Projekti / Programi
Selektivna ekstrakcija molekul z visoko vrednostjo za sektor specialnih kemikalij iz ostankov
predelave lesa
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 4.01.02 |
Biotehnika |
Gozdarstvo, lesarstvo in papirništvo |
Lesarstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T460 |
Tehnološke vede |
Lesna, kašna in papirna tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Biorafinerija, polifenoli, procesna voda pri odstranjevanju lubja, ostanki predelave lesa, magnetne kroglice, monolitna kolona, ločevanje, zdravje
Raziskovalci (24)
Organizacije (5)
Povzetek
Gozdno lesi sektor, zlasti industrija celuloze in papirja, pri primarni predelavi lesa proizvaja velike količine lubja. Samo v letu 2017 je evropska industrija celuloze in papirja porabila skoraj 149 milijonov kubičnih metrov lesa. Lubje zmanjšuje kakovost lesnih izdelkov in se zato odstranjuje ter v glavnem uporablja za proizvodnjo energije z izgorevanjem. V industriji celuloze in papirja se za odstranjevanje lubja uporablja postopek mokrega lupljenja, katerega stranski proizvod je okolju in zdravju škodljiva voda. Pri predelavi vsakega kubičnega metra lesa se za odstranjevanje lubja porabi do 2 m3 vode. 20-40% suhe mase odstranjenega lubja so lipofilni in hidrofilni ekstrakti, ki jih je zaradi njihove toksičnosti potrebno obdelati v dragem postopku. Toda ti industrijski ostanki vsebujejo bioaktivne spojine s široko paleto potencialnih aplikacij visoke vrednosti v sektorjih človekovega zdravja in funkcionalnih živil. Med temi spojinami so v velikih količinah prisotni polifenoli, ki so tržno zelo zanumivi. Pri mnogih polifenolih je potrjena antioksidativna aktivnost, sposobnost uničevanja prostih radikalov. Polifenoli se uporabljajo v raziskovalnih programih za preprečevanje koronarne bolezni srca, raka in napredka HIV. Te biokemikalije so tudi potencialni vir številnih inovacij v proizvodih in so lahko alternativa kemikalijam na osnovi nafte. Iskanje metod za odstranjevanje velikih količin teh ekstraktov ima velik pomen za okolje, ob tem pa predstavlja gospodarsko priložnost.
V tem projektu bomo razvili metodologijo za dostop do teh polifenolov z visoko vrednostjo iz mokrih in suhih procesov odstranjevanja lubja in s tem dodali vrednost toksičnim odpadnim materialom. Projekt je temeljna raziskava, z možnostjo aplikacij na industrijski in tržni ravni. Razvili bomo trajnosten in ponovljiv postopek z uporabo funkcionaliziranih magnetnih delcev za zbiranje polifenolov iz ostankov, ki mu bo sledilo njihovo ločevanje na monolitnih nosilcih. Da bi bolje razumeli vpliv ključnih parametrov obdelave na učinkovitost in natančnost ekstrakcije polifenolov pri ciljanju na specifične tipe, bomo z ekstrakcijo polifenolov pod različnimi pogoji izdelali primerjalno študijo in modeliranje (kemometrija v kombinaciji s sočasno spektroskopsko analizo (in-line spectroscopic analysis). Z analizo življenjskega cikla (LCA) in izračunom stroškov življenjskega cikla (LCC) bomo ocenili okoljsko in ekonomsko upravičenost razvitega postopka, da bi ugotovili, ali je smiselno pridobivati polifenole iz mokrih ali suhih ostankov odstranjevanja lubja v primerjavi s konvencionalno metodo obdelave onesnažene vode in sežiganjem suhih materialov. Rezultati tega projekta so lahko zelo koristni za slovenske in evropske (z upravljanjem pravic intelektualne lastnine) industrije gozdno lesnega sektorja, ki uporabljajo mokre in suhe procese odstranjevanja lubja in z njimi povezane ostanke.
Pomen za razvoj znanosti
Pričakujemo, da bomo v projektu ustvarili napredek, ki presega najsodobnejše ugotovitve na različnih znanstvenih področjih:
Nove baze podatkov
V DS3 bomo ustvarili baze podatkov (kot znanstveni napredek sam po sebi) z izboljšanimi informacijami o spojinah, ekstrahiranih iz procesne vode pri odstranjevanju lubja, njihovimi značilnostmi in možnimi načini uporabe. Baza podatkov bo služila kot referenca in izhodišče za nadaljnje raziskovanje v organski kemiji, znanosti o okolju, farmaciji, prehranski znanosti in medicini. V kombinaciji z bazami zbranimi v DS2 o tržnem potencialu polifenolov bo to močno orodje za raziskave ekonomičnosti naravnih kemikalij iz obnovljivih virov. Temeljni projekt, ki temelji na evropskih načelih odprte znanosti, si bo prizadeval, da svoje rezultate deli javno, v revijah z odprtim dostopom in v čim večjem obsegu na mednarodnih platformah za izmenjave znanja (razen če bodo kateri rezultati prepoznani kot komercialno perspektivni že v bližnji prihodnosti).
Napredno znanje iz modeliranja podatkov
Novo znanje in podatki, pridobljeni z multivariatno analizo podatkov (MDA) in kemometrijo, bodo inženirjem omogočili nadaljnji razvoj in avtomatizacijo tehnologij za pripravo in ločevanje (poli)fenolnih spojin iz različnih virov. Poleg tega bodo odprli vrata temeljnim ekološkim in fiziološkim raziskavam rastlin (razmerje med količino in kakovostjo fenolnih vrst v industrijskih ostankih in ekološkimi parametri rasti rastlinskih materialov, ki so bili vir določene serije biomase). S temi raziskavami je mogoče ugotoviti povezanost med vplivom ekoloških parametrov in fiziologijo rastlin (sekundarnega metabolizma, v katerem nastajajo fenolne snovi).
Napredek v tehnologiji magnetnih kroglic in separacije
Raziskave na področju odstranjevanja s pomočjo magnetnih kroglic in tehnik ločevanja ter čiščenja omogočajo vpogled v naravo in dinamiko interakcij (poli)fenolnih snovi z drugimi materiali (v tem primeru s funkcionaliziranimi magnetnimi kroglicami na osnovi kovine in monolitnimi kolonami na osnovi metakrilata). S tem se odpira nešteto možnosti za nadaljnje raziskave na različnih področjih znanosti o materialih (npr. reologija lepil na osnovi fenolov in procesi utrjevanja/lepljenja, raziskave bio plastike, temeljni procesi v organski sintezi).
Pridobili bomo novo znanje o naravi, učinkovitosti in dinamiki polifenolnih interakcij, ki vodi k novim temeljnim odkritjem v kemiji. To bi lahko peljalo k raziskavam novih premazov na biološki osnovi (na osnovi fenolov) in drugih materialov iz industrijskih ostankov.
Pridobljeni fenoli lahko vodijo do raziskav v organski kemiji, da bi se iz njih sintetizirale bolj zapletene spojine, ki bi zmanjšale potrebo po materialih iz fosilnih virov.
Izboljšanje znanstvenih in praktičnih orodij za analizo LCA in LCC
Izboljšave bodo doprinesle podrobnejše razumevanje okoljskih vplivov lesno-predelovalne industrije, še posebej pa proizvodnje celuloze. S tem bomo odprli dodatne možnosti za bistven napredek v znanosti o okolju.
Pomen za razvoj Slovenije
It is expected that the project will bring the progress beyond the state of the art in different scientific fields:
New databases
Databases with improved information on the extracted compounds from debarking water, their characteristics and potential uses will be generated in WP3. It will serve as a reference and a starting point for further exploration in organic chemistry, environmental science, pharmacy, food science, and medicine. Combined with the databases, compiled in WP2 on the market potential of polyphenols, it will be a powerful tool for research in economics of naturally occurring renewable chemicals. Based on the European principles of open science, this basic project will strive to share its results (unless some results will be identified as commercially exploitable in the very near future) openly, in open-access journals, and in as many international knowledge sharing fora as possible.
Advanced knowledge in data modelling
The new knowledge and data obtained by multivariate data analysis (MDA) and chemometrics will open the path for engineers to further develop and automatize technologies for preparation and separation of (poly)phenolic compounds from various sources. Moreover, it will open the door for basic plant ecology and physiology studies (the relationship between quantity and quality of phenolic species in industrial residue streams and ecological parameters of growth stands of plant materials, which were the source of the particular biomass batch). With these studies an indirect correlation between the influence of ecological parameters and the plant physiology (secondary metabolism, in which phenolic substances are produced) can be obtained.
Advancement in magnetic bead and separation technology
The research on magnetic bead removal and separation and purification techniques will give an insight into the nature and dynamics of the interaction between (poly)phenolic substances and other materials (i.e., functionalised metal-based magnetic beads and methacrylate-based monolithic columns), thereby opening countless possibilities for further research in various fields of material science (e.g., phenolics-based adhesives rheology and curing/adhesion processes, bioplastics research, basic processes in organic synthesis).
New knowledge will be gained on the nature, efficiency, and dynamics of polyphenolic interactions, leading towards new discoveries in basic chemistry. This might lead to research of new biobased coatings (based on phenolics) and other materials from the side streams of industries.
The obtained phenolics may lead to research in organic chemistry to start synthesis of more complicated compounds from these starting materials, reducing the need for materials from fossil-based sources.
Improvement of scientific and practical tools for LCA and LCC analysis
These improvements will bring about a much more detailed understanding of environmental impacts of the wood-processing industry in general, and pulp production in particular. Thereby, further possibilities will open for substantial improvements in environmental science.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
