№ 1 (23) / 2026
И.А. Русских,
студентка 1 курса РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, г. Москва
Р.А. Виноградова,
педагог дополнительного образования МБОУ ДО «Центр естественных наук» г. Тарко-Сале (Пуровский район ЯНАО)
Каждое утро миллионы людей по всему миру начинают свой день с чашки ароматного кофе. Согласно статистике, около 2,25 миллиарда человек в мире пьют кофе ежедневно – это примерно 30 % населения планеты. За последние 20 лет импорт кофе в Россию (рис. 1) вырос в 10 раз, а по данным исследовательской компании Mediascope в 2023 г. 50 % россиян пили натуральный кофе каждый день [1–2]. Кофейная индустрия имеет колоссальные масштабы, однако обратной стороной этой популярности является производство миллионов тонн органических отходов ежегодно. В большинстве случаев кофейная гуща (жмых) просто выбрасывается на свалку, где происходит процесс гниения, при котором в атмосферу выделяются метан и углекислый газ.
Рис. 1. Статистика импорта кофе в Россию в период с 1994 по 2021 гг.
В своем исследовании мы предположили, что кофейный жмых – это не просто мусор, а ценный ресурс. В составе кофейных зерен содержится более 100 различных химических соединений: углеводы (клетчатка и сахара), жиры, органические кислоты, минеральные вещества, витамины. Химический состав кофейного жмыха не позволяет относить его к категории отходов – скорее, это полноценное вторичное сырье, подлежащее дальнейшей переработке [3–7]. Изучая кофе в разных его формах и с разных точек зрения, мы можем найти новые, экологически чистые и экономически выгодные области его применения.
Целью нашего исследования стало изучение физико-химических свойств кофе-сырья и кофейного жмыха для оценки вариантов их вторичного использования, в частности – в качестве экологически чистого биотоплива (топливных брикетов).
Что скрывает в себе кофейное зерно?
Кофейное зерно – это сложная химическая лаборатория. При обжарке и последующем заваривании часть растворимых веществ переходит в напиток, однако огромная доля органики остается в гуще. Кофейный жмых (рис. 2) содержит около 15 % липидов и 13,6 % белка [5–6], богат лигнином (около 20 %), целлюлозой и гемицеллюлозой (до 50 % от сухой массы) [5–6]. Именно эта природная особенность натолкнула на мысль о том, что жмых может выступать адсорбентом – веществом, способным впитывать и удерживать на своей поверхности различные загрязнители.
Рис. 2. Состав кофейного жмыха
Кроме того, высокая доля углерода и остаточных масел делает высушенный жмых горючим материалом, что открывает перспективы для создания топливных брикетов. При этом, как показали наши эксперименты, свойства жмыха существенно отличаются от свойств исходного кофейного зерна.
Химический анализ и свойства кофейных материалов
В экспериментальной части нашей работы мы провели сравнительный анализ свойств кофейных материалов. Для исследования были взяты образцы: молотый кофе (сырье), кофейный жмых после заваривания, а также контрольный образец – дистиллированная вода.
На первом этапе мы определили кислотность (pH) и общую минерализацию водных экстрактов образцов с помощью pH-метра и кондуктометра, а также фотометрическим методом по ГОСТ 29148-97 [8] определили содержание кофеина (рис. 3). Результаты представлены в таблице 1.
Рис. 3. Приборы для измерений: pH-метр (слева) и кондуктометр (справа
Как видно из таблицы, кофеин полностью переходит в напиток при заваривании – в жмыхе его содержание равно нулю. Однако общая минерализация жмыха (281 мг/дм³) свидетельствует о том, что в нем сохраняется значительная часть минеральных веществ, что делает его пригодным, например, для использования в качестве удобрения.
Сорбционная емкость кофейных материалов
Особый интерес для нас представляла сорбционная емкость образцов. Мы оценивали ее двумя методами: по осветляющей способности (с использованием красителя метиленового голубого) и путем йодометрического титрования (рис. 4, 5).
Рис. 4. Процесс осветления раствора метиленового голубого по мере добавления новых порций к образцам кофе (слева направо: кофе молотый исходный, кофейная гуща – первая экстракция, кофейная гуща – повторная экстракция)
Рис. 5. Процесс определения сорбционной емкости кофейных материалов слева направо: взаимодействие раствора йода с образцами кофе, титрование раствора йода тиосульфатом натрия
Осветляющая способность молотого кофе оказалась в 2 раза выше, чем у жмыха, что объясняется частичным извлечением растворимых компонентов при заваривании. Тем не менее йодное число жмыха (597 мг/г) остается достаточно высоким – для сравнения, у активированного угля этот показатель составляет около 1050 мг/г. Это свидетельствует о перспективности использования кофейного жмыха в качестве недорогого природного сорбента.
Эксперимент по сжиганию кофейных материалов
Рассматривая кофе как потенциальное биотопливо, мы проанализировали горючие свойства образцов: молотый кофе (рис. 6, образец 1), жмых после первого заваривания (рис. 6, образец 2) и жмых после второго заваривания одной и той же порции (рис. 6, образец 3). Все образцы были предварительно высушены при 100 °С до постоянной массы.
Рис. 6. Продукты сгорания образцов 1, 2, 3
Результат оказался неожиданным: молотый кофе горит интенсивно и долго, жмых после первого заваривания горит значительно слабее, а жмых после второго заваривания скорее тлеет, чем горит, – огонь быстро затухает. Таким образом, чем сильнее отработан кофе, тем более огнеупорными свойствами он обладает. Это важный вывод: с одной стороны, жмых может использоваться в строительных смесях для создания огнеупорных панелей, а с другой – из него можно создавать топливные брикеты, которые будут долго тлеть и отдавать тепло, подобно древесному углю.
Кофейный жмых как экологичное биотопливо
Для изготовления топливных брикетов мы использовали технологию прессования сухой растительной биомассы со связующим веществом (рис. 7). В качестве связующего была выбрана целлюлоза – картонные лотки для яиц (экономичный и доступный материал). Соотношение жмыха к картону составило 5:1 (20 г жмыха и 4 г картона на один брикет). Картон предварительно размачивали в горячей воде и измельчали блендером. После смешивания и отжима массу прессовали в металлической форме с помощью слесарных тисков, затем сушили – сначала на воздухе, потом в сушильном шкафу при 80 °С до постоянной массы (рис. 8) [9–11].
Рис. 7. Оборудование и материалы для создания брикетов: блендер, слесарные тиски, металлическая форма
Рис. 8. Топливные брикеты из кофейного жмыха. Слева: высушены при 80 °С. Справа: термостатированы при 150–200 °С
Готовые брикеты мы исследовали по основным показателям качества: термическая устойчивость, влажность, зольность и теплотворная способность. Для сравнения использовался промышленный угольный брикет из магазина. Результаты представлены в таблице 3.
Несмотря на ограниченные возможности школьной лаборатории, изготовленные образцы показали хорошее качество (рис. 9). Зольность кофейных брикетов (0,89–0,92 %) оказалась ниже, чем у промышленного угольного брикета (1,23 %). Термически обработанный брикет (200 °С) показал наилучшую теплотворную способность – 5 баллов из 5, превзойдя даже промышленный образец. Следует отметить, что при испытании в муфельной печи была зафиксирована повышенная дымность кофейных брикетов, что требует дальнейшей оптимизации технологии.
Рис. 9. Процесс горения образцов: слева направо: образец 1 (первые два фото) – высушен при 80 °С, образец 2 (вторые два фото) – термостатирован при 200–250 °С
Экономическая эффективность
В заключительной части работы мы рассчитали показатели экономической эффективности внедрения производства топливных брикетов. На примере г. Тарко-Сале (ЯНАО) был проведен анализ ресурсных возможностей. В течение 4 лет мы вели статистическое наблюдение: количество точек продажи кофе в городе выросло в 5 раз. По результатам опроса 20 кофеен, средний годовой объем закупки зерен составляет 17 160 кг, из которых можно получить около 15 616 кг жмыха в год. При этом 90 % опрошенных просто выбрасывают жмых, а 75 % готовы отдавать его бесплатно.
Расчет показателя NPV (чистой приведенной стоимости) показал: первоначальные вложения составят около 2 061 тыс. рублей (оборудование, аренда, сырье), срок окупаемости – 4 года для малого города (рис. 10) и 2,5 года для крупного города (рис. 11). NPV за 10 лет составит 281,6 тыс. руб. и 2 490,9 тыс. руб. соответственно.
Рис. 10. Экономические расчеты, срок окупаемости в маленьком городе
Рис. 11. Экономические расчеты, срок окупаемости в большом городе
Выводы
Наше исследование показало, что кофейный жмых – это ценнейшее вторичное сырье. Основные результаты:
Большая часть состава кофейного зерна (более 100 химических соединений) сохраняется в жмыхе, однако свойства существенно меняются: общая минерализация снижается в 5 раз, осветляющая способность – в 2 раза, кофеин полностью отсутствует.
Сорбционная емкость жмыха по йоду составляет 597 мг/г (57 % от показателя активированного угля), что подтверждает перспективность его использования в качестве природного сорбента.
Жмых обладает выраженными огнеупорными свойствами (после повторного заваривания практически не горит), что объясняет его применение в строительных смесях.
Изготовленные в условиях школьной лаборатории топливные брикеты из кофейного жмыха (со связующим веществом из картонной целлюлозы) показали зольность 0,89–0,92 %, влажность 1,18–4,71 % и теплотворную способность, сопоставимую с промышленным угольным брикетом.
Экономический расчет показал окупаемость производства брикетов за 4 года при вложениях около 2 млн рублей (в масштабах малого города).
Переход к осознанному потреблению и циклической экономике начинается с малого – например, с правильного использования того, что остается на дне вашей кофейной чашки.
Список литературы
1. Сколько кофе пьют в России и откуда его импортируют? – URL: https://vc.ru/ food/182620 (дата обращения: 8.05.2024).
2. 50% россиян пьют натуральный кофе каждый день. – URL: https://www. cafefuture.ru/analytics/ (дата обращения: 11.09.2024).
3. Кофе под микроскопом: химия зерна и воздействие на организм. – URL: https://shop.tastycoffee.ru/blog/kofe-pod-microscopom (дата обращения: 23.04.2024).
4. Журавель В.А., Татарченко И.И. и др. Изменение основных химических соединений жареного кофе // Сб. мат. VI межд. науч.-практ. конф. – Донецк – Сочи, 2022. – Вып. 19(52). – С. 11–17.
5. Макнатт Дж., Он К.С. Отработанная кофейная гуща: обзор текущего использования // J. Ind. Eng. Chem. – 2019. – Vol. 71. – P. 78–88.
6. Муссатто С.И. и др. Исследование по извлечению химических компонентов и сахаров из отработанной кофейной гущи // Carb. Pol. – 2011. – Vol. 83. – P. 368–374.
7. Кампос-Вега Р. и др. Отработанная кофейная гуща: обзор текущих исследований и будущих перспектив // Trends Food Sci. Tech. – 2015. – Vol. 45. – P. 24–36.
8. ГОСТ 29148-97. Кофе натуральный растворимый. Технические условия.
9. Долгов М.С. Анализ связующих веществ для топливных брикетов // Молодой ученый. – 2020. – № 18(308). – С. 230–231.
10. 23 миллиона тонн отходов в год: как кофейная индустрия влияет на окружающую среду. – URL: https://shop.tastycoffee.ru/blog/vliyanie-kofeynojindustriina-okruzhuschuju-sredu (дата обращения: 04.04.2024).
11. Вторая жизнь кофейных отходов: что делают из побочных продуктов кофейной индустрии. – URL: https://shop.tastycoffee.ru/blog/coffee-upcycle (дата обращения: 11.04.2024).
