Про Борщевик

Борщевик Сосновского как сырье для переработки.

Волкова Е. Н. д-р с.-х. наук, проф., ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна», г. Санкт-Петербург

Журнал: Главный агроном, №3, 2022

В статье представлен аналитический обзор способов переработки борщевика Сосновского. Рассмотрена возможность использования борщевика как сырья в химической, пищевой, медицинской, парфюмерной промышленности и кормопроизводстве для производства биоэтанола и биобутанола, сахара, пеллет, биоугля, эфирных масел, биологически активных веществ и др. Внедрение технологий переработки борщевика позволит снизить его распространение и экологическую опасность и получить ряд полезных и востребованных в народном хозяйстве продуктов и веществ.

Борщевик Сосновского (БС) в настоящее время представляет собой опасный инвазионный вид, распространение которого вышло из-под контроля. Каждый год площадь территории в нашей стране, которые он заселяет, неуклонно возрастает. Это угрожает биоразнообразию природных ландшафтов, так как благодаря выделяемым растением веществам подавляется местная растительность. Контакт человека с БС опасен для здоровья. Токсические свойства БС связаны с алкалоидами, тритерпеновыми сапонинами, флавоноидами, фуранокумаринами (фотодинамическая активность), включающими в себя бергаптен, ксантотоксин, изопимпинелин. Ежегодно тратятся миллионы рублей на химическую борьбу с БС, что приводит к загрязнению окружающей среды канцерогенными метаболитами гербицидов. Выписываются штрафы владельцам земельных участков за неубранный борщевик. Однако все применяемые меры сдерживания распространения БС недостаточно эффективны.

БС является уникальным растением с большим биологическим потенциалом. Это холодостойкая культура с высокой приспособляемостью к климатическим условиям, коротким периодом вегетации, приспособляемостью к короткому световому дню, повышенной радиации и гипоксии. Это двулетнее монокарпическое растение, которое в первый год образует розетку листьев, а на второй год цветет и дает семена. Корневая система БС достигает 2 м в глубину, благодаря этому он хорошо добывает влагу и питательные вещества. Одно растение может давать до 100 тыс. семян, которые могут сохранять всхожесть в почве до 12–15 лет, что также затрудняет эффективную борьбу с этим растением.

В настоящее время уже известны и разработаны различные технологии, которые позволяют экономически выгодно перерабатывать БС в различные полезные продукты и материалы, которые будут рассмотрены в этой статье.

Производство биоэтанола из БС включает в себя ряд последовательных технологических операций:

1) предварительная обработка сырья: сбор, измельчение и получение сока двух-, трехкратным прессованием;

2) добавление дрожжей Sarcharomyces cerevisiae, которые за счет ферментов инвертазы и зимазы превращают сахарозу вначале в глюкозу и фруктозу, а затем в этанол и СO2 . Процесс брожения занимает 3–5 дней;

3) дистилляция с получением спирта-сырца;

4) ректификация спирта-сырца с получением конечного продукта — биоэтанола.

Сырье лучше всего убирать в фазу бутонизации-цветения, когда содержание сахарозы в растении максимально до 17–31 %. Для сравнения: содержание сахара в сахарной свекле 24 %. Расчеты показали, что выход биоэтанола составляет 79–145 л/т [3].

Добавление этилового спирта к бензину позволяет уменьшить стоимость топлива и количество вредных выбросов. При производстве и сжигании 1 л биоэтанола в атмосферу попадает столько же СО2 , сколько до этого было поглощено теми же растениями в фотосинтезе. Такое топливо популярно в США и Бразилии, но там для этих целей используют специально выращиваемые сахарный тростник, сахарную свеклу и топинамбур. Эти культуры уступают борщевику по выходу биоэтанола, имеют высокую себестоимость за счет затрат на возделывание. Кроме того, в условиях продовольственного кризиса подобное использование пищевого сырья является этической проблемой.

Однако этанол из БС имеет низкое качество, неприятный запах, крепость не превышает 90 объемных процентов. Имеющиеся в нем примеси — это нерастворимые в воде соединения (кетоны, карбоновые кислоты), полифункциональные продукты, карбонильные соединения, эфиры. Решить эту проблему можно двухкратной простой перегонкой с последующей ректификацией и получить этиловый спирт, соответствующий требованиям ГОСТ Р 57251-2016 на пищевой этиловый спирт [1]. Кроме того, этиловый спирт широко применяется в парфюмерии, медицине, для производства органических веществ, таких как ди этиловый эфир, уксусная кислота, красители, является сырьем для получения бездымного пороха. Потребность в этаноле в мире ежегодно растет, и Россия могла бы обеспечивать им не только собственные нужды.

Из сока БС можно получать биобутанол. Биобутанол не вызывает коррозию двигателя, у него выше энергетическая ценность, чем у биоэтанола.

Добавление к соку актиномицетов, выделяющих энзимы, позволяет получать биомицин (антибиотик) и витамин В12.

Технология получения сахара из БС мало отличается от аналогичной из традиционных сахароносных культур. Особенно перспективным это может быть для северных регионов, где климатические условия не позволяют возделывать сахароносы. В России производится более 6 млн т свекловичного сахара в год. За счет получения сахара из БС можно было бы сократить посевные площади под сахарной свеклой в южных регионах, так как урожайность его значительно выше, и таким образом снизить нагрузку на окружающую среду. Сахарные заводы, перерабатывающие сахарную свеклу, летом простаивают из-за отсутствия сырья. Переработка БС в это время позволила бы увеличить рентабельность производства. Россия только в 2019 г. экспортировала более 200 тыс. т сахара в страны СНГ: Казахстан, Азербайджан. Объемы этих поставок можно было бы увеличить и получать дополнительную прибыль.

Жом, образующийся после отжима сока, можно использовать для изготовления «евротоплива» — пеллет. Технология включает следующие стадии:

1) сушка жома при температуре 250 °С до влажности 8–15 %;

2) гранулирование на прессгрануляторе;

3) охлаждение гранул;

4) упаковка.

Для придания пеллетам циллиндрической формы к жому добавляют 1,5 % хвойных опилок. При сгорании пеллеты выделяют приятный запах, похожий на ладан [4].

Из жома можно также получать техническую целлюлозу, содержание которой в биомассе БС около 60 %. Предпочтение отдается окислительно-органосольвенитному способу [8]. Далее из целлюлозы производят весьма востребованный материал — упаковочный картон.

Жом может являться сырьем для получения биоугля путем пиролиза (сжигание при высокой температуре без доступа воздуха) после смешивания его с древесной щепой. Биоуголь востребован в сельском хозяйстве для улучшения физических свойств почвы. Образующееся при пиролизе тепло можно применять для обогрева помещений, теплиц и др.

Появились перспективные разработки по производству из жома и биомассы БС весьма востребованного материала — биопластика [2]. Замена биопластиком обычных видов пластмасс может существенно снизить загрязнение окружающей среды ксенобиотиками, в том числе водной среды микропластиком.

БС — ценное эфиромасличное растение, превосходящее культивируемые виды. Он накапливает эфирные масла во всех органах — от 5 до 11 % в семенах [5]. С 1 га БС можно получить до 1 т семян и из них извлечь до 24–40 кг эфирных масел. В 1 кг биомассы содержится до 8 г кумаринов. Эфирные масла БС — это природные гербициды, не имеющие отрицательных свойств синтетических. Кумарины, флавоноиды востребованы для изготовления лекарственных препаратов при заболеваниях печени, диабета, обладают антигельминтными свойствами. Ведутся исследования по оценке их антиконвульсионных и гепатопротекторных свойств.

Эфирные масла и смолы БС при горении выделяют большое количество тепловой энергии, следовательно, могут служить альтернативой нефтепродуктам в химическом производстве и др. Эфирные масла востребованы в парфюмерной промышленности и могут применяться для санации помещений.

В молодом возрасте БС хорошо поедается оленями, лосями, медведями, зубрами, козами и коровами. В фазу цветения в биомассе содержится до 3–35 % белков. Для крупного рогатого скота это нажировочный корм, который быстро восстанавливает силы ослабевших за зиму животных. Однако фуранокумарины, содержащиеся в биомассе, стимулируют выработку эстрагенов, которые вызывают у коров бесплодие, может пропасть молоко.

Силос из БС имеет большую кислотность, поэтому требует смешивания с другими травами. В жоме после отжима сока сохраняется до 16 % белка, 17 аминокислот, витамины С, Р и др.

Таким образом, несмотря на высокую пищевую ценность, в животноводстве использование БС имеет ограничения. Биомассу желательно скармливать животным после удаления из нее кумаринов либо в смеси с другими кормами.

Имеются исследования, что в условиях аквакультуры тиляпиям давали комбикорм и листья борщевика. Отмечали хорошую поедаемость при добавлении в корм 10 и 24 % БС, прирост рыб при этом достигал 87,2–92,1 %.

Пектины из БС ценны для фармавцевтической промышленности как физиологически активные вещества с мощными энтеросорбирующими свойствами, способны выводить из организма человека тяжелые металлы (ртуть, свинец, кобальт и др.) [6].

Из новых технологий переработки БС следует отметить предложение о получении суперконденсаторов — устройств для накопления энергии из двух электродов с малым расстоянием между ними. Для этого подходят стебли БС, состоящие из твердой коры и мягкого, похожего на губку, внутреннего сердечника. Перспективной разработкой является получение из сока БС биостимулятора, содержащего оксикислоты и их натриевые и калиевые соли, применение которого позволило повысить урожайность картофеля [7].

Богатый химический состав, большая продуктивность борщевика позволяют сделать его незаменимым сырьем в химической, медицинской, парфюмерной и пищевой промышленности, кормопроизводстве, альтернативным источником энергии. Для этого существует достаточное количество экономически выгодных и малоотходных технологий. Их внедрение позволило бы существенно улучшить ситуацию с ограничением распространения БС. Однако решить эту проблему невозможно без продуманных организационно-экономических мероприятий, касающихся безопасного для людей способа заготовки исходного сырья, особенно дикорастущего, включая средства механизации. Также для успешного внедрения технологий переработки необходимо сформировать устойчивый рынок востребованной продукции.

Литература:

1. Вахромеева О. В. и др. Определение основных примесей, присутствующих в этиловом спирте, полученном из биомассы борщевика Сосновского // Матер. V Всеросс. конф. «Химия и химическая технология: достижения и перспективы». — 2020. — С.1–49.

2. Ершова А. С., Савинских А. В., Артемов А. В., Бурындин В. Г. Борщевик Сосновского как сырье для получения пластиков // Вестник Технологического университета. — 2020. — Т. 23. — № 10. — С. 34–37.

3. Стребков Д. С., Дорджиев С. С., Базарова Е. Г., Патеева И. Б. Биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого // Патент РФ № 2458106; БИ. — 2012. — № 22.

4. Павлов А. В., Баранова Н. Д., Шурупов Е. А. Аннергия инвазионных растений на примере борщевика Сосновского // Естествознание: исследование и обучение. — 2020. — С. 246–254.

5. Ткаченко К. Г. Род борщевик (Heracleum L.) — хозяйственно полезные растения // Вестник Удмуртского ун-та. — 2014. — Вып. 4. — С. 27–33.

6. Ткаченко К. Г., Краснов А. А. Борщевик Сосновского: экологическая проблема или сельскохозяйственная культура будущего? // Бюллетень Ботанического сада — института ДВО РАН. — 2018. — Вып. 20. — С. 1–22.

7. Триандафилов А. Ф., Чернов Б. А., Шешунова Е. В. Разработка технологии и средств механизации производства органического биостимулятора из борщевика // Вестник АПК Верхневолжья. — 2019. — С. 72–77.

8. Шестаков Д. И., Минакова А. Р. Исследование возможности использования борщевика Сосновского как сырья для производства целлюлозы // Матер. XVI Всеросс. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. — УЛТИ, 2020. — С. 43–48.

9. Ханмагомедов С. Г., Алиев А. Б., Мукаилов М. Д., Улчибекова Н. А. Проблемы и риски в АПК, направления их минимизации // Проблемы развития АПК региона. — 2018. — № 2 (34). — С. 181–186.