а іноді й перешкоджають реалізації концепції циркулярної біоекономіки.

Таблиця 3. Обмеження впровадження кругової біоекономіки

Виробництво бурякового жому

Буряковий жом є основним побічним продуктом виробництва цукру з буряків. Це знецукрений матеріал, що залишається після вилучення сахарози з подрібненого буряка.

Жом, який утворюється в процесі переробки цукрових буряків, може бути вологим або свіжим. Концентрація сухої речовини у вологому жомі становить близько 6-12%. Відповідно до Регламенту Комісії (ЄС) № 68/2013 від 16 січня 2013 року про Перелік кормових матеріалів мінімальний вміст вологи у вологому буряковому жомі становить 82%. Вологий жом схильний до псування, тому його складно зберігати й дорого перевозити.

Для зменшення вмісту вологи буряковий жом пресується. У результаті механічного віджимання вміст сухої речовини в пресованому жомі збільшується до 18-30%. Для запобігання псування свіжопресований жом слід використати протягом кількох днів. Інколи його продають місцевим фермерам, які силосують його на годівлю тваринам.

Пресований жом часто сушать і переробляють на гранули перед упаковуванням для продажу як корм для тварин. Зневоднення та гранулювання є відносно енергоємними процесами, на які припадає 30-40% загальних витрат енергії при переробці буряка. Концентрація сухої речовини у висушеному жомі становить близько 87-92%. У деяких випадках буряковий жом змішують з мелясою, щоб збільшити його енергетичний вміст і покращити смакові якості та поживну цінність, якщо жом використовується у якості корму для тварин.

Буряковий жом складається в основному з полісахаридів, таких як пектин (18-30%), целюлоза (19-27%) і геміцелюлоза (20-36%). Він також містить лігнін, але в набагато меншій кількості. Жом також містить білок (7-15%) і незначні фракції жирів і золи.

За даними ФАО, у 2014-2019 роках щороку світове виробництво цукрових буряків становило 241-314 млн т. У 2019 році в Польщі виробництво цукрових буряків досягло 13,8 млн т і склало 5,0% від загального світового обсягу виробництва. За даними CEFS, під час цукрової кампанії 2018/2019 МР у Польщі було вироблено 2,2 млн т цукру, що склало близько 13% від загального виробництва цукру в Європейському Союзі. Польща посіла третє місце за виробництвом цукру в ЄС (після Франції та Німеччини).

Для виробництва 1 т цукру потрібно близько 6,6 т цукрових буряків. Із кожної тонни цукрових буряків, що переробляються, виходить відповідно близько 160-500 кг вологого або пресованого жому та 51-70 кг сушеного жому. Точні значення залежать від сорту, умов вирощування та переробки цукрових буряків на цукровому заводі.

За даними CEFS, під час цукрової кампанії 2015/2016 МР в Європейському Союзі з цукрових буряків було вироблено приблизно 10,4 млн т свіжого жому. У Польщі було вироблено 3,6 млн т жому. Велика кількість бурякового жому, виробленого в Польщі, є результатом відносно високого виробництва цукру.

На Рис. 1 показано виробництво та продажі бурякового жому та інших відходів цукрової галузі Польщі.

Рис. 1. (a) Реалізований (у тисячах тонн) буряковий жом та інші відходи цукрової галузі Польщі. (b) Реалізований (у млн злотих) буряковий жом та інші відходи цукрової галузі Польщі.


713