«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук» (ЮНЦ РАН)
14.604.21.0098 от 16.07.14. Создание научно-технического задела и структуры производственного кластера интегрированной этажной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры ... Инв N 215032340024. 2014-2016.
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России
на 2014 - 2020 годы»
СОГЛАШЕНИЕ N 14.604.21.0098 от 16.07.14.«Создание научно-технического задела и структуры производственного кластера интегрированной этажной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для формирования высокоэффективного рыбного хозяйства с учетом региональных особенностей юга РФ». N госрегистрации 114082240030. Инв N 215032340024. (2014 – 8,0 2015 – 10,0 2016 – 8,0).2014-2016. Рук. Пономарева Е.Н.
Номер Соглашения о предоставлении субсидии/государственного контракта: 14.604.21.0098
Руководитель проекта: Матишов Геннадий Григорьевич
Тема: Создание научно-технического задела и структуры производственного кластера интегрированной этажной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для формирования высокоэффективного рыбного хозяйства с учетом региональных особенностей юга Российской Федерации
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук
Ключевые слова: интегрированная аквабиотехнология, экологически чистая продукция, рыбоводные модули, замкнутое водоснабжение, контроль качества водной среды, этажные интенсивные методы, выращивание гидробионтов и растительных культур, производственный кластер
Цели и задачи исследования
Целью выполненных прикладных научных исследований (ПНИ), определенной условиями конкурса и техническим заданием, являлась разработка комплекса научно-методической основы и технических решений, направленных на создание интегрированной инновационной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для развития высокоэффективного рыбного хозяйства, восстановления рыбных запасов методами искусственного воспроизводства при рациональном природопользовании с учетом региональных особенностей юга Российской Федерации.
Проект был направлен на получение научных результатов, позволяющих сделать переход к новой биотехнологии мирового уровня и создание структуры производственного рыбохозяйственного кластера.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время становиться актуальным разработка интегрированных технологий по выращиванию и сохранению реликтовых осетровых рыб перспективных как для заводов по воспроизводству, так и для промышленных предприятий, фермерских хозяйств, практически не оказывающих воздействия на окружающую среду и исключающих климатические риски, сокращающие энергозатраты за счет сокращения сроков выращивания рыб, восстанавливающие генофонд и способствующие увеличению рыбных запасов. При строительстве рыбоводных модульных систем замкнутого типа возможно до минимума сократить потребление чистой воды, что особенно актуально для центральных районов и юга
России в условиях дефицита водных ресурсов. Возникает необходимость максимального использования площадей модульных систем и выращивания на отработанной воде дополнительной продукции. В последние годы в России стали интенсивно развиваться индустриальные методы выращивания деликатесной осетровой продукции. Это связано с тем, что естественные популяции осетровых рыб находятся на грани исчезновения, уже несколько лет существует запрет на промышленный лов этих реликтовых видов. Однако спрос на осетровую продукцию постоянно растет, а методы аквакультуры остаются единственным направлением решения этого вопроса (Матишов, Пономарева 2012; 2013).
Современное товарное осетроводство – одно из наиболее перспективных, рентабельных и динамично развивающихся направлений рыбоводства в Российской Федерации. Биотехнология, как единый комплекс, направлена на достижение двух целей: 1 – получение экологически чистого продукта питания (деликатесной рыбы и икры); 2 – сохранение и восстановление редких видов осетровых рыб.
Современные разработанные и модернизированные методы позволяют стабильно производить конечный продукт (товарная рыба, черная икра) в заданные сроки с нужными размерно-массовыми характеристиками, пользующимися спросом на рынке.
«Зеленые» биотехнологии весьма актуальны в южных регионах России, это может быть выращивание гидробионтов в установках замкнутого водообеспечения с использованием этажного культивирования рыбы, гидропоники (растений), раков и вермикультуры. Такие интегрированные биокомплексы с применением новых технологических приемов занимают небольшие площади и могут быть использованы семейными рыбоводными фермами.
В последнее время мировое сообщество уделяет огромное внимание «зеленым» экологически чистым технологиям, которые способны заменить существующие, оказывающие негативное влияние на окружающую среду и гидробиоценозы. Введение в агропромышленный комплекс России интегрированных технологий, предполагающих максимальное использование площадей и совместное производство деликатесной рыбной продукции (икра, осетрина), дешевой быстрорастущей рыбы (сомовые, карповые и др), а также ракообразных (раки, креветки) и растительных культур (салаты) с использованием гидропоники позволит не только расширить ассортимент продуктов, но также регулировать их выпуск в зависимости от сезонного спроса.
Описание исследования
В ходе выполнения ПНИ разработан комплекс научно-методической основы и технических решений, направленных на создание интегрированной инновационной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для развития высокоэффективного рыбного хозяйства, восстановления рыбных запасов методами искусственного воспроизводства при рациональном природопользовании с учетом региональных особенностей юга Российской Федерации:
1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 2014 гг.
2 Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Были проведены теоретические исследования современного рыбного хозяйства на примере российской части Азовского бассейна; оценены потребности населения в продукции водного происхождения; изучено соотношение естественных и выращенных ресурсов в общем объёме потребляемой рыбопродукции.
4 Исследованы, обоснованы и выбраны методы направления исследований и способов решения поставленных задач:
1) методы интенсивного культивирования различных гидробионтов с использованием модульных систем при полном регулировании параметров водной среды и высокой концентрации объектов на единице полезной площади;
2) подбор объектов культивирования на единице площади и «этаже» модульной установки, обоснование общих параметров водной среды;
3) способов использования оборотной, сбросной воды и иловых отложений установок замкнутого водоснабжения для культивирования объектов;
4) обосновано технологическое оборудование и новые технические решения модуля для этажного культивирования объектов;
5) способа кластерной концентрации производственно технологического процесса интегрированной биотехнологии получения экологически чистой продукции гидробионтов;
6) методов расчета искусственного воспроизводства ценных промысловых рыб (севрюга, лещ и др.) с учётом экологического состояния российского сектора Азовского бассейна.
5 Были проведены теоретические исследования в области создания интегрированной инновационной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для развития на основе потребляемой рыбопродукции высокоэффективного рыбного хозяйства, восстановления рыбных запасов методами искусственного воспроизводства с учётом экологической ёмкости выростных водоёмов на примере осетровых рыб России.
6 Проведен анализ существующих технологических решений для экспериментального образца и обоснование структуры устройства для совместного выращивания гидробионтов (за счет внебюджетных средств).
7 Проведен анализ выращивания продукции водного происхождения на юге Российской Федерации (за счет внебюджетных средств).
8 Подготовлена и проведена конференция по биологическим ресурсам и воспроизводству рыбных запасов. Разработана программы конференции, подготовлено заключение конференции (за счет внебюджетных средств).
9 Проведена сравнительная оценка предложенных методов интенсивного выращивания гидробионтов для получения пищевой продукции с использованием оборотной, сбросной воды и иловых отложений установок замкнутого водоснабжения и новые технологические решения комбинированного процесса выращивания поэтажного с учетом ранее проведенных исследований.
10 Проведены теоретические исследования по определению оптимальных параметров водной среды, подобраны режимы культивирования объектов и методов профилактики заболеваний;
11 Разработана программа и подобраны методики экспериментальных исследований по культивированию объектов аквакультуры.
12 Выполнены экспериментальные исследования по культивированию объектов аквакультуры (различных гидробионтов и растительных культур) с использованием оборотной, сбросной воды и иловых отложений с использованием специальной модульной установки-комплекса.
13 Проведены исследования системы мониторинга параметров водной среды в модульных системах-комплексах для повышения эффективности процесса выращивания.
14 Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аквабиокомплекса для производства экологически чистой продукции этажным методом с высокими техническими показателями регулирования параметров водной среды.
15 Проведены экспериментальные исследования по совместному выращиванию различных гидробионтов (рыба, раки и др.) и растительных культур (гидропоника) в модульной установке.
16 Проведены исследования роста и развития рыб и других объектов на разных этапах онтогенеза в регулируемых условиях водной среды, оценка адаптивных возможностей организма гидробионтов к искусственным условиям.
17 Разработаны биотехнические нормативы по совместному выращиванию различных объектов аквакультуры интенсивными методами.
18 Разработаны методы интенсивного выращивания гидробионтов для получения пищевой продукции с использованием оборотной, сбросной воды и иловых отложений установок замкнутого водоснабжения и методические указания по совместному выращиванию различных гидробионтов (рыба, раки и др.) и растительных культур (гидропоника);
19 Проведена оценка риска возникновения заболеваний осетровых рыб и других объектов, связанного с ввозимым рыбопосадочным материалом, половыми продуктами и производителями в регулируемых модульных системах, предложения по его снижению.
20 Изготовлен экспериментальный образец аквабиокомплекса для производства экологически чистой продукции этажным методом с высокими техническими показателями регулирования параметров водной среды;
21 Проведена оценка и анализ результатов совместного выращивания различных гидробионтов с использованием специального устройства.
22 Проведена апробация новых нормативов по совместному выращиванию объектов в модульной установке.
23 Разработано научно-методическое обоснование интегрированной аквабиотехнологии для производства экологически чистой продукции.
24 Разработаны нормативно методические рекомендации по биологическому обоснованию производства экологически чистой продукции;
25 Разработано технико-экономическое обоснование интенсивного выращивания гидробионтов интенсивными методами.
26 Разработан бизнес-план выращивания гидробионтов интенсивными методами.
27 Проведены экспериментальные исследования по апробации экспериментального аквабиокомплекса для производства экологически чистой продукции.
28 Разработано научно- методическое обоснование использования методов интенсивной технологии для целей воспроизводства и восстановления популяций рыб в естественных водоемах.
29 Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации биотехнологии.
30 Проведен расчет экономической эффективности предлагаемой биотехнологии применительно к своему производству и региональным особенностям.
31 Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала результатов ПНИ.
32 Разработано научное обоснование структуры производственного кластера новой аквабиотехнологии с учетом региональных особенностей юга РФ и разработка руководства по структуре производственного кластера, обеспечивающего подготовительные работы, выпуск и продвижение произведенной продукции до потребителя.
33 Разработаны научно-обоснованные рекомендации по оптимизации рыбохозяйственного комплекса российской части Азовского бассейна с учётом особенностей рыболовства, искусственного воспроизводства и природных возможностей для товарного выращивания продукции водного происхождения.
34 Проведена оценка и обобщение результатов ПНИ.
35 Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка интегрированной инновационной биотехнологии получения экологически чистой продукции аквабиокультуры для развития высокоэффективного рыбного хозяйства».
36 Проведена подготовка документации и программы обучающего семинара по новым биотехнологическим методам для фермеров рыбоводов.
Результаты исследования
На 1-ом этапе проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы который показал, что при общей тенденции к сокращению рыбных запасов особое значение приобретает аквакультура, ее ежегодный рост в мире составляет 9-10%.
Критический анализ существующих технологий производства экологически чистой продукции гидробионтов показал, что эти методы имеют недостатки и не в полном объёме могут обеспечить высокий уровень технологического процесса, необходимо создание комплексных инновационных нормативно-технологических документов.
Особенность данной биотехнологии заключается в фактической безотходности производства, когда продукты обмена одного биологического кластера используются на последующих этапах процесса до их полной утилизации внутри замкнутой системы, что обеспечивает высокую экологическую безопасность.
В качестве основного объекта аквакультуры «этажной» технологии предполагается использовать гибриды осетровых рыб, клариевых сомов, пресноводного моллюска ампулярии, австралийского рака, пресноводную креветку. Рассматриваются варианты совместного выращивания черноморской камбалы-калкана, дальневосточной кефали пиленгас и мидии средиземноморской.
Предлагаются варианты устройства для совместного выращивания в зарегулированной системе с последовательным водоснабжением: осетровых рыб (стербел, русско-ленский осётр) - объём бассейна 6-8м3, далее содержится дополнительная рыба (клариевый сом) - объём бассейна - 4м3, затем будет установлен отстойник для осаждения крупных фракций органических отходов с последующим отделением для вермикультуры (выращивание калифорнийского червя), из отстойника вода будет проходить первичную биологическую очистку (на гидропонике), затем предполагается блок выращивания моллюсков или раков (ампулярия) в бассейне - 1м3 (Рисунок 1). Модульная экспериментальная этажная установка разрабатывается с целью создания технологии максимального использования сырьевых ресурсов (воды, электричества) и производственных площадей. Подобраны предварительные планы-схемы установки.
Рисунок - 1 Планируемое устройство разрабатываемой этажной технологии выращивания объектов аквабиокультуры
За счет средств индустриального партнера подготовлена и проведена конференция по биологическим ресурсам и воспроизводству рыбных запасов, разработана программа конференции.
На 2-ом этапе проведена сравнительная оценка предложенных методов выращивания гидробионтов для получения пищевой продукции с использованием оборотной, сбросной воды и иловых отложений установок замкнутого водоснабжения, исследований биологических особенностей различных гидробионтов, роста, развития и отношения к показателям окружающей среды, определено последовательное распределение объектов и растений методом аквапоники в экспериментальном образце с учетом перемещения воды по циклу и ее очищения различными биологическими объектами и техническими средствами.
Теоретически обосновано моделирование процессов выращивания гидробионтов и гидрохимического режима в системе замкнутого цикла (экспериментальный образец) обеспечивающего пределы оптимальных параметров для всех культивируемых объектов с учетом их естественных потребностей. Многоцикличный режим выращивания различных по биологии водных животных и растений, в абсолютном значении являются искусственно созданным антропогенным биоценозом, в котором будет поддерживаться диапазон температур от 260 до 270С, содержание кислорода не ниже 7,0-8,0 мг/л при насыщении более 100%.
Разработана программа и методика экспериментальных исследований по культивированию объектов аквакультуры согласно ТЗ и КП проекта.
Проведены экспериментальные исследования по выращиванию рыбы совместно с растительными культурами, которые выявили перспективность их совместного культивирования в экспериментальном образце аквабиокомплекса, показали не только интенсивный рост рыб, но и рост растений.
Опыт совместного выращивания гибрида осетровых рыб и водного растения пистии выявил эффективность метода аквапоники, удалось получить большой прирост массы (увеличение массы на 65%) рыбы при высокой выживаемости, пистия являлась своеобразным биологическим фильтром, активно потреблявшим растворенную в воде органику, что способствовало увеличению роста растения. Выращивание сома совместно с салатом выявило перспективность выращивания рыбы и растительных культур. В результате предварительно проведенных исследований показано, что наиболее оптимальным субстратом для посадки растений в экспериментах по аквапонике является керамзит и минеральная вата, а освещение растений лампами мощностью 200 люкс до 700 люкс способствует увеличению роста.
Теоретически обоснована автоматизированная система мониторинга параметров среды, состоящая из набора датчиков, устанавливаемых в двух точках замкнутого водного контура: на входе в модуль осетровых и на входе в растительный модуль, как наиболее критичных к химическому составу.
Определена основа и цель мониторинга параметров среды в модельных системах - оценка микробиологического состояния, что служит постоянной гарантией стабильности процессов биофильтрации. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аквабиокомплекса (Рисунок 2).
На 3-ем этапе изготовлен экспериментальный образец (рис.2) аквабиокомплекса, соответствующий мировым аналогам, но по некоторым характеристикам, таким как мониторинг параметров водной среды, этажное распределение объектов выращивания, превосходит мировые аналоги. Экспериментальные исследования по совместному выращиванию различных гидробионтов (рыба, раки и др.) и растительных культур (аквапоника) в экспериментальном образце, выявили высокий рост, и выживаемость гидробионтов до 95- 98%.
Рисунок 2- Общий вид и расположение блоков экспериментального образца
Разработаны биотехнические нормативы и методы по совместному выращиванию различных объектов аквакультуры, которые предусматривают выращивание объектов при высоких плотностях посадки рыбы до 70 кг/м3, что соответствует мировым биотехнологиям аквакультуры. Проведена оценка и анализ результатов выращивания объектов аквабиокультуры на экспериментальном образце, выявлено полное соответствие поставленным задачам. Выполнена апробация разработанных нормативов.
На 4-ом этапе разработано научно-методическое обоснование интегрированной аквабиотехнологии для производства экологически чистой продукции. Составлено технико-экономическое обоснование, которое определило экономическую выгодность биотехнологии на основе анализа и расчета экономических показателей. Разработан бизнес - план - давший развернутое обоснование технологии и возможность всесторонне оценить финансовую сторону принятых решений, планируемых мероприятий.
Анализ экспериментальных данных по выращиванию рыбы в интегрированной установке этажного типа выявил динамику массовых характеристик для всех видов. Гидробионты в установке при выращивании совместно с растительными культурами показали интенсивный рост и высокую выживаемость (95-100%) (рисунок 3).
Рисунок 3 - Виды продукции (рыба, раки, салат) и рост растительных культур при совместном выращивании
Разработано научно - методическое обоснование использования методов интенсивной технологии для целей воспроизводства и восстановления популяций рыб в естественных водоемах.
Проведенные маркетинговые исследования выявили перспективность производства товарной продукции (рыба и растительные культуры) методом этажной биотехнеологии. Рассчитанные экономические показатели определяют биотехнологию как эффективную, которую можно рекомендовать для введения в производство малого инновационного предприятия ООО НТП ИНТОС.
На 5-м этапе проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала результатов ПНИ. Использование результатов ПНИ позволяет увеличить долю потенциального рынка по осетровой продукции до 1%, сома до 20%, раки до 19%. Даже при доле потребительского рынка по растительным культурам (салат) 0,2% результат от реализации будет высоким.
Разработано научное обоснование структуры производственного кластера новой аквабиотехнологии с учетом региональных особенностей юга РФ. Подготовлены научно -обоснованные рекомендации по оптимизации рыбохозяйственного комплекса российской части азовского бассейна.
Предложены методы интенсивного выращивания гидробионтов с использованием оборотной, сбросной воды и иловых отложений установок замкнутого водоснабжения в модульных системах имеют технические характеристики, приближенные к мировым аналогам: - предполагают блочно модульную систему биотехнологических методов, для различных гидробионтов (рыба, раки, растительные культуры); - высокие плотности посадки продукции от 60 до 80 кг /м3; - высокий выход продукции с единицы полезной площади от 85 до 95%; -биологическую очистку воды, и использованием объектов фильтраторов для дополнительного очищения; - получение дополнительной продукции до 40%.
Предложены технические решения по обеспечению работы экспериментального образца и контролю параметров среды, подготовлена схема подачи воды в системе биологический фильтр по технологии кипящего слоя и новая система мониторинга аммонийного азота в режиме-онлайн, соответствующие мировому уровню. В основе метода онлайн-определения ионов аммония в установке лежит принцип возбуждения флуоресценции при помощи штатной вспышки цифровой камеры, прием аналитического сигнала через вторичный светофильтр на матрицу камеры и автоматический анализ средней яркости полученного изображения программным пакетом с вычислением концентрации ионов аммония в воде.
Для искусственного освещения растений, используются светильники собственной конструкции с использованием однокристальных светодиодов различного спектрального состава. Научный подход исследования состоит в разработке интегрированной аквабиотехнологии основанной на фундаментальных исследованиях биологии объектов культивирования и их адаптационных способностях позволяющих добиться максимального прироста полезной продукции с единицы площади, при использовании модернизированных технических средств. Новизна исследования - это создание обоснованного производственного кластера включающего: производство продукции, ее переработку, хранение, доставку до потребителя и реализацию, логистику процесса продвижения товара на рынок.
Разработка соответствует мировому уровню, а по некоторым параметрам как дополнительный прирост продукции с единицы площади будет превосходить мировые аналоги.
Практическая значимость исследования
Результаты исследования могут быть использованы в областях: биологии, гидробиологии, ихтиологии, экологии, биотехнологии, аквабиотехнологии, аквабиокультуры, в области сельского хозяйства и рыбоводства. Также использованы в реальном секторе экономики РФ, в Агропромышленном комплексе.
Новые интегрированные методы внесут большой вклад в формирование современной отечественной индустрии рыборазведения и фермерского рыбного хозяйства, дадут возможность конкурировать на внутреннем и внешнем рынке рыбохозяйственной продукции, повысят инвестиционную привлекательность, позволят дать населению, проживающему в южных регионах, дополнительные рабочие места, адаптировать рыбохозяйственный комплекс юга России к современным экономическим условиям. Особенно актуальна биотехнология для маловодного Крыма.
Предлагается биотехнология, у которой срок начала окупаемости - 3-й 4-й год от начала полносистемной эксплуатации рыборазводного комплекса, срок полной окупаемости проекта и возврата инвестиционного кредита - на 5-й год. Экономическая рентабельность проекта на третий составит 19% и характеризуется хотя и не значительным стабильным ростом, начиная со 2- го года эксплуатации, что для технологий аквакультуры является высоким показателем.