Буряковий жом у контексті розвитку концепції циркулярної біоекономіки (частина 2)

 

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.

Сучасне використання бурякового жому

Незважаючи на високий вміст цукру та значний потенціал біопереробки, буряковий жом найчастіше використовується як корм для тварин. Він вважається цінним кормом для худоби завдяки високій калорійності. У Польщі ринкова чиста ціна на буряковий жом становить близько 1300 злотих/т (328 дол./т).

У Польщі та деяких інших європейських країнах буряковий жом використовується для виробництва біогазу. У Стшеліні (південно-західна Польща) розташований біогазовий завод, який працює виключно на буряковому жому. Біогаз отримують шляхом анаеробного дигерування вологого або силосованого жому. Завод працює цілий рік, оскільки має безперебійні поставки сировини. Проте вологий жом використовується лише під час цукрової кампанії.

Будучи відновлюваним джерелом енергії, буряковий жом та інші джерела біомаси допомагають подолати кліматичні зміни, зменшити викиди парникових газів та інших забруднюючих речовин від спалювання викопного палива. Біогазові заводи, що використовують жом та інші побічні продукти цукрової галузі, можуть бути прибутковими інвестиційними проектами.

Обсяги відходів, що утворилися в Польщі за 2011-2016 роки у вигляді бурякового жому, представлені на Рис. 2.

Рис. 2. Кількість відходів (у тисячах тонн), що утворюилися в Польщі у вигляді бурякового жому

У Польщі за вивезення відходів на звалища стягується плата. У 2011-2020 роках ставка збору, що стягується з однієї тонни бурякового жому, а також інших відходів цукрової галузі становила 11,32-13,13 злотих (2,85-3,31 дол.).

Нове застосування бурякового жому як приклад реалізації концепції циркулярної біоекономіки

Буряковий жом — це залишок від переробки цукрових буряків, який має великий потенціал як компонент біоекономіки, оскільки його можна перетворювати на різноманітні цінні продукти. Жом виробляється у великих кількостях, має низьку вартість та хороший хімічний склад, але його потенціал використовується недостатньо. Хімічний склад бурякового жому пов’язаний з багатьма корисними компонентами, в тому числі з високою фракцією полісахаридів. Однак слід зазначити, що склад жому може змінюватися, залежно, наприклад, від погодних умов.

Одним із способів виробництва продуктів із високою доданою вартістю з бурякового жому є його перетворення в біоетанол, що може підвищити економічну доцільність використання жому, у порівнянні з його продажами на корм для тварин. Потенційні переваги виробництва біоетанолу є результатом нижчих витрат на енергію, оскільки жом, який використовується для виробництва біопалива, не потрібно сушити.

Із метою отримання етанолу з бурякового жому в 2013 році вчені одночасно використовували знецукрення та ферментацію. Максимальний вихід етанолу склав 0,1 г/г сухої маси.

У Таблиці 4 наведено огляд методів, які використовуються для виробництва біопродуктів із бурякового жому.

Таблиця 4. Процеси отримання цінних проміжних продуктів та біопродуктів із бурякового жому

Буряковий жом разом із яблучними вичавками та шкіркою цитрусових вважаються «багатими на пектин агропромисловими залишками». Різні види залишків і процеси екстракції впливають на властивості пектинів. Звичайним і широко використовуваним методом вилучення пектину з бурякового жому є метод із використанням кислоти, але також є інші методи. Однак нетрадиційні методи екстракції можуть бути дорогими і неконкурентоспроможними, в порівнянні з традиційними кислотними методами.

Пектини використовуються в основному в харчовій промисловості. Однак пектин, отриманий із цукрових буряків, має деякі небажані якості, в порівнянні з пектинами, вилученими з інших рослин. Це обмежує його комерційне застосування в харчових продуктах. На відміну від пектинів, отриманих із шкірки цитрусових або яблучних вичавок, пектин цукрових буряків зазвичай не використовується як загусник для джемів і желе. Причиною цього є його обмежена здатність загущення через високий ступінь етерифікації та наявність ацетильних груп. Проте в літературі вказується на деякі успішні застосування пектину цукрових буряків у харчовій промисловості. Емульгуюча здатність пектину бурякового жому краща, в порівнянні з пектином, отриманим з інших рослин. Буряковий пектин також можна використовувати для підвищення в’язкості деяких харчових продуктів (наприклад, кетчупу).

Пектин, вилучений із бурякового жому, досліджено як біосорбент, який використовується для видалення важких металів (міді, свинцю, кадмію) з водних розчинів, у тому числі зі стічних вод.

Пектини, вилучені з різних рослин, також можуть використовуватися в інших нехарчових галузях, таких як косметична та фармацевтична промисловість, наприклад, як носії лікарських засобів або зв’язуючі речовини в пігулках.

Багаті на пектин залишки, включаючи буряковий жом, мають потенціал для переробки в пектинові олігосахариди, які можна використовувати як потенційні пребіотичні сполуки. Пектинові олігосахариди досліджуються на антибактеріальний потенціал.

Вплив на навколишнє середовище виробництва олігосахаридів із пектину бурякового жому визначався за допомогою Оцінки життєвого циклу (LCA). Автори досліджували як звичайний автогідроліз, так і ферментативний гідроліз.

Основні моносахариди, що містяться в пектині, вилученому з бурякового жому, включають D-галактуронову кислоту, L-арабінозу і D-глюкозу. Інші види цукрів, що містяться в пектині, включають D-галактозу, L-рамнозу та D-ксилозу. Деякі з них мають ряд потенційних застосувань.

D-галактуронова кислота (GalAc) є структурним елеменом різноманітних інгредієнтів і продуктів, які використовуються в харчовій, фармацевтичній та косметичній галузях промисловості. Відомо, що L-арабіноза, що використовується як вихідна сировина, має широкий спектр застосування в харчовій та фармацевтичній промисловості. Її можна використовувати для виробництва більш здорових харчових продуктів, щоб знизити глікемічний індекс і рівень глюкози в крові.

Розвиток недорогих технологій виробництва L-арабінози зумовлений зростаючим попитом і пошуком дешевших джерел сировини. Альтернативною сировиною є не тільки буряковий жом, а й сільськогосподарські відходи, такі як рослинний клей, качани кукурудзи тощо.

Арабінозу можна використовувати для виробництва L-глюкогептулози, яка також має фармацевтичний інтерес. Із неї можна отримати арабініт (поліол арабітол) шляхом відновлення L-арабінози. Арабініт — це цукровий спирт із низькою калорійністю, який використовується в харчовій промисловості як підсолоджувач. Його також можна використовувати як проти карієсогенний агент.

Гідролізати бурякового жому містять оцтову кислоту. Жом також може використовуватися для виробництва фурфуролу, який можна переробляти на товарні продукти, такі як паливо, пластмаса або розчинники.

Пектин цукрових буряків містить ферулову кислоту. Потенційні можливості застосування ферулової кислоти включають захист шкіри від фотоокислювального пошкодження або хіміо- та променевої терапії.

Буряковий жом можна перетворити на бурштинову кислоту, яка може використовуватися як попередник для виробництва біовідновлюваних сополімерів і хімічних речовин. Ринкова ціна бурштинової кислоти становить 2,9 дол./кг. Ринок бурштинової кислоти, виробленої з відновлюваних ресурсів, є досить перспективним, оскільки він дуже швидко зростає.

Целюлоза є корисним компонентом бурякового жому. Її можна перетворити на карбоксиметилцелюлозу за допомогою процесу етерифікації. Ця похідна целюлози може застосовуватися в харчовій, косметичній та фармацевтичній галузях промисловості. Її також можна використовувати для бурового розчину та детергентних засобів. На думку Р. Ноллса та Ф. Стапса, волокна бурякового жому можна використовувати в лакофарбовій промисловості.

Буряковий жом використовується для отримання таких продуктів, як:

  • біорозкладні композити (термопластик), що використовуються як легкий конструкційний матеріал;
  • біосумісний матеріал для застосування при високих температурах (виготовлений з целюлозних нановолокон);
  • папір, який використовується, наприклад, для друку чи фотокопіювання. Буряковий жом може частково замінити деревні волокна.

Енергія

Слід зазначити, що згідно з останніми досягненнями та знаннями щодо переробки бурякового жому, в промислових масштабах можна реалізувати тільки ті рішення, в яких є надлишок відпрацьованої енергії, як теплової, так і електричної, що робить вище описані технології та отримані продукти вигідними з точки зору філософії циркулярної економіки.

Рентабельність використання бурякового жому визначається багатьма складними і часто змінними факторами, наприклад, технологією та умовами вирощування цукрових буряків, включаючи тип і кількість використовуваних добрив, погодні параметри (сонячне випромінювання та опади), урожайність, транспортування буряків, умови зберігання, технологію виробництва цукру та, нарешті, прийняті рішення у сфері переробки жому.

Біологічна переробка біомаси бурякового жому для виробництва біоенергії дає можливість як для сталого енергопостачання, так і для зменшення викидів парникових газів. У роботі Д. Тоніні та ін., щоб визначити важливість альтернативного використання залишків біомаси (у тому числі бурякового жому) було проведено послідовну Оцінку життєвого циклу (LCA) багатьох різних сценаріїв біопереробки, орієнтованих на енергію, і кілька шляхів перетворення (за участю біоетанолу та біогазу). У даній статті автори розробили спеціальну біохімічну модель для визначення детального балансу маси, енергії та речовин для кожного шляху перетворення біомаси як вхідних даних для LCA. Серед розглянутих шляхів перетворення результати дослідження по суті підтвердили результати попередніх досліджень, які виділяють екологічно вигідні шляхи перетворення, що включають електроенергію та тепло.

Для підвищення енергетичної, технологічної, економічної та екологічної стійкості буряковий жом можна використовувати для виробництва електроенергії в таких процесах, як анаеробне розкладання та спалювання. Виробництво електроенергії з жому забезпечує кращі екологічні переваги, ніж виробництво електроенергії з нафти чи вугілля. Анаеробне розкладання жому відбувається швидше, а також дає кращі екологічні характеристики, ніж інші варіанти. Але спалювання (нижча теплотворність 3,4 МДж/кг-1) жому на вологій основі для виробництва електроенергії є більш сприятливим екологічним процесом.

Для покращення енергетичної рекуперації та екологічних показників без впливу на рентабельність термохімічної та біохімічної переробки бурякового жому проводяться наукові дослідження, враховуючи серед іншого нові методи валоризації жому та екстракції пектину.

Александрі, Іоанніду та ін. представили біопереробну концепцію реструктуризації традиційної галузі виробництва цукрових буряків. Із бурякового жому було вилучено пектини, фенольні сполуки та багатий цукром гідролізат, який згодом використовувався як сировина для ферментації у виробництві бурштинової кислоти – важливого інтермедіату для розвитку стійкої хімічної галузі, який можна використовувати як попередник для виробництва різноманітних сипучих хімічних речовин, полімерів і смол. Компоненти, що містяться в буряковому жомі, можуть ефективно перетворюватися в цінні фармацевтичні проміжні продукти. Водночас, звичайний метод екстракції пектину (екстракція твердого тіла рідиною) з бурякового жому є багатоступеневим процесом, який, як відомо, дороговартісний та вимагає багато часу. Для підвищення технологічної, економічної та екологічної ефективності екстракції пектину з жому були застосовані нові, зелені методи екстракції. Нові методи включають екологічно чисте екстрагування пектинів лимонною кислотою як попередній етап у спрощеній концепції біопереробки, де тверда речовина без пектину згодом піддається торефікації для її перетворення в товарне тверде біопаливо, субкритичній водній екстракції, мікрохвильовій екстракції, ферментативній та ультразвуковій обробці. Ці методи мають багато переваг, таких як скорочення часу екстрагування, розчинника та зменшення споживання енергії, вища швидкість екстракції, вважаються екологічно чистими, економічно ефективними та мають великий потенціал для практичного застосування.

Обговорення

Необхідність впровадження біоекономіки стала передумовою реалізації принципів циркулярної економіки.

Переваги такого підходу безсумнівні та відносно швидко стали помітними, оскільки стосуються продовження життєвого циклу продукту та підтримки високої вартості матеріалів/сировини протягом усього життєвого циклу. Не можна забувати про економічні, соціальні та екологічні наслідки, такі як: збільшення ВВП та кількості нових робочих місць, скорочення викидів CO2 та споживання природних ресурсів. У 2019 році світове виробництво цукрових буряків склало близько 278,5 млн т. За оцінками, до 2030 року щорічно виробництво буряків зростатиме на 8%. При цьому очікується, що виробництво цукру як з буряків, так і з тростини збільшиться приблизно на 16%.

Кількість виробленого цукру впливає на виробництво бурякового жому. Однак екологічні проблеми, викликані виробництвом цукру з буряка, включають не тільки відходи виробництва. Інші впливи виробництва цукру на навколишнє середовище пов’язані з використанням гербіцидів та вапна, споживанням води, енергії та виробництвом стічних вод. У цукровій галузі енергія використовується для вирощування, збирання, транспортування та переробки буряків.

Цукрова галузь вживає заходів для економії води, зменшення споживання енергії та збільшення використання відновлюваної енергії. Проводяться дослідження Оцінки життєвого циклу (LCA), що стосуються виробництва цукру, та дослідження, спрямовані на розробку моделі для вирішення проблем у виробничих та логістичних операціях.

Це означає, що істотним наслідком змикання циклу циркулярної економіки, особливо шляхом більшого використання відновлюваних біологічних ресурсів, які перетворюються на інші біопродукти з високою доданою вартістю, є створення сприятливих умов для впровадження концепції сталого розвитку.

Не можна ігнорувати вплив різноманітних біологічних ресурсів (у тому числі відходів) на інтенсифікацію розвитку біоекономіки. На основі проведеного огляду можна стверджувати, що буряковий жом є цінною відновлюваною сировиною, яка має широкий спектр реальних і потенційних застосувань. Робляться спроби використання жому як важливого джерела пектину. У порівнянні з іншими комерційними джерелами пектину, пектин із бурякового жому має кращі емульгуючі та стабілізуючі властивості. Для видалення іонів важких металів можна використовувати деметильовані пектини. Джерела харчових волокон, такі як пектин, мають лікувальні властивості, що дозволяє використовувати буряковий жому як відновлюваний ресурс у харчовій, косметичній та фармацевтичній галузях промисловості.

Оптимальне використання жому, як і раніше, має наукове, технологічне, економічне, екологічне та культурне значення. Важливо не втрачати таку цінну сировину і повністю використовувати її для виробництва товарної продукції економічно вигідним та екологічно чистим способом.

Використання бурякового жому для виробництва біопродуктів та енергії з доданою вартістю відповідає принципам стійкості та циркулярної моделі економіки. Перетворення бурякового жому в товарну продукцію:

  • зберігає природні ресурси та зменшує кількість відходів, зберігаючи біоресурси в замкненому циклі виробництва;
  • використовує різні компоненти буряка, щоб максимізувати повторне використання ресурсу та збільшити додану вартість вторинних продуктів. Отримані продукти та матеріали мають багато поточних і потенційних застосувань;
  • зменшує викиди парникових газів та інші викиди за рахунок виробництва біогазу.

Ці моменти набули особливого значення в країнах ЄС, де кількість цукру, виробленого з буряків, досить велика, що передбачає необхідність використання потенціалу та можливостей належного поводження та утилізації відходів у вигляді бурякового жому.

Не менш важливим для просування альтернативних ринків (біоетанол, корми для тварин, пластмаса та хімічні речовини біологічного походження) для цукрових буряків є стимулювання та підтримка місцевих, регіональних та національних організацій, відповідальних за інновації у сфері побічних продуктів, таких як буряковий жом зокрема за рахунок коштів, призначених для інноваційних програм та кредитних програм із низькими відсотками.

Впровадження циркулярної економіки, де біоресурси та біовідходи перетворюються на цінні продукти, слід сприймати як одну з найважливіших умов сучасного світу. Економічно ефективна та екологічно чиста оцінка відновлюваних біологічних ресурсів може допомогти пом’якшити кліматичні зміни, зменшити залежність світу від невідновлюваних, викопних ресурсів, підтримати сталий розвиток та стійке суспільство.

На шляху до подолання бар’єрів біоекономічного розвитку правомірно здійснювати стратегічні заходи, які зосереджуються на:

  • побудові цілісної політики, яка при визначенні постулатів, цілей та інструментів у рамках економічної та галузевої політики враховує передумови концепції сталого розвитку;
  • матеріальних інвестиціях, пов'язаних з інфраструктурою, та нематеріальних інвестиціях, які пов'язані зі знаннями, кваліфікацією, навичками в галузі охорони навколишнього середовища, переробки, екологічних технологій, біотехнологій, біоінженерії тощо;
  • впровадженні правил партисипативного управління та діалогу між приватним, державним та неурядовим секторами.

Перераховані вище дії на оперативно-фактичному рівні мають зводитися до:

  • удосконалення інформаційних потоків у ланцюгах і мережах біоекономіки;
  • орієнтації освітньої діяльності на сталий розвиток, біоекономіку, біотехнологію та біоінженерію;
  • запуску систем фінансування та підтримки, а також інструментів сприяння циркулярній економіці;
  • впровадження систем планування, моніторингу та оцінки в ланцюгах і мережах біоекономіки;
  • міждисциплінарної роботи, що проводиться в галузі наукових досліджень та розробок;
  • ініціювання, підтримки та розповсюдження науково-дослідних робіт;
  • створення мережі співпраці та мережі кластерів.

 


721