Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

излучение с шириной спектральной линии менее 1 нм получают с помощью гелий-неонового лазера. Источником низкококогерентного излучения служит лампа накаливания с системой светофильтров, вырезающих спектральную полосу шириной 50–80 нм с максимумом на длине волны генерации лазера. Энергетические параметры облучения в обоих случаях устанавливаются равными. Проведенные исследования показали, что когерентность света является важным параметром рабочего органа оборудования лазерных наноагротехнологий. Для достижения наибольшего эффекта ширина спектральной линии не должна превосходить

20–30 нм.

2.2. Нанобиотехнологии в животноводстве

Применение нанотехнологий и наноматериалов в животноводстве в настоящее время позволяет решить ряд острых проблем и обеспечивает значительный эффект. Животноводство базируется на трех китах: разведение, кормление и технология содержания. Доля влияния кормления на продуктивность животных составляет 60–65 %, разведения – 20–25 и содержания – 15–20 %. Так, например, использование нанодобавок способствует повышению продуктивности в 1,5–2 раза, повышению сопротивляемости животных к стрессам, сокращению падежа и т. д.

В животноводстве нанотехнологии целесообразно использовать в технологических процессах, где они дают дополнительные преимущества. При формировании микроклимата в помещениях для содержания животных и птицы они позволяют заменить энергоемкую приточно-вытяж- ную систему вентиляции энергосберегающей системой кондиционирования (электрохимическая очистка) воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температуры, влажности, газового состава, микробиооб-

71

семененности, запыленности, скорости движения воздуха, а также устранение запахов с сохранением тепловыделений животных.

В результате поиска решения проблемы была разработана система рециркуляционной очистки в наносекундном коронном разряде.

Технологический процесс заключается в том, что грязный и теплый воздух при вентиляции не выносится

вокружающую среду, а проходит через импульсный коронный электрофильтр, где происходит конверсия газов, осаждение пыли и нейтрализация бактерий и вирусов. Для удаления продуктов реакции и остаточного озона воздух проходит через мокрую очистку в виде микродисперсного водного аэрозоля. Осаждается аэрозоль коронным фильтром с постоянным напряжением. Чистый воздух подается

впомещение.

Процесс очистки выбросных газов от различных органических и неорганических примесей, в том числе разных запахов, имеющих органическую и неорганическую природу, идет в электрофильтре при питании его короткими высоковольтными импульсами напряжения, наложенными на высокое постоянное напряжение. Длительность импульсов – от десятков до нескольких тысяч наносекунд.

В результате частицы вступают в радиационно-химиче- ские реакции с молекулами-загрязнителями. В процессе реакции происходит конверсия газообразных примесей в экологически безвредные газообразные продукты – аэрозоли или твердые продукты при одновременной зарядке конверсированных продуктов. Газообразные оксиды азота или серыпретерпеваютконверсиюваэрозолисоответствующих кислот. Органические соединения разлагаются до простейших соединений (СО2, Н2О) либо образуют простейшие органические кислоты. Удаление аэрозолей и твердых частиц

72

из потока воздуха осуществляется в паузах между импульсами благодаря приложенному постоянному напряжению.

Для санирования помещения в водный аэрозоль можно добавлять ароматические масла. Тогда наличие озона в выбросах вообще не наблюдается, так как он вступает в связь с углеводородами, а в воздухе ощущается приятный аромат.

Очищенный и ароматизированный воздух снова подается в животноводческие или птицеводческие помещения. При необходимости производится забор свежего воздуха с улицы, который предварительно проходит очистку.

Такая система рециркуляции воздуха с полной очисткой потребляет меньше энергии, чем типовые вентиляционные и тем более подобные очистные системы. Это достигается применениемкоронныхфильтров,новыхаэрозольныхгенераторов и отсутствием приточной вентиляции. Исследования показывают, что расход энергии на одну голову сокращается в год в 5–6 раз (с 2,4 до 0,4 тыс. кВт·ч).

С расширением строительства свинокомплексов на 100–500 тыс. голов особенно опасным для молодняка является наличие в воздухе аммиака и углекислого газа, достигающее в летний период предельно допустимой концентрации (0,02 мг/л). Электрохимическая очистка загрязненного воздуха без выброса в окружающую среду проводится путем его пропускания через нанодисперсный раствор воды с гашеной известью.

Наноэлектротехнологии в технологических процессах животноводства с использованием электромагнитных излучений высокой и сверхвысокой частоты позволяет осуществлять:

− ультрафиолетовое облучение инкубационных яиц и молодняка птицы с целью их обеззараживания от болезнетворных микроорганизмов и стимуляции перинатального (в период инкубации) развития молодняка. Исследования

73

показали, что выводимость цыплят возрастает до 94, а их сохранность – до 99 %;

− обеззараживаниеипастеризациюяицияйцепродуктов; − стимуляцию и лечение пчелосемей с помощью их весенней обработки озоно-воздушной смесью. Чистый дисконтированный доход составляет при этом от 0,6 до 4 тыс.

руб. на одну пчелосемью; − обработку спермы быков электромагнитным полем,

что позволяет повысить при искусственном осеменении активность спермы до 1,3 балла, увеличить ее сохранность, снизить яловость коров на 9–11 %;

− электрофизическое воздействие на биологически активные точки коров с целью стимуляции их охоты, а также послеродового лечения патологий отела.

Иллюстрацией перспективности внедрения наноэлектротехнологии в практику сельскохозяйственного производства могут служить испытания установки ОЗУФ (озо- но-ультрафиолетовых облучателей), которые проводились

вптичнике для выращивания ремонтного молодняка.

Входе производственной апробации облучателей были подтверждены эффективность режима и технологии обеззараживания воздуха облучателями ОЗУФ, а также положительное влияние бактерицидного УФИ на микроклимат и бактериальный состав воздуха, что доказывает целесообразность использования таких облучателей в помещениях для выращивания цыплят и фермерских хозяйствах.

Учитывая многоплановость применения УФИ в различных отраслях АПК, можно ставить вопрос о разработке наноэлектротехнологии на основе эволюционных методов моделирования, базирующихся на разработке генетических алгоритмов и искусственных нейронных сетей.

Ученые разработали экологичную нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов

74

электроактивированным консервантом (ЭАК) взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. ЭАК на основе раствора поваренной соли повышает сохранность кормов до 95 %.

Учитывая существующие в животноводстве проблемы загрязнения окружающей среды, эмиссий газов с неприятнымзапахомивлияющихнаглобальноепотепление,наиболее эффективным в настоящее время является применение пленкообразующих растворов каталитического действия. Встроенные в структуру этих растворов наночастицы титана, серебра и кремния (ТiO2, Аg и SiO2) проявляют не известные до сих пор свойства. Каталитические пленки стимулируют реакции окисления и восстановления на их поверхности и в близком окружении. В животноводческих фермах окисление можно использовать для дезодорации, а реакции восстановления – для ограничения эмиссии аммиака и окисей азота.

Применение препаратов, вызывающих катализ среды, например, фотокатализаторов на базе ТiO2, позволяет в сельском хозяйстве использовать следующие их функции: гидрофильный эффект, самоочищающую, бактерицидную, фунгицидную и дератизационную, нейтрализующую летучие органические соединения.

Применение каталитических окисей с участием наночастиц серебра позволяет получить каталитический эффект без доступа света и усилить бактерицидную, фунгицидную и стерилизующую функции.

Все перечисленные функции могут найти применение в животноводстве. Их эффективное внедрение в сельскохозяйственную практику улучшит состояние животных и зоогигиенические условия и уменьшит опасность для окружающей среды, вызванную выделением газов от отходов животноводства.

75

2.3. Нанотехнологии в переработке сельскохозяйственной продукции

За счет глубокой переработки сельскохозяйственной продукции можно увеличить производство пищевой продукции на 35–40 %.

Впищевойпромышленностинанотехнологииинаноматериалы широко применяются при производстве эмульгаторов,стабилизаторов,консервантов.Нанотехнологические добавки способны изменять вкус и питательные свойства продуктов и являются компонентами булочек, шоколадных кремов, изысканных сыров и других продуктов. Анализ публикаций показывает, что в настоящее время за рубежом проводятся интенсивные исследования в области пищевых производств по следующим основным направлениям: разработка технологий производства наночастиц, нанонитей и нанокапсул; разработка нанокомпозиций для пищевых продуктов заданного состава с необходимыми органолептическими показателями; разработка новых упаковочных материалов с использованием нанотехнологиий, обеспечивающих высокую сохраняемость и безопасность готового продукта.

Перспективным направлением является использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды и других целей. Наночастицы серебра проявляют высокую активность по отношению к дрожжевым клеткам, вызывая их гибель сразу после контакта. Нанесение на поверхность таких наночастиц позволяет получить фильтрующие материалы с улучшенными, а иногда новыми свойствами, такими как бактерицидность, каталитическая активность, избирательная адсорбция и др. Наноагрегаты серебра используют в элементах для изготовления бактерицидных фильтров. Их применяют для обработки воды, особенно в паводковые

76

периоды, а также в установках обеззараживания бытовых канализационных стоков. Учеными разработаны нанопорошковые пасты на основе оксидов металлов, которые используют в технологиях очистки сточных вод предприятий, в том числе от ионов тяжелых металлов. Для очистки воды от мышьяка выпускают фильтры на основе наноматериалов (наноразмерные фазы оксидов металла, нанесенные на инертный носитель). Фильтры на основе наноматериалов широко применяются также в технологиях очистки соков. Новые технологические возможности мембранной фильтрации открывает нанофильтрация.

Ученые предлагают фильтрационную установку для очистки и стабилизации напитков, осветления и очистки сиропов, соков и экстрактов. Она состоит из фильтрационных модулей (циркуляционных контуров), последовательно соединенных в каскад. По желанию заказчика в каскад могут входить два-пять модулей. Под давлением часть жидкости проходит через мембрану (фильтр) и удаляется из установки. Концентрат последовательно проходит через все фильтрационные модули с отводом фильтрата от каждого. Из последнего модуля концентрат через регулятор расхода подаетсяпотребителю.Системауправленияпозволяетэксплуатировать установку в автоматическом режиме.

Разработаны и производятся керамические нанофильтры для технологий разделения, очистки и концентрирования соков. Керамическое мембраны представляют собой селективные слои сетчатой структуры из супертонких керамических волокон, связанных с подложкой керамической связкой.

В молочной промышленности нанофильтрация позволяет выделить антибиотики, витамины, белки из молока и сыворотки при производстве как традиционных, так и новых продуктов, способных восполнить потребности

77

значительной части населения в ассортименте новой экологическибезопаснойпродукции.Многиекомпаниинапротяжении нескольких лет занимаются разработкой оборудованияитехнологийдлянаномембранныхпроцессоввобласти биотехнологии, пищевой и молочной промышленности.

Использование данных установок позволяет увеличить выход товарной продукции на 15–20 % благодаря снижению потерь белка с сывороткой, а использование установок УФС-240, УФС-360 – сократить расход молока, к примеру,

впроизводстве сыра. В зависимости от условий окупаемость оборудования может колебаться от двух месяцев до полутора лет, поскольку его стоимость значительно ниже зарубежных аналогов.

Одним из наиболее интересных примеров является использование различных наномембранных технологий для фракционирования молочных белков при переработке подсырной сыворотки в высококачественный заменитель жира. Вместе с технологией мембранной фильтрации применялась тепловая обработка белка, в результате получился продукт,повкусунапоминающиймолочныйжир.Сфераего применения достаточно широка.

На молокоперерабатывающие заводы поставляют установки для производства сухого молока, богатого казеином, также с применением современной технологии мембранной фильтрации. Особенность таких порошкообразных продуктов состоит в том, что они могут быть добавлены в молоко

впроцессепроизводстватворогаилисырасцельюувеличениядолисухихвеществ.Этоделаетсядлятого,чтобыпосле коагуляции все компоненты преобразовались в творог или сырпрактическибезобразованияотходовввидесыворотки.

Ультрафильтрация широко используется за рубежом для управления ароматом, цветом и другими свойствами пищевых продуктов. Этот процесс используют сначала 1990-х гг.

78

С помощью ультрафильтрации можно отфильтровать бактерии молока. Такая стерилизация продлевает срок годности молока в 1,5 раза. Кроме того, ее используют для фильтрации пива, вина, уксуса. Большие перспективы ожидают наномембранную сепарацию взащите окружающей среды. Наноструктурные материалы открыли новые перспективы для очистки грунтовых вод, в том числе от тяжелых металлов.

Перспективно использование нанотехнологий на хлебопекарных предприятиях, на которые поступает до 60 % муки с пониженными свойствами, что приводит к снижению пищевой и биологической ценности готовой продукции. Применение муки из поврежденного зерна сопровождается также микробиологической загрязненностью – повышенной обсемененностью споровыми бактериями, вызывающими «картофельную болезнь» хлеба, являющуюся самой актуальной проблемой в настоящее время. На микробиологическую безопасность хлеба влияет микробная загрязненность не толькопшеничноймуки,ноидрожжей,отрубей,соевоймуки и многих других видов сырья. Характерный признак микробиологической недоброкачественности хлеба – его быстрое плесневение при хранении в обычных условиях. Для решенияэтойпроблемыразработанассортиментизделийдляпрофилактическогоилечебногопитания.Особуюгруппусоставляет диетическая продукция для лечебного питания, которая отличается направленно измененным химическим составом, соответствующим потребностям больного организма – с пониженным содержанием углеводов, повышенным содержанием белков, пищевых волокон, с добавлением лекарственных трав, корнеплодов. Зерно проходит несколько стадий мойки, детоксикации и проращивания. Было установлено, что под влиянием электрополей структура воды вразличных слоях существенно изменяется. На этой основе была создана установка по обогащению проросшего зерна микроэлемен-

79

тами, позволяющая быстро и качественно получать электрохимический раствор из меди, цинка, бора, селена, марганца, молибдена и других элементов с сохранением неизменности их химического состава. Перечисленные растворы являются детоксикантами и нейтрализаторами микотоксинов, инактиваторами продуцирующих их грибов и одновременно источниками микроэлементов.

Обрабатывая только абсолютно здоровое зерно, полученноеэкологичнымспособом,иосуществивдетоксикацию зернаиегообогащение,можнополучитьполезныйпродукт. При этом себестоимость 1 кг хлеба, полученного по новой технологии, в 2 раза ниже себестоимости обычного.

Примером использования нанотехнологий при хранении плодоовощной продукции служит облучение растений когерентным светом. Яблоки двух сортов – Антоновки обыкновенной и Синапа северного обрабатывали квазимонохроматическим светом с высокой и низкой когерентностью. Высококогерентное излучение с шириной спектраль- нойлиниименее1нмполученоспомощьюгелий-неонового лазера. Источником низкокогерентного излучения служила лампа накаливания с системой светофильтров, вырезающих спектральную полосу шириной 50–80 нм с максимумом на длине волны генерации лазера (633 нм). Установлено, что лазерное облучение в течение 20 с снизило поражение яблок как гнилью, так и загаром, причем в большей степениэтопроявилосьнафизиологическомнарушении –загаре. Через 190 дней хранения эта патология встречалась в 3 раза реже, чем среди необлученных плодов. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что когерентность света является важным параметром рабочего органа оборудования лазерных агротехнологий. Для достижения наибольшего биологического эффекта ширина спектральной линии не должна превосходить 20–30 нм. Это условие является

80