Inovatīvs zaļās ekstrakcijas process, izveidojot jaunu biorafinēšanas klāsteru, kas orientēts uz fitoķīmiskajām vielām un biomateriālu ražošanu no nepietiekami izmantotas koksnes biomasas

Projekta statuss

Aktīvs

Projekta izpildes laiks

01.06.2019 līdz 31.05.2022

Projekta tips

ERAF-1.1.1.1.

Projekta numurs

1.1.1.1/18/A/182

Projekta vadītājs

Gaļina Teliševa

Uzsaukums, aktivitāte

Darbības programmas "Izaugsme un nodarbinātība" 1.1.1. specifiskā atbalsta mērķa "Palielināt Latvijas zinātnisko institūciju pētniecisko un inovatīvo kapacitāti un spēju piesaistīt ārējo finansējumu, ieguldot cilvēkresursos un infrastruktūrā" 1.1.1.1. pasākums "Praktiskas ievirzes pētījumi"

Sadarbības partneri

Vadošais partneris - Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts

Sadarbības partneris - SIA “EkoKompozit”

Projekta mērķis

Projekta mērķis – Izstrādāt inovatīvas MW ūdens ekrtakcijas tehnoloģijas un aparatūras prototipus efektīvākai meža biomasas atkritumu pārstrādei, elastīgai izejvielu un augstas pievienotās vērtības bioproduktu portfolio variācijai, ņemot vērā reģionālās bioekonomikas prasības meža un tirgus sektoros, radot pētnieku, studentu un industrijas profesionāļu zināšanu un inženierzinātniskās kapacitātes pieaugumu.

Projekta galvenais uzdevums:

  • Šī projekta uzdevums ir izstrādāt jaunu biorafinēšanas klasteri, nodrošinot mizas biomasas bezatlikuma pārstrādi (kā piemēru ņemot divas koku sugas: apsi un priedi), iegūstot vērtīgas fitoķīmiskās vielas, kas ļoti nepieciešamas dažādu jomu pielietojumam, un biokurināmā granulu ieguvi no ekstrakcijas atlikumiem.
  • Šie rezultāti būs svarīgi Latvijas meža nozares attīstībai - vadošai Latvijas tautsaimniecības nozarei, jo lieltonāžas mežsaimniecības koksnes pārstrādes rūpniecības atlikumi tiks pārvērsti augstas pievienotās vērtības produktos - fitoķīmiskos savienojumos un kvalitatīvās biokurināmā granulās izmantošanai enerģētikas nozarē.

Projekta galvenie rezultāti: 10 zinātniskie raksti. MW ekstraktora prototips (TRL4); MW ekstrakcijas zaļas tehnoloģijas prototips, 2 zinātības, patents.

Projekta īstenošanas termiņš: 36 mēneši.
Projekta kopējais finansējums: 645 000,00 eiro, tajā skaitā publiskā finansējuma apmērs ir 596625,00 euro (ERAF – 57,80%, valsts budžeta finansējums – 34,70%) un atlikusī 7,5% finansējuma daļa: LV KKI un SIA”EkoKompozit” līdzfinansējums. LVKKI budžets: 449473,00 eiro; SIA”EkoKompozit” projekta budžets: 195527,00 eiro.

Projekta īstenošanas gaita

Projekta pārskats par periodu no 01.03.2021. līdz 31.05.2021.:

Tika noraksturotās kurināmā īpašības mizas atlikumiem, kas palikušas pēc MW ūdens ekstrakcijas. Tika uzsākti trīs mizas koksnes atlieku elementu analīze, pelnu satura noteikšana, siltumspējas un TG / DSC testi oksidatīvajā atmosfērā.

Tika noteikta melnalkšņa mizas atlikumu siltumspēja: 20,2-20,5 MJ / kg, kas ir nedaudz augstāk nekā komerciālām koksnes granulām. Bet paaugstināts slāpekļa daudzums un pelnu saturs ļauj prognozēt melnalkšņa mizas ekstrakcijas atlikumu optimālu izmantošanu granulu ražošanai rūpnieciskai izmantošanai nevis majsaimniecībām.

Projekta pārskats par periodu no 01.12.2020. līdz 28.02.2021.:

Biomasas paraugi bija izesktraģēti, izmantojot MW reaktoru. Tika mainīti ekstrakcijas temperatūra un izotermiskās sildīšanas posms. Tiek petīti mizu izolēto ekstraktu raksturojumi: bioflavonoidu, tanīnu un kopējo polifenolu saturs, izmantojot UV spektrofotometriskās metodes, FTIR spektroskopiju, GC un LC metodes. Iegūtie rezultāti liecina par ievērojamām atšķīrībām izolēto no dažādas izcelsmes mizas ekstraktu sastāvā. Tas paredz dažādus ekstraktu valorizācijas ceļus.

No melnalkšņa, apses un priedes mizām izolēto ekstraktu antioksidanto aktivitāti pārbaudīja, izmantojot DPPH, ABTS un ORAC testus. Ekstrakti, kas testos parādīja vislielāku aktivitāti, tika pārbaudīti, izmantojot Oxy Press ierīci (MICROLAB AARHUS) kā dabiskus antioksidantus rapšu eļļai, kā arī kosmētikas krēma bāzei.

Tika parādīts, ka melnalkšņa mizas ekstrakti efektīvi pagarina indukcijas periodu, kad ir sākusies tauku sastāvdaļu oksidēšanās. Ir sākta izolētu ekstraktu baktericīdo īpašību un to kā fosilā fenola aizstājēju adhēzijas īpašību pārbaude fenola formaldehīda saistvielās, kuras varētu izmantot koka paneļiem un saplākšņa ražošanai.

Projekta pārskats par periodu no 01.09.2020. līdz 30.11.2020.:

Izveidota vienota šķidruma hromatogrāfijas (LC-UV un LC-MS/MS) ķīmiskā sastāva raksturošanas metodoloģija melnalkšņa mizas ekstraktiem, kuri iegūti ar paātrinātā šķīdinātāja ekstrakciju un ekstrakciju mikroviļņos, pielietojot dažādus apstākļus un šķīdinātājus.
Iegūtiem ekstraktiem tika veikta kvantitatīva proantocianidīnu un kopējo polifenolu analīze, nosakot ekstrahenta ietekmi uz augstāk minētiem savienojumiem. Pēc ekstrahenta izvēles, efektīvākai mērķsavienojumu ekstrakcijai noteikti piemērotākie ekstrakcijas režīmi, t.i. ekstrakcijas laiks un temperatūra. Piemērotākie ekstrakcijas režīmi tiek meklēti atsevišķi katrai ekstrakcijas metodei (paātrinātā šķīdinātāja ekstrakcija (ASE) un ekstrakciju mikroviļņos (MW)).
Ekstraktiem veikta oregonīna kvalitatīvā un kvantitatīvā analīze, diarilheptanoīdu savienojumu kvalitatīvā sastāva skrīnings un puskvantitatīva noteikšana, uzsākta citu individuālu savienojumu identifikācija ar augstas izšķirtspējas masspektometriju un polifenolu savienojumu ķīmiskā profilēšana pēc to ķīmiskās grupu piederības.

Pamatojoties uz polifenolu saturošo ekstaktvielu komponentu funkcionālo sastāvu, ekstraktvielai no melnalkšņa mizas, ar augstāko proantocianidīna saturu tika sākti pētījumi videi draudzīgo adhezīvu iegūšanai, kokskaidu plātņu ražošanai.
Lai novērtētu ekstraktu izmantošanas potenciālu lauksaimniecības nolūkā, tika iesākti bioloģiski pētījumi, testējot ekstraktu ar krasi atšķirīgu ķīmisko sastāvu ietekmi uz sēklu dīgšanu un augu augšanu un attīstību.
Lai novērtētu ekstraktu  izmantošanas potenciālu veselības aprūpes nolūkā, ekstraktiem ar augstāko polifenolu saturu veikti in vitro testi, nosakot ekstraktu aktivitāti attiecībā uz gremošanas sistēmas fermentiem.

Projekta pārskats par periodu no 01.06.2020. līdz 31.08.2020.:

Pārskata periodā veikta melnalkšņa mizas ekstrakcija. Pārbaudīta ūdens pH ietekme uz melnalkšņa mizas ekstraktvielu iznākumu un to ķīmisko sastāvu. Lai noteiktu efektīvāko ekstrahentu un to koncentrāciju sekundāro metabolītu – polifenolu iegūšanai, laboratorijas apstākļos veikta ekstrakcija pie rekomendētiem ekstrakcijas parametriem, par pamatu izmantojot iepriekšējos eksperimentos iegūtos rezultātus, kas ietvēra: ekstrakcijas temperatūru, laiku un ekstrahenta-biomasas attiecību.

Veikta ekstraktu ogļhidrātu komponentes kvalitatīva un kvantitatīva analīze ar GC metodi. Izpētīta mizas mikroviļņu ūdens ekstrakcijas režīmu (temperatūras un ekstrakcijas ilguma) ietekme uz melnalkšņa ekstraktu iznākumu un procesa īpatnējo enerģijas patēriņu. Paraugiem, kas iegūti ar mikroviļņu ekstrakcijas metodi, uzsāktas arī analīzes kondensēto tanīnu satura noteikšanai. Izmantojot analītiskās pirolīzes metodi (Py-GC/MS), veiktas melnalkšņa mizas ekstraktu, kas iegūti ar paātrināto un mikroviļņu ekstrakciju, ķīmiskā sastāva analīzes.

Projekta pārskats par periodu no 01.03.2020. līdz 31.05.2020.:

Salīdzinājumam, tādos pašos temperatūras apstākļos, ka mikroviļņu ekstrakcijai, tika veikta melnalkšņa mizas ūdens ekstrakcija laboratorijas iekārtā ASE DIONEX 35O.
Līdztekus tam, ASE iekārtā tika veikti melnalkšņu mizas ekstrakcijas eksperimenti, izmantojot ūdeni pēc elektrolīzes.
Ir uzsākti pētījumi melnalkšņu šķirnes vecuma ietekmei uz mizas ūdens ekstraktu iznākumu un sastāvu.
Pārskata periodā iegūtie ekstrakti (~ 50 paraugi) tika noraksturoti pēc kopējā polifenolu satura ar Folin Ciocalteu metodi un pronotocinidīnu satura. Ir uzsākti ekstraktu, kas izdalīti iepriekšējā un dotajā periodā, sastāva pētījumi ar Py-GC / MS metodi, un tika noteikts diarilheptanoīdu saturs tajos ar šķidruma hromatogrāfijas metodēm (HPLC-UV, UHPLC-UV-TOF / MS). Tika uzsākta ekstraktu ogļhidrātu komponentes kvalitatīva un kvantitatīva analīze ar GC metodi.

Projekta pārskats par periodu no 01.12.2019. līdz 28.02.2020.:
Pārskata periodā tika apstrādāti un analizēti analītiskās pirolīzes dati ekstraktiem, kas iegūti iepriekšējā periodā melnalkšņa mizas secīgā ekstrakcijā, paātrinātas ekstrakcijas laboratorijas iekārtā DIONEX 35O, kā arī vienpakāpes ūdens ekstrakcijā, kas tika veikta gan ar DIONEX 35O iekārtu, gan mikroviļņu ekstrakcijas iekārtā dažādās temperatūrās. Tika veikti eksperimenti iegūto ekstraktu antioksidanta aktivitātes noteikšanai in vitro ar trim neatkarīgām metodēm: ORAC, ABTS, DPPH.
Tika izgatavota laboratorijas iekārta (ekstraktora tilpums 1 L), lai pētītu mizas ekstrakciju mikroviļņu laukā, zemā šķīdinātāja temperatūrā (30–70 °C). Tiek pieņemts, ka šī iekārta ļaus novērtēt mikroviļņu iedarbības gan termiskas, gan netermiskas komponentes ietekmi uz biomasu ekstrakcijas procesos. Šajā iekārtā tika veikta virkne eksperimentu ar melnalkšņa mizas mikroviļņu ūdens ekstrakciju 30-70°C temperatūrā un ar dažādu ilgumu.

Projekta pārskats par periodu no 01.09.2019. līdz 30.11.2019.:
Pārskata periodā turpināts rūpnieciski pētnieciskais darbs. Iegūti ekstrakti (30 paraugi) tika noraksturoti pēc kopējā polifenolu daudzuma ar Folin-Ciocalteu metodi. Uzsākts darbs pie kondensēto tanīnu satura noteikšanas izdalītajos ekstraktos.
Uzsākts pētījums par mizas mikroviļņu ūdens ekstrakcijas režīmu ietekmi uz ekstraktu iznākumu un sastāvu. Tika izpētīta temperatūras ietekme un ekstrakcijas ilguma ietekme uz ekstrakta iznākumu no melnalkšņa un procesa īpatnējo energopatēriņu. 32 paraugi tika noraksturoti pēc kopējā polifenolu daudzuma ar Folin-Ciocalteu metodi. Paraugiem, kas tika iegūti ar mikroviļņu ekstrakcijas metodi, arī tika uzsāktas analīzes kondensēto tanīnu satura noteikšanai. Dotajā periodā, izmantojot analītiskās pirolīzes metodi (Py-GC/MS), tika veiktas izdalītu ar paātrināto un mikroviļņu ekstrakciju melnalkšņa mizas ekstraktu sastāva analīzes. Rezultāti ir matemātiskās apstrādes stadijā. Pētnieki uzsāka izdalīto ekstraktu antioksidantas aktivitātes noteikšanas darbus ar ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity) metodi.

Projekta pārskats par periodu no 01.06.2019 līdz 30.08.2019.:
Atbilstoši darbu plānam tika veikta trīs veidu koku sugu mizas paraugu sagatavošana: melnalksnis (Alnus glutinosa), apse (Populus tremula), priede (Pínus sylvéstris), 10 kg daudzumā katrai sugai, kas tiks izmantoti kā izejviela ekstrakcijas procesu pētījumos. Tika uzsākti darbi mikroviļņu ekstrakcijas iekārtas modernizācijai, ar mērķi paaugstināt to funkcionālus radītājus un iespējai kontrolēt ekstrakcijas procesa parametrus reālajā laika režīmā.   
Pārskata periodā tika uzsākti darbi aparatūras kompleksa izstrādāšanai, kas tiek domāts mizas mikroviļņu ekstrakcijas procesa automatizācijai. Atbilstoši tehniskajam uzdevumam tika izstrādāta principiāla elektriskā shēma un shēmas plate automātiskās vadīšanas blokam. Tika veikta trīs mizas veidu daudzpusīga ķīmiskā analīze un noteikti biomasas organiskās daļas komponenšu un elementu sastāvi, pelnu saturs, izmantojot mūsdienu ķīmiskās un fizikāli-ķīmiskās metodes (skābē šķīstošā un nešķīstošā lignīna noteikšana, infrasarkana spektroskopija, gāzes hromātogrāfija, analītiskā pirolīze, elementu analīze). Tā pat tika veikta eksperimentu sērija procesa temperatūras ietekmes petījumiem, uz ekstrakta iznākumu melnalkšņa mizas secīgā ekstrakcijā ar dažādiem šķīdinātājiem, kā arī ūdens ekstrakcijā. Ekstrakcija tika veikta laboratorijas paātrinatas ekstrakcijas iekārtā DIONEX 350.