Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.
Наименование инновационного проекта Создание отечественного экстракционного оборудования с использованием диоксида углерода. Сверхкритическая технология 21 века. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рекомендуемая область пременения Химическая промышленность; производство биологически активных соединений из растительного сырья по сверхкритической флюидной (СКФ) технологии для косметологической, пищевой и фармацевтической промышленности. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Назначение, цели и задачи проекта Цель проекта Разработка технологии экстрагирования и фракционирования в сверхкритических средах и конструкция оборудования для получения экстрактов для применения их в пищевой, косметологической, фармацевтической отраслях промышленности. Разработка технологии и конструкции оборудования для производства экстрактов с высокой концентрацией биологически активных веществ и сохранением нативных свойств исходного сырья с использованием сверхкритических флюидов в качестве экологически чистых и безопасных растворителей. Аннотация проекта. Технологии извлечения из растительного и животного сырья биологически активных веществ с использованием в качестве экологически чистых и безопасных растворителей сверхкритических (СК) флюидов, и, в частности, диоксида углерода (СО2), приобрели в настоящее время не только статус лабораторного инструмента изучения химического состава растительного и животного сырья, но и широко распространяются как промышленный метод, позволяющий получать из натурального сырья экстракты в целом и отдельные фракции (вплоть до получения целевых биологически активных компонентов) для фармацевтической, косметологической и пищевой промышленности без применения органических растворителей. Предлагаемая технология получения биологически активных экстрактов с помощью СК-СО2 предполагает высокую экологичность процесса, поскольку углекислый газ как растворитель исключает возможность загрязнения окружающей среды и конечной продукции. Более того, данная технология позволяет получать высококонцентрированные экстракты без остатков какого бы то ни было растворителя с сохраненным составом биологически активных веществ в их нативном соотношении, не содержащие остатков органических растворителей и их примесей. Сохранность биологически активных компонентов обеспечивается достаточно низкой (не более 80°С) температурой процесса. Кроме того, применение в качестве растворителя СО2 при повышенном давлении обеспечивает микробиологическую чистоту готовой продукции. Основными рабочими параметрами процесса являются давление и температура экстрагента в экстракционном контуре, причем простое варьирование рабочими параметрами позволяет осуществлять направленное изменение состава конечного экстракта. Важными преимуществами использования СК-СО2 как растворителя для экстракции в промышленном масштабе является его негорючесть, малая токсичность и химическая инертность. Немаловажно и то, что углекислый газ достаточно дешев и широко доступен. Разрабатываемая технология производства оборудования полностью базируется на отечественных комплектующих, что позволит исключить импортные поставки как оборудования, так и готовой продукции требуемого качества. Таким образом, реализация проекта позволит разработать технологию и оборудование для производства экстрактов с высокой концентрацией биологически активных веществ и сохранением нативных свойств исходного сырья при помощи СК флюидов в качестве экологически чистых и безопасных растворителей. Решаемая задача и основные целевые параметры. Извлечение целевых веществ из натуральных продуктов, как для аналитических целей, так и в технологических процессах переработки сырья, является важной проблемой. Применение для этих целей сверхкритических флюидов открывает новые перспективы, связанные с их уникальными свойствами. Сверхкритическим флюидом (СКФ) называют состояние вещества, когда его температура и давление превышают критические параметры. В этой точке две фазы, жидкая и газовая, становятся неразличимой монофазой. Поскольку по диффузионным свойствам, вязкости и поверхностному натяжению СФ больше напоминают газы, а по плотности и растворяющей способности - жидкости, они обладают рядом преимуществ при использовании их в процессах экстракции из природного сырья. Это возможность селективно выделять биологически активные продукты, изменяя давление и температуру, быстрота и полнота экстракции, возможность извлечения химически нестойких компонентов, проведение экстракции при низких температурах, отсутствие в экстрактах примесей органических растворителей, отсутствие необходимости отделения полученного экстракта от органических растворителей. Наиболее широко используемая для этих целей СК-СО2 – экологически безопасный экстрагент, в отличие от загрязняющих окружающую среду органических растворителей, в частности, хлорсодержащих углеводородов, на применение которых в мире в настоящее время налагается все больше ограничений, что связано с их экологической опасностью. Применение СКФ технологии экстракции в мире, в частности сверхкритическим углекислым газом (СК-СО2), мотивировано следующими факторами: ограничение использования традиционных промышленных растворителей, таких как хлорсодержащие углеводороды, что сделало нетоксичные, экологически чистые СКФ, такие как диоксид углерода, привлекательными альтернативными промышленными растворителями. удешевление процессов производства экстрактов СК-СО2 за счет сокращения ряда этапов технологических процессов, таких как дистилляция и выпаривание. СКФ технология является экологически сохраняющим способом, альтернативным применению органических растворителей и методам, способствующим деградации, получения хрупких биоактивных веществ. повышенные требования к качеству функциональных веществ, которым не могут удовлетворить традиционные технологии обработки. применение СК-СО2 в качестве растворителя и экстрагента обусловлено его дешевизной и легкой доступностью. Его критические условия температуры и давления легко достижимы. Простота извлечения растворителя и его легко перенастраиваемые характеристики делают применение СК-СО2 более предпочтительным по сравнению с традиционными растворителями. запросы рынка на производство новых типов и/или серьезную модификацию традиционных материалов для массового применения. создание новых технических устройств и процессов требующих новых технических решений, технических качеств, обеспечивающих их безопасное и эффективное масштабное применение. В индустриально развитых странах СКФ экстракция из природных матриц широко используется в пищевой, в фармацевтической и нутрицевтической промышленности, а также в производстве парфюмерии и косметики. В России на сегодняшний день данная технология практически не развита. Между тем, СКФ экстракция обладает рядом существенных экономически значимых преимуществ по сравнению с традиционными методами экстракции: Возможность снижения числа технологических операций процесса экстракции вследствие исключения стадий дистилляции и выпаривания; Возможность организации малоотходных производств; Возможность управления процессом экстракции изменением параметров (температуры, давления), что облегчает его автоматизацию и повышает технологичность; Возможность сохранения лабильных компонентов, отсутствия продуктов разложения, неизбежных при традиционной экстракции, отсутствия следов органических растворителей и их примесей, что позволяет получать качественно новые продукты экстракции, отвечающие требованиям современного рынка. Утилизация наиболее широко применяемого для СКФ в качестве экстрагента диоксида углерода. Основными причинами слабого развития СКФ технологий в России являются: отсутствие отечественного лабораторного, пилотного и промышленного оборудования, а также кадров, способных создавать, внедрять и обслуживать оборудование такого рода. Таким образом, целью данного проекта является создание методологической основы и приборно-технологической базы для изучения процесса сверхкритической экстракции из различного природного сырья. При разработке проекта предлагаются следующие этапы решения поставленной задачи: Создание лабораторного стенда для разработки процессов экстракции как из твердых, так и из жидких природных субстратов сверхкритическим диоксидом углерода; Разработка аналитических методов определения состава полученных экстрактов для каждой природной матрицы; Разработка методов препаративного выделения индивидуальных компонентов, наиболее значимых для данной природной матрицы; Разработка методов направленного получения экстракционных фракций, обогащенных целевыми компонентами; Разработка методов определения микробиологической чистоты полученных продуктов; Создание пилотного образца оборудования и отработка технологии получения целевых продуктов из жидких и сухих экстрактов растительного и животного происхождения; Создание полупромышленного образца оборудования путем масштабирования пилотной установки, а также сертификация и патентование оборудования, отдельных узлов и технологии производства экстрактов растительного и животного происхождения из твердого и жидкого сырья. В результате планируется получить технологию производства растительных и животных экстрактов на созданном лабораторном, пилотном и полупромышленном оборудовании для экстракции сверхкритическими флюидами (СК-СО2). В дальнейшем разработанная технология позволит получать качественно новые СКФ экстракты высокой чистоты, в том числе высококонцентрированные экстракты. Кроме того, разрабатываемая технология позволит реализовывать и другие важные задачи: осуществить процессы получения нанопорошков, новых видов биотоплива из растительных масел, глубокую очистку полимерных материалов с последующей импрегнацией для медицинских целей, разработать новые методы регенерации адсорбентов и катализаторов. Основными ожидаемыми научными и научно-техническими результатами работы по реализации проекта являются разработка и промышленное внедрение способа экстракции СК-СО2 из растительного сырья, получение экстрактов из растительного сырья, разработка оборудования и технологии получения экстрактов из твердого и жидкого сырья, а также методов анализа и контроля качества получаемого продукта. Предполагаемые технические пути решения поставленной задачи: Создание лабораторного стенда, пилотной и полупромышленной установки для экстракции твердого и жидкого сырья, а также колонны для фракционирования с использованием в качестве флюида диоксида углерода; Разработка и создание узлов оборудования, обеспечивающих интервалы рабочих давления и температуры от 7,38 МПа до 50 МПа и от 31,1 до 800С; Создание контролируемого потока флюида до 90 л/час; Обеспечение высокой коррозионной стойкости сосудов, узлов и герметизирующих материалов, работающих под давлением; Создание установки, работающей в замкнутом цикле, что позволяет обеспечить безопасность и экономическую рентабельность производства. Новизна создаваемой сверхкритической флюидной технологии заключается в создании широкой гаммы продуктов и ингредиентов с высокой концентрацией биологически активных веществ, полученных без применения органических растворителей для пищевой, косметологической и фармацевтической промышленности. Производство оборудования должно полностью базироваться на отечественных комплектующих материалах, пригодных для масштабирования и внедрения, что позволит исключить поставки соответствующего оборудования из-за рубежа. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы А) В настоящее время в России отсутствует сертифицированное производство оборудования лабораторного, пилотного и промышленного масштаба по сверхкритической переработке сырья. Приобретение аналогичного зарубежного оборудования сдерживается высокими ценами и ограничениями на распространение высокотехнологических разработок (см. табл.1). Согласно имеющейся информационной базе российских производителей химического оборудования, создание аналогичного оборудования на российских предприятиях для обработки сырья в условиях, необходимых для получения качественных экстрактов, представляется вполне реальным. Таблица 1. Производители сверхкритического оборудования.
В) Ввиду отсутствия оборудования, промышленные технологии сверхкритической обработки сырья в России отсутствуют. По сравнению с западными аналогами, лабораторные исследования показали идентичность, как достигнутых параметров процесса, так и идентичность получаемого продукта. Таблица 2. Разработчики технологии сверхкритической экстракции.
С) С использование технологии СКФ экстракции сырья растительного и животного происхождения достигаются следующие характеристики готового продукта: Получение экстрактов из твердого и жидкого растительного (животного) сырья; Получение отдельных фракций с повышенным содержанием целевого компонента; Получение высококонцентрированных экстрактов или их фракций без остатка растворителя и с сохраненным составом биологически активных веществ в их нативном соотношении; Обеспечение микробиологической чистоты готовой продукции за счет эффекта декомпрессии. Д) Для обработки образцов растительного сырья в сверхкритической среде диоксида углерода использовали лабораторный комплекс для сверхкритической флюидной экстракции. Схема эксперимента с использованием данного оборудования представлена на рисунке 1. Комплекс включает в себя насос высокого давления с блоком управления, обогреваемую экстракционную ячейку, барботер и систему сброса давления. Образец сырья, предназначенный для экстрагирования, помещается в ячейку и выдерживается при определенной температуре, в течение 10 минут в ячейку накачивается СО2 до заданного давления, чем обеспечивается статический режим обработки. После окончания выдержки (от 30 до 120 мин) в течение 60 минут производится декомпрессия ячейки через капиллярный рестриктор. Пропускание СК-СО2 через ячейку с расходом 10 мл/мин обеспечивает проточный режим обработки. Рисунок 1. Блок – схема лабораторного эксперимента. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Краткое описание предлагаемого технологического процесса Широко распространенные в настоящее время, так называемые, "традиционные" методы экстракции, например, холодное или горячее прессование; водно-паровая, водно-спиртовая или масляная виды экстракции, а также извлечение БАВ с помощью различных органических растворителей, по целому ряду причин привели к созданию новых методов, которые используют в производственном цикле принципиально иные подходы. Сверхкритическая экстракция БАВ с помощью диоксида углерода представляет собой именно такой метод, к тому же уже прошедший проверку на практике. Для проведения экстракции растительного и животного сырья сверхкритическим диоксидом углерода предлагается установка различной производительности с широким диапазоном рабочего давления и температур экстракции. Установки способны использовать как чистые, так и модифицированные флюиды, а также производить рециркуляцию флюида в замкнутом цикле. Вопросы технического обеспечения процессов сверхкритической экстракции являются наиболее сложными при ее широком использовании в промышленной технологии. Необходимость поддержания равномерного, заданного потока экстрагента при высоком (до 500 атм) давлении, создание в замкнутом цикле условий для выпаривания экстрагента при различных температурных режимах, предусматривает использование высококачественных нержавеющих сталей и неординарных технических решений. Данная установка позволяет работать при параметрах давления основного экстрагента – диоксида углерода – до 500 атм и при температурах от 40 до 80 0С в дискретном режиме. Установки обладают возможностью селективной экстракции и дальнейшего фракционирования. Технологический процесс обеспечивает обработку широкого спектра сырья с контролируемой концентрацией искомых биологически активных веществ. Также технология позволяет обрабатывать сырье животного происхождения, такое как яичный порошок. Технология СК-СО2 экстракции позволяет получать концентрат БАВ, практически, с сохранением полного природного соотношения и тончайших биохимических нюансов, присущих растению. При этом выход концентрата с такими нутрицевтическими характеристиками максимально высок. Проведенный анализ химического состава полученных растительных экстрактов показал идентичность получаемым экстрактам зарубежными производителями, а также соответствие их мировым стандартам качества. Рисунок 2. Принципиальная схема установки. Предлагаемое к реализации оборудование без труда вписывается в уже существующие технологические линии. Продукция, производимая на СКФ оборудовании, может использоваться в косметологической, пищевой, фармацевтической промышленностях без дополнительных затрат на введение в существующий технологический процесс. В отдельных случаях требуются несложные операции по доведению экстрактов до желаемой технологической формы. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии Разработанная технология должна позволять получать экстракты и отдельные фракции для фармацевтической, косметологической и пищевой промышленности без применения органических растворителей из натурального сырья. Экстракты должны быть получены методами, исключающими деградацию и трансформацию биологически активных компонентов с использованием в качестве флюида диоксида углерода. Разрабатываемая технология должна обеспечивать: высокую экологичность процесса, исключающую загрязнение окружающей среды и продукции; возможность производства широкой гаммы продукции простым варьированием рабочими параметрами процесса. совместимость производимых продуктов с существующими технологическими процессами в фармацевтическом и пищевом производстве. Разработанное оборудование должно обеспечивать: получение экстрактов из твердого и жидкого растительного и животного сырья; получение отдельных фракций с повышенным содержанием целевого компонента; получение высококонцентрированных экстрактов или их фракций без остатка растворителя и с сохраненным составом биологически активных веществ в их нативном соотношении; обеспечивать микробиологическую чистоту готовой продукции за счет эффекта декомпрессии; интервалы рабочего давления и температуры от 7,38 МПа до 50 МПа и от 31,1 до 800С; Создавать контролируемый проток флюида 90 л/час и более; Работать в замкнутом цикле. Производство оборудования должно полностью базироваться на отечественных комплектующих, позволяющих его масштабировать и производить, исключая импортные поставки как оборудования, так и экстрактов требуемого качества. Новая технология, оборудование и отдельные его узлы, а также получаемые по данной технологии продукты должны быть защищены патентами, действующими на территории Российской Федерации и стран предполагаемого экспорта. Создаваемая технология должна позволять получать ингредиенты для фармацевтической, косметологической и пищевой промышленности без применения органических растворителей из натурального жидкого и твердого сырья, полученные методами, исключающими деградацию и трансформацию биологически активных компонентов и обладающие повышенными функциональными свойствами. Технология позволит получать высококачественные безопасные ингредиенты растительного происхождения, отвечающие мировым стандартам качества, для пищевой промышленности, такие как антиоксиданты, красители, экстракты пряностей и специй, применяемые при производстве мясной и рыбной продукции, а также в других отраслях пищевого производства. Сверхкритические экстракты лекарственных трав позволяют производить новую линейку высокоэффективных биологически активных добавок (БАД), а также фитофармацевтических лекарственных препаратов. В косметологической промышленности сверхкритические экстракты способны успешно замещать традиционные экстракты, полученные с помощью органических растворителей. Показатели рынка: В таблице рынок использования СК экстрактов представлен следующими сегментами: Рынок СКФ экстрактов в России и странах СНГ.
* Данные по объему производства на 2003 год. Производители продукции по КФ технологии.
Данные по объему производства на 2005 год. Все фирмы базируются в основном на сырье, характерном для региона, в котором расположены производства, ввиду чего наблюдается специализация и кооперация СКФ производств мира по перерабатываемому сырью. В этом смысле Россия представляет большой интерес, поскольку ее территория располагает самыми крупными объемами растительного лекарственного сырья в мире. Это ставит Россию в сопоставимые с Китаем условия по темпам роста в области СКФ экстракции. Ценовая политика указанных фирм примерно одинакова и стоимость продукции распределена следующим образом: пищевые ингредиенты – в среднем 100-200 долларов за функциональные пищевые ингредиенты – в среднем 250-450 долларов за фармацевтические субстанции – до 30.000 долларов за При всем этом, ввиду молодости самой технологии и крайне высокого спроса на ее продукцию во всем мире, в данном секторе рынка наблюдается дефицит. Например, спрос на экстракт розмарина, активно применяющийся в пищевом производстве стран ЕС и США, по положению на конец 2004 года имеет дефицит около 120-150 млн.евро. Высока потребность в натуральных экстрактах для производителей косметики и средств гигиены. Предварительные экономические расчеты и имеющийся практический опыт, достаточно убедительно показывают, что при наличии отечественного оборудования и колоссальной сырьевой базы в России реально производить аналогичную продукцию по более низким ценам (по некоторым позициям в 2 раза). Дальнейшее развитие производства связано с поиском высокоэффективного растительного сырья, и удешевлением производства за счет увеличения рабочих объемов промышленного и созданием непрерывно работающих установок. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса Высокая производительность. Выход и себестоимость продукта зависит от величины и количества экстракторов в установке. Производственный цикл составляет 1-1,5 часа. Энергосбережение. Питание электрооборудования установки производится от трехфазной электрической сети переменного тока мощностью не менее 0,5 кВА Экологическая безопасность. Полная замена органических растворителей на инертный газ. Работа установки осуществляется в замкнутом цикле, что исключает выброс растворителя в окружающую среду. Оборудование с использования сверхкритического углекислого газа обеспечивает получение липофильных высококонцентрированных экстрактов без остатков растворителя при низких эксплуатационных затратах, быстрой окупаемости и без какого-либо вредного воздействия на окружающую среду. Применение оборудования и продукта, производимого по данной технологии, обеспечивает неоспоримые экономические преимущества перед экстрактами, получаемыми по традиционным технологиям, использующим органические растворители. В отличие от применения химических технологий, технологии масляной экстракции и паровой дистилляции, сверхкритическая технология флюидной экстракции резко сокращает по минимума расходы на потребление воды, электроэнергии, дорогостоящих органических растворителей и расходы на утилизацию химзагрязненных стоков и плату за экологические платежи. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Новые потребительские свойства продукции Высокая эффективность, технологические процессы; |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам Продукция соответствует государственным и международным стандартам. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стадия и уровень разработки В лабораторных условиях получены экстракты из различного типа растительного сырья с применением сверхкритического диоксида углерода. Определены качественные характеристики экстрактов и сопоставление с экстрактами из аналогичного растительного сырья, полученными по традиционным технологиям и с экстрактами, полученными по данной технологии зарубежными производителями. Результаты показали соответствие состава полученных экстрактов стандартам для сырья подобного вида. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Предлагаемые инвестиции 37,4 млн. руб. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рынки сбыта Извлечение целевых веществ из натуральных продуктов, как для аналитических целей, так и в технологических процессах переработки сырья, является важной проблемой. Применение для этих целей сверхкритических флюидов (СК) открывает новые перспективы, связанные с их уникальными свойствами. Наиболее широко используемый для этих целей СК-СО2 – экологически безопасный экстрагент, в отличие от загрязняющих окружающую среду органических растворителей, в частности, хлорсодержащих углеводородов, на применение которых в мире в настоящее время налагается все больше ограничений, что связано с их экологической опасностью. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Возможность и эффективность импортозамещения Есть. Предлагаемая в проекте технология и оборудование соответствует аналогам на мировом рынке аналогичной продукции и услуг. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Возможность выхода на мировой рынок |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Срок окупаемости (в месяцах) 24 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Дата поступления материала 23.10.2006 |
У павильонов Уральской выставки «ИННОВАЦИИ 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.)
Мероприятия на выставке "Инновации и инвестиции - 2008" (Югра, 2008 г.)
Открытие выставки "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)
Демонстрация разработок на выставке "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)