Для экологии гораздо полезнее перерабатывать пивную дробину, нежели утилизировать ее на полигоне, ведь при гниении она выделяет в атмосферу вредные вещества. Поэтому западные ученые предлагают делать из дробины аккумуляторы, топливо, бумагу и даже шоколад. О том, какое применение дробине и другим отходам пивоварения придумали в России, расскажет Profibeer. Спойлер: далеко не все идеи доходят до стадии реализации.
Превратить отходы в ресурсы
Ежегодно в России образуется порядка 15 млн тонн пивной дробины. На нее приходится 80% всех отходов от производства пива. Заводы либо реализуют дробину фермерам для кормления животных, либо передают для утилизации специализированным компаниям. Естественно, за услугу по утилизации приходится платить.
Влажная дробина подвержена быстрой порче. На полигоне она начинает выделять скатол, аммиак и индол. Уже через сутки она может быть опасна для употребления в пищу сельхозживотными. Срок хранения сухой дробины, однако, увеличивается до шести месяцев, и ее можно продать по более выгодной цене.
ПП-батончики и печенье из того, что осталось от пива
В 2019 году ученые из Уральского федерального университета (УрФУ) придумали применение пивной дробине в пищевой промышленности. В лаборатории биотрансформационных технологий и пищевой химии* разработали технологию приготовления батончиков мюсли, овсяного печенья и хлеба с ферментированной дробиной.
— В дробине содержится много клетчатки, которая делает ее грубой, неприменимой в пищу, — объясняет профессор Елена Ковалева, заведующая лабораторией. — Ферменты разрывают целлолитические цепочки, придавая дробине более мягкую текстуру и повышая ее усвояемость. Кроме того, при биоконверсии дробины высвобождаются моносахара, такие как фруктоза, ксилоза и глюкоза. Благодаря этому в изделия можно даже не добавлять сахар. Ферментация также помогает устранить специфический пивной вкус.
Пивная дробина в составе позволит удешевить производство кондитерских изделий и выпечки, если заменить ею часть пшеничной муки. Как бонус — польза для здоровья: в дробине содержатся все витамины группы B и важные минералы. У изделий с пивной дробиной, предположительно, должен быть более низкий гликемический индекс, что понравится тем, кто следит за фигурой.
В 2019 году к ученым УрФУ обращалась пивоварня из Татарстана, заинтересованная в проекте. Однако пока сотрудничества не сложилось.
— Для производителей выпечки и кондитерских изделий на первом месте экономическая составляющая и вкусовые качества продукта. В меньшей степени их волнует фактор полезности. Думаю, это одна из причин, по которой мы пока не договорились о сотрудничестве с производством.
В УрФУ, тем не менее, ждут предложений от потенциальных партнеров, подчеркивая что для плодотворного сотрудничества все необходимое уже есть:
— Это несложная технология. Мы проанализировали, какое оборудование понадобится, чтобы заниматься такой выпечкой. Все рецепты также у нас на руках, — заключает Елена Ковалева.
* Лаборатория биотрансформационных технологий и пищевой химии Научно-образовательного и инновационного центра химико-фармацевтических технологий Химико-технологического института УрФУ.
Замена бумаге и пластику: пакеты из крахмалопласта
В Самарском государственном техническом университете группа студентов во главе с кандидатом технических наук, доцентом Марианной Ворониной* около трех лет работает над созданием упаковки из крахмалопласта, который можно получить в том числе из пивной дробины. Этот материал может послужить заменой пластику и бумаге. Только, в отличие от пластика, он быстро разлагается и, в отличие от целлюлозы, не требует вырубки деревьев.
Эксперименты показали, что в сухой земле такая упаковка разлагается за полтора месяца. Если почва влажная, процесс ускоряется. На состав почвы и кислотность это никак не влияет.
— Мы работаем с различными видами крахмалопластов и изготавливаем образцы пакетов и твёрдой упаковки. Одним из источников получения крахмалопласта как раз выступает дробина, которой много в Самарской области за счёт большого числа пивоваренных заводов, — говорит Марианна Воронина. — Пока технология не адаптирована для производства, всё делается в ручном режиме. Мы подогреваем смесь, раскатываем лист и проводим термоспайку ручным спайщиком.
Технология предполагает добавление к смеси глицерина. Он обволакивает молекулы крахмала, делая материал эластичным и более прочным. Эксперименты показали, что пакет из крахмалопласта выдерживает вес до шести килограммов.
Ближайшая цель, которую ставят перед собой исследователи — придумать, как сделать крахмалопласт устойчивым к высоким температурам во влажной среде. Это позволит изготавливать из него одноразовую посуду. Однако холодные жидкости материалу не страшны уже сейчас:
— Мы проверили, как он взаимодействует с влагой. При 0-20 градусах материал не растворяется в течение недели, а вот в горячей воде довольно быстро распадается.
— Сейчас мы готовим технические документы — ТУ и ТИ, чтобы адаптировать технологию для производства, — объясняет Марианна Воронина. — У нас есть на примете несколько производителей пакетов и полиэтиленовой плёнки, с которыми мы хотели бы посотрудничать. Также собираемся регистрировать патент. Он будет принадлежать вузу, мы же будем значиться как авторы.
Себестоимость пакета из крахмалопласта в районе 35 рублей. Автоматизированное производство несколько удешевит его. При этом конечная цена будет все равно выше, чем у стандартного пакета из супермаркета. Это объясняется тем, что натуральные ингредиенты обходятся все же дороже пластика.
* Марианна Воронина, кандидат технических наук, доцент Высшей биотехнологической школы.
Биоразлагаемая упаковка
Ученые из Воронежского университета инженерных технологий придумали биоразлагаемую упаковку из пивной дробины, за которую получили премию имени Вернадского. Кроме того, студентка Марина Ерофеевская, работавшая под началом профессора Сергея Шахова, выиграла премию «Умник». На выделенные деньги — миллион рублей — она открыла малое предприятие «Зеленая ложка».
— К настоящему моменту мы подготовили опытные конструкции оборудования и получили первые образцы упаковки. Каждый этап производственной цепочки запатентован: например, патент есть на технологию сушки дробины, — рассказывает Сергей Шахов. — Осталось запатентовать технологию внедрения особых микроорганизмов в упаковку. Они вводятся в сухом виде, а когда упаковка попадает в землю, во влажную среду, то начинает быстро разлагаться благодаря действию микроорганизмов. Побочными продуктами их жизнедеятельности будут углекислый газ и спирты.
Из материала на основе пивной дробины можно изготавливать, например, бугорчатую прокладку для яиц, которую традиционно делают из прессованной бумаги, или подложки для мяса, рыбы, овощей и фруктов, которые производят из вспененного полистирола. Себестоимость одной такой упаковки — менее 1 рубля, а срок ее разложения — до одного месяца.
Поверхность, которая должна соприкасается с продуктом, задумана водоотталкивающей: это достигается благодаря ламинированию пищевыми компонентами.
Профинансировать проект планирует правительство Белгородской области, выделив порядка 5 миллионов. Кроме того, через год ученые собираются поучаствовать в следующем этапе конкурса «Умник» и побороться за грант в 15 миллионов рублей. Тогда же, в 2024 году, должно заработать производство биоразлагаемой упаковки.
Пиво как строительный материал
Обычно арболит производят на основе опилок, костры или соломы. Это легкий бетон на основе цемента с органическими наполнителями, который применяют для малоэтажного строительства: для высоких зданий он недостаточно прочен.
Арболит может содержать пивную дробину в качестве органического наполнителя. Идея принадлежит уже знакомому нам Сергею Шахову из ВГУИТ.
Хотя на это изобретение есть патент, на практике идея сейчас не применяется. Сергей Шахов предположил, почему ученым бывает сложно выйти на продуктивное сотрудничество с представителями бизнес-сообщества:
— У предприятий уже есть определенное направление деятельности, номенклатура выпускаемых изделий и зарекомендовавшие себя производственные технологии. Вывести на рынок новый продукт или поменять технологию — это всегда риск для бизнеса. К сожалению, сейчас наука оторвана от производства. Компании заинтересованы в получении прибыли и не готовы вкладываться в новые разработки, а для научных сотрудников с их идеями, существующими в основном на бумаге, все заканчивается защитой диссертации. Доводить задумки до логического завершения некому: аспиранты бросают научную деятельность и устраиваются на работу ради стабильного дохода. Финансирование как таковое отсутствует, не считая грантов.
Дробина как универсальное удобрение
В 2010 году мусорный полигон в Новомихайловке под Томском решили закрыть, и к 2025 году сделать в этом месте зеленую рекреационную зону. На полигоне началась рекультивация, в которой с пользой для себя решило принять участие предприятие «Томское пиво». Компания обратилась на кафедру экологии, природопользования и экологической инженерии Биологического института Томского государственного университета, чтобы ученые помогли преобразовать пивную дробину в удобрение.
Предприятие заключило договор с университетом, и ученые во главе с доктором технических наук Александром Адамом предложили, как выразился он сам, «эколого-юридический ход».
— С юридической точки зрения дробина — это отходы, — говорит Александр Адам. — Чтобы ее можно было использовать в качестве удобрения, необходимо было уладить юридические тонкости. А именно, составить ТУ и передать документы на экспертизу в Росстандарт. Положительное заключение позволило перевести отходы в категорию продукции.
Что касается технологии перевода дробины в удобрение, то она предполагает, прежде всего, нейтрализацию высокого уровня pH. Дробина обладает очень высокой кислотностью, поэтому для ее снижения использовали известь. Известь и дробину в определенной пропорции смешивали с землей. Научная задача состояла в том, чтобы рассчитать эту пропорцию.
Получив рабочую технологию, предприятие принялось вывозить дробину на полигон. Состав удобрения замешивался прямо на месте.
— Удобрение это универсальное, главное рассчитать пропорцию. Дело в том, что у каждого растения свои требования к pH.
Благодаря удобрению плодородие почвы начало восстанавливаться, восстанавливалась понемногу и экосистема: бывший полигон начал постепенно зарастать травой. Однако в сентябре 2022 года работы были приостановлены, как сообщал местный департамент природных ресурсов, из-за незапланированного удорожания.
Лакомство для коровы
Некоторые пивоваренные заводы поставляют дробину фермерам или изготовителям кормов для сельхозживотных. Особенно это касается крупных и средних предприятий с большими объемами производства. Для реализации дробины в качестве корма необходимы декларация о соответствии, ветеринарный сопроводительный документ, а также регистрация в системе «Меркурий».
На 80% дробина состоит из клетчатки, также в ее составе содержится трудноперевариваемый протеин. Поэтому она, как правило, составляет не более 1/3 рациона. В Алтайском техническом университете сейчас работают, чтобы повысить ее усвояемость и переработать дробину в белково-углеводную и пробиотическую добавки для животных.
По словам кандидата биологических наук Елены Каменской, получить полезные добавки на основе пивной дробины можно при помощи особых штаммов дрожжей, которые послужат источником микробного белка:
— Этот способ получения кормовой добавки позволит повысить биологическую ценность кормов за счет их обогащения микробным белком. По аминокислотному составу он не уступает белку животного происхождения. Кроме того, путем ферментации дробины мы планируем снизить долю трудно перевариваемых компонентов и повысить их усвояемость, — объясняет Елена Каменская. — Кроме того, в состав кормовой добавки мы введем пробиотик. Это позволит нормализовать микрофлору ЖКТ, создать неблагоприятные условия для жизнедеятельности патогенов, повысить использование питательных веществ рациона, активизировать синтез витаминов B1, В2, В6, В12, К, Е, D и улучшить всасывание железа.
Кормовая добавка для рыб
В 2022 году студент Воронежского университета инженерных технологий Кирилл Бунеев предложил использовать отработанный кизельгур, применяемый для фильтрации пива, для прикорма рыб лососевых пород. Задумку он реализует под руководством доктора технических наук Ирины Черемушкиной. Летом 2022 года проект выиграл в конкурсе «Студенческий стартап». Минобрнауки выделило на его реализацию миллион рублей. На эти средства команда ученых зарегистрировала ООО и проводит исследования, помещение для которых пока предоставляет вуз.
— Сейчас грантовые деньги мы тратим на закупку ингредиентов, включая сам диатомит, и тесты в аккредитованных лабораториях. Там полученные нами составы проверяют на безопасность и соответствие ГОСТам, — заключает Алиса Гулевская, участница проекта.
Чтобы получить полезную пищевую добавку для лососевых, исследователи смешивают отработанный диатомит с белковыми компонентами и пробиотиками. На выходе получается обогащенный полезными веществами сорбент, поглощающий токсичные вещества и тяжелые металлы в пищеварительном тракте рыбы. Как объясняет Ирина Черемушкина, последние могут попадать в организм рыб с некачественным кормом.
Производители нередко умалчивают о концентрации тяжелых металлов в нем. Также опасные соединения могут накапливаться из-за коррозии трубопроводов на производстве рыбных хозяйств. Например, медь относится ко второму классу опасности.
— К тому же любой, даже искусственно созданный водоем, представляет отдельную экосистему — совокупность живых микро- и макроорганизмов. Таких, как бактерии, водоросли, рыбы. Рыбы завершают трофические цепи водоема и накапливают тяжелые металлы. Так, кадмий может аккумулироваться водными растениями и тканями внутренних органов рыб, — объясняет Ирина Черемушкина. — Благодаря диатомиту из их организма выводятся избыточные химические элементы и их соединения, в том числе канцерогенные.
Адсорбент не только поглощает тяжелые металлы, но и замедляет прохождение пищи по желудочно-кишечному тракту рыбы, а потому улучшает всасывание питательных веществ. На ускоренный набор массы сорбент действует в паре в пробиотиком, который улучшает усвояемость пищи и подавляет развитие патогенных микроорганизмов в ЖКТ.
Сейчас исследователи стремятся доработать состав. В лаборатории ВГУИТ в аквариумах содержатся лососевые, которым регулярно выдается добавка в различных варициях. В конце контрольного периода оцениваются темпы роста и объем мышечной массы. Благодаря таким опытам можно понять, какой состав и какая комбинация ингредиентов работают лучше.
Сорбенты нередко вводят в рацион лососевых и рыбы других пород, однако препараты, которые применяют рыбные хозяйства, как правило закупаются за рубежом. Ученые надеются, что их разработка сможет заместить импортные добавки.
В планах Ирины Черемушкиной и команды получить патент на свое изобретение. Желающие сотрудничать с молодой фирмой уже есть. Пока производство не запущено, в лаборатории потребляется до 50 кг диатомита ежемесячно. Впоследствии этот объем будет зависеть от числа заказов.
Фильтр для очистки воздуха и стоков на вредных производствах
Лаборатория пористых материалов и сорбции химфака ТГУ во главе с Григорием Мамонтовым придумала полезный способ переработки диатомита. Здесь из него изготавливают фильтры для очистки воздуха и стоков на вредных производствах.
— Диатомит относится к 3 классу опасности отходов. Он представляет собой порошок, который очень легко разносится ветром, — объясняет Григорий Мамонтов. — Поэтому утилизация отработанного диатомита требует значительных вложений от пивоварен. В Европе отработанный диатомит используют повторно, в определенной пропорции смешивая его с новым, что позволяет экономить. Однако некоторые российские пивовары опасаются перенимать эту практику, поскольку переживают за вкусовые качества пива. Мы предлагаем два выхода. Выход первый: регенерировать отработанный сорбент. Для этого он обрабатывается при высокой температуре, чтобы удалить органическую составляющую. Сложность в том, чтобы подобрать оптимальный температурный режим. Мой аспирант выиграл грант «УМНИК» для реализации этого проекта. Надеемся, что эта наша работа поспособствует импортозамещению. В России самые большие залежи диатомита: 20-25% от мировых запасов. Чаще он используется в качестве удобрения и в строительстве. А сорбент на основе диатомита для фильтрации пива в России почти не делают, поэтому пивовары заказывают его за рубежом.
— Второй выход, — продолжает Григорий Мамонтов, — переработать диатомит в новый сорбент, который можно использовать для очистки воздуха и стоков на промышленных предприятиях. В таком случае диатомит не придется утилизировать, его можно будет переработать и реализовать.
Сорбент для очистки воздуха улавливает, в частности, такие соединения, как бензолы, фенолы, формальдегид, летучие углеводороды. Фильтр можно адаптировать под тот или иной выброс.
— При обычной сорбции токсичные примеси просто улавливаются, и потом возникает вопрос, что с ними делать. Мы же вводим в диатомит каталитический активный компонент и получаем сорбент-катализатор, который нейтрализует вредные вещества, преобразуя их в углекислый газ и воду. На эту технологию у нас есть патент.
Такие фильтры помогут бороться не только с токсичными веществами, но и со специфическими запахами — например, солода и дрожжей на пивоваренном заводе.
Для очистки сточных вод на поверхность диатомита мы наносим так называемые металло-органические полимерные каркасы. Это сорбенты и одновременно фотокатализаторы для очистки воды, например, от фенолов. Они могут пригодиться на производстве лакокрасочных изделий или удобрений.