LVKĶI attīsta drabiņu pārstrādi vērtīgu ķīmisko vielu ieguvei

Alus ražošanas nozare rada ievērojamu daudzumu lignocelulozes blakusproduktu, no kuriem būtiskākais ir alus drabiņas (brewers’ spent grain, BSG). Tās veido līdz pat 85% no visiem alus ražošanas cietajiem atlikumiem un ir bagātas ar celulozi, hemicelulozi, lignīnu un proteīniem, kas nosaka to potenciālu bioekonomikas un augstas pievienotās vērtības produktu izstrādē. Latvijā ik gadu tiek saražoti aptuveni 0.75 miljoni hektolitru alus, kā rezultātā rodas ap 15 000 tonnu drabiņu gadā (Universa et al., 2025). Neskatoties uz šo ievērojamo resursu apjomu, drabiņas joprojām galvenokārt tiek izmantotas zemas pievienotās vērtības pielietojumos, piemēram, lopbarībā, pie cepumiem kā šķiedrvielas u.c., tādējādi nepilnīgi izmantojot to ķīmisko un funkcionālo potenciālu.

Drabiņu sastāvs ļauj tās uzskatīt par perspektīvu izejvielu dažādu rūpnieciski nozīmīgu savienojumu ieguvei, tostarp furfurolam un pienskābei. Šo potenciālu aktualizē arī pētniecības iniciatīvas Latvijā, kur drabiņas tiek pētītas kā izejmateriāls augstas pievienotās vērtības produktu izstrādei. Piemēram, Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā (LVKĶI) īstenotā projekta “Pētniecība un izstrāde drabiņām kā zaļās ķīmijas avotam bioekonomikā” (Nr. 1.1.1.3/1/24/A/057) ietvaros tiek izstrādātas jaunas pieejas drabiņu pārstrādei, veicinot to efektīvāku izmantošanu bioekonomikas un aprites ekonomikas kontekstā, kā arī stiprinot sadarbību starp pētniecību un industriju.

Drabiņu ķīmiskā sastāva nozīme pārstrādes potenciāla izvērtēšanā

Pirmajā projekta posmā veikta drabiņu ķīmiskā sastāva analīze. Rezultāti parāda, ka šī izejviela ir bagāta ar tādām komponentēm kā: celuloze (29,10%), ksiloze (14,10%) un arabinoze (5,82%), kā arī lignīnu (13,16%).

Šie dati ir būtiski, jo tie nosaka iespējamos pārstrādes virzienus. Tieši C5 ogļhidrāti – ksiloze un arabinoze – ir pamats furfurola iegūšanai, un aprēķini rāda, ka teorētiskais furfurola iznākums var sasniegt 11,76% no absolūti sausās masas.

“Katrs materiāls ir unikāls, un parametri, kas der vienam materiālam, neder citam,” skaidro projekta vadītājs Dr. sc. ing. Māris Puķe. “Drabiņas nāk ļoti mitras no alus darītavas, tāpēc tās vispirms centrifugējam, nosakām mitrumu un tikai tad veicam eksperimentālā plāna aprēķinus un eksperimentus.”

Precīzi kontrolēts process

Viens no būtiskākajiem posmiem šādu savienojumu iegūšanā ir priekšapstrāde, un tas ir process, kurā tiek mainīta biomasas struktūra, lai to padarītu pieejamāku tālākai pārstrādei.

LVKĶI šim nolūkam izmanto pašu izstrādātu metodi – katalītisko hidrolīzi, kas tiek veikta uz unikālas pilotiekārtas. Pirms tam drabiņas tiek samaisītas ar katalizatoru speciālas konstrukcijas lāpstveida maisītājā.

“Šī ir speciālas konstrukcijas iekārta, kur mēs izejmateriālu samaisam ar katalizatoru. Katrs maisījums ir individuāls, un mēs precīzi aprēķinām, cik daudz katalizatora nepieciešams,” stāsta Māris Puķe. “Mūsu gadījumā izmantojam fosforskābi, un svarīgi ir gan tās daudzums, gan koncentrācija.”

Maisītājs ir izstrādāts institūtā, un tā konstrukcija ir patentēta. Tā lāpstiņas novietotas 45 grādu leņķī pret asi, nodrošinot vienmērīgu materiāla sajaukšanu un efektīvu katalizatora sadali.

“Maisīšana notiek ļoti vienmērīgi: katalizators tiek smidzināts noteiktā spiedienā, un viss process ir detalizēti izpētīts. Mums ir aprēķinu metodika, kas ļauj noteikt samaisīšanās kvalitāti,” piebilst pētnieks.

No laboratorijas līdz rūpnieciskam modelim

Pēc samaisīšanas materiāls tiek iebērts unikālā stenda pilotiekārtā, kurā notiek furfurola un citu savienojumu veidošanās. Lai gan iekārtas tilpums ir salīdzinoši neliels, tā ļauj modelēt rūpniecisku furfurola iegūšanas procesu.

“Daudzi domā, ja reaktors ir mazs, tad tas nav nopietni. Bet mūsu gadījumā process notiek daļiņā, nevis reaktora tilpumā,” skaidro Māris Puķe. “Tas nozīmē, ka mēs varam modelēt industriālos procesus arī ar šādu iekārtu.”

Procesā materiāls tiek apstrādāts ar nepārtrauktu ūdens tvaiku noteiktā temperatūrā un spiedienā, veidojas furfurols, izejošais tvaiks no reaktora tiek kondesēts un savākts analīzei.

Un tad piepeši laboratorijas vide mainās. Uz mirkli šķiet, ka neesi laboratorijā, bet maizes ceptuvē: silta, tikko ceptas maizes smarža piepilda telpu. Tā nav nejaušība, bet ir viens no signāliem, ka reakcija norit un veidojas furfurols.

“Liekam iekšā materiālu, palaižam tvaiku un savācam savu produktu,” stāsta pētnieks Māris Puķe. “Un tajā brīdī laboratorijā sāk smaržot pēc maizītes.”

Paraugi tiek ņemti dažādos laika intervālos, un to sastāvs analizēts ar šķidruma hromatogrāfijas metodi.

“Vienas analīzes veikšana var aizņemt līdz pat stundai, bet tas ļauj ļoti precīzi noteikt iegūto savienojumu sastāvu,” norāda pētnieks.

Bioekonomikas un industrijas sazobē

Šis projekts apvieno bioekonomikas un viedās enerģētikas jomas, veicinot resursu efektīvu izmantošanu. Alus darītavu blakusprodukts tiek pārvērsts par izejvielu ķīmiskajā rūpniecībā, radot jaunas vērtību ķēdes.

Papildus furfurolam pētījumā tiek analizētas iespējas izmantot atlikušos lignocelulozes materiālus pienskābes un augsnes mēslojuma iegūšanai, tādējādi maksimāli izmantojot visu izejvielu.