Projekti / Programi
Biotehnološki procesi obdelave lignoceluloznih materialov
| 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 |
| 2.11 |
Tehniške in tehnološke vede |
Druge tehniške in tehnološke vede |
biotehnološki postopki funkcionalizacije lignoceluloznih površin, lignin, fenolni monomeri, lakaze, EPR, spektroskopije
Raziskovalci (27)
Organizacije (4)
Povzetek
Lignocelulozni kompoziti (iz olesenelih rastlin in enoletnic) postajajo izredno pomembni in perspektivni trajnostni materiali iz obnovljivih virov. Zaradi občutljivosti na različne biotske in abiotske dejavnike pa se lahko deformirajo in razpadajo. Te pomanjkljivosti so v preteklosti poskušali zmanjšati na različne fizikalne in kemijske načine, kar pa je lahko povzročilo še večje težave, saj so ti postopki lahko škodljivi okolju in/ali energetsko zahtevni.
Kot odgovor na te pomanjkljivosti v projektu predlagamo razvoj okolju prijaznega biotehnološko/encimskega (z uporabo lakaze) tehnološkega procesa za premrežitev in kovalentno vezavo funkcionalnih molekul (kemijsko drugačni, netoksični fenoli) na površine lignoceluloznih materialov, s čimer bi nanje uvedli ciljne (multi)funkcionalne površinske lastnosti (omakanje, hidrofobnost, protimikrobna aktivnost, odpornost na gorenje in sevanje UV in/ali obarvanje). Da bi izkoristili glavni prednosti encimov (substratna specifičnost in prostorska selektivnost), se bomo v projektu osredotočili na izboljšanje razumevanja kemijske in morfološke strukture lignina na površinah lignoceluloznih materialov; izboljšanje razumevanja in vodenja encimske aktivacije in modifikacije lignina v lignoceluloznih materialih; izboljšanje razumevanja in vodenja encimske aktivacije in polimerizacije kemijsko različnih fenolnih monomerov na aktivirani lignin in na pridobivanje nove bakterijske lakaze kot možne (boljše) alternative obstoječim glivnim lakazam. V zaključku projekta pa bomo nove procese ovrednotili z vidika ekonomike in okoljskih vplivov, ter jih primerjali z obstoječimi postopki.
S standardnimi in nestandardnimi metodami, ki so v uporabi v znanosti in tehnologiji vlaken in lesa, bomo proučevali delovanje in učinkovitost novorazvitih postopkov za biotehnološko funkcionalizacijo lignoceluloznih materialov. Več spektroskopskih tehnik, kot so fluorescenčna konfokalna mikroskopija (FCM), fluorescenčna mikrospektroskopija (FMS), elektronska paramagnetna resonanca z lovilci spinov (EPR ST), Ramanska in FTIR mikrospektroskopija bomo optimizirali za molekularno karakterizacijo strukture lignoceluloznih površin, aktivacije lignina in fenolnih monomerov ter modifikacije in polimerizacije z lakazo. Za razjasnitev odvisnosti aktivacije od položaja (globine) v lignoceluloznem matriksu bomo razvili EPR ST 1D (imaging).
Novopridobljeno znanje in metodologije bodo znatno prispevali k razvoju večih področij znanosti (lesarstvo, tekstilna in tehnična vlakna, polimerna kemija, biofizika polimerov, biotehnologija). Identificirali bomo nove strategije za modifikacijo lignoceluloznih vlaken in površin lesa, kar bo prispevalo k trajnostnemu razvoju lokalne, regionalne in evropske tekstilne in lesne industrije. Ker inovativni in okolju prijazni materiali in tehnologije lahko pripomorejo k povečanju dodane vrednosti iz njih narejenih izdelkov, bomo še posebej poskrbeli za razširjanje rezultatov projekta v znanstveni, strokovni in širši družbeni srenji.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj in optimizacija instrumentalnih metod, ki smo ju uresničili z delom na projektu »L4-3641 – Biotehnološki procesi obdelave lignoceluloznih materialov« pri optimizaciji postopkov za določevanje strukturnih lastnosti lignoceluloznih materialov ter optimizaciji postopkov encimatske aktivacije in polimerizacije izbranih fenolnih monomerov je prinesel nova spoznanja na področju instrumentalne metodologije in zelo povečal možnost uporabe večih analitičnih metod (elektronska paramagnetna resonanca z lovilci spinov (EPR ST) in 1D slikanje v raztopinah, Ramanska in FTIR mikrospektroskopija, ?-size, kapilarna elektroforeza, ciklična voltametrija) pri raziskavah lignoceluloznih materialov. Še poseben napredek smo dosegli z uspešno sklopitvijo nekaterih metod (kapilarna elektroforeza, ciklična voltametrija, UV-Vis spektroskopija, poraba kisika – EPR SL ter FTIR-ATR, CIELAB, TGA), kar predstavlja novost v svetovnem merilu. Z različnimi tehnikami molekularne biologiije in bioinformacijskimi orodji smo pokazali, da so lakaze zelo razširjene ne le v kraljestvu gliv, kot je bilo to že znano, ampak tudi pri bakterijah (identificirali smo preko 1200 potencialnih genov za lakaze, tudi v nekaterih ekstremofilnih bakterijah), ki je novost, ki odpira povsem novo polje pri raziskavah teh encimov. Funkcionalizacija lesne površine smreke z nanodelci preko koordinacijske vezave metaloksidnih nanocevk na polifenole preko fotoaktivacije nanodelcev z UV svetlobo pa je prvi poskus takega postopka s tako kompleksnimi nanodelci. Tako smo razvili sistem naprednih analitskih orodij za molekularno karakterizacijo strukture lignoceluloznih površin ter aktivacije fenolnih monomerov in njihove polimerizacije (premreženja) z lakazo, ki bo omogočal vrhunske raziskave na področju znanosti in tehnologije lignoceluloznih materialov. Razširili smo poznavanje kemijske in morfološke sestave lignina na površini lignoceluloznih materialov (lignocelulozna vlakna in les), ki je bila do sedaj le slabo raziskana. Še manj je bilo znanega o vplivih na učinkovitost aktivacije fenolnih monomerov z lakazo. V projektu smo premostili to vrzel v znanju, kar bo omogočilo optimizacijo encimske funkcionalizacije lignoceluloznih materialov. Izvirni izsledki raziskav bodo zato pomembno pripomogli k razvoju znanosti oziroma nekaterih strok (lesarstvo, tekstilna in tehnična vlakna, polimerna kemija, biofizika polimerov, biotehnologija). Nekatera nova spoznanja o sestavi materialov in procesih aktivacije monomernih fenolnih spojin, o relevantnem napredku pri razvoju analiznih metod in o novih možnostih za pridobivanje bakterijskih in ne le glivnih lakaz smo objavili v revijah, ki jih citira SCI, ter na referatih na mednarodnih znanstvenih konferencah. Za slovensko javnost, ki nima dostopa do tujih revij, ter za razvoj slovenskega znanstvenega jezika smo pregledni članek predstavili tudi v slovenski znanstveni in strokovni reviji. S tem smo v okviru sofinanciranega projekta tvorno prispevali k razpravi in izmenjavi mnenj v znanstveni skupnosti, kar je prvi pogoj za uspešen razvoj znanosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Z uspešnim delom pri projektu »L4-3641 – Biotehnološki procesi obdelave lignoceluloznih materialov« smo pripravili odlično podlago za razvoj nove, okolju prijazne tehnologije za izdelavo novih materialov iz obnovljivih virov z bistveno višjo dodano vrednostjo. To bi ekonomsko še aktivnim sofinancerjem tega projekta – preostalim industrijskim partnerjem projekta (GOZD LJUBLJANA d.d., Brest-pohištvo d.o.o., Kolpa d.d., Metlika, Riko – Hiše, d.o.o.) omogočilo ohranjanje prednosti pred konkurenčnimi podjetji lesnopredelovalne proizvodne verige. V preostalih podjetjih lesnopredelovalnega in pohištvenega sektorja bo to vzbudilo spoznanje, da je navezava na biotehnologijo in njen napredek za njih najbolj naravna pot do ustvarjanja novih materialov z višjo dodano vrednostjo, kar bi imelo zares velik pomen za celotno panogo. Kot okoljsko primerni in visokokvalitetni izdelki bodo encimsko funkcionalizirani lignocelulozni materiali s svojimi izboljšanimi lastnostmi zanimivi tudi kot vzorčni primer za promocijo komercializacije obnovljivih in za pridobivanje ter predelavo energetsko nezahtevnih virov. Rezultati predlaganega projekta bodo tako pripomogli tudi k ohranjanju okolja in naravne dediščine Slovenije. Povečevanje konkurenčne prednosti partnerskih podjetij bo povečalo potencial za ohranitev delovnih mest in uvajanje novih tehnologij. Uspešna izvedba projekta zato predstavlja potencial za proizvodnjo novih izdelkov z visoko dodano vrednostjo in posledično lahko pripomore k odpiranju novih delovnih mest. Rezultati projekta lahko tako pripomorejo k socialni kohezivnosti, ker pa je pridelava in predelava lesa ter lesnih izdelkov izrazito regionalna dejavnost, tudi k enakomernemu regionalnemu razvoju. Delo na projektu je potekalo v skladu s tematskimi prioritetami Ministrstva za visoko šolstvo, znanost in tehnologijo ter raziskovalnimi področji Strateškega raziskovalnega programa (SRA) evropske "Forestry based technology platform" (FTP) in Slovenske gozdno-lesne tehnološke platforme (SGLTP). Rezultati izvedenih raziskav se zato vklapljajo v strategije razvoja na nacionalni in mednarodni ravni, delo in rezultati projekta pa so pripomogli h krepitvi slovenskega in evropskega raziskovalnega področja (ERA). Razvoj in razširjanje namena analitskih metod, odkritja o možnosti pridobivanja novih (dokazano z dvema novima lakazama) tehnološko zanimivih encimov za funkcionalizacijo ter pridobivanje znanja s področja izdelave, karakterizacije in obdelave biotehnološko funkcionaliziranih lignoceluloznih površin v izvedenem projektu, pomeni ohranjanje stika s svetovno znanstveno srenjo, tako na področju lesarstva, kot tudi na področjih, kjer delujejo drugi raziskovalci projektne skupine. Predstavitev rezultatov, tudi s sprotnim vključevanjem v pedagoške procese na področju lesarstva in tekstilnih materialov (vključitev snovi v predavanja in vaje, vključevanje diplomantov, ki so pričeli izvajali raziskave s področja programa projekta), je imel projekt pomemben prispevek k prizadevanju k transformaciji in dojemanju lesarstva in tekstilstva iz panog, za kateri je značilna uporaba manj zahtevnih tehnologij, k visokotehnološko usmerjeni dejavnosti, ki prinaša visoko dodano vrednost. Z uspešnim zagovorom disertacij več doktorandov (tudi mladih raziskovalcev), ki so bili vključeni v delo projektne skupine, smo pripomogli k njihovem razvoju v vrhunske znanstvenike in strokovnjake v svetovnem merilu.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
