Способ производства лечебно-профилактических продуктов

Способ производства лечебно-профилактических продуктов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для производства лечебно-профилактических продуктов, в том числе пищевых продуктов, пищевых ингредиентов, биологически активных добавок к пище и лекарственных средств.

Среди широкого разнообразия продуктов для здоровья особое место занимают продукты с пониженным содержанием дейтерия. Известно, что дейтерий токсичен для всех живых организмов. По химическим свойствам дейтерий идентичен водороду и при попадании в организм способен замещать его во всех соединениях, в том числе ключевых ферментах и ДНК. Это может привести к увеличению числа сбоев в их работе, поскольку биологически такая замена является далеко не равноценной. Масса дейтерия в 2 раза больше чем у водорода. Это отражается на силе водородной связи с участием дейтерия, которая выше, чем у водорода. С участием дейтерия изменяется длина химической связи (как водородной, так и ковалентной). В результате если дейтерий встроится в молекулу фермента, он может изменить его конформацию, что приведет к снижению скорости и надежности работы этого фермента. Наиболее существенно дейтерий нарушает работу мультиферментных систем репликации ДНК и особенно - репарации ДНК. В результате молекула ДНК становится более чувствительной к повреждениям.

Дейтерий в организм человека попадает с водой и пищей. Природное содержание дейтерия в воде мирового океана составляет 155,76 ppm. В пресных водах содержание дейтерия может отличаться от этой величины в зависимости от географического положения. Так, в замкнутых водоемах пустынь содержание дейтерия в воде на 15-18% выше, чем в мировом океане, в Московском регионе содержание дейтерия в воде примерно на 10% ниже, чем в океанической воде, в районе озера Байкал - на 15%, в ледниках высокогорья - на 18-20% ниже. Содержание дейтерия в продуктах питания соответствует содержанию дейтерия в воде того региона, где их получают. У жителей регионов с более низким природным уровнем дейтерия наблюдается более высокая продолжительность жизни.

Снижение содержания дейтерия ниже природного уровня благотворно влияет на жизненные процессы. Повышается скорость роста растений и их урожайность, у животных повышается репродуктивная функция и устойчивость к болезням. У человека наблюдается повышение работоспособности, стрессоустойчивости, нормализация иммунитета и другие полезные эффекты. Наиболее выраженные эффекты наблюдаются при снижении концентрации дейтерия до 100 ppm и ниже.

Для решения данной задачи известно использование воды с пониженным содержанием дейтерия, а также пищевых продуктов, ее содержащих (RU 2270590). Удаление дейтерия из биологических молекул животных и человека происходит благодаря реакциям изотопного обмена. При снижении концентрации дейтерия в воде изотопный обмен на протий происходит в гидроксильных, карбоксильных, сульфгидрильных, аминогруппах и амидных группах органических соединений, включая нуклеиновые кислоты, липиды, белки и сахара. Однако, С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого значительная часть дейтерия не может быть удалена из биомолекул.

Эта проблема может быть решена использованием в пищу растений, при выращивании которых применялась вода с пониженным содержанием дейтерия. При фотосинтезе растения включают в органические соединения меньше дейтерия, в том числе и в С-Н связи. Потребляя в пищу растения, выращенные таким путем, организм человека и животных будет более эффективно очищаться от дейтерия.

Способ выращивания таких растений описан в патенте RU 2125817. Согласно этому патенту, растения с пониженным содержанием дейтерия выращивают обычным во всех отношениях способом с той только разницей, что для орошения используют обедненную дейтерием воду.

Однако такой способ производства является чрезвычайно дорогостоящим. Растительные культуры потребляют огромное количество воды (расход воды в 25-400 раз превышает урожай), а дешевых способов очистки воды от дейтерия на сегодня не существует.

Более эффективным является способ выращивания растений в условиях полной изоляции от внешней среды (WO 2005117566). Согласно этому патенту, растения с пониженным содержанием дейтерия выращивают методом гидропоники. Выращивание осуществляют в теплице, где внутренняя атмосфера полностью изолирована от внешней атмосферы. Отсутствие воздухообмена с внешней средой исключает потери легкой воды во внешнюю среду, однако создает проблему поддержания температуры и газового состава внутри теплицы. В процессе жизнедеятельности растения поглощают углекислый газ, а также выделяют кислород и другие токсичные метаболиты. Для нейтрализации этих процессов требуется внешний источник углекислого газа плюс дорогостоящие системы очистки воздуха. Система регулирования температуры в данном изобретении имеет низкую энергоэффективность, особенно в летнее время. Из-за отсутствия вентиляции избыток тепла от солнечной радиации удаляется с помощью кондиционера, что требует больших затрат дополнительной энергии.

Задачей заявленного изобретения является снижение стоимости производства лечебно-профилактических продуктов с пониженным содержанием дейтерия.

Для решения этой задачи предложен способ производства лечебно-профилактических продуктов, включающий:

- Получение водяного пара;

- Конденсацию пара с получением легкой воды (содержание дейтерия не более 110 ppm) и передачей энергии конденсации пара на жидкий теплоноситель;

- Использование легкой воды для выращивания растений, или растений совместно с животными;

- Подачу теплоносителя на устройство отопления или устройство охлаждения помещения, в котором выращивают растения или растения совместно с животными;

- Вентиляцию этого помещения с извлечением из удаляемого воздуха воды, которую дополнительно используют для выращивания растений.

Предложенный способ имеет 2 варианта выполнения:

1. Выращивание растений

2. Совместное выращивание растений и животных

При совместном выращивании растений и животных, для выращивания животных используют воду с содержанием дейтерия не более 110 ppm и растения, выращенные с использованием воды с содержанием дейтерия не более 110 ppm.

При выращивании растений, их отходы утилизируют биологическим методом, при этом органические продукты переработки используют в качестве дополнительной подкормки растений.

При совместном выращивании растений и животных, отходы выращивания растений и животных утилизируют биологическим методом, при этом органические продукты переработки используют в качестве дополнительной подкормки растений и животных.

Наиболее предпочтительным методом переработки отходов является метод вермикультивирования, при этом полученный биогумус используют в качестве дополнительной подкормки растений, а червей - в качестве дополнительной подкормки животных.

Предложенный способ обеспечивает получение технического результата снижения стоимости получения лечебно-профилактических продуктов, которые содержат нутриенты с пониженным содержанием дейтерия, как в полярных группах, так и в С-Н связях.

Это достигается за счет существенного снижения энергозатрат на их производство, на которые при известных способах производства приходится основная доля их себестоимости.

Так, например, получение легкой воды (содержание дейтерия 20-30 ppm) методом дистилляции предусматривает кипячение воды при 45-50°С в перегонной колонке на 30-50 тарелок, используемой для фракционной перегонки при давлении 50-60 мбар. Во время перегонки флегмовое число 12-13, кубовый остаток 10-кратный (RU 2125817). При использовании таких параметров на получение 1 литра легкой воды (20-30 ppm) расходуется 12-13 литров исходной воды, на превращение в пар которой необходимо затратить не менее 29088 кДж энергии (8 кВт час).

Растительные культуры потребляют огромное количество воды: на 1 кг товарного урожая расходуется от 25 до 300 литров воды. На построение своего тела растение использует 0,3-4% воды, остальная вода (96-99,7%) расходуются на испарение. Величина урожая определяется количеством органических веществ, образующихся при фотосинтезе, а этот процесс происходит только при достаточной транспирации растений. В итоге, на получение 1 кг пищевого продукта с содержанием дейтерия 20-30 ppm энергозатраты составляют не менее 200 кВт час. Если растения выращиваются в зимнее время, добавляются энергозатраты на отопление и досвечивание растений, которые в среднем составляют 15-20 кВт час на 1 кг урожая.

Заявляемый способ позволит существенно снизить энергозатраты на выращивание растений со сниженным содержанием дейтерия, по сравнению с известными способами.

При получении водяного пара энергия поглощается, а при конденсации - выделяется такое же количество энергии. Но в известных способах производства легкой воды эта энергия теряется. Заявляемый способ позволяет эту энергию конденсации пара использовать полезно. Энергия, затраченная на получение водяного пара, при его конденсации передается через жидкий теплоноситель на устройство отопления теплицы (при холодной погоде) или устройство охлаждения (при жаркой погоде). Наиболее предпочтительным устройством охлаждения является адсорбционный чиллер. Таким образом, заявляемый способ позволяет энергию, затраченную на очистку воды от дейтерия вторично использовать для регуляции температуры внутри теплицы.

Дополнительное энергосбережение достигается за счет извлечения тепловой энергии из удаляемого воздуха при вентиляции теплицы. При холодной погоде удаляемый воздух охлаждают с использованием рекуператора и доохлаждают с использованием теплового насоса. Конденсат атмосферной влаги при этом собирают и используют для выращивания растений. Это позволяет не только свести к минимуму потери тепла при вентиляции, но и потери дорогостоящей легкой воды, которую используют повторно. Таким образом, формируется практически замкнутый круговорот легкой воды, которая после транспирации через растения многократно используется повторно.

При жаркой погоде систему вентиляции теплицы переключают в режим охлаждения. Для этого после передачи энергии конденсации пара на жидкий теплоноситель (с устройства получения легкой воды) подачу теплоносителя осуществляют на устройство охлаждения теплицы (наиболее предпочтительно - адсорбционный чиллер). Удаляемый воздух охлаждают с использованием адсорбционного чиллера и доохлаждают с использованием теплового насоса. После конденсации влаги, охлажденный и обезвоженный воздух через рекуператор удаляют во внешнюю среду. Воздух из внешней среды, проходя через рекуператор, охлаждается, обезвоживается и после этого подается в теплицу. При этом конденсат атмосферной влаги из воздуха внешней среды отводят за пределы теплицы (чтобы при вентиляции снизить попадание дейтерия из внешней среды внутрь теплицы).

Это позволяет поддерживать оптимальный микроклимат внутри теплицы (температуру и влажность воздуха) при жаркой погоде при минимальных энергозатратах и минимальной потребности в вентиляции с целью охлаждения.

Использование легкой воды для выращивания растений позволяет также повысить урожайность и сократить срок его созревания. Кроме того, легкая вода повышает устойчивость растений к заболеваниям, поэтому ее использование способствует снижению потери урожая из-за болезней, а также потребности в средствах защиты растений. Все это дополнительно снижает стоимость получения продукции, особенно экологически чистых продуктов.

В теплице осуществляют выращивание растений, но наиболее предпочтительно - совместное выращивание растений и животных.

Для выращивания животных используют легкую воду и растения, выращенные с использованием легкой воды. Отходы выращивания растений и животных утилизируют, при этом продукты утилизации используют в качестве дополнительной подкормки растений и животных. Наиболее предпочтительным методом утилизации является вермикультивирование, при этом полученный биогумус используют в качестве дополнительной подкормки растений, а червей - в качестве дополнительной подкормки животных.

Включение в рацион животных продуктов с пониженным содержанием дейтерия и легкой питьевой воды также способствует повышению продуктивности животноводства и снижению заболеваемости животных.

Кроме того, при вентиляции удаляемый из теплицы воздух охлаждается до отрицательных температур. Поэтому значительная часть атмосферной влаги конденсируется в виде льда. После размораживания его используют для выращивания растений и животных. Поскольку талая вода обладает повышенной биологической активностью, это еще больше увеличивает продуктивность выращивания растений и животных.

Предложенный способ позволяет получить лечебно-профилактические продукты, которые содержат нутриенты с пониженным содержанием дейтерия не только в полярных группах (гидроксильных, карбоксильных, сульфгидрильных, и т.д.), но и в ковалентных С-Н связях. Эти нутриенты служат готовым строительным материалом для сборки белков с пониженным содержанием дейтерия, в том числе в С-Н связях, не подверженных изотопному обмену. Использование этих продуктов позволяет снизить концентрацию дейтерия в белках до уровня, не достижимого при использовании легкой воды и продуктов, ее содержащих. Известно, что скорость и надежность работы ферментов находится в обратной зависимости от содержания в них дейтерия. Известно также, что устойчивость белков к повреждениям повышается при снижении содержания дейтерия в С-Н связях.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить лечебно-профилактические продукты, повышающие устойчивость белков к повреждениям, а также скорость и надежность работы ферментов.

С целью дальнейшего повышения энергоэффективности, пар для получения воды с пониженным содержанием дейтерия получают с использованием энергии, выработанной на когенераторной установке. В качестве когенераторной установки используют устройство, выбранное из группы поршневые электростанции, газотурбинные электростанции, топливные элементы. Наиболее предпочтительным являются установки на базе топливных элементов.

Осуществление изобретения.

Далеко не исчерпывающий список примеров осуществления изобретения представлен ниже.

Пример 1. Выращивание растений в теплице.

Для выращивания растений с пониженным содержанием дейтерия в теплице необходима электрическая и тепловая энергия, легкая вода, углекислый газ, свет, питательный раствор и обеспечение микроклимата внутри теплицы. Необходима также приточно-вытяжная вентиляция для удаления токсичных для растений примесей в воздухе.

Для обеспечения энергией используют когенерационную установку на базе топливных элементов (MTU CFC Solutions, Германия). Данная установка использует технологию расплава карбоната и может работать на природном газе, биогазе, синтез-газе. Установка позволяет до 47% энергии топлива преобразовать в электрическую энергию и до 43% - в тепловую энергию в форме уходящих газов, представляющих собой воздух, обедненный кислородом и обогащенный СО₂ с температурой около 400°С.

Уходящие газы когенераторной установки 1 подают на устройство получения пара 2 (Фигура 1). Полученный пар подают на устройство получения легкой воды 3, представляющее собой либо перегоночную колонну, либо ректификационную установку. На данном устройстве выделяют фракцию воды, содержащей не более 110 ppm дейтерия, которую используют для выращивания растений.

На устройстве получения легкой воды образуется большое количество теплой оборотной воды. Эту воду подают на теплообменник 4, где она подогревается за счет частично охлажденных уходящих газов когенераторной установки, прошедших через устройство получения пара.

Горячую воду в зависимости от погодных условий подают на устройство отопления теплицы 5 или устройство охлаждения теплицы 6. В качестве устройства охлаждения используют адсорбционный чиллер.

После теплообменника 4 уходящие газы доохлаждают на теплообменнике 7 и используют для подкормки растений углекислотой. Полученную на когенераторной установке электрическую энергию используют для освещения растений и работы оборудования теплицы. Излишки электроэнергии могут быть переданы внешним потребителям.

Вентиляцию теплицы осуществляют в зависимости от погодных условий. При жаркой погоде используют режим охлаждения (Фигура 2). Для этого холод от абсорбционного чиллера 6 подают на теплообменник 8. Удаляемый воздух охлаждают на теплообменнике 8 и доохлаждают на холодном контуре теплового насоса 9. В результате охлаждения из удаляемого воздуха извлекается ценная легкая вода, которую снова используют для выращивания растений. Отобранное из удаляемого воздуха тепло удаляется во внешнюю среду.

После конденсации влаги, охлажденный и обезвоженный воздух пропускают через теплообменник 10 (чтобы забрать из него холод) и удаляют во внешнюю среду. Воздух с улицы охлаждают на теплообменнике 10. Конденсат уличной атмосферной влаги удаляют во внешнюю среду, чтобы не повышать содержание дейтерия внутри теплицы.

При холодной погоде систему вентиляции переключают в режим отопления (Фигура 3). Воздух с улицы пропускают через теплообменник 10 и теплый контур теплового насоса 9, в результате он подогревается за счет тепла удаляемого воздуха и поступает внутрь теплицы. Удаляемый воздух пропускают через теплообменник 10 и холодный контур теплового насоса 9, в результате из него извлекается ценная легкая вода и тепло.

Растения в теплице выращивают методом гидропоники. Питательный раствор готовят на легкой воде. Отходы выращивания растений утилизируют методом метанового брожения. Метан используют в качестве дополнительного топлива для когенераторной установки, а образовавшийся биогумус - для удобрения растений.

Пример 2. Совместное выращивание растений и рыбы в замкнутой экосистеме.

Обеспечение производства энергией, легкой водой и вентиляцию помещения осуществляют как в примере 1. Совместное выращивание осуществляют внутри обычного помещения (Фигура 4).

Рыбу выращивают в бассейне 11. Воду из бассейна подают на модуль выращивания корма для рыбы 12, где выращивают зоопланктон, водоросли, наземные растения. В качестве питательной среды используют воду, содержащую продукты жизнедеятельности рыб и корректирующие минеральные добавки. Собранные на модуле 12 кормовые растения и планктон подают на модуль приготовления комбикорма для рыб 13, где являются основным компонентом корма для рыбы. Растения и планктон поглощают продукты жизнедеятельности рыб и минеральные соли, тем самым очищают воду для рыб. Далее воду полают на доочистку в бассейн с Эйхорнией 14. Затем воду подают в модуль коррекции параметров воды 15, где восполняют потери легкой воды на транспирацию, проводят коррекцию ее рН, минерального состава, температуры, насыщают кислородом и возвращают в бассейн с рыбой.

Воду из бассейна 11 также подают на модуль выращивания растений 16, где выращивают растения, которые являются сырьем для приготовления лечебно-профилактических продуктов для человека. Растения выращивают методом гидропоники или методом аэропоники. В качестве питательного раствора используют воду из бассейна для рыб, обогащенную минеральными добавками. После прохождения модуля 16 воду также подают на доочистку в бассейн с Эйхорнией 14.

Выращенные растения и рыбу подают на модуль переработки 17, где из них приготавливают лечебно-профилактические продукты. Органические отходы из модуля 17 вместе с эйхорнией подают на модуль вермикультивирования 18. Продуктами вермикультивирования являются дождевые черви и биогумус. Биогумус используют в качестве удобрения для растений, а червей - в качестве компонента корма для рыб.

Для обеспечения оптимальных условий для фотосинтеза растения также подкармливают углекислым газом и обеспечивают их досвечивание комбинированными светодиодными светильниками с оптимальным спектром света для роста и развития растений.

Пример 3. Совместное выращивание растений и кроликов.

Снабжение энергией, легкой водой и вентиляцию помещения осуществляют как в примере 1. Растения выращивают методом гидропоники на легкой воде, обогащенной минеральными добавками. Этими растениями кормят кроликов. Поят кроликов легкой водой. Отходы производства утилизируют методом метанового брожения. Метан используют в качестве дополнительного топлива для когенераторной установки, а образовавшийся биогумус - для удобрения растений.

Выращенные растения или растения совместно с животными используют для приготовления лечебно-профилактических продуктов. Под лечебно-профилактическими подразумевают любые виды продуктов, пригодных для лечения и (или) профилактики заболеваний. Это могут быть пищевые продукты, пищевые ингредиенты, биологически активные добавки к пище, лекарственные препараты, косметические средства и т.д.

Заявляемый способ позволяет выращивать практически любые виды растений и животных, пригодных для приготовления пищевых продуктов, а также в качестве лекарственного сырья. Это могут быть томаты, перец, огурцы, тыква, шпинат, брокколи, корнеплоды, земляника, лекарственные растения и т.д. Совместно с растениями можно выращивать рыбу, птицу, млекопитающих. Среди рыб это может быть осетр, стерлядь, форель, клариевый сом, тилапия и т.д. Из птицы наиболее целесообразно выращивать мясные и яйценоские породы кур, гусей, индейку. Среди млекопитающих наиболее целесообразно выращивать коз, кроликов.

1. Способ производства лечебно-профилактических продуктов, включающий:получение водяного пара;конденсацию пара с получением легкой воды - содержание дейтерия не более 110 млн^-1 и передачей энергии конденсации пара на жидкий теплоноситель;использование легкой воды для выращивания растений или совместного выращивания растений и животных;подачу теплоносителя на устройство отопления или устройство охлаждения помещения, в котором выращивают растения или растения совместно с животными;вентиляцию этого помещения с извлечением из удаляемого воздуха воды, которую дополнительно используют для выращивания растений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при совместном выращивании растений и животных для выращивания животных используют воду с содержанием дейтерия не более 110 млн^-1 и растения, выращенные с использованием воды, содержащей не более 110 млн^-1 дейтерия, при этом выращенные растения или растения совместно с животными используют для приготовления лечебно-профилактических продуктов.