5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Использование нанотехнологий в производстве удобрений

Ипользование нанотехнологии в пищевой промышленности

Лекция 2

Рисунок 1. Относительные размеры объектов и приборы для их исследования.

Согласно прогнозам, население Земли в 2050 году достигнет 8,9 млрд человек, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания. Поэтому важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве при производстве пищевого сырья.

Применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наноматериалов для целенаправленной доставки пестицидов, удобрений, стимуляторов роста растений, а также для децентрализованной очистки воды. Применение нанопорошков, совместимых с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например, картофеля зерновых, овощных и плодово-ягодных. Предлагается использование наносенсоров для наблюдения за состоянием почвы, а также использование наночипов для наблюдения за условиями хранения сельскохозяйственной продукции.

В животноводстве нанотехнологии используются для введения вакцин и лекарственных препаратов для животных. Они также находят применение при приготовлении кормов, что обеспечивает повышение продуктивности животных в 1,5-3 раза, и способствует повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет значительно снизить их расход и обеспечить более полное усвоение их животными.

Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Внедрение систем фильтрации нового поколения, позволяющих отделять загрязняющие вещества на молекулярном уровне, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра позволят создавать недорогую децентрализованную систему oчистки и опреснения воды.

В технологии производства пищевых продуктов наиболее перспективно применение нанотехнологий при получении новых видов упаковки для пищевых продуктов. Такие полимерные нанокомпозитные материалы обладают легкостью, гибкостью, долговечностью, устойчивостью к повышенной температуре и влажности, имеют свойства барьерных пленок с заданной проницаемостью. Так называемые «активные» нанокомпозиты содержат наночастицы с антимикробными и антиокислительными свойствами, «умные» нанокомпозиты содержат наносенсоры для контроля качества пищи, биодеградируемые нанокомпозиты содержат наноматериалы, способствующие биодеградации.

Например, уже производятся наноразмерные неорганические покрытия для упаковки кондитерских изделий, каш быстрого приготовления, бисквитов, чипсов. Эти покровные материалы, наносимые непосредственно на пищевой продукт с целью получения барьера против влажности и окисления, позволяющие увеличить гарантийный срок хранения и способствующие улучшению вкусовых свойств, содержат наночастицы двуокиси кремния, окиси магния и двуокиси титана.

При призводстве пищевых продуктов перспективно использование нанотехнологий для повышения биодоступности нутриентов. Наноструктурированные ингредиенты в виде мицелл, липосом и др. способствуют улучшению качества, текстуры и вкуса пищи, позволяют уменьшить количество жира в продуктах, улучшить биодоступность нутриентов и добавок. Предлагается также встраивание биологически активных молекул в нанокапли для улучшения всасывания; использование сложных нанокристаллов целлюлозы в качестве носителей биологически активных веществ; использование нанокапсулированных усилителей вкуса и аромата; использование нанотрубок в качестве загустителей и гелеобразователей; введение в виде нанокапсул стероидов растительного происхождения в пищевые продукты животного происхождения.

В области контроля за безопасностью пищевых продуктов предлагается иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов; использование биодеградирующих наносенсеров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов; использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов.

ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

– использование наноматериалов для целенаправленной доставки пестицидов, удобрений, стимуляторов роста растений и доставки вакцин и лекарственных препаратов

– использование наносенсоров для наблюдения за состоянием почвы

– использование наночипов для наблюдения за условиями хранения продукции

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:

– использование наноматериалов в качестве барьерных пленок

– использование легких, прочных и термически устойчивых полимерных материалов с силикатными наночастицами

– использование модифицированной фольги с заданной проницаемостью

– использование наноматериалов для повышения биодоступности нутриентов

– встраивание биологически активных молекул в нанокапли для улучшения всасывания

– использование сложных нанокристаллов целлюлозы в качестве носителей биологически активных веществ

– использование нанокапсулированных усилителей вкуса и аромата

– использование нанотрубок в качестве загустителей и гелеобразователей

– введение в виде нанокапсул стероидов растительного происхождения в пищевые продукты животного происхождения

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ПРОДУКТОВ И КОНТРОЛЬ ЗА БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:

– использование наноматериалов для доставки ДНК в клетки растений для целей генной инженерии

– иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов

– использование биодеградирующих наносенсеров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов

– использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПАКОВКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:

— Улучшенные нанокомпозиты:Полимерные композиты, содержащие наноматериалы для улучшение упаковочных свойств (гибкость, долговечность, устойчивость к повышенной температуре и влажности, барьерные свойства

«Активные нанокомпозиты»:Полимерные композиты, содержащие наночастицы с антимикробными и антиокислительными свойствами

«Умные» нанокомпозиты:Полимерные композиты, содержащие наносенсоры для контроля качества пищи

Биодеградируемые нанокомпозиты:Композиты, содержащие наноматериалы, способствующие биодеградации

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9540 — | 7353 — или читать все.

188.64.174.65 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Использование нанотехнологий в пищевой промышленности

Сельское хозяйство

Препараты пестицидов и удобрений

Производство пищи

• Нанодиспергированные и наноинкапсулированные компоненты для функциональных продуктов питания

• Биологически активные добавки к пище

• Пищевые добавки с улучшенными функциональными свойствами:

– Средства улучшения вкусовых характеристик

Хранение пищи

ПИЩЕВЫЕ ПРОДУКТЫ:

• использование наноматериалов для повышения биодоступности нутриентов

• встраивание биологически активных молекул в нанокапли для улучшения всасывания

• использование сложных нанокристаллов целлюлозы в качестве носителей биологически активных веществ

• использование нанокапсулированных усилителей вкуса и аромата

• использование нанотрубок в качестве загустителей и гелеобразователей

• введение в виде нанокапсул стероидов растительного происхождения в пищевые продукты животного происхождения

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ПРОДУКТОВ И КОНТРОЛЬ ЗА БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:

• использование наноматериалов для доставки ДНК в клетки растений для целей генной инженерии

• иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов

• использование биодеградирующих наносенсеров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов

• использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов

Использование нанотехнологий в пищевой промышленности

Материалы: Наночастицы

Производство :

Нанофильтрация

• Современный метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья, основанный на использовании полимерных мембран с диаметром пор

• Позволяет проводить разделение с высокой селективностью смесей белков, коротких пептидов, сахаров, минеральных солей и воды

• Селективность нанофильтрационных мембран зависит от выбора условий разделения (рН, ионная сила) и может изменяться в широком диапазоне

• Продукция, подвергнутая фракционированию на нанофильтрационных мембранах, НЕ СОДЕРЖИТ искусственных наночастиц и может рассматриваться как традиционная с позиций показателей безопасности

Продукция:

• Наноструктурированные
пищевые добавки и БАД

Безопасность:

Продукты с использованием нанотехнологий

Примеры использования
наноматериалов в пищевых производствах

• Mars Inc. US Patent US5741505 наноразмерные неорганические покрытия. Неорганические наноразмерные покрытия, наносимые непосредственно на пищевой продукт с целью получения барьера против влажности и окисления , позволяющего увеличить гарантийный срок хранения и (или) способствующегоулучшению вкусовых свойств. Покровные материалы содержат двуокись кремния (E 551), окись магния (MgO, E 530) и двуокись титана (E 171). Используются при упаковке кондитерских изделий, каш быстрого приготовления, бисквитов, чипсов.

• BASF US Patent US5968251 Получение препаратов каротиноидов в форме порошков, растворимых в холодной воде, и использование новых каротиноидных пигментов, таких как наночастицы ликопена, обладающие разнообразными красящими свойствами и улучшенной биодоступностью. Область применения: безалкогольные напитки, смеси для выпечки и т.д.

Улучшенные нанокомпозиты — Полимерные композиты, содержащие наноматериалы для улучшение упаковочных свойств (гибкость, долговечность, устойчивость к повышенной температуре и влажности, барьерные свойства).

Читать еще:  Банановая кожура как удобрение для комнатных растений

«Активные нанокомпозиты»- Полимерные композиты, содержащие наночастицы с антимикробными и антиокислительными свойствами.

«Умные» нанокомпозиты — Полимерные композиты, содержащие наносенсоры для контроля качества пищи

Биодеградируемые нанокомпозиты- Композиты, содержащие наноматериалы, способствующие биодеградации.

Примеры использования нанотехнологий в области производства пищевых продуктов и БАД

• Наноструктурированные ингредиенты и формы пищевых веществ (мицеллы, липосомы и др.)- Улучшение качества, текстуры, вкуса, меньшее количество жира. Улучшение биодоступности нутриентов и добавок

• Нанокапсулированные ингредиенты и добавки-Маскировка вкуса.Защита от деградации. Улучшение биодоступности

• Сконструированные наноразмерные добавки -Улучшение биодоступности. Антимикробная активность .Польза для здоровья.

Примеры использования нанотехнологий в области производства БАД к пище.

ПродуктОбласть применения
Активное низкоэруковое рапсовое маслоОснованные на NSSL наномицеллы для улучшения усвоения витаминов, минеральных веществ и биологически активных компонентов растительного происхождения
«Гидрогель Наноцевтик»Заявленное свойство- снижение свободной поверхностной энергии воды с целью улучшения растворяющих свойств
«Наноцевтик» шоколадСистема нанокластеров, имеющая своей целью улучшение аромата шоколада
«Наноцевтик нанокластеры со спирулиной »Биологически активная добавка, содержащая нанокластеры
Зеленый чай с нано-селеномЗаявлена улучшенная биодоступность селена
«Наноцевтик микрогидрин»Наноколлоидный силикатный материал с заявленной способностью нейтрализовать свободные радикалы
Спреи с витаминными добавкамиНеаэрозольный наноразмерный нутрицевтик, предназначенный для улучшения всасывания витаминов через барьеры слизистых оболочек
«Нутри-нано» коэнзим QУлучшение всасывания активного компонента (коэнзима Q) за счет образования водорастворимых наномицелл размером 30 нм
«Нано-кальций-магний»Заявлено улучшение всасывания кальция и магния
«Наносилицио капселн»Минеральные добавки кальция, магния и кремнезема в виде наночастиц
«Мезоцинк», «Мезотитан», «Мезосеребро», «Мезоплатина», «Мезопалладий», «Мезоиридий», «Мезозолото», «МезомедьЧистые минеральные вещества в коллоидной форме
“Maat Shop”Наноразмерные частицы пищевых диатомовых водорослей
«Наноцевтик коллоидное серебро»Коллоидное серебро

Классификация нанопродуктов

На основе анализа данных мировой литературы предложено классифицировать все пищевые наносистемы в виде двух категорий:

– водо- (жиро)растворимые (нанодисперсии витаминов, антиоксидантов, белковых препаратов)

– и водо- (жиро) нерастворимые (нанодисперсии глинистых минералов, серебра, селена, двуокиси титана, двуокиси кремния, оксидов цинка, железа и других переходных металлов, и т.д.).

• Определен и охарактеризован круг методов выявления, и разработаны подходы к количественному определению содержания наночастиц и наноматериалов основных классов в составе образцов продукции сельского хозяйства, пищевых продуктов и упаковочных материалов на основе методов атомно-силовой и электронной микроскопии. Определено, что основными методиками анализа будут методики технического контроля, определяющие:

– наличие наночастиц в образце

– концентрацию наночастиц, выраженную в количестве частиц в 1 мл или в 1 г пробы

Предлагаемая схема анализа

• Энзиматическое разложение осадка на фильтре и смыв органических компонентов

• Сушка фильтра с наночастицами на поверхности

• Подсчет числа частиц на единице поверхности фильтра при помощи АСМ или СЭМ (ПЭМ)

• Определение размеров и концентрации наночастиц

Безопасность наноматериалов

С учётом того, что в перспективе ожидается тесный контакт человека с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.

• НЕБОЛЬШОЙ РАЗМЕР НАНОЧАСТИЦ

– Это позволяет им проникать через клеточные мембраны и возможно находиться внутри структуры ДНК или белка и, тем самым, изменять их функции.

– Наночастицы способны легко проницать через барьеры организма и накапливаться во внутренней среде

• БОЛЬШАЯ УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ

(эффект повышения химического потенциала на межфазных границах высокой кривизны приводит к аномальному увеличению растворимости и реакционной способности веществ в составе наночастиц и, тем самым, может приводить к увеличению токсичности)

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Использование нанотехнологий в производстве удобрений

На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

В животноводстве и птицеводстве при изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж уменьшается в 2 раза).

На основе наноматериалов создано большое число препаратов, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро и наномедь) находят широкое применение для дезинфекции сельхозпомещений и инструментов, при упаковке и хранении пищевых продуктов.

В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (витамины в виде наночастиц).

Незаменимую роль могут сыграть наноматериалы при использовании их в качестве различных катализаторов, например, катализаторов горения для различных видов топлива, в том числе и биотоплива, или катализаторов для гидрирования растительного масла в масло-жировой промышленности. В частности, в Санкт-Петербургском технологическом институте рассматривается возможность использования наноразмерного палладия для гидрирования растительного масла взамен катализатора на основе никеля, обладающего аллергенным и канцерогенным действием.

По мнению ученых, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов — «нанопродуктов», которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты. К примеру, подобное мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт может называться «нанопродуктом», если при его выращивании, производстве, переработке или упаковке использовались наночастицы, нанотехнологические разработки и инструменты. Разработчики нанопродуктов обещают более совершенный процесс производства и упаковки продуктов питания, их улучшенный вкус и новые питательные свойства, ожидается также производство «функциональных» продуктов (продукт будет содержать лекарственные или дополнительные питательные вещества). Ожидается также увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты. Уже через пару десятков лет использование нанопродуктов будет повсеместным, говорится в докладе, подготовленном для Королевского научного общества Великобритании (Royal Society).

Исследованиями в области нанопродуктов занимаются ученые не только развитых стран, но и ученые развивающихся стран. В частности, научные лаборатории Мексики и Индии объединенными усилиями пытаются создать нетоксичный наногербицид.

Исследователи Арканзаского университета Литл-Рокского Нанотехнологического Центра установили, что экспозиция семян томатов в питательном растворе, содержащим углеродные нанотрубки приводит к их более быстрому и усильному прорастанию. Учёные считают, что углеродные нанотрубки могут стать открытием для всего сельского хозяйства, открыв эру удобрений нового типа.

Рис 7. Слева: томаты, выращенные в обычном питательном растворе;

Справа: томаты, выращенные в питательном растворе с углеродными нанотрубками

Принцип воздействия углеродных нанотрубок следующий. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанотрубки легко проникают сквозь кожицу семени, способствуя лучшему проникновению воды и питательных веществ внутрь семян. Это и сказывается на скорости прорастания семян.

Тем не мене многие учёные считают, что использование подобных «нано-удобрений» может привести к непредсказуемым последствиям. Так некоторые опыты с «удобрением» томатов углеродными нанотрубками показали, что плоды оказались «токсичны» для плодовых мушек дрозофил. Кроме того, согласно некоторым исследованиям, углеродные нанотрубки являются канцерогенами для животных организмов.

НАНОсельское хозяйство

Термин «нанотехнологии» уже не первый год на слуху. Однако разбираются в нем далеко не все. Так, считается, будто это наука будущего и применяется она в узкоспециализированных областях. Но это, мягко говоря, не совсем так. Например, нанотехнологии уже активно используются в сельском хозяйстве.

Читать еще:  Как правильно удобрять виноград и чем лучше подкормить лозу

Сельское хозяйство не обходится без спецтехники и от ее работы во многом зависят результаты труда крестьян. Поэтому именно спецтехника стала одним из первых проводников нанотехнологий в сельском хозяйстве. Так, благодаря обработки деталей наночастицами, ресурс узлов и агрегатов вырастает в 7-8 раз.

Например, в фермерских хозяйствах Омской области обрабатывают самую уязвимую часть комбайна, стрельчатые лапы, золотыми наночастицами. В итоге их ресурс вырос с 18 до 120 гектаров на лапу.

Нанотехнологии в овощеводстве

Специалистами доказано, что применение нанопрепаратов в растениеводстве обеспечивает повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Кроме того, нанотехнологии существенно повышают урожайность культур – для картофеля, зерновых, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна в 1,5-2 раза.

Интересная технология разработана Санкт-Петербургским аграрным университетом. Наноудобрения заключаются в микрокапсулы из малорастворимых восков. В результате питательные вещества выделяются постепенно и равномерно. Это позволяет получить не только максимум пользы от удобрений, но и снизить до минимума химическую нагрузку на почву.

В Рязанской сельскохозяйственной академии уже 10 лет проводят исследования по обработке семян наноудобрениями, состоящими из разных металлических порошков. И достигли успеха. Протравливание семян определенной концентрацией железа, кобальта и меди (всего 3-5 мг на 1 га посевов) многократно окупается прибавкой урожая.

Нанотехнологии уже активно внедряются в послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, при хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды. А недавно было сделано очень важное открытие в изучении биологической роли кремния для живых организмов. Применение кремнеорганических биостимуляторов в растениеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т.д.), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям.

Нанотехнологии в животноводстве

В настоящее время наибольшее распространение в сельском хозяйстве нанотехнологии получили в ветеринарии, животноводстве и птицеводстве. Их применение повышает продуктивность, улучшает качество продукции и условия содержания животных.

К примеру, в Калужском региональном центре «Нанобиотехнология» ведутся исследования по использованию спецдобавок в корм. Разработанный специалистами состав не нарушает геном наследственности, микрофлору пищеварительного тракта. Наоборот, налицо улучшение усвоения пищи, продуктивности животных. Плюс нанодобавки обладают высокими бактерицидными свойствами.

А ещё российские ученые применяют на практике экологически чистую технологию электроконсервирования силосного корма. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. В животноводстве и птицеводстве это обеспечивает повышение продуктивности в 1,5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза.

При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, использование нанотехнологий позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха. Также наноустройства можно имплантировать в животных. Это автоматизирует многие процессы и дает возможность передавать в реальном времени необходимые данные.

Нанотехнологии в переработке агропродукции

Широкое распространение сегодня получает технология мембранной фильтрации. Использование мембран на основе наноматериалов позволяет проводить высокую очистку воды, соков, молока и других жидкостей.

Создана наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна. В нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельножидком состоянии. С поверхности влага выпаривается горячим воздухом. Расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1,3 раза и более. Снижаются микроповреждения семян до 6%, их посевные качества улучшаются на 5%. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно используется озон, что уменьшает количество бактерий в 24 раза и снижает в 1,5 раза энергозатраты.

Перспективно применение нанотехнологий и в хлебопекарной промышленности. Сегодня примерно 60% муки производится из зерна невысокого качества. Это, естественно, отражается и на микробиологических показателях хлеба. Ученым из Сибири удалось создать нанокомпозит. Его незначительное введение в рецептуру хлебобулочного изделия делает его более полезным для потребителя.

Применение нанотехнологий в растениеводстве.

В России создана госкорпорация «Роснанотех», разработана «Программа развития наноиндустрии в РФ до 2015г.». Программа будет реализовываться в 2 этапа: первый этап рассчитан на 2007 – 2010 гг., второй на 2010 – 2015 гг. Общий объём затрат на реализация программы составит 138 млрд. руб.

В мае 2006 г. Президент Российской Федерации утвердил приоритетные направления развития науки, технологий и техники и перечень критических технологий, в числе которых нанотехнологии и наноматериалы. Для развития нанотехнологий в России созданы концерн «Наноиндустрия» и 16 региональных центров нанотехнологий в Нижнем Новгороде, Саратове, Иванове, Астрахани, Калужской области, Петрозаводске, Краснодарском крае и других субъектах Российской Федерации. В АПК наибольшее число исследований проведено по применению наноэлектротехнологий. Такие исследования ведутся в МГАУ им. В. П. Горячкина, ВИЭСХ, Мичуринской ГСХА, АЧГАУ, ГОСНИТИ и других научных организациях и вузах.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве предполагают использование для защиты растений препаратов новейшего поколения, которые отличаются максимальным проникновением в листья, стебли и корни активных действующих веществ за счет необычайно малых размеров. Проводится разработка проектов с использованием наноматериалов для более точной и безопасной доставки пестицидов к биологическим мишеням, питательных веществ – к растениям. В этих проектах используются следующие технологии: транспортные процессы, биоселектирующие поверхности, биоразделение, и микроэлектромеханические системы, нанобиопроцессинг, биоинженерия нуклеиновых кислот, адресовка веществ. Размер частиц этих веществ в десятки и даже сотни раз меньше, чем микроны (10 -9 ). Их применение дает возможность при минимальных дозах препаратов достигать гораздо больших эффектов и экономить деньги.

Использование наноэлектротехнологии в растениеводстве связало молекулярную и клеточную биологию с помощью внешних электромагнитных полей и биополей живых клеток в общем нанопроцессе, что должно привести к внедрению в практику АПК принципиально новых технологий по производству сельскохозяйственного сырья, материалов, продовольственной пищи и кормов.

В сельскохозяйственных научных организациях России, в том числе и в Московском государственном агроинженерном университете им. В. П. Горячкина (МГАУ), получены результаты использования наноэлектротехнологий в производстве продуктов растениеводства.

Применение наноэлектротехнологий в производстве зерновых культур.

Биологически активные наночастицы железа могут помочь повысить урожайность некоторых зерновых культур от 10 до 40%.

Новые нанотехнологии СВЧ-предпосевной обработки семян и дезинсекции осуществлялись как альтернатива химическим методам. Для дезинсекции зерна и семян был использован импульсный режим СВЧ-обработки, который за счет сверхвысокой напряженности ЭМП в импульсе обеспечивает гибель вредителей и насекомых. Установлено, что для 100%-го эффекта СВЧ-дезинсекции необходима доза не более 75 МДж на 1 т семян.

Новая наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна осуществляется циклично: конвективный нагрев зерна до 50°С, а затем кратковременная СВЧ-обработка его, при которой в нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельножидком состоянии. С поверхности влага удаляется подогретым воздушным теплоносителем. Удельный расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1,3 раза и более, снижаются микроповреждения семян до 6%, их посевные качества улучшаются на 5%. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно использовали озон, что повысило эффективность обеззараживания в 24 раза и снизило в 1,5 раза энергозатраты.

Наноэлектротехнология СВЧ-микронизации зерна основана на эффекте декстринизации зерен крахмала — расщепление полисахаридов крахмала и переход их в усвояемые питательные вещества. Степень декстринизации увеличивается с 12% до 80%, энергосодержания корма — в 2 раза с 7,7 до 15,7 МДж/кг. По сравнению с ИК-микронизацией, широко распространенной за рубежом, удельные затраты энергии сокращаются более чем в 2 раза с 250300 до 130150 кВт·ч на 1 т зерна.

По данным государственных приемочных испытаний, зоотехнические показатели откорма поросят СВЧ-микронизированным ячменным ингредиентом комбикорма увеличились по среднесуточному привесу на 36%, а за месячный срок — в 2 раза.

Читать еще:  Как сделать щепу для мульчирования своими руками

По мнению специалистов-агрохимиков, от эффективности защиты растений зависит до пятидесяти процентов урожайности всех сельхозкультур. Наноэмульсии рассчитаны на применение при возделывании различных культур, в том числе зерновых, сахарной свеклы. Специалисты представляют несколько самых последних разработок. Например, предпосевная обработка микроэмульсиями «Тебу 60», «Скарлетт», которые показали высокую эффективность при применении на 700 га собственной базы «Щелково Агрохима». Эти препараты не расслаиваются под воздействием тепла и света, приготовленный рабочий раствор может храниться не часы или дни, а годы, оставаясь при этом активным. Но самое главное – нанопродукты, в отличие от традиционных ядохимикатов, обеспечивают полное смачивание поверхности растений, полностью всасываются растениями, не смываются дождем.

Производители не скрывают, что наноэмульсии недешевы, но в итоге они дают гораздо больший эффект. Например, обработка озимой пшеницы препаратом «Титул Дуо, КРР», аналогов которому нет, может обеспечить до 400% рентабельности и дополнительный урожай до 17 центнеров с гектара. Но даже небогатые сельхозпредприятия уже могут воспользоваться продуктами нанотехнологий благодаря товарным кредитам, предоставляемым производителями.

Нанотехнологии и области их применения. Справка

Президент России Дмитрий Медведев уверен, что в стране есть все условия для успешного развития нанотехнологий.

Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.

Приставка «нано», пришедшая из греческого языка («нанос» по‑гречески ‑ гном), означает одну миллиардную долю. Один нанометр (нм) – одна миллиардная доля метра.

Термин «нанотехнология» (nanotechnology) был введен в 1974 году профессором‑материаловедом из Токийского университета Норио Танигучи (Norio Taniguchi), который определил его как «технология производства, позволяющая достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры . порядка 1 нм . «.

В мировой литературе четко отличают нанонауку (nanoscience) от нанотехнологий (nanotechnology). Для нанонауки используется также термин ‑ nanoscale science (наноразмерная наука).

На русском языке и в практике российского законодательства и нормативных документов термин «нанотехнологии» объединяет «нанонауку», «нанотехнологии», и иногда даже «наноиндустрию» (направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии).

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7‑ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:

‑ нанопористые структуры;
‑ наночастицы;
‑ нанотрубки и нановолокна
‑ нанодисперсии (коллоиды);
‑ наноструктурированные поверхности и пленки;
‑ нанокристаллы и нанокластеры.

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

‑ элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры;
‑ фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
‑ устройства сверхплотной записи информации;
‑ телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;
‑ видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
‑ молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
‑ нанолитография и наноимпринтинг;
‑ топливные элементы и устройства хранения энергии;
‑ устройства микро‑ и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
‑ нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;
‑ авиационные, космические и оборонные приложения;
‑ устройства контроля состояния окружающей среды;
‑ целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
‑ биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;
‑ регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов;
‑ безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Компьютеры и микроэлектроника

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры.

ДНК‑компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Атомно‑силовой микроскоп ‑ сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна‑осциллятор ‑ 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

Наномедицина и фармацевтическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК‑нанотехнологии ‑ используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии ‑ наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Робототехника

Нанороботы ‑ роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами.

В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.

Молекулярные роторы ‑ синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 ‑ 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологий», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок.

В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector