Projekta nosaukums: Lipīdu atkritumu ilgtspējīga valorizācija: mikroorganismu pielietošana bio-virsmaktīvo vielu ražošanā (Waste2Surf)

Projekta Nr. 1.1.1.1/19/A/047

Finansējums avots: Eiropas Reģionālās attīstības fonda 1.1.1.1. aktivitāte “Praktiskas ievirzes pētījumi”, 3.kārta.

Projekta partneri: A/S “Biotehniskais Centrs”

Projekta periods: 01.10.2020. – 30.09.2023. (36 mēneši)

Projekta izmaksas: 647 877 EUR (t.sk. 374 472.90 EUR ERAF finansējums)

Projekta vadītājs: Profesors, Dr.sc.ing. Egils Stalidzāns, egils.stalidzans@lu.lv

Mērķis: izveidot biotehnoloģiskas ražošanas procesa izstrādes darbplūsmu, kur tiek ietverta ilgtermiņa ilgtspējības modelēšana, mikroorganismu celmu dizains un bioprocesa izveide rūpniecības bioatkritumu ilgtspējīgai biotransformācijai – lipīdu atkritumu (izlietota pārtikas eļļa, dzīvnieku tauki un citi), kas savākti pārtikas ražošanā un ēdināšanas sektorā, pārveidei augstvērtīgās bio-virsmaktīvajās vielās.

Kopsavilkums: Liela apjoma vērtīgo produktu ražošana no liela apjoma atkritumiem ir joma, kurā uz zināšanām balstītai bioekonomikas pieejai ir vislielākais potenciāls. Pasaulē ar katru gadu krasi pieaug radītais organisko atkritumu apjoms. Eļļas un tauku atkritumi (ETA) no pārtikas ražošanas un ēdināšanas sektoriem ir kļuvuši par nozīmīgu organisko atkritumu plūsmu pilsētās. Saskaņā ar Eiropas Savienības aplēsēm katrs cilvēks gadā saražo vidēji 8 litrus izlietotās cepameļļas. Visā pasaulē ik gadu tiek radīts apmēram 29 miljoni tonnu izlietotās cepameļļas gadā. Tikmēr ETA apsaimniekošana ir problemātiska, un to izmantošana aprobežojas ar bioenerģijas ražošanu. Projektā Waste2Surf tiek piedāvāts jauns ETA izmantošanas ceļš, t.i. kā zemas cenas izejviela, lai ražotu bio-virsmaktīvas vielas (BVV) – alternatīvu bioloģiski nedegradējamām sintētiskajām virsmaktīvajām vielām, kas sintezētas no naftas, neatjaunojama resursa, izmantojot ķīmiskus sintēzes ceļus, kas var būt videi bīstami.
Virsmaktīvās vielas ir viena no svarīgākajām ķīmiskajām vielām, ko izmanto gandrīz visos ikdienas produktos – tīrīšanas līdzekļos, kosmētikā, pārtikā, farmācijā u.c. Paredzams, ka 2024. gadā globālā virsmaktīvo vielu tirgus vērtība pārsniegs 41 miljardu eiro. Galvenās BVV priekšrocības ietver to atjaunojamo izcelsmi, bionoārdīšanos, zemu toksiskumu, labākas putošanas īpašības un stabilu aktivitāti dažādos apstākļos. Ņemot vērā to priekšrocības, BS ir milzīgs tirgus potenciāls, jo īpaši, ja tās ir ražotas no atkritumiem.

Projekts veicinās Viedās specializācijas stratēģijas (RIS3) prioritārās jomas “Zināšanu ietilpīga bioekonomika” attīstību, un projekta rezultātus izmantos vairākas mērķgrupas.

Projekta galvenās aktivitātes ietvers jaunas procesa izstrādes darbplūsmas izveidi, integrējot uz modeļiem balstītu metabolisko inženieriju, kas sastāv no BVV ražojoša rauga celmiem, bioprocesa attīstību atkritumu pārveidei produktā un ilgtermiņa dzīves cikla ilgtspējības novērtējumu attiecībā uz atkritumu-produkta-tirgus sistēmu. Atkritumu biokonversijas modeļu saraksts tiks sakārtots atbilstoši integrētam kritērijam, ņemot vērā vides ilgtspējību, ekonomiskos parametrus un sociālo ietekmi. Visbeidzot, tiks izstrādāta netradicionālu atdalīšanas un aerācijas metožu integrēšana automatizētajā bioreaktoru sistēmā. Bioreaktors tiks aprīkots ar progresīvu modeļprognozējošu fermentācijas kontroles sistēmu. Tādējādi tiks iegūta izmaksu ziņā efektīva un ilgtspējīga sistēma BVV iegūšanai no ETA, kas rezultēsies ar jaunas tehnoloģijas prototipu (TRL4).

Laboratorijas mēroga BVV ražošana tiks īstenota kopā ar industriālo partneri – pieredzējušu bioreaktoru ražotāju, 1996. gadā dibināto A/S “Biotehniskais centrs”.

 

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.10.2020. līdz 31.12.2020.

Pārskata periodā uzsākta projekta īstenošana ar padziļinātu zinātniskās literatūras analīzi par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pirmējām un izlietotām pārtikas eļļām un taukiem. Balstoties uz literatūras analīzi, izvēlēti pieci raugu celmi biovirsmaktīvo vielu ražošanai un uzsākts darbs pie to genotipu raksturošanas. Paralēli ir uzsākts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes – identificēta genoma mēroga stehiometrisko modeļu kopa organismiem, kas ražo soforolipīdus un mannosileritritola lipīdus. Modeļos ir identificēta vai ieviesta daļa no mērķproduktus ražojošajiem bioķīmiskajiem ceļiem. Uzsākts darbs pie laboratorijas eksperimentu metodikas izstrādes biovirsmaktīvo vielu noteikšanai, kā arī veikti vairāki eksperimenti biovirsmaktīvo vielu iegūšanai no eļļu un tauku atkritumiem. Ieviestas divas biovirsmaktīvo vielu kopējās aktivitātes standartmetodes (CTAB, eļļas izspiešanas metode). Metodes pārbaudītas gan uz standartvielām, gan ekstraktiem, kas iegūti no raugu eļļu fermentācijām.

Pārskata periodā tika arī uzsākta nepieciešamo materiālu un palīgiekārtu specifikāciju veidošana biovirsmaktīvo vielu fermentācijām, kā arī tika veikta kritisko procesa parametru un attiecīgo mērījumu principa identificēšana un svarīgāko procesa modeļa parametru saraksta veidošana, uz kuru balstīsies procesa matemātiskā modeļa izstrāde. Tāpat tika realizēts pirmais fermentācijas procesa mēģinājums laboratorijas bioreaktorā ar S. bombicola celmu.

Pārskata periodā pētnieku komanda uzsāka darbu pie apskata raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem un ražošanas procesa ietekmes uz vidi vērtējumu. Tika veikti vairāki komunikācijas pasākumi, kā arī notika trīs projekta komandas sanāksmes, kurās apspriests projekta kopējais progress, riski, kas var kavēt projekta rezultātu sasniegšanu, un darbības šo risku mazināšanai.

Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf

Projekta zinātniskais vadītājs: Egils Stalidzāns, e-pasts: egils.stalidzans@lu.lv

Projekta administratīvā vadītāja: Agnese Kukela, e-pasts: agnese.kukela@lu.lv

05.01.2021.

 

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.01.2021. līdz 31.03.2021.

Pārskata periodā darbs projektā turpinājās ar padziļinātu zinātniskās literatūras analīzi par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pirmējām un izlietotām pārtikas eļļām un taukiem. Balstoties uz literatūras analīzi, tika veikta laboratorijas eksperimentu sērija, pārbaudot biovirsmaktīvo vielu ražošanu dažādu oglekļa un slāpekļa avotu klātbūtnē. Tika turpināts meklēt un pielāgot dažādas analītiskas metodes biovirsmaktīvo vielu on site kvantificēšanai tieši kultivēšanas šķīdumā (barotnē), pēc iespējas samazinot ekstrakcijas soļu skaitu. Tika pārbaudītas kālija jodīda, stalagmometrijas un Victoria Pale Blue metožu izmantošanas iespējas biovirsmaktīvo vielu kvantificēšanai. Paralēli tika turpināts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes. Modelēšana tika koncentrēta uz Yarrowia lipolytica genoma mēroga modeļa testēšanu un piemērošanu virsmaktīvo vielu ražošanas simulācijai, pievienojot trūkstošos metaboliskos ceļus, kas detalizēti parāda rapšu eļļas komponenšu uzņemšanu organismā. Tika uzsākta modeļa validācija ar publicētiem eksperimentālajiem datiem.

Biovirsmaktīvo vielu fermentācijas procesa darbplūsmas izveidei tika turpināta nepieciešamo materiālu un palīgiekārtu specifikāciju veidošana, kā arī identificēti skābekļa kontaktora un biovirsmaktīvo vielu atdalīšanas membrānu raksturojošie parametri. Balstoties uz apkopoto informāciju no zinātniskas literatūras avotiem, tika uzsākta tirgus izpēte, kuras mērķis ir identificēt potenciālos iekārtu/elementu piegādātājus. Papildus tam tika realizēti divi fermentācijas eksperimenti ar Starmerella bombicola. Vienā no eksperimentiem izdevās veiksmīgi nostimulēt soforolipīdu sintēzi.

Pārskata periodā tika veikts padziļināts atkritumu eļļu sastāva un priekšapstrādes ietekmes uz ražošanas procesu un galaproduktu izvērtējums. Tāpat arī tika apkopota informācija par biovirsmaktīvo vielu raksturojošām īpašībām un pielietojumiem, lai noteiktu iegūstamo biovirsmaktīvo vielu potenciālos pielietojuma ceļus. Veikta aprites cikla analīzes datu inventarizācija. Projekta komanda turpināja darbu arī pie apskata raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem, to īpašībām un izmantošanas iespējām. Visbeidzot tika izstrādāta, aprakstīta un iesniegta publicēšanai ilgtspējīgas metaboliskās modelēšanas koncepcija.

05.04.2021.

Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.04.2021. līdz 30.06.2021.

Pārskata periodā tika veikti laboratorijas un modelēšanas eksperimenti biovirsmaktīvo vielu ieguves raksturošanai lipīdiem bagātā fermentācijas vidē. Raugu fizioloģijas laboratorijā tika turpināti eksperimenti, lai pielāgotu analītiskas metodes biovirsmaktīvo vielu un oglekļa avotu (lipīdu/glikozes) on site kvantificēšanai tieši kultivēšanas šķīdumā (barotnē), pēc iespējas samazinot nepieciešamo apstrādi. Tika pārbaudīta glikozes oksidāzes un antrona-sērskābes testa piemērotība biovirsmaktīvo vielu kvantificēšanai, kā arī veikti raugu augšanas testi eļļu (arī izlietoto pārtikas eļļu) un papildus pievienotā oglekļa un slāpekļa avota klātbūtnē. Tika novērtēta rauga biomasas augšana dažādos apstākļos (svaigas/izlietotas eļļas un atšķirīgu slāpekļa avotu klātbūtnē) un noteikta biovirsmaktīvo vielu ražošana dotajos apstākļos, kā arī izejvielu (eļļu) un saražoto biovirsmaktīvo vielu ķīmiskais sastāvs. Biotehniskā centra fermentācijas laboratorijā tika realizēti vairāki eksperimenti, kuri vērsti uz biomasas/produkta atdalīšanu (filtrēšanu) fermentācijas procesa gaitā, kā arī tika realizēti biovirsmaktīvo vielu atmazgāšanas un iekoncentrēšanas eksperimenti ar diviem tangenciālas filtrācijas sistēmas variantiem (10 un 20 kDa membrānam). Eksperimentu rezultātā tika savākti nepieciešamie eksperimentālie dati par bioloģiskās sistēmas veiktspēju biovirsmaktīvo vielu ražošanā.

Modelēšanas uzdevumos tika turpināts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes, kā arī uzsākts darbs pie kinētisko modeļu struktūras izveides. Pārskata periodā tika turpināts darbs ar Yarrowia lipolytica genoma mēroga modeļa adaptācijas, kā arī uzsākts darbs ar Starmerella bombicola stehiometriskā modeļa izveides, balstoties uz pieejamajiem sekvenēšanas datiem. Sākotnējo metabolisko rekonstrukciju kvalitātes uzlabošanai modeļu izveidē tiek izmantota dažāda sekvenēšanas datu analīzes programmatūra. Paralēli tika uzsākta kinētisko modeļu struktūras izveide virsmaktīvo vielu ražošanai, izmantojot Starmerella bombicola un Yarrowia lipolytica modeļus. Biovirsmaktīvo vielu ražošanas shēmas ietekmes uz vidi aspektu noteikšanai tika izvērtēti un veidoti dažādi scenāriji, kuru aprites cikli tiks salīdzināti tālākās izpētes procesā. Pamatmodelim tika izveidota detalizēta struktūra, paredzot atsevišķu ietekmes uz vidi novērtējumu barotnēm, raugu fermentācijai un dažādu veidu fermentēšanas režīmam. Vienlaikus tika uzsākts darbs pie datu ieguves un apkopošanas par izlietoto pārtikas eļļu apsaimniekošanas procesu raksturojošajiem sociālajiem un ekonomiskajiem parametriem.

Sadarbojoties laboratorijas un modelēšanas grupu pētniekiem, tika pabeigts darbs pie zinātniskā raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem. Raksts tika iesniegts žurnālā Fermentation (ISSN: 2311-5637, IF(2020)=3.975).

07.07.2021.

Pēdējās izmaiņas veiktas