Joanna Berłowska Załącznik 2a
39
Zagospodarowanie biomasy roślinnej w skojarzonych procesach biologicznych i chemicznych
Od roku 2012 rozwijana przeze mnie tematyka dotyczyła także wykorzystania
odpadowych materiałów roślinnych w procesach biotechnologicznych i chemicznych. Prace te finansowane były w ramach realizacji dwóch projektów NCBiR Programu Badań Stosowanych:
„Biomasa wysłodków cukrowniczych jako nowy surowiec do wytwarzania podłoży fermentacyjnych” (2012-2016), którego byłam kierownikiem oraz BIOSTRATEG „Przetwarzanie biomasy odpadowej w skojarzonych procesach biologiczno-chemicznych” (2016-2019), którego jestem kierownikiem naukowym.
Materiał badawczy stanowił bardzo zróżnicowany pod względem chemicznym surowiec, począwszy od odpadowych surowców skrobiowych, po bogate w celulozę lub pektyny wysłodki buraczane, do materiałów typowo lignocelulozowych, jakim są liście buraczane i młóto browarne. Konwersję biomasy prowadzono w kierunku pozyskiwania szeregu produktów: m.in.
białka SCP (Single Cell Protein), biogazu, kwasu mlekowego, furfuralu i jego pochodnych.
Procesy biologiczne
W badaniach dotyczących otrzymywania SCP wykorzystano szczepy drożdży pochodzące z Kolekcji ŁOCK 105 oraz kolekcji Zakładu Technologii Spirytusu i Drożdży Instytutu Technologii Fermentacjii Mikrobiologii PŁ: Trichosporon cutaneum Ł0254, Candida utilis Ł0021, Candida tropicalis Ł0005, Candida tropicalis Ł0007, Candida guilliermondi ATCC 6260, Pichia stipitis Ł047, Pichia stipitis Ł048 oraz hydrolizaty wysłodków buraczanych. Hodowle prowadzono w kolbach, w warunkach wstrząsanych oraz w fermentorze laboratoryjnym. W warunkach hodowli prowadzonej w fermentorze wydajność konwersji sacharydów na biomasę drożdży oraz na białko ogółem wynosiła odpowiednio 38,9% oraz 21% w stosunku do substancji redukujących, obecnych w hydrolizacie przed hodowlą.
Jako substraty do procesów metanogenezy stosowano szlamy powstające po hydrolizie enzymatycznej i odwodnieniu. Szlamy te stosowane były jako mono-substraty lub jako składnik mieszaniny szlamów z osadami ściekowymi lub pomiotem kurzym. W pierwszym przypadku widoczny był deficyt związków biogennych (głównie azotu i fosforu). Zawartość tych związków
Joanna Berłowska Załącznik 2a
40
przy zastosowaniu mieszaniny surowców była wysoka, co również uzasadniało konieczność łączenia szlamów z substratem bogatym w azot i fosfor. Badania prowadzone były na stanowisku obejmującym reaktory o pojemności 3 dm3 każdy, połączone ze zbiornikami biogazu.
Codzienne odprowadzanie i doprowadzanie materiału do fermentacji odbywało się przy wykorzystaniu pompy perystaltycznej. Oprócz ilości biogazu została oceniona stabilność procesu w czasie odpowiadającym co najmniej 5 wymianom zawartości komór fermentacyjnych.
Wszystkie badane procesy charakteryzowały się wysoką stabilnością, o czym świadczy wartość pH wynosząca od 7,0 do 7,3 oraz zawartość lotnych kwasów tłuszczowych nie przekraczająca 2000 g/m3. W żadnej z przeprowadzonych serii badawczych nie stwierdzono inhibicji metanogenezy przez amoniak. Wyniki ko-fermentacji szlamów z pomiotem kurzym były zbliżone do tych uzyskanych podczas ko-fermentacji szlamów z osadami, a optymalne mieszaniny zawierały 50% udział szlamów oraz 50% udział pomiotu.
Skojarzone procesy biologiczno-chemiczne
W ramach prac realizowanych w projekcie „Przetwarzanie biomasy odpadowej w skojarzonych procesach biologiczno-chemicznych” przebadano ponad 20 rodzajów biomasy odpadowej z przemysłu rolnego (m.in. wysłodki buraczane, świeże a także poddane procesom mrożenia, kiszenia i peletyzowania, liście buraczane: świeże, mrożone, suszone i kiszone) oraz sektora komunalnego (liście i gałęzie). Celem podjętych prac badawczych było wskazanie efektywnych kierunków zagospodarowania biomasy roślinnej, uwzględniając charakter surowca, oraz warunki obróbki wstępnej, a następnie wykorzystanie pozyskanych hydrolizatów w procesach biologicznej oraz chemicznej konwersji uzyskując określone spektrum produktów:
furfural oraz jego pochodne (m.in. alkohol tetrahydrofurfurylowy), a także kwas mlekowy lub SCP (biomasę bakterii fermentacji mlekowej czy drożdży).
W badaniach wstępnych stosowano ujednoliconą procedurę hydrolizy kwasowej biomasy: rozdrobnioną mechanicznie i wysuszoną do stałej masy biomasę, zadawano nadmiarem 25% H2SO4 (stosując proporcję 1:5) ogrzewano w układzie do destylacji prostej w temperaturze wrzenia. W destylacie określano zawartość furfuralu za pomocą techniki GC-FID, kontrolując skład jakościowy hydrolizatu za pomocą GC-MS. Proces hydrolizy kwasowej
Joanna Berłowska Załącznik 2a
41
zoptymalizowano dla młóta browarnianego, dla którego stwierdzano najwyższe wydajności furfuralu w destylatach. Ustalono, że najwyższe wydajności furfuralu w stosunku do suchej masy w surowcu otrzymuje się wykorzystując kwas siarkowy (VI). Kwas ten można zastąpić kwasem solnym o takim samym stężeniu jonów wodorowych w roztworze bez istotnych strat wydajności, jednakże pozostałość po hydrolizie jest trudniejsza w dalszej obróbce. Określono, ponadto, wpływ stopnia rozdrobnienia, długości namaczania suchego surowca, wstępnej obróbki mikrofalowej oraz ultradźwiękowej namoczonego surowca na wydajność furfuralu.
Pozostałość po destylacji odmywano wodą dejonizowaną, neutralizowano CaCO3 i badano na zawartość cukrów prostych.
Badania wykonane z wykorzystaniem biomasy odpadowej przemysłu cukrowniczego, wskazują wyraźnie na fakt, że w celu uzyskania dużej ilości produktów chemicznych (np.
furfuralu), procesy należy prowadzić w silnie kwasowym środowisku (5% H2SO4) i wysokiej temperaturze (140oC). Podniesienie temperatury powyżej 150oC prowadzi do znacznego zgazowania próbki. Z punktu widzenia otrzymywania hydrolizatów, które mogłyby znaleźć zastosowanie jako podłoża fermentacyjne, korzystne jest prowadzenie procesu w podwyższonej temperaturze (130-140oC), bez użycia kwasu siarkowego (VI) lub przy jego niskiej zawartości (0,5-2%) i w długim czasie (2-6 godzin). Kwasowa obróbka biomasy odpadowej przemysłu cukrowniczego prowadziła do uwalniania głównie galaktozy, arabinozy oraz mannozy. Biomasę świeżych liści buraczanych poddawano również hydrolizie enzymatycznej stosując preparaty o aktywnościach celulolitycznych, ksylanolitycznych oraz pektynolitycznych: Celluosoft 1,5 L, Vicozyme, Ultroflo Max, AlternaFuel 200P, CeluStar XL, Accellerase 1500 oraz termohydrolizę.
Na pozyskanych podłożach prowadzono hodowle z wykorzystaniem wyselekcjonowanych szczepów bakterii fermentacji mlekowych, zarówno kolekcyjnych jak i izolatów środowiskowych.
Efektem przeprowadzonych badań z tego zakresu są dwa rozdziały w książce oraz sześć artykułów opublikowane w czasopismach z listy filadelfijskiej (o łącznym IF = 20.4).
20. Pielech-Przybylska K., Berłowska J., Balcerek M., Patelski P., Kalinowska H., Dziugan P.;
Fermentacja alkoholowa hydrolizatów z wysłodków buraka cukrowego; Technologia produkcji i bezpieczeństwo żywności; 2014, ISBN 978-83-937001-3-4, 43-53;
4 pkt.
21. Berłowska J., Balcerek M., Pielech-Przybylska K., Patelski P., Kalinowska H., Dziugan P.,
Przybylak P.; Dobór drożdży do fermentacji hydrolizatów z wysłodków buraka cukrowego;
Technologia produkcji i bezpieczeństwo żywności; 2014, ISBN 978-83-937001-3-4, 17-30;
4 pkt.
22. Lesiak M., Binczarski M., Karski S., Maniukiewicz W., Rogowski J., Szubiakiewicz E., Berłowska
J., Dziugan P., Witońska I.; Hydrogenation of furfural over Pd–Cu/Al2O3 catalysts. The role of interaction between palladium and copper on determiningcatalytic properties; Journal of Molecular Catalysis A: Chemical; 2014, 395, 337–348; 24. Borowski S., Kucner M., Czyżowska A., Berłowska J.; Co-digestion of poultry manure and
residues from enzymatic saccharification and dewatering of sugar beet pulp; Renewable Energy; 2016, 99, 492-500;
4.357 / 30 pkt.
25. Modelska M., Berłowska J., Kręgiel D., Cieciura W., Antolak H., Tomaszewska J., Binczarski M., Szubiakiewicz E., Witońska I.; Concept for recycling waste biomass from the sugar industry for chemical and biotechnological purposes; Molecules; 2017; 22 (9), 1544; 1-26.
27. Tomaszewska J., Dariusz Bieliński, Binczarski M., Berłowska J., Dziugan P., Piotrowski J., Stanishevsky A., Witońska I., Products of sugar beet processing as raw materials for chemicals and biodegradable polymers, RSC Advances, 2018, 8(6), 3161-3177.
Prowadzone przeze mnie prace związanie z zagospodarowaniem surowców roślinnych skierowane były również w kierunku pozyskiwania związków o szczególnym znaczeniu dla przemysłu spożywczego i napojowego.
Prace w/w obszarze tematycznym wykonywałam m.in. w ramach projektu INNOTECH (NCBiR) „Opracowanie technologii wytwarzania syropów cukrowych z buraka cukrowego jako substytutu cukru białego dla wybranych zastosowań w przemyśle spożywczym” (w którym pełniłam funkcję wykonawcy). W soku gęstym znajdują się pożądane związki biologicznie czynne, takie jak biotyna i kwas foliowy, a także witamina B6 i pozostałość kwasu