XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение способов утилизации отходов сахарного производства как путь сохранения экологического состояния окружающей среды Алтайского края

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Васькова М.А. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 22», г. Барнаул

Окорокова Е.И. 1

---

1МБОУ «Гимназия № 22», г. Барнаул

Работа в формате PDF

541.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На территории Алтайского края выращивают многие овощные культуры, в том числе и сахарную свеклу. Сахарная свекла – стратегическая культура растениеводства. Наибольшее количество посевов отмечается в регионах с умеренным климатом. Культура выращивается также в Алтайском крае. По данным Росстата, в 2024 году Алтайский край стал лидером в стране по урожайности сахарной свеклы. Был зафиксирован урожай –535,9 центнера с гектара. Валовое производство корнеплодов в Алтайском крае в 2025 году превысило 630 тысяч тонн [8].

Собранный урожай поступает на предприятия по переработке сахарной свеклы.

Только одно предприятие в год производит 189 тонн сахара. Производственная мощность завода – 6 тысяч тонн свеклы в сутки [8].

Основным побочным продуктом при производстве сахара является свекловичный жом, который представляет собой обессахаренную свекловичную стружку. Она остается после извлечения из нее сахара диффузионным способом [6].

При росте объема производства выработки сахара из сахарной свеклы, растет объем получения жома, а соответственно и возникает экологическая проблема загрязнения окружающей среды [1].

У многих предприятий по переработке сахарной свеклы нет возможности для хранения и утилизации сырого жома. Поэтому чаще всего жом вывозится и складируется на сельскохозяйственных полях в больших количествах. Жом в огромных кучах начинает бродить, что вызывает загрязнение почвы, воды. В связи с этим ухудшается качество почвы, разрушается ее плодородный слой. Возникают риски пожаров [8].

Гниющие залежи жома на полях привлекают мелких грызунов и насекомых – разносчиков опасных заболеваний, активизируются возбудители болезней растений. Все это неминуемо ведет к экологической катастрофе. Несмотря на установленную законодательством РФ ответственность, заводы-изготовители часто пренебрегают нормами утилизации свекловичного жома. А это несмотря на то, что в соответствии с Федеральным классификатором каталога отходов (утвержден приказом Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242), жом относится к отходам пятого класса опасности. Поэтому важно находить приемлемые способы утилизации свекловичного жома [2].

В связи с этим цель данной работы – изучить способы утилизации отходов сахарного производства и получить биоразлагаемый полимер путем создания экологичного пектинового клея из свекловичного жома.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Провести обзор литературы по проблемам экологического загрязнения среды отходами производства сахара.

2. Изучить имеющиеся технологии утилизации отходов свеклосахарного производства.

3. Приготовить опытные образцы пектинового клея из свекловичного жома.

4. Протестировать готовый продукт на физические свойства и биоразлагаемость.

5. Сравнить качественные показатели опытных вариантов клея с клеевыми составами фабричного производства из торговой сети и с показателями ГОСТов.

Объект исследования – свекловичный жом.

Предмет исследования– процесс создания и апробации пектинового клея из свекловичного жома как один из путей решения проблемы загрязнения окружающей среды отходами сельского хозяйства.

Глава 1 Обзор литературы

1. 1. Сахарная свекла как биологическая культура

Сахарная свёкла – это селекционное культурное растение, которое относится к роду Beta vulgaris семейства маревых. Сорт был выведен после обнаружения в 1747 году немецким ученым Андреасом Маргграффом в корнеплодах свеклы сахарозы. Селекция сахарной свеклы привела к тому, что содержание сахара в корнеплоде составляет около 20 %. При этом содержание воды – 75 %, мякоти – 5 % [3].

Сахарная свекла – это двулетнее растение. В первый год растение накапливает сахарозу в корнеплодах, во второй – формирует семена. Листья у сахарной свеклы ярко-зелёного цвета, растут пучком от корнеплода. Длина листьев составляет до 35 см. Корневая система у сахарной свеклы стержневая, главный корень видоизменяется в корнеплод. Корень молочного цвета, уходит в длину до двух-трех метров. Масса корнеплода от 250 до 500 г, иногда достигает 1 кг [5].

Сахарная свекла – стратегическая культура растениеводства. Наибольшее количество посевов отмечается в регионах с умеренным климатом. Культура выращивается также в Алтайском крае. По данным Росстата, в 2024 году Алтайский край стал лидером в стране по урожайности сахарной свеклы. Был зафиксирован урожай –535,9 центнера с гектара. Валовое производство корнеплодов в Алтайском крае 2025 году превысило 630 тысяч тонн [8].

Алтайское предприятие в год производит 189 тонн сахара. Производственная мощность завода – 6 тысяч тонн свеклы в сутки [8].

1. 2. Свекловичный жом в производстве сахара, его состав

Основным побочным продуктом при производстве сахара является свекловичный жом, который представляет собой обессахаренную свекловичную стружку. Она остается после извлечения из нее сахара диффузионным способом [7].

В свежем свекловичном жоме содержатся (в % от массы сухих веществ) следующие вещества: пектиновых веществ – 24-32 %; целлюлозы – 2-25 %; гликанов – 22-30 %; белков – 1,5-3,0 %; золы – 3,0-8,2 %; лигнина – 1,5-3,0 %; простых сахаров – 0,2-0,3 %. Сухое вещество жома состоит из: пектиновых веществ 48-50 %; целлюлозы 22-25 %; гемицеллюлозы 21-23 %; азотистых веществ 1,8-2,5 %; золы 0,8-1,3 %; сахара 0,15-0,20 % [4, 6].

Свекловичный жом используется в сельском хозяйстве, в пищевой промышленности, энергетике, в производстве спирта, пектинового клея.

Не все направления в нашей стране активно развиваются, так как производство порой является малоэффективным. В зарубежных странах – Франции, США жом используется для получения газа метана. В других странах, например Чехии, сушеный жом выступает в качестве наполнителя пищевых продуктов. А в Италии из сушеного жома делают бумагу [5].

1. 3. Хранение и утилизация свекловичного жома

Основной проблемой при хранении свежего свекловичного жома является большое количество влаги. При этом продукт очень быстро портится, так как жом в данном случае представляет благоприятную среду для развития бактерий и приводит к гниению. При этом в процессе гниения жома выделяется весьма неприятный запах [3].

Длительное хранения сырого жома после его получения из сахарной свеклы невозможно.

Над проблемой хранения и утилизации сырого жома работают специалисты сахароперерабатывающих предприятий. Одним из способов утилизации свекловичного жома является его закладка в жомовые ямы. Там под влиянием микроорганизмов свекловичный жом закисает и превращается в кислый. При таком способе хранения жома, теряется значительная часть его сухих полезных веществ.

Активно применяют консервирование жома в силосохранилищах [4].

Еще одним способом переработки является его грануляция, которая происходит после отжима и сушки. Жом в гранулах хранится долго, его легко транспортировать на далекие расстояния, ему не нужны особые условия хранения. При этом он сохраняет все свои полезные свойства. Но возникает проблема – не все сахароперерабатывающие предприятия могут переработать весь объем жома, так как это требует производственных, энергетических, трудовых ресурсов [2].

1. 4. Экологические проблемы при использовании свекловичного жома

При росте объема производства выработки сахара из сахарной свеклы, растет объем получения жома, а соответственно и возникает экологическая проблема загрязнения окружающей среды. У многих предприятий по переработке сахарной свеклы нет возможности для хранения и переработки сырого жома. Поэтому чаще всего жом вывозится и складируется на сельскохозяйственных полях в больших количествах. Жом в огромных кучах начинает бродить, что вызывает загрязнение почвы, воды. В связи с этим ухудшается качество почвы, разрушается ее плодородный слой. Возникают риски пожаров. Гниющие залежи жома на полях привлекают мелких грызунов и насекомых - разносчиков опасных заболеваний, активизируются возбудители болезней растений. Все это неминуемо ведет к экологической катастрофе. Несмотря на установленную законодательством РФ ответственность, изготовители пренебрегают нормами утилизации свекловичного жома [5].

1. 5. Пектин как вещество

Пектин является растворимым пищевым волокном. Оно является продуктом растительного происхождения. Пектин содержится в овощах и фруктах. Он обладает интересным и полезным свойством – загустительной способностью [2].

При этом, как выяснили ученые, именно свекловичный пектин обладает наилучшими комплексообразующими свойствами. В научной литературе рассматриваются также вопросы изготовления пектинового клея из свекловичного жома. Способ получения пектинового клея из жома основан на переводе в раствор нерастворимых в холодной воде пектиновых веществ, содержащихся в жоме. Для этой цели в промышленном производстве свежий жом, после отделения из него сахара, разваривают в автоклавах. Выход клея - 2,5-3% к массе свежего жома [1].

Глава 2 Методика исследования

В ходе посещения Сахарного завода (с. Павловск, Алтайский край), были отобраны партии прессованного гранулированного свекловичного жома, который был высушен при температуре 85-90 °С и до влажности не более 10%, что позволило сохранить все термолабильные компоненты клеточной стенки.

Для изготовления пектинового клея были подготовлены следующие компоненты: свекловичный жом, вода дистиллированная.

1. 1 кг жома заливается дистиллированной водой, доводится до кипения и кипятится в течение 40 минут при температуре 100-110 градусов.

2. Жом отжимается через сито.

3. Полученный водный раствор кипятится 20 минут для выпаривания воды.

4. Полученная масса остужается [4].

В результате, получен предположительно пектиновый клей, цвет темно-коричневый, жидкий, вязкий, почти не имеет запаха.

Глава 3 Результаты исследования

Исследования проводились в течение 6 месяцев. Материалом для исследования послужил сахарный жом, из которого в процессе вываривания и выпаривания была получена масса, обладающая клейкими свойствами. Полученный клей был протестирован на ряд свойств.

Тест на биоразлагаемость пектинового клея из свекловичного жома

Исследования пектинового клея из свекловичного жома проводились по нескольким критериям:

–растворимость в воде и скорость разложения;

–растворимость в почве, влияние процесса разложения на рост растений.

Согласно санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», утвержденных постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 N 2, допустимый уровень рН от 6.0 до 9.0. Поэтому в ходе исследования измерялось рН полученных смесей.

С целью сравнения свойств полученного пектинового клея изучались и свойства клея фабричного изготовления (промышленное производство) (Таблица 1).

Таблица 1

Характеристика используемого в исследовании клея промышленного

1. Растворимость в воде. 5 видов клея в количестве 15 мг поместили водинаковые емкости с водой (250 мл), размешали, закрыли крышкой, измеряли кислотность смеси в дни контрольных наблюдений – в 1 день и 7-й день. По результатам данного исследования выяснили, что все виды клея производственного имеют щелочную среду – рН от 8 до 12. Пектиновый клей имеет нейтральную среду – рН 7 (Таблица 2).

Таблица 2

Результаты исследования растворимости клея в воде

2. Растворимость в почве и влияние на рост растения. В прозрачные емкости с почвогрунтом добавили по 15 мг клея, хорошо размешали. В подготовленную почву посеяли семена петрушки и кабачка. Осуществляли полив, измеряли кислотность почвы (Рисунок 1, Таблица 3).

Результаты исследования показали, что рН почвы до добавления клея составило 6,5 -7. После добавления клея в почве с пектиновым клеем рН 7, в пробах почвы с добавлением клея от производителей – рН от 8 до 11.

Рис. 1. Опыт по изучению растворимости клея в почве и влиянию на растения

Таблица 3

Результаты опыта по растворимости клея в почве и влиянию на растения

На протяжении 14 дней наблюдали за всхожестью и ростом растений. Результаты наблюдений показали, что в почве с пектиновым клеем всходы петрушки и кабачка развиваются более интенсивно по сравнению с почвой, содержащей промышленный клей. Сравнительный анализ на биоразлагаемость показал: пектиновый клей является биоразлагаемым полимером. В отличие от клея синтетического наполнения, показывает нейтральный уровень рН при растворении в воде и в почве, не оказывает негативного влияния на всхожесть и рост растений.

3. 1. Тест на функциональные характеристики пектинового клея из свекловичного жома. Полученный пектиновый клей протестировали на функциональные характеристики, склеивая им различные объекты.

1. Взаимодействие с бумагой (Рисунок 2).

Рис.2. Взаимодействие клея с бумагой

Результаты тестирования клея и бумаги показали, что все виды клея, в том числе и полученный пектиновый прочно удерживают склеиваемые поверхности образцов бумаги.

2. Взаимодействие с картоном (Рисунок 3).

Рис. 3. Взаимодействие клея и картона

Результаты тестирования исследуемых видов клея и картона показали, что клеевая масса прочно удерживает склеиваемые поверхности образцов в области нанесения клея.

3. Взаимодействие клея и кожи (Рисунок 4).

Рис. 4. Взаимодействие клея и кожи

Результаты тестирования клея и кожи также продемонстрировали прочное склеивание поверхности образцов кожи в области нанесения клея. Это отмечается как для клея, полученного промышленным способом, так и полученного в ходе работы пектинового клея.

4. Взаимодействие клея с поливинилхлоридной пленкой и с вспененной поливинилхлоридной пленкой также показали прочное склеивание образцов всеми видами клея (Рисунок 5, 6).

Рис.5. Взаимодействие клея и ПВХ пленки

Рис. 6. Взаимодействие клея со вспененной ПВХ пленкой

Результаты тестирования клея и обоев на виниловой основе показали, что пектиновый клей прочно склеивал и эти образцы, в то время как клей-карандаш непрочно соединил края обоев (Рисунок 7, Таблица 4).

Рис. 7. Взаимодействие клея с виниловыми обоями

Таблица 4

Результаты взаимодействия клея с виниловыми обоями

5. Взаимодействие клея с тканью показали, все образцы прочно склеили ткань (Рисунок 8).

Рис.8. Образцы ткани с высохшим клеем

6. Взаимодействие клея с деревом (Рисунок 9, Таблица 5).

Рис.9. Образцы дерева с высохшим клеем

Таблица 5

Результаты взаимодействия клея с деревом

Таким образом, пектиновый клей, полученный нами из сырья растительного происхождения, не уступает, а в некоторых случаях и превосходит по функциональности фабричные клеевые растворы, приобретенные в торговой сети. Нами доказана эффективность пектинового клея в склеивании бумаги, картона, дерева, обоев, ткани, кожи и ПВХ-поверхностей.

Выводы:

1. Основными способами утилизации отходов сахарного производства в Алтайском крае являются: закладка в жомовые ямы, консервирование в силосохранилищах, гранулирование. Пектиновый клей не производится.

2. Физические характеристики полученного пектинового клея: цвет темно-коричневый, жидкий, вязкий, не имеет резкого запаха.

3. Исследования на биоразлагаемость показали, что полученный пектиновый клей является биоразлагаемым полимером.

4. В отличие от клея синтетического наполнения показывает нейтральный уровень рН.

5. При растворении в воде и в почве не оказывает негативного влияния на всхожесть и рост растений.

6. Полученный экологичный пектиновый клей из свекловичного жома, не уступает по своим характеристикам клею из синтетических материалов.

Список использованной литературы:

5Донченко, Л. В. Пектин: основные свойства, производство и применение. – М.: ДеЛи принт, 2007. – 276 с.

1. Новикова А.В. Свекловичный жом как возможный источник ингибирующих веществ пищевой цепочки человека // Вестник КрасГАУ. 2023. № 3. С. 174–180.

2. Новые направления использования свекловичного жома в республике Беларусь, Ю. Н. Погорелова // Вестник МГТУ. 2022. Т. 21, № 4. С. 136-139.

3. Риянова Э. Э., Кострюкова Н. В. Получение пектина из свекловичного жома // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 4–1(58). С. 98–101.

4. Риянова Э.Э. Разработка технологии получения пектина их отходов сахарного производства // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология -2014): сборник научных статей 11 Международной научно-технической конференции. – УФА: УГАТУ, 2014. -264с. – с. 147-152.

5. Славянский А. А. и др. Свекловичный жом сахарного производства и перспективы его использования // Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 3. С. 292–303.

6. Технические материалы на основе свекловичного жома. Кулишов Б.А., Зимагулова Л. А., Ле Ань Туан //Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №23. – с. 16-23.

7. Некоммерческая организация «Союз сахаропроизводителей России» –URL:https://rossahar.ru/rynok/sveklovichnyy-zhom/. (дата обращения 12.12.2025)