Inovatīvi micēlija biokompozīti (MB) no augu atlikumu biomasas ar uzlabotām īpašībām ilgtspējīgiem risinājumiem
Projekta apraksts
Projekta ietvaros tiks izstrādāti inovatīvi micēlija biokompozīti (MB) no sēnes micēlija un augu valsts atkritumiem ar uzlabotām fizikāli mehāniskajām un metālu sorbcijas īpašībām, kuri ir konkurētspējīgi ar sintētiskajiem putu materiāliem un tradicionālajiem kompozītmateriāliem. Lauksaimniecības un kokrūpniecības ražošanā veidojas biomasas atkritumi, kuru utilizācijai nepieciešami jauni risinājumi. Sintētiskie siltumizolācijas un iepakojuma materiāli piesārņo vidi, jo nav biodegradējami. Smagie metāli izraisa vides piesārņojumu, un to savākšanā aktuāli ir izmantot jaunus, videi draudzīgus biosorbentus.
MB būs inovatīvs biomateriāls, kas risinās biomasas atkritumu utilizācijas un vides piesārņojuma jautājumus. Projektā paredzētās aktivitātes:
- MB izveide no sēnes micēlija un augu valsts biomasas atkritumiem; procesa optimizācija.
- MB īpašību uzlabošana ar dabīgām vielām (hitīns, suberīnskābe u.c.).
- MB fizikāli mehānisko un biodegradācijas īpašību izvērtējams atbilstībai ekoloģisku izolācijas un iepakojuma materiālu kategorijai.
- Metālu sorbcijas īpašību izvērtējams pielietojumam vides piesārņojuma mazināšanai.
Uzsaukums, aktivitāte: Latvijas Zinātnes Padomes Fundamentālo un lietišķo pētījumu projektu 2023. gada konkurss (LZP FLPP 2023/1)
Projekta īstenošanas gaita
01.01.2024 - Uzsākta projekta īstenošana.
31.03.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.01.2024. – 31.03.2024. (1. ceturksnis)
Tiek uzsākta projekta aktivitāšu (WP) īstenošana:
WP2 – Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Izveidoti pamata MB paraugi no kviešu salmu un bērza slīpputekļu substrātiem un bazīdijsēnes T. versicolor micēlija. Katram pamatsubstrātam izveidoti četri varianti ar dažādām papildus substrātu kombinācijām. Veiktas MB substrātu granulometriskās un ķīmiskās analīzes (Klāsona lignīns, Kiršnera celuloze, monosaharīdi). Veikta MB mitruma noteikšana audzēšanas starpstadijā un izaudzētos MB paraugos. Noteikta substrātu ūdens absorbcijas kapacitāte. Izstrādāti un optimizēti bazīdijsēnes T. versicolor kultivēšanas parametri, lai iegūtu iespējami augstāku biomasas koncentrāciju inokulātam.
30.06.2024 - Projekta pārskats par periodu 01.04.2024. – 30.06.2024. (2. ceturksnis)
WP 2 - Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Noteikts pelnu saturs, veikta Furjē transformācijas infrasarkanā starojuma spektroskopija (FTIR) un elementu CHNS analīze gan substrātos, gan MB. Veikta MB paraugu mikrostruktūras analīze ar skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) metodi. Uzsākta pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, hibridizācija ar dabīgo savienojumu - hitozānu, lai uzlabotu MB fizikāli mehāniskās un metālu sorbcijas īpašības. Šim nolūkam ir veikti T. versicolor augšanas skrīningi barotnēs ar dažādu koncentrāciju hitozāna piedevu. Atlasītas hitozāna koncentrācijas iekļaušanai MB sastāvā un virsmas apstrādei.
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Noteiktas pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, mehāniskās īpašības(spiede, liece), kopā astoņiem MB paraugu variantiem. Uzsākts darbs pie pamata MB kombināciju virsmas laukuma un poru analīzēm, uzņemtas adsorbcijas/ desorbcijas izotermas.
WP 4 – Komunikācija un rezultātu izplatīšana
- Izveidots Komunikācijas un Datu Menedžmenta plāns ARGOS atvērtajā paplašināmā pakalpojumā un ZENODO datu repozitorijā.
Projekta rezultāti ir prezentēti starptautiskā konferencē International Conference for Young Scientists on Biorefinery Technologies and Products BTechPro2024, Rīga, Latvija, 24-26. 04, 2024. M. T. Dzierkale uzstājās ar referātu MYCELIUM-BASED COMPOSITES: A COMPARISON OF MATERIAL PROPERTIES DEPENDING ON THE SUBSTRATE (autori M.T. Dzierkale, I. Irbe, I. Filipova, L. Andze, O. Bikovens, A. Verovkins, D. Cars)
- D. Cars LV KĶI izstrādāja un LU Bioloģijas fakultātē teicami aizstāvēja bakalaura darbu MICĒLIJA BIOKOMPOZĪTU ĶĪMISKĀ SASTĀVA IZMAIŅAS BAZĪDIJSĒNES HIFĀM IEDARBOJOTIES UZ SUBSTRĀTU (darba vadītāja Dr. Ilze Irbe; konsultants Dr. Oskars Bikovens), iegūstot bakalaura grādu bioloģijā.
- M.T. Dzierkale LV KĶI izstrādāja un LU Bioloģijas fakultātē teicami aizstāvēja maģistra darbu MICĒLIJA KOMPOZĪTU SUBSTRĀTA IETEKME UZ TO ĪPAŠĪBĀM (darba vadītāja Dr. Ilze Irbe), iegūstot maģistra grādu bioloģijā.
30.09.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.07.2024. – 30.09.2024. (3. ceturksnis)
WP 2 - Micēlija biokompozītu (MB) izveide
Pabeigta pamata MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, hibridizācija ar dabīgo polimēru - hitozānu, lai uzlabotu MB fizikāli mehāniskās un metālu sorbcijas īpašības. Veikta hibridizēto MB paraugu mikrostruktūras analīze ar stereomikroskopijas un SEM metodēm. Vizualizēts hitozāna kristālu izvietojums kompozītos. Secināts, ka hitozāna inkorporēšana slīpputekļu kompozītos līdz 15% koncentrācijai neinhibē sēnes augšanu, bet salmu kompozītos sēnes augšana notiek līdz 4% hitozāna koncentrācijai substrātā.
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
MB plātņu virsmas apstrādātas ar diviem un četriem hitozāna pārklājuma slāņiem. Nomērīts pārklājuma kontaktleņķis, lai raksturotu virsmas hidrofobās īpašības. Secināts, ka divslāņu hitozāna pārklājums nodrošina līdzīgu hidrofobitāti kā četri slāņi.
Virsmas laukuma un poru analīzes paradīja, ka pamata MB paraugiem ar slīpputekļu substrātu, bija mazāks īpatnējais virsmas laukums un poru tilpums nekā salmu paraugiem. Lielākais BET virsmas laukums tika konstatēts salmu-III variantam (3.35 m2*g-1), bet lielākais poru tilpums salmu-IV variantam (8.0 cm3*g-1). Hibridizētos MB paraugos, palielinoties hitozāna procentam slīpputekļu kompozītos, BET virsmas laukums un poru tilpums samazinājās, parādot, ka hitozāna pievienošana izveidoja mazāk porainu kompozītmateriāla struktūru. Tikmēr salmu MB paraugi neuzrādīja statistiski nozīmīgu atšķirību starp hitozāna saturu un BET virsmas laukumu.
Veikta pamata MB un hitozāna hibridizēto MB paraugu higroskopisko īpašību noteikšana pēc ASTM C1498-04a: 2016 standarta. Relatīvā mitruma (%) paaugstināšana no 50% – 95% izraisīja pakāpenisku MB paraugu mitruma palielināšanos - slīpputekļu un salmu MB kontroles paraugiem maksimāli sasniedzot 17 – 18%, bet hibridizētiem MB paraugiem - 17% – 30% robežās, atkarībā no kompozīta sastāva un virsmas pārklājumu skaita.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
Projekta rezultāti ir prezentēti starptautiskā konferencē 12th International Mycological Congress (IMC 12), 11-15 August 2024, Maastricht, Netherlands. I. Irbe piedalījās ar stenda referātu ‘’Mycelium biocomposites as eco-friendly insulation materials’’ (autori I. Irbe, M. Kirpluks, I. Filipova, L. Andze, O. Bikovens, A. Verovkins).
28.09.2024 projekta “Sēņu diena novados 2024” ietvaros Sēlijā, Gārsenes pilī notika sēņu un tās materiālu izstāde, kurā tika prezentēti KĶI Celulozes laboratorijā veidotie micēlija kompozīti (foto Zaiga Kaire).
04-06.10.2024 Latvijas Nacionālajā dabas muzejā notika „Lielā sēņu izstāde 2024”, kuras ietvaros pirmo reizi tika demonstrēti KĶI Celulozes laboratorijā veidotie micēlija kompozīti (foto Ilze Irbe).
28.12.2024. - Projekta pārskats par periodu 01.10.2024. – 31.12.2024. (4. ceturksnis)
WP 3 – MB īpašību izvērtēšana un validēšana
Noteiktas hitozāna hibridizēto MB kompozīciju, kas satur kviešu salmus un bērza slīpputekļu substrātus, fizikāli mehāniskās īpašības (blīvums, spiedes un lieces stiprība, elastības modulis), kopā astoņiem MB paraugu variantiem. Lieces stiprību ietekmēja MB kompozīcija un pārklājumu slāņu skaits. Novērots, ka četru slāņu hitozāna pārklājums pārsvarā uzlaboja lieces stiprību, bet ne elastības moduli. Spiedes stiprību un elastības moduli virsmas pārklājums kopumā neuzlaboja.
Ūdens absorbcijas un uzbriešanas tilpumā īpašības kontroles un hibridizētiem MB paraugiem tika analizētas saskaņā ar standartu ASTM D1037: 2012, paraugus 2 un 24 stundas iegremdējot destilētā ūdenī. Konstatēts, ka lielākais ūdens daudzums tiek absorbēts jau pēc 2 stundām, ar nelielu pieaugumu pēc 24 stundām. Novērota tendence, ka salmu MB paraugiem pārklājums samazināja ūdens absorbciju, bet slīpputekļu paraugiem -palielināja. Uzbriešanu tilpumā ietekmēja MB paraugu variants un pārklājumu skaits.
WP 4 - Komunikācija un rezultātu izplatīšana
Iznākusi publikācija: Irbe, I.; Kirpluks, M.; Kampuss, M.; Andze, L.; Milbreta, U.; Filipova, I. 2024. Assessing the Conformity of Mycelium Biocomposites for Ecological Insulation Solutions. Materials, 17, 6111. https://doi.org/10.3390/ma17246111
