ПЕРЕРАБОТКА «ЗОЛОТЫХ» ОТХОДОВ В КЫРГЫЗСТАНЕ

Загрязнения воздушного бассейна и гидросферы определяются не национальными границами стран. Экологическая катастрофа, произошедшая в одной стране, неминуемо затронет и другие страны, отразится на качестве жизни и на здоровье людей. Исследователями установлено, что около 85 % всех заболеваний современного человека связано с неблагоприятными экологическими ситуациями.

По данным Министерства экологии и чрезвычайных ситуаций в Кыргызстане экологическая обстановка с каждым годом ухудшается. На территории республики расположено 44 хвостохранилища и 66 отвалов горнорудных предприятий, содержащих значительное количество радиоактивных элементов и тяжелых металлов. Загрязнению окружающей среды также способствует открытый способ добычи и эксплуатации угольных месторождений. Ежегодно в водоемы сбрасываются сточные воды с преобладанием вредных веществ. При их миграции по цепочке воздух - вода - почва - растения - животные - человек происходит кумуляция токсичных элементов в организме.

По данным Американской организации по контролю лекарственных и пищевых продуктов, человек потребляет в год 60 – 80 тыс. вредных примесей с воздухом, водой и пищей. Тяжелые металлы и радионуклиды, поступая в организм человека, вызывают в нем патологические изменения различной степени тяжести, в зависимости от природы металла, свойств соединений, дозы, путей поступления и длительности воздействий.

Существующие средства, используемые для выведения токсинов из организма людей, являются синтетическими, малоэффективными и обладают побочными действиями, в частности, вызывают обеднение организма микроэлементами. В связи с этим, в последнее время больше внимания уделяется препаратам на основе природных соединений, не вызывающих нежелательных побочных воздействий на организм человека. К таким веществам относятся модифицированные природные полимеры на основе целлюлозы и пектина, обладающие комплексообразующими и сорбционными свойствами. Однако эффективные методы получения таких профилактических веществ на их основе в Кыргызской Республике еще не разработаны.

Чтобы противостоять такой агрессии окружающей среды в некоторых научно-исследовательских учреждениях начали изучать проблему защиты здоровья человека через препараты на основе природного сырья и продукты питания, обладающие защитными свойствами от воздействия ряда опасностей окружающей среды. По мнению ученых, это наиболее перспективный путь для профилактики и сохранения здоровья и предотвращения образования в организме человека «шлаков», токсинов и его очищение. Для такой очистительной процедуры целесообразно применять природные балластные пищевые волокна (ПВ).

Зарубежными учеными установлено, что ПВ остро необходимы тем, кто живет в экологически неблагополучных регионах и кто потребляет недостаточное количество овощей и фруктов, хлеба грубого помола для нормализации работы желудочно-кишечного тракта. Кроме этого, пищевые волокна необходимы и для решения возрастающей проблемы «эпидемии полноты», к которой Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) официально призывает с 1998 года. Одна из особенностей ПВ – снижение общей калорийности пищевого рациона.

По некоторым данным статистики, в развитых странах потребление ПВ составляет около 25 г/сутки. Разновидности ПВ выпускались в ряде стран (США, ГДР, Япония, ЧССР, Польша, Италия и др.) под различными торговыми названиями (серии Avice1, Heweten и др.).

В контексте изложенного, авторами был предпринят поиск исходного сырья для полученя пищевого волокна из природного, доступного и дешевого сырья. Поскольку, к сожалению, не все жители Кыргызстана имеют возможность круглогодично употреблять фрукты и овощи. Кроме того, существует контингент людей, которым остро необходимы пищевые волокна для профилактики профессиональных болезней. Это люди, работающие на горнорудных и горнодобывающих предприятиях; население, проживающее рядом с хвостохранилищами и в экологически опасных зонах, а также пострадавшие от различных видов ядерных испытаний и аварий. Нельзя забывать и о тружениках животноводства, работников специализированных станций, и сотрудниках экспедиций, работающих в условиях высокогорья. Таким категориям работников не всегда доступны свежие овощи, фрукты и ягоды, содержащие пищевые волокна.

Изучение и анализ сырьевой базы, пригодной для осуществления поставленной цели, авторами были выбраны отходы марлеперерабатывающих заводов, которые образуются при резке кромок и концов рулонов марли, которая вырабатывается из высококачественного целлюлозного сырья. Такой выбор оправдан и тем, что актуальность проблемы использования отходов промышленного производства возрастает с каждым днем. В Кыргызской Республике имеются достаточно большое количество весьма полезных, природных сырьевых отходов, которые образуются на предприятиях перерабатывающей промышленности.

Целесообразность проведения данной работы продиктована, прежде всего, острой  необходимостью профилактики и повышения уровня здоровья населения путем создания нового продукта, способствующего их оздоровлению.

Введение  

Проблемы рационального использования вторичных ресурсов в Кыргызстане в условиях рыночной экономики не могут быть решены без научно-обоснованных способов их решения. Как показывает практика, местные госорганы пока не задумываются над тем, что отбросы тоже могут быть ресурсом и приносить значительный доход. Над решением этой задачи давно и активно работают ученые и специалисты республики. Подтверждением этого являются их труды, которые регулярно опубликовались в местных научных журналах и за рубежом. Имеются перспективные работы, где исследована возможность утилизации отходов пищеперерабатывающих, фармацевтических, хлопкоочистительных предприятий, угледобывающих и табачных производств. Для подтверждения этого можно отметить ряд перспективных научных направлений:

• Как известно, хлопкоочистительная промышленность при переработке хлопка-сырца получает примерно 34 % волокна, используемого в текстильной промышленности, 5–6 % линта для химической и легкой промышленности и 58 % линтерованных опущенных хлопковых семян, направляемых на выработку масла и на посевы. После снятия прядомого волокна на семенах остаются короткие волокна (линт), составляющие обычно 12–13 % от веса семян; примерно половину  волокна линтеровочные машины снимают, при этом образуется некоторое количество «пух-отходов» (ПО), которые не находят никакого применения. Объем ПО составляет примерно 0,2 % от сбора хлопка-сырца. Эта цифра относительно невелика, но в условиях все возрастающего дефицита органических природных материалов для химического производства, а также роста валового сбора хлопка-сырца, ПО начинают привлекать внимание химиков как ежегодно возобновляемый источник относительно дешевого сырья. В работе приведен один из возможных вариантов использования отходов хлопкоочистительных заводов взамен сортового. В результате предварительных  исследований авторами показана целесообразность переработки отходов хлопкоочистительных заводов (неочищенного несортового сырья) в карбоксилсодержащие целлюлозные катиониты.

• В работе показан процесс пиролиза отработанных покрышек и камер автомобильных шин, веток тополя и карагача. Жидкий конденсат, образующийся при этом процессе после отгонки легкой фракции, использовался в качестве связующих веществ для брикетирования угольной мелочи. Введение в состав смолы дополнительных компонентов – каолина и древесных опилок увеличивает прочность угольных брикетов.

• Авторами установлена пригодность смолы из стеблей шыраалжына (полынь, эстрагон – сорное растение), образующейся в процессе термического пиролиза в качестве связующего вещества для брикетирования угольной мелочи (угольных отходов) с содержанием битумов и первичной смолы. Установлен оптимальный компонентный состав брикетируемой шихты и давление прессования.
• Учеными Кыргызстана изучен состав углеводного комплекса и оценены практические пути использования табачных отходов – стеблей, собранных после уборки табачного листа, некондиционной крошки табачно-ферментационного завода. Рекомендованы условия заготовки, сушки и хранения табачных стеблей.
• Разработана  технология промышленного производства и расширен ассортимент красных пигментов из отходов столовой свёклы  и жёлтых пигментов – каротиноидов, стабилизированных полифенолами гребней винограда и пектинами. Проведены испытания новых стабилизированных пигментов при получении кондитерских изделий (мармелад, зефир) и сливочного масла в полупромышленных условиях. Доказана возможность использования отходов пищевой и перерабатывающей промышленности,  содержащих пектины и полифенолы в качестве стабилизаторов буровых растворов, применение которых  увеличивает  их  эффективность  и  снижает  себестоимость.

Примечание

Следует отметить, что приведенная выше информация не претендуют на исчерпывающий охват всех научных направлений в области переработки вторсырья в республике. Существует множество нерешенных перспективных задач, которые скрупулезно изучаются в стенах научных учреждений КР. Их целесообразность и актуальность продиктована комплексом научно-социально-экономических мероприятий, проводимых в республике и направленных на активное участие науки в производственном процессе, повышению эффективности научных разработок и укреплению научно-исследовательской базы.

Научными исследованиями А. Султанкуловой, Р.И. Сарыбаевой интересовались ученые из Канады, Франции, Румынии, Германии, Нидерландов, Кубы, Египта и др. стран (см. Приложение 2).

В 1993 г. А. Султанкулова  была удостоена премии Фонда Сороса.

Султанкулова А. являлась  активным членом (1996) Нью-Йоркской академии наук.

Цель настоящей работы

Утилизация отходов легкой промышленности для получения нового вида продуктов с особыми свойствами (в зависимости от вида использованного исходного сырья).

Задачи (постановка задачи)

• определение физико-химических и технологических свойств  исходного сырья;
• разработка эффективных методов получения нового вида препарата с универсальным  назначением;           
• синтез, определение физико-химических свойств нового препарата, его идентификация;
• определение области использования.

Введение в проблему

В последние годы по оценкам международных экспертов в области пищевых технологий имеется огромное число биологически активных соединений, которые могут применяться в пищевой промышленности. По мнению специалистов, основная их часть – синтетические, которые обладают ограниченной растворимостью и усваиваются организмом ввиду малой проходимости их через клеточные мембраны, что способствует их накоплению  организме, вызывая негативные эффекты.

В этой связи, в последние годы все большее внимание  ученых в области пищевой химии и пищевой технологии привлекают препараты, получаемые на основе природных полимеров (ингредиентов). Поскольку проблема защиты организма от воздействия токсинов на организм человека пока еще полностью не решена. Поэтому целенаправленный поиск и выпуск профилактических препаратов на основе природных источников сырья, обладающих сорбционными свойствами по отношению к ионам тяжелых  металлов, радионуклидов и  возможностью выведения их из организма, весьма актуален.

Результаты настоящей работы можно считать весьма перспективными, так как  для получения нового вида пищевого волокна использовано местное сырье – отходы марлеперерабатывающего завода. По данным специалистов, отходы переработки медицинской марли составляют до 4 % от перерабатываемой массы. Эти отходы (кромки, концы рулонов марли) «чистейшие» и дорогостоящие сырьевые ресурсы – ценнейшие материалы, которые отдают для строительных работ и/или используют как ветошь, хотя многие производственники ищут область их более целесообразного использования.

Анализ существующих подходов к решению данной проблемы и реализации задач

Из научной литературы известно, что пищевые волокна в зависимости от происхождения и способа обработки, попадая в кишечник человека, оказывает большое влияние на процессы пищеварения, выполняют защитную роль в отношении развития многих заболеваний, в том числе и предотвращая возникновение новых образований. Но, по мнению ряда специалистов, более «универсальной» и эффективной балластной добавкой служит так называемая микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ).

Получают МКЦ методом, предложенном еще в 1961 г. О.А. Баттистом с сотрудниками15, суть которого состоит в гидролитической деструкции природного волокнистого целлюлозного материала растворами кислот и последующем размоле. Им в 1962 г. был также введен термин «Микрокристаллическая целлюлоза» для обозначения продукта.

Данный продукт и его разновидности выпускаются в ряде стран (США, Германия, Япония, Польша, Италия и др.) под различными торговыми названиями и достаточно широко применяется. Многочисленными исследованиями доказано, что МКЦ является ценным пищевым ингредиентом: инертный наполнитель, отличный загуститель, способствует более длительному сохранению продукта, снижает калорийность готовых пищевых продуктов и т.д.

Авторами предложено для производства пищевой МКЦ использовать отходы марлеперерабатывающего завода с содержанием высококачественной хлопковой (70 %) и вискозной (30 %) целлюлозы. Разработана усовершенствованная технология получения микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) [коммерческое название МКЦ «Анкир» – см. Приложение №3  Технические условия (ТУ)].

Были изучены биологические свойства МКЦ, полученной из вторичных продуктов производства перевязочного материала. При 6- и 12-месячной подкормке фракциями МКЦ в дозе пищевого наполнителя белых крыс не отмечалось статистически значимых изменений в показателях периферической крови или морфологических проявлений токсического воздействия на её форменные элементы. Гистоморфологически не обнаружено различия в микроструктуре органов, слизистой желудочно-кишечного тракта опытных и контрольных крыс, однако макроскопически у контрольных особей отмечены значительные жировые отложения в депо.

Результаты испытания МКЦ «Анкир» в полупромышленных условиях позволили рекомендовать данный препарат для приготовления диетических продуктов питания с контролируемой калорийностью, т. е. в качестве добавок при разработке новых диетических сортов хлебобулочных изделий. Полученные результаты весьма интересны, потому что в последние годы во многих странах особенно тревожным стало широкое распространение такого заболевания как ожирение. Разработаны ТУ и промышленный регламент на выпуск пищевой добавки «Анкир». Получены различные ее модификации, обладающие цветом, вкусом, запахом и др. компонентами ягод, плодов и овощей. Работа в этом направлении продолжается, т. к. получение полуфабрикатов с различными натуральными ароматными красителями – весьма перспективное направление. Например, добавки с запахом и вкусом клубники, малины, дыни и т. п. можно использовать при изготовлении мороженого, кондитерских изделий и т. д.

Следует отметить, что в 1970 годах Всемирная организация здравоохранения подтвердила хорошую совместимость пищевых волокон с питанием человека.

Результаты научных исследований широко освещались в республиканских СМИ (см. Приложение №4), но, к сожалению, должной заинтересованности госчиновников и бизнес структур не наблюдалось. Тем не менее, на разработку быстро отреагировали предприниматели г. Бийска и наладили выпуск препарата под названием «микрокристаллическая целлюлоза «Анкир-Б» – МКЦ «Анкир-Б». Этот продукт, выпускаемый в настоящее время в Бийске, не что иное, как разработка Института органической химии Академии наук Киргизской ССР (т. е. микрокристаллическая целлюлоза – МКЦ – «Академия наук Киргизии – «Анкир»). Следует поблагодарить бийских производителей МКЦ за то, что они оставили название «Анкир», только добавили букву «Б» – Бийск. Эта «добавочка» придает нашей разработке эффект масштабного внедрения. В прессе этот процесс был назван  «упущенной выгодой» республики.

Система доказательств и научная аргументация

(включая изложение и анализ данных)

Для изучения и идентификации структурных особенностей опытного полуфабриката были определены физические и химические характеристики, сняты технологические показатели, проведены биологические и микробиологические испытания с применением методов вискозиметрии,  рентгенографии, ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии, сорбции из растворов и термического анализа. Использованы спектральный и ситовой анализ, а также методы микробиологического контроля.

Экспериментальный продукт – белого цвета, сыпучий, инертный, без вкуса и запаха, нерастворимый в воде, в органических растворителях и в слабых кислотах, относится к разновидностям природного полисахарида – целлюлозы.

Проведенный анатомогистологический анализ полученного продукта показал, что введение во внутрь МКЦ «Анкир» в оптимальной дозе в течение шести месяцев не оказывает какого-либо влияния на макро- и микроструктурную организацию органов и тканей опытных животных (испытательный эксперимент проведен на белых крысах обоего пола). На основании данного исследования был сделан вывод, что «Анкир» не токсичен для организма животных.

Испытания физиологических и технологических свойств предложенного продукта в качестве балластного наполнителя и структурообразователя (загустителя) для некоторых пищевых продуктов были проведены во Всесоюзном заочном институте пищевой промышленности, Институте питания АМН СССР и Днепропетровском мединституте. Разработанные Технические условия (ТУ) были согласованы с Минздравом СССР и получено разрешение на использование «Анкира» для приготовления диетических блюд в клинических условиях.

Выводы и результаты исследования

Во-первых, по разработанной технологической схеме можно утилизировать почти все виды текстильных отходов промышленности.

Усовершенствование, доработка и испытание в полупромышленных условиях данной разработки, ее экспериментальное внедрение в производтво будет иметь большое практическое значение для перерабатывающей промышленности Кыргызстана, особенно при переходе на ресурсосберегающие и бюджетообразующие технологии.

Во-вторых, новый нетрадиционный ингредиент может найти применение в различных областях хозяйственной деятельности (в зависимости от качества и сорта использованного исходного сырья) для получения:

• пищевых волокон (описано выше);
• фильтрующих материалов (для очистки сточных вод, жидких сред [например, можно рекомендовать в качестве фильтрующего материала пищевых напитков – соков, пива и др.]), аэрозолей и т. д.;
• нетканых материалов (в мелиорации для защиты дренажных труб, в качестве подкладочного материала в обувных, линолеумных и клееночных фабриках);
• вспомогательного  инертного вещества для фармацевтической промышленности (в качестве инертного связующего и разбавляющего агента для получения таблетированных лекарственных форм, т. е. замены дорогостоящих пищевых продуктов – сахара, крахмала и др.);
• искусственного корма для гусениц шелкопряда (создание устойчивой кормовой базы для круглогодичного питания гусениц). Установлена эффективность дисперсных порошков в качестве компонентов искусственного корма для тутового шелкопряда;
• сыпучего вещества (порошок, необходимый для предотвращения прилипания стекол при  производстве листового стекла);
• эффективных добавок (для получения диетических продуктов для профилактики и лечения больных ожирением, а также полупродуктов, обладающих цветом, вкусом, запахом и обогащенные витаминами, микро- и макроэлементами и другими компонентами ягод, плодов и овощей);
• вискозных армированных пленок для пищевых целей (разработан новый композиционной материал с повышенной паро- и газопроницаемостью и рекомендован для использования в качестве упаковочных оболочек в производстве колбасных изделий. Армированные пленки можно рекомендовать и для копчения некоторых пищевых продуктов);
• дешевого (о)тощающего материала для производства художественной керамики (уменьшает усадку изделия при сушке и обжиге, а также придает им тонкость и легкость). 

Реальные эффекты:

Научный: получен новый продукт из отходов легкой промышленности, пригодный для различных целей (в зависимости от исходного сырья); разработан технологический регламент для получения нового высокоэффективного препарата природного происхождения, способствующего выведению из организма человека токсинов, гнилостных микробов, ионов тяжелых металлов и радионуклидов; изучены физико-химические свойства и определены области применения нового материала.

Технический: технологическая схема получения продукта проста в аппаратурном оформлении (реактор, фильтр, сушка (размол) и упаковка).

Социальный: доработанный препарат может быть рекомендован: для профилактики и лечения работников горнодобывающих предприятий, атомных электростанций, химических заводов; для жителей населенных пунктов, близко расположенных к хвостохранилищам и экологически опасным зонам; а также для людей, пострадавших от последствий ядерных испытаний и аварий.

Экологический: защита здоровья населения; уменьшение загрязнения почв, сточных вод и атмосферы; целенаправленная утилизация полезных отходов легкой промышленности.

Экономический: разработка будет способствовать развитию перерабатывающей промышленности страны на принципах безотходной, ресурсосберегающей и экологичной технологии, позволяющей  получать значительную экономическую выгоду (экономия ресурсов – хлопка, энергии, агрессивных химреактивов, воды).

Авторы надеются, что полученные научные результаты будут способствовать выполнению задач, поставленным в “Стратегии устойчивого развития экономики Кыргызской Республики на 2013–2018 гг.”.

Приложение №1

Терминология

Армирование (англ. reinforcement) – способ увеличения несущей способности конструкции материалом, имеющим повышенные прочностные свойства относительно основного материала изделия.

Гидро́лиз (греч. hydōr вода + lysis разложение, растворение, распад, разрушение; синоним: гидролитическое расщепление, гидролитическая деструкция) химическая реакция между каким-либо веществом и водой.

Идентификация – от ср.-век. лат. identificare (identifico) – отождествлять (-ляю), уподоблять, устанавливать совпадение. 

В химии – установление тождества неизвестного химического соединения с известным путем сравнения их физических и химических свойств.

Каротиноиды (от лат. carota – морковь и греч. eidos – вид), природные органические пигменты от желтого до красно-оранжевого цвета, синтезируемые бактериями, водорослями, грибами, высшими растениями, некоторыми губками, кораллами и др. организмами; обусловливают окраску цветов и плодов. Каротиноиды выполняют функции антиоксидантов в организме человека.

Микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) – это белый порошок, не имеющий, как природная целлюлоза, ни запаха, ни вкуса. Порошок не растворяется в воде, спиртах, маслах, устойчив в среде разбавленных кислот.

«Отходы», «вторичные ресурсы», «попутные продукты», «побочные продукты», «утиль», «мусор», «отбросы», «хлам», «сор», «вторичное сырье» – это «остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий и продуктов, которые образовались в процессе производства и потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства».

Радионуклид – (от радио... и от латинского корня nucle – «ядро» и др. – греч. είδος – «вид, сорт»), общее название радиоактивных атомов. Атом, имеющий нестабильное ядро, склонное к самовольной трансформации (радиоактивный распад), сопровождающейся ионизирующим излучением. Время полураспада отличается очень сильно – от секунд до миллиардов лет. Представляют большую опасность для окружающей среды.

Пектиновые вещества или пектины (от др.-греч. πηκτός – «pektos»  свернувшийся, замёрзший) – это склеивающее вещество растительного происхождения. В природе пектин содержится в растительном сырье, ягодах, фруктах и водорослях, плодах, овощах, корнеплодах, относится к растворимым пищевым волокнам.

Пищевые (диетические) волокна (ПВ) – это часть растительного материала (компоненты) пищи, не перевариваемые пищеварительными ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника. К ним относят сложные растительные углеводы: целлюлозу, гемицеллюлозу, пектин и лигнин.

В 1970–1980-е гг. в употреблении был термин «балластное вещество».

Синтез  (от греч. synthesis – соединение, сочетание, составление) (1) получение сложных химических соединений из более простых (2) соединение различных элементов, сторон предмета в единое целое (систему).

Сорбент – (от лат. sorbeo – поглощаю) твёрдое тело или жидкость, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды токсические вещества, газы, пары или растворённые вещества.

Тяжёлые металлы – группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью. Термин тяжелые металлы чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения … .

Целлюлоза (франц. cellulose от лат. cellula – «клетка, клетушка») – клетчатка (полисахарид, образованный остатками глюкозы); главная составная часть клеточных стенок растений, обусловливающая механическую прочность и эластичность растительных тканей. Углевод, полимер, белое твёрдое вещество. Ц. не растворима в воде и слабых кислотах. Не разрушается при нагревании (до 200  C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). В коробочках хлопчатника содержится 95–98 % целлюлозы, в стеблях лубяных растений (лён, рами, джут) 75–90 %, в лубяных волокнах 60–85 %, в стволовой древесине 40–55 %, камыше, злаках, подсолнечнике 30–40 %.

Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Примечание

Полученный  экспериментальный продукт в тексте имеет различную терминологию с одной и той же смысловой нагрузкой: «МКЦ», «Анкир», «новый продукт», «полупродукт», «полуфабрикат», «продукт», «препарат», «новый ингредиент», «нетрадиционный ингредиент» и «пищевые волокна».