За матеріалами статті на тему «Розвиток та диверсифікація цукрових буряків в Європі» («Development and Diversification of Sugar Beet in Europe») журналу Sugar Technology, жовтень 2021 р.

Таблиця 2. Склад бурякової меляси, усереднений на 75% сухої речовини (DS)

Метанізація цілого буряка

Поряд із розвитком технології метанізації виникло комерційне виведення сортів буряків, які називаються «енергетичними буряками», з більшим вмістом сухої речовини (DS) на 11-12% для максимізації виробництва метану. Такий буряк використовується як супутня сировина для метанізації, де концентрація вуглеводів діє як прискорювач процесу. У результаті по всій Європі з’явилися тисячі малих анаеробних метанізаторів (Рис. 4), для яких буряк вважається цінною допоміжною сировиною. Вони в основному, але не виключно, належать і управляються фермерами для виробництва біоенергії. Невеликі (наприклад, 250 м³) установки метанізації зазвичай розташовані в невеликих населених пунктах або на фермах, щоб споживати продукти буряку та інші органічні відходи для виробництва метану та вуглекислого газу. Метан можна використовувати як газ для приготування їжі, для виробництва енергії для споживання або продажів в електричну мережу. Вигода від більш масштабних біопроцесів наразі лише незначна через тривалу окупність капіталовкладень.

Інші побічні продукти

Мийне відділення цукрового заводу відокремлює від буряка ряд різних сторонніх тіл. Фракцію ґрунту можна компостувати та продавати як верхній шар ґрунту для озеленення. Подібним чином гірські породи легко класифікувати та використовувати в ландшафтному дизайні чи будівництві. Бур'яни та зламані бурякові хвостики є хорошим сировинним матеріалом для біометанізації.

Один із найбільших заводів в Європі, флагман British Sugar у Вісінгтоні, Великобританія, постачає надлишок тепла та вуглекислого газу в сусідню батарею теплиць, що охоплюють 18 га. Фільтрований осад, отриманий на першій та/або другій стадіях карбонізації, широко використовується як добриво та модифікатор рН ґрунту.

Сьогодні бурякозбиральна техніка не здатна збирати листя буряку, і його зазвичай залишають на полі як корм або заорюють назад у ґрунт. У перерахунку на біомасу це становить від 4,6 до 7,5 т/га. Однак листя містить цінні вітаміни та білки, валоризація яких наразі досліджується. Наприклад, Cosun Beet Company вже керує пілотним заводом з екстракції листового білка в Нідерландах.

Для більшості традиційних побічних продуктів бурякоцукрового виробництва знаходяться альтернативні застосування. Наприклад, вапняний шрот (CaCO₃, що виділяється під час очищення сирого бурякового соку) можна використовувати як матеріал для виробництва пластмаси, гуми, паперу, епоксидних композитів, кераміки та навіть цементу.

У 2019 році вчені досліджували використання висушеної розпиленням бурякової меляси як наповнювача в морозиві замість цукру. До 25% загального обсягу цукру можна замінити висушеною розпиленням мелясою, що знизить витрати на виробництво та покращить різні параметри якості без шкоди для сенсорних аспектів кінцевого продукту.

Вчені виокремили чіткі антиоксидантні характеристики фенолів, виділених із бурякової меляси. Зовсім недавно було досліджено використання надкритичних флюїдів для вилучення цінних продуктів, таких як амінокислоти з бурякової та тростинної меляси.

Густий сатураційний сік зазвичай вважається не супутнім продуктом, а скоріше проміжним продуктом бурякоцукрового виробництва. Тим не менш, досліджувалося використання сатураційного соку в порівнянні з тростинним цукром-сирцем і кукурудзяним крохмалем у молочнокислому бродінні. Подібно до бурякової меляси, було виявлено, що більш високий рівень і різноманітність амінокислот у буряковому соку служать не лише джерелом вуглеводів, але й основними поживними речовинами під час бродіння.

Біоенергетика та паливо

У той час як використання викопного палива на буряковому заводі вже давно оптимізовано, зараз досягається прогрес у напрямку більш стійкої роботи. По-перше, було показано, що звичайні печі для випалювання вугілля/антрацитового вапна можна перетворити на печі для випалювання газового вапна, обходячи потребу в інвестиціях у піч для випалювання вапна на природному газі. Наступним кроком буде заправляти ці печі біогазом місцевого виробництва замість природного газу, що забезпечить етап карбонатації без викопного палива.

Поточний рівень циркулярної економіки

Біопереробка — це концепція, згідно з якою за допомогою інтегрованих і стійких процесів біомаса перетворюється на різноманітні продукти, включаючи харчові продукти, біопаливо та біохімічні речовини. Ринки, що розвиваються, зображують біопереробний бурякоцукровий завод як класичний приклад циркулярної економіки. Наприклад, уся вода, необхідна для поточних операцій з переробки цукрових буряків, надходить безпосередньо з буряків, очищається та повертається назад у річки чи атмосферу.

У 1950-х роках польський цукровий завод Chełmża був перетворений на біопереробний завод шляхом екстракції та випаровування дифузійного соку з наступною біоконверсією в етанол, калійні солі, а також твердий і рідкий вуглекислий газ. Зараз він повернувся до виробництва цукру, але ця концепція все ще викликає великий інтерес.

Основними перешкодами для бурякопереробних заводів є: 1) поточна залежність від викопного палива для виробництва енергії, 2) викиди (включаючи CO₂), пов’язані з сушінням пресованого жому і 3) викиди незначних кількостей оксиду вуглецю з вугілля або печей на антрацитному вапні.

Новітні технології

Із 2006 по 2008 рік Єврокомісія спонсорувала міжнародну програму під назвою «На шляху до стійкої цукрової галузі в Європі» (TOSSIE), яку очолював Варшавський технологічний університет у Польщі. Програма визначила 33 актуальні дослідницькі теми у сферах виробництва цукру, застосування біотехнології та біопереробки, селекції і вирощування цукрових буряків та горизонтальних питань, таких як фінансування, навчання та обмін передовим досвідом. Теми, які безпосередньо стосувалися нових біоринків, продуктів і галузей:

1. визначити альтернативи та нові варіанти в біотехнологічному промисловому ланцюжку створення вартості цукрових буряків;
2. розробити біотехнологічні методи зберігання буряків;
3. розробити біотехнологічні методи зберігання бурякового жому;
4. розробити новітні системи бродіння для виробництва біопалива та інших продуктів на основі цукрового буряку;
5. оптимізувати комплексну переробку цукрових буряків на цукор та етанол;
6. розвивати економіку за рахунок масштабу в технологіях біопереробки;
7. інженерні технології та обладнання для малотоннажної переробки цукрових буряків;
8. оптимізація використання цукрів – структури та технології;
9. розробка біологічного крекінгу великомолекулярної сировини та пов’язаних технологій розділення продуктів крекінгу.

Конкуренція між біоетанолом та етанолом, отриманим із викопного палива, в першу чергу залежить від ціни на нафту, яка наразі надає перевагу викопному паливу. Те саме стосується більшості хімічних речовин. З іншого боку, спеціальні хімічні речовини на біологічній основі можуть потенційно витіснити свої аналоги на основі викопних палива без політичного втручання. Функціональні хімічні речовини на біологічній основі не тільки використовують дуже мало орних земель (<2%), а також продукти мають високу цінність і можуть компенсувати великі інвестиції в дослідження та розробки. З наявних комерційних культур цукрові буряки та цукрова тростина є одними з найбільш перспективних для того, щоб у майбутньому стати сировиною для виробництва різних біохімічних речовин.

Хімічна та фізична екстракція

Найбільш елементарною формою валоризації цукрових буряків є екстракція певної цільової сполуки. У таких випадках потрібний продукт уже присутній у біомасі цукрових буряків і потребує лише його екстракції та очищення. Вчені зробили вичерпний огляд методів, що використовуються для вилучення біомолекул із сільськогосподарських відходів, багато з яких можна застосувати до цукрових буряків.

Конверсійні технології

Незважаючи на те, що корисні сполуки можна виділити з цукрових буряків за допомогою методів фізичної та хімічної екстракції, це, звичайно, обмежується сполуками, які вже наявні в біомасі. Однак значна частина потенціалу цукрових буряків полягає в їх конверсії або трансформації. Нові технології перетворення, особливо хімічна конверсія та біоконверсія, призводять до багатьох нових способів валоризації цукрових буряків.

Хімічна конверсія

Будучи основним вуглеводом і високонасиченою киснем молекулою, сахароза, на додаток до своїх первинних продуктів розкладання – фруктози та глюкози – має величезний потенціал для перетворення на функціональні молекули. Концепція цукрової хімії або розробки хімічних речовин, отриманих із сахарози, з метою комерціалізації була розроблена в 1970-х роках Фондом дослідження цукру (сьогодні називається Цукровою асоціацією) у США.

Сахароза має вісім реакційноздатних гідроксильних груп, які можуть використовуватися для розщеплення молекули на первинні хімічні будівельні блоки або шляхом збереження основного ланцюга сахарози. Для останнього необхідно вибірково захистити три первинні та п’ять вторинних гідроксильних груп (наприклад, шляхом етерифікації або ацетилювання), щоб забезпечити вибіркове додавання функціональних груп. Додаткова проблема виникає, коли розглядається валоризація проміжних продуктів бурякоцукрового виробництва (наприклад, дифузійного соку, випареного сиропу) замість чистої сахарози. У той час як чистота кристалізованої сахарози становить 99,99%, випарений сироп та меляса повинні мати чистоту від 95% до 55% відповідно. Домішки складаються як з розчинних, так і нерозчинних сполук і змінюються залежно від сорту рослин, сільськогосподарської практики та кліматичних умов під час вирощування. Вони становлять серйозні проблеми для хімічного перетворення буряків у продукти з доданою вартістю.

Біоконверсія

У процесі біоконверсії використовуються біологічні каталізатори, тобто ферменти або мікроорганізми, для перетворення однієї сполуки в іншу. У таких випадках кінцевий продукт часто не має структурної подібності до вихідної сировини. Крім того, для біоконверсії потрібна не чиста сировина, а домішки, які діють як мікроелементи.

Ферментативна конверсія

У даний час ферменти виробляються масово, тобто вилучаються з клітин і очищаються, і застосовуються в широкому діапазоні комерційних і промислових процесів. Ферментативна конверсія сахарози в інші молекули проводилася в промислових масштабах протягом десятиліть за допомогою ферментів інвертази (Рис. 3 і 5). Вироблені глюкоза та фруктоза можуть бути далі ферментативно перетворені одна в одну (ізомеризація) з утворенням чистої фруктози чи глюкозних сиропів або для подальшого перетворення.

Рис. 5. Схематичний вигляд потенційного ферментативного шляху(ів) конверсії цукрового буряку

Алюлоза (також відома як D-псікоза), наприклад, є рідкісним цукром, який зараз рекламується як низькокалорійний підсолоджувач, який виробляється з фруктози за допомогою ферментів епімерази. Виробництво тагатози є іншим можливим шляхом біоконверсії: глюкоза перетворюється на сорбіт, сорбіт на сорбозу і, нарешті, сорбоза на тагатозу за допомогою ферментів епімерази. Знову ж таки, головним конкурентом є цукри з крохмалю.

Одноклітинні білки

Оскільки до 2050 року населення світу має перевищити 9 млрд, ведуться дискусії про те, чи зможуть сучасні методи виробництва продуктів харчування забезпечити попит, зокрема на білок. Виробництво одноклітинного білка — це перспективна технологія бродіння, яка могла б революціонізувати застосування цукрового буряка та/або його побічних продуктів (Рис. 6). Хоча десятиліттями вони є дослідницькою темою, їх комерціалізація обмежена сектором кормів для тварин, значною мірою, через відсутність попиту. Зокрема, одноклітинний білок — це виробництво багатих білками мікроорганізмів для споживання людиною та/або тваринами. Перевага одноклітинного білка перед звичайними методами виробництва білка полягає у швидкості процесу (тобто до декількох годин) і потребує набагато менше земель та прісної води. Ще одна перевага одноклітинного білка полягає в тому, що поживна цінність виходить за рамки простого білка — склад може бути пристосований і потенційно включати багато інших молекул, таких як корисні жири, полісахариди, вітаміни та мінерали.

Як правило, існують два методи виробництва одноклітинного білка: глибинна ферментація (тобто вирощування мікроорганізмів у водному середовищі з подальшою екстракцією) або твердофазна ферментація (тобто вирощування мікроорганізмів у середовищі, що містить лише залишкову воду). Твердофазна ферментація досі представляла виклики в масштабах для індустріалізації. Побічні продукти цукрового буряка є привабливою сировиною для виробництва одноклітинного білка. Бурякова меляса багата на сахарозу та бетаїн, що стимулює ріст мікроорганізмів, включаючи виробництво одноклітинного білка. Було виявлено, що високий рівень бетаїну покращує цей процес, виконуючи функції осмопротектанту. Крім того, бурякова меляса має перевагу перед іншими матеріалами на основі крохмалю та целюлози в тому, що сахароза легко засвоюється більшістю мікроорганізмів без необхідності часто дорогих етапів попередньої обробки.

Рис. 6. Схематичний вигляд потенційних ферментативних шляхів для цукрового буряка

Буряковий жом також досліджено як субстрат для виробництва одноклітинного білка із використанням як глибинної, так і твердофазної ферментації. Оскільки буряковий жом має відносно низький рівень лігніну, порівняно з деревиною та іншою целюлозною біомасою, зникає потреба в попередній обробці. У глибинній ферментації целюлоза, геміцелюлоза та пектини все ще потребують гідролізації ферментами, тобто целюлазою, геміцелеленою та пектиназою для вивільнення ферментованих цукрів (Табл. 3). На додаток до вартості ферментів, глибинна ферментація вимагає великих обсягів води, саме тому була розроблена твердофазна ферментація з та без попередньої хімічної обробки. Нитчасті гриби надають перевагу цьому методу, головним чином тому, що вони можуть природним чином виробляти ферменти, необхідні для гідролізу целюлози. Основними недоліками, пов'язаними з твердофазним виробництвом одноклітинного білка, є довша ферментація та труднощі створення впорядкованого промислового процесу. Для подолання цих обмежень пропонуються різні твердофазні біореактори.

Таблиця 3. Ферментаційні вуглеводи в буряковому жомі

Висновки

Цукровий буряк визнано одним з основних видів відновлюваних сировинних ресурсів для циркулярної економіки на основі біотехнології. Він не тільки має один із найкращих показників виходу вуглеводів із гектару, але й доступність цукрів у біомасі робить його ідеальним для біоконверсії. В Європі цукровий буряк виробляється як продукт харчування та сировина більше 200 років, а в США — близько 100 років, але лише протягом останнього десятиліття повний потенціал цього ресурсу нарешті привернув увагу.

Використання звичайних процесів виробництва цукру для виробництва комерційної сахарози та побічних продуктів все ще є нормою. Проте галузь змінюється. Технології біоконверсії ферментативного каталізу, ферментації та синтетичної біології стають дедалі ефективнішими та рентабельнішими, порівняно зі звичайними методами трансформації. Оскільки звичайні методи застарівають, дослідження та розробки нових потенційних шляхів валоризації прискоряться. Таким чином, бурякоцукрова галузь більше не обмежується традиційними рамками, а цукровий буряк має потенціал як субстрат для біоконверсії у практично незліченну кількість продуктів із доданою вартістю.