Zinātne dzīvei: Jauna infrastruktūra bioekonomikas pētījumiem
Kas kopīgs kosmētikas krēmam, mājas siltumizolācijai un saplāksnim? Visos šajos produktos var izmantot savienojumus, kas iegūti no bērza tāss. Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta pētnieki sadarbībā ar industrijas partneriem pēta, kā šos dabiskos savienojumus pārvērst jaunās kosmētikas izejvielās, izolācijas materiālos un dabai draudzīgās saistvielās, kas var aizstāt fosilās izcelsmes izejvielas.
Mūsdienu bioekonomikā arvien lielāka nozīme ir spējai pilnvērtīgi izmantot dabas resursus un radīt jaunus materiālus no koksnes biomasas. Lai šādus risinājumus izstrādātu, nepieciešami precīzi zinātniskie pētījumi par materiālu ķīmiskajām un enerģētiskajām īpašībām. Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā šo darbu palīdz veikt modernas analītiskās iekārtas, tostarp automātiskais kalorimetrs (6400 Automatic Isoperibol Calorimeter Parr Instrument Company (ASV)) . Tas ir viens no pirmajiem instrumentiem, kas iegādāts projekta “Bioekonomikas ekselences centra attīstīšana Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā (WoodChemPlus)” ietvaros, lai stiprinātu institūta pētniecības infrastruktūru Latvijas viedās specializācijas (Research and Innovation Strategy for Smart Specialization – RIS3) jomās.
Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts (LVKĶI) projekta WoodChemPlus ietvaros pakāpeniski stiprina savu zinātnisko infrastruktūru. Projekta mērķis ir attīstīt pētniecības kapacitāti trīs RIS3 jomās: bioekonomikā, viedajos materiālos un biomedicīnā.
2025. gada maijā institūtā tika iegādāta pirmā projekta iekārta automātiskais kalorimetrs, kas ļauj precīzi noteikt materiālu siltumenerģijas izdalīšanos degšanas laikā. Šāda veida iekārtas darbojas pēc skābekļa bumbas kalorimetrijas principa, kur paraugs tiek sadedzināts kontrolētā skābekļa atmosfērā, un izdalītā enerģija tiek aprēķināta pēc temperatūras izmaiņām kalorimetrā.
Šie mērījumi ir būtiski gan materiālu ķīmiskā sastāva izpētei, gan jaunu bioekonomikas produktu izstrādei.
Kalorimetrs koksnes ķīmijas pētījumos
LVKĶI pētniecībā kalorimetrs tiek izmantots dažādos projektos, kuros tiek pētīti bērza tāss ekstraktvielu savienojumi un to izmantošanas iespējas industriālos materiālos.
Suberīnskābju izmantošana poliuretāna materiālos
Kalorimetrija ir viena no metodēm, kas palīdz raksturot jaunus bioloģiskas izcelsmes materiālus un novērtēt to termiskās īpašības. Analizējot enerģijas izdalīšanos un siltuma efektus dažādos procesos, iespējams iegūt papildu informāciju par materiālu sastāvu, reakciju norisi un to potenciālu praktiskai izmantošanai.
Šāda pieeja tiek izmantota arī Eiropas Reģionālās attīstības fonda (ERAF) projektā “Ekstrahētas bērza tāss pārstrāde dabīgā un inovatīvā poliolā, kas piemērots cieto poliuretāna izolācijas putu industriālai uzklāšanai” (SAMPUR), kurā tiek izstrādāta tehnoloģija, kas ļauj no bērza tāss suberīnskābēm iegūt bio-poliolus poliuretāna izolācijas putu ražošanai. Projekts tika uzsākts 2025. gada 1. jūlijā, ko realizē LVKĶI kā vadošais partneris sadarbībā ar SIA Ritols un SIA Polylabs. Projekta mērķis ir radīt inovatīvu bezatkritumu tehnoloģiju, kas ļauj izmantot koksnes rūpniecības blakusproduktus jaunu materiālu izstrādē.
Projekta gaitā tiek pētīta bērza tāss depolimerizācija un suberīnskābju maisījuma iegūšana, kā arī šo savienojumu pārveidošana zemas viskozitātes poliolos. Iegūtie polioli tiek testēti kā izejviela cieto poliuretāna izolācijas materiālu sintēzei, vienlaikus veicot to ķīmisko un fizikālo raksturošanu ar dažādām instrumentālajām analīzes metodēm. Šo pētījumu rezultātā tiek radīti priekšnosacījumi jaunas paaudzes bio-balstītu izolācijas materiālu izstrādei, kas varētu samazināt fosilo izejvielu izmantošanu būvniecības materiālu ražošanā.
Biorafinēšanas laboratorijas zinātniskais asistents Mg. chem. Kalvis Liepiņš sagatavo paraudziņu ievietošanai kalorimetrā
Betulīna un ekstraktvielu pētījumi kosmētikas materiāliem
LVKĶI kopā ar uzņēmumiem SIA Labrains un AS Latvijas Finieris kopš 2025. gada 1. maija īsteno starpdisciplināru ERAF atbalstītu projektu “Ar multifunkcionālām bērza tāss ekstraktvielu daļiņām stabilizētu, inovatīvu ķermeņa skaistumkopšanas produktu un unikālas kosmētikas izejvielas izstrāde”, kura mērķis ir izstrādāt inovatīvus ķermeņa ādas kopšanas līdzekļus un unikālas kosmētikas izejvielas, izmantojot bērza tāss ekstraktvielu mikroizmēra daļiņas.
Projekta laikā taps trīs jauni produktu prototipi:
saules aizsargkrēms (SPF ~30),
ķermeņa mitrinošie krēmi,
sejas mitrinošie krēmi.
Tie būs pirmie šāda veida kosmētikas produkti, kuros izmantos kosmētikas industrijas prasībām īpaši pielāgotas un kosmētikas produktu ražošanā ērti lietojamas bērza tāss ekstraktvielu daļiņas. Šāda pieeja ļauj aizstāt potenciāli kaitīgos sintētiskos emulgatorus ar dabisku un resursu ziņā efektīvāku alternatīvu.
Rezultātā tiek iegūtas tā saucamās Pikeringa emulsijas, kurās bērza tāss ekstraktvielu daļiņas stabilizē emulsiju pēc atšķirīga principa nekā tradicionālie sintētiskie emulgatori. Lai izprastu šo sistēmu īpašības, pētnieki analizē gan bērza tāss kvalitāti, gan emulsiju stabilitāti un struktūru, gan arī izmantoto ekstraktvielu fizikāli ķīmiskās īpašības, izmantojot dažādas analītiskās metodes, tostarp kalorimetriju.
Biorafinēšanas laboratorijas vadošais pētnieks Dr. sc. ing. Aigars Pāže:
„Šis projekts būs būtisks pienesums gan Latvijas bioekonomikai, gan pasaules mēroga centieniem pāriet uz videi draudzīgāku un resursu efektīvāku ražošanu. Projekta rezultātā tiks radītas jaunas zināšanas un tehnoloģijas, kas būs noderīgas gan kosmētikas nozarē, gan citās ar bērza pārstrādi saistītās industrijās.”
Kalorimetrija šajos abos pētījumos palīdz raksturot bērza tāss kvalitāti, balstoties uz tās enerģētiskajām īpašībām, un iegūt papildus informāciju par izejvielas potenciālu kosmētikas produktu un izolācijas materiālu iegūšanai.
Foto: Latvijas Finieris
Sadarbība ar industriju: pētījumi kopā ar Latvijas Finieri
Kalorimetrs aktīvi tiek izmantots arī līgumpētījumos ar uzņēmumu AS Latvijas Finieris, kuros pētnieki izstrādā bioloģiskas izcelsmes saistvielas saplākšņa ražošanai. LVKĶI zinātnieki šo pētījumu ietvaros pirmo reizi industriālā mērogā pierādījuši, ka suberīna depolimerizācijas procesā iegūtās suberīnskābes var izmantot kā ekoloģisku saistvielu mitrumizturīga saplākšņa, skaidu un šķiedru plātņu ražošanā, kā arī koksnes virsmas pārklājumiem un impregnēšanai. Pētījums iekļauts arī Latvijas Zinātņu akadēmijas (LZA) 2025. gada nozīmīgāko zinātnes sasniegumu starpā.
Pētījuma autori ir Dr.sc.ing. Jānis Rižikovs, Dr.sc.ing. Aigars Pāže, Ph.D. Daniela Godiņa, Mg.sc.ing. Rūdolfs Bērziņš, Mg.chem. Kalvis Liepiņš, Mg.sc.ing. Guntis Sosins, kā arī industrijas pārstāvji no AS Latvijas Finieris: Ainārs Bobulis, Artūrs Raimonds Feldmanis un Ketrina Plantus.
Darba nozīmību apliecina 15 zinātniskas publikācijas, balva par labāko rakstu Materials Horizons, viens patents un pārdota licence intelektuālā īpašuma izmantošanai. Starptautiskā sadarbība ar Stockholm University, NIBIO, INNORENEW, Warsaw University of Life Sciences un VTT Technical Research Centre of Finland apliecina Latvijas inovāciju nozīmību Eiropas mērogā.
Biorafinēšanas laboratorijas vadītājs Dr. sc. ing. Jānis Rižikovs:
„Sadarbībā ar uzņēmumu Latvijas Finieris īstenojam līgumpētījumu, kura fokusā ir saplākšņa saistvielas optimizācija, aizstājot fosilos izejmateriālus un efektivizējot resursu izmantošanu. Šo pētījumu ietvaros tiek realizēti vairāki darba uzdevumi. Viens no tiem ir rūpnieciskie pētījumi par suberīnskābju iegūšanu ūdens vidē gan no ekstrahētas, gan neekstrahētas bērza tāss, kuru rezultātā iegūstam saistvielas saplāksnim, kā arī etanola vidē, lai iegūtu pretuzbriešanas pārklājumu izajvielas. Tālākie uzdevumi ir saistīti ar rūpnieciskiem pētījumiem par suberīnskābju pielāgošanu saplākšņa līmēšanai, kas tiek īstenoti ciešā sadarbībā ar AS Latvijas Finieris pārstāvjiem. Tie ietver sevī saistvielas uzklāšanas procesa optimizāciju un pielāgošanu rūpnieciskai ražošanai. Papildus tiek izvērtēts un pētīts arī suberīnskābju iegūšanas blakusproduktu apstrādes iespējas to tālākai izmantošanai minerālmēslojumam un ūdens mīkstināšanai. Veicām arī priekšizpēti par etanola vidē iegūto suberīnskābju izmantošanas iespējām laminētu saplākšņu pretuzbriešanas pārklājumos, kas uzrādīja daudzsološus rezultātus.”
Kalorimetrijas metode šajos ERAF pētījumos tiek izmantota, lai noteiktu bērza tāss saturu pirms ekstrakcijas un depolimerizācijas un raksturotu izmantotās izejvielas, kas ir svarīgi, lai nodrošinātu stabilu un atkārtojamu materiālu kvalitāti.
Paraudziņa ievietošana kalorimetrā
Pētniecības infrastruktūra bioekonomikas attīstībai
Kalorimetrs ir viena no deviņām modernām laboratorijas iekārtām, kas tiks iegādātas projekta WoodChemPlus ietvaros. Šī infrastruktūra ļaus ne tikai attīstīt jaunas tehnoloģijas koksnes biomasas pārstrādei un radīt dabai draudzīgus materiālus būvniecībai, ķīmijai un kosmētikai, bet arī stiprināt LVKĶI starptautisko konkurētspēju bioekonomikas pētniecībā. Modernas analītiskās iekārtas ir būtisks priekšnoteikums tam, lai laboratorijā iegūtās zināšanas varētu pārvērst jaunās tehnoloģijās un produktos.
Projekts “Bioekonomikas ekselences centra attīstīšana Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā (WoodChemPlus)” tiek īstenots Eiropas Savienības kohēzijas politikas programmas aktivitātes 1.1.1.2. “RIS3 pētniecības un inovācijas centri” ietvaros. Programmu Latvijā koordinē Izglītības un zinātnes ministrija, kas veido valsts zinātnes un inovācijas politiku un veicina pētniecības infrastruktūras attīstību stratēģiski nozīmīgajās RIS3 jomās.
