Ieguldījums izaugsmei: Cukurs no lauksaimniecības un citiem atkritumiem

Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) Dabaszinātņu un tehnoloģiju fakultātes Ūdens sistēmu un tehnoloģiju institūta pētnieku izveidotā tehnoloģija dod iespēju bez ķīmiskajiem līdzekļiem daudz īsākā laika periodā sašķelt biomasu un citus substrātus, iegūt cukuru, kas attīrīts tālāk ir izmantojams dažādu tirgū pieprasītu produktu ražošanai.

Pārstrādāt, nevis pūdēt un piesārņot

Dažādi lauksaimniecības un zaļie atkritumi var būt diezgan liels izaicinājums gan to radīto SEG emisiju, gan arī piesārņojuma dēļ. Pētnieki sākuši ar dabīgo pļavu zāli. Pēc pļaušanas tā ir jānovāc. Kur to likt? Ne visas pļavas var noganīt un ne visu zāli izmanto. Pārstrādājamā biomasa līdz rudenim daudz izaug arī pilsētās – tās ir lapas un citi zaļie atkritumi. Mežizstrādes pārpalikumi, tostarp zari, koku galotnes, arī ir biomasa. Zinātniskā valodā runājot – biomasa ir viss, kas satur celulozi, lignocelulozi, kuras galvenā sastāvdaļa ir cukuri.

RTU Dabaszinātņu un tehnoloģiju fakultātes Ūdens sistēmu un tehnoloģiju institūta pētnieku pirms vairākiem gadiem īstenotajā ES projektā "Videi draudzīga bezatlikuma tehnoloģija šķidrās biodegvielas un biogāzes ražošanai no biomasas" izveidota tehnoloģija, kas ļauj efektīvi ar dabiskajiem līdzekļiem – no sēnēm izdalītajiem enzīmiem – daudz ātrāk apstrādāt zāles un lauksaimniecības atkritumu biomasu un ražot uz atdalīto cukuru bāzes pieprasītus produktus un arī biogāzi. 

Kā norāda institūtā, 

projekta dziļākā doma – izmantot nevajadzīgo biomasas daļu. Nevis vienkārši atstāt to uz zemes, kaudzē, bet aizvākt no tās izmantojamo daļu.

Institūtā uzsver – īstenotais projekts, kura laikā patentēta arī membrānu tehnoloģija, sasaucas ar Eiropas Savienības Atjaunojamās enerģijas direktīvu. 

Proti, enerģijas ražošanai ir jāizmanto alternatīvie substrāti, nevis lauksaimniecības kultūraugi. Piemēram, kukurūza ir ļoti laba biogāzes ražošanā izmantojamā izejviela. Lauku atbalsta dienests ziņo, ka pērn piecu lielāko saimniecību biogāzes ražošanai audzētās kukurūzas platības pavisam pārsniedza 527 hektārus zemes. Visvairāk – 239 hektāru platībā – kukurūzu biogāzes ražošanai audzēja Lielplatones pagasta Jāņa Vintera zemnieku saimniecībā "Līgo".

RTU pētnieki savu enerģiju galvenokārt koncentrēja uz cukuriem jeb ogļhidrātiem. No sēnēm iegūtie enzīmi sašķeļ biomasu, zaļos atkritumus. Nākamajā posmā savāc cukuru, lignocelulozi. Celuloze galvenokārt sastāv no glikozes molekulām. Cukuru var izmantot kā barību baktērijām un tālāk ražot citus produktus. Var arī ražot biogāzi no vieglāk šķeļama substrāta.

Projekta laikā arī izpētīts, kuras sēnes visvairāk ražo enzīmus, turklāt šie enzīmi ir jāsavāc.

Cukura ieguves process

"Pievienojot biomasai pareizos sēņu enzīmus, saliekot pareizajās kombinācijās, mēs paātrinām biomasas sadalīšanās procesu. Nav vajadzīgi mēneši, sadalīšanās, sašķelšana un cukura ieguve diezgan veiksmīgi notiek nedēļas laikā. Precizēšu, ka

iegūstam dažādu cukuru maisījumu šķīdumu, nevis parasto galda cukuru. Dažādo cukuru šķīdums nav tīra glikoze. 

Tur būs divas glikozes molekulas kopā – disaharīdi, arī kaut kas no fruktozes, ksilozes, no citiem ogļhidrātiem. Esam mēģinājuši arī tos atdalīt, bet atdalīšana patlaban ir nepārliecinoša," skaidro RTU Dabaszinātņu fakultātes Ūdens sistēmu un biotehnoloģiju institūta direktore, Dr. sc. ing. Linda Mežule.

Kā veiksmīgi dabūt no biomasas cukuru, ko tālāk varētu izmantot fermentācijas procesos? Mežule teic, ka pētnieki sākotnēji vairāk darbojās pie etanola ražošanas. "Attīstoties ikdienas vajadzībām un prasībām, cena un izdevīgums nav tik liels. Tad vērtē citus, vērtīgākus, produktus. Šo cukuru šķīdumu var mēģināt pielāgot visur, kur fermentācijai ir vajadzīga glikoze. Tā var būt citronskābes, bioplastmasas ražošana vai dažādi citi šie mikrobioloģiskie produkti," turpina asociētā profesore L. Mežule. 

Viņa uzsver, ka viens no projekta svarīgākajiem ieguvumiem ir atklātās atsevišķās sēņu kultūras, kas spēj ražot ļoti daudz un efektīvus enzīmus. Tos var izmantot hidrolīzes procesiem. RTU pētnieki ir pierādījuši, ka ar viņu izveidoto enzīmu tehnoloģiju var pārstrādāt dažādus substrātus, atkritumu produktus, ne tikai biomasu. Tātad tos var sadalīt ar bioloģisko metodi, nevis izmantot ķīmiju. Dziļākā doma – izmantot nevajadzīgo biomasas daļu.

Vislielākais izaicinājums – enzīmu ieguve

L. Mežule uzsver, ka aplūkotajā projektā vissvarīgākais – kā ar sēņu palīdzību var nonākt pie enzīmiem. Tātad sēņu izmantošana bija svarīgs projekta īstenošanas nosacījums. Mūsdienās diezgan daudz cilvēku sēnes audzē mājās. Vērojama arī tendence no sēņu micēlija gatavot dažādus produktus.

Dabā lignocelulozi sadala vien mežā. Ūdens sistēmu un tehnoloģiju institūtā šīs sēnes audzē laboratorijā. Sēnes labvēlīgā vidē izdala enzīmus. Tos savāc un izmanto biomasas šķelšanai.

Enzīmus var pirkt no citu valstu pārdevējiem. L. Mežule teic, ka tās ir papildu izmaksas, turklāt pircējs kļūst atkarīgs no konkrētiem produktiem. "Šā iemesla dēļ mēs galvenokārt izmantojām pašu mežos vāktās sēnes. Atlasījām, vērtējām, cik aktīvi tās izdala enzīmus. Vislabākais piemērs enzīmu iegūšanai ir piepes. Tās ir dažādu veidu, tostarp dažas ļoti efektīvi sadala koksni. Būtībā arī zaļā daļa tur ir iekšā, dažādi citi substrāti. Vislielākā problēma ir, ka materiāls ir neviendabīgs, kad tajā ir gan grūtāk, gan arī vieglāk šķeļamas frakcijas. Vislabākā ir pavasara pirmā zālīte. Neviens gan to daudz nevāks! Kad nāk skuju koku paliekas, ir sveķi klāt, tas nav labi. Tāpat arī dažādi piemaisījumi," atklāj L. Mežule.

Vairākas sēņu kultūras pirktas no kolekcijām citās valstīs. "Ja bija zināms, ka sēnes veido enzīmus, pirkām piecus celmus un vērtējām, kuri ir vispiemērotākie. Protams, zinām, ka ir jāmeklē tās sēnes, kas degradē koksni. Sēnes, kas veidoja vajadzīgos enzīmus, precīzas sugas noteikšanai sūtījām uz citām valstīm veikt ģenētiskās analīzes. Sēņu kolekcijas neuzturam. Enzīmu ieguves procesā secinājām – svaiga mežā ievākta sēne ir daudz efektīvāka, ražo labāk, nekā nogurušās laboratorijas kultūras. Šķiet, viena suga, tomēr ir dažādi paveidi un ļoti atšķirīgi veido enzīmus. Arī tie ir atšķirīgi pēc biomasas šķelšanas spējām. Mūsu vissvarīgākais produkts bija enzīmi no dažādām dabā sastopamajām sēnēm. Vajag tās piespiest ražot enzīmus! Nav tā, ka paņemsim sēni, piepi un enzīms tecēs ārā. Mums laboratorijas apstākļos bija un ir jārada nosacījumi, lai sēne gribētu to ražot," tā L. Mežule.

Viņa teic, ka vispirms sēnei ar substrātu un barības vielām nodrošina tās augšanai labvēlīgu vidi. Tad pamazām sāk dot enzīmu ražošanai vajadzīgās barības vielas. 

"Ideja ir šāda – sēne pēc savas būtības izdala enzīmus, lai šķeltu apkārtējā vidē esošos substrātus un tādā veidā dabūtu sev barības vielas. Tas nozīmē – ja barības vielas ir pieejamas, tad enzīmi nav jāražo. Un jo grūtāk ir kaut ko šķelt, jo vairāk vai dažādāki enzīmi jāražo. Ir sēnes, kas var ražot tikai viena tipa enzīmus, var sadalīt viena tipa substrātus. Ir tādas, kas var sašķelt dažādus substrātus. Ja sēnes ir izdalījušas enzīmus, tad mums ir jāpaspēj tos ātri savākt. Kā ražošanā! Svarīgi ir arī spēt procesu atkārot pēc mēneša. Projekta īstenošanas laikā bija jāsaprot, kādu temperatūru vajag, kādus substrātus," stāsta L. Mežule.

Ūdens sistēmu un tehnoloģiju institūtā enzīmu ražošanai vajadzīgās sēnes audzē attēlā redzamajā īpašajā inkubatorā.

Foto: Uldis Graudiņš / Latvijas Mediji

Cukura īpatsvars – 25 procenti

Institūta pētnieku un sadarbības partnera SIA "Bio Re", kas ar savām iekārtām veica dažādus eksperimentus un mērījumus, kopīgā darba rezultāts bija dažādiem iespējamajiem substrātiem izmantojams no sēņu enzīmiem gatavots maisījums. 

"Pievienojām to biomasai, lai redzētu, ko no visa var ražot. Enzīmi šķēla biomasu un ražoja cukuru. Kad cukurs bija ievākts un atdalīts, secinājām, ka no viena kilograma sausas biomasas varam saražot 250 gramu cukura. Tas ir pietiekami labs rezultāts. Cukurs šajā gadījumā būs cukura šķīdums, tā nebūs tīra glikoze. Dažkārt paliek disaharīdi vai polisaharīdi. Tos būtu tālāk vēl jāsašķeļ. Diemžēl – ilgāk veicot hidrolīzi un ilgāk mēģinot sašķelt, tikpat labi ir jāspēj nodrošināt vidi, ka citi mikroorganismi neapēd saražoto glikozi. Ir daudz iespējamu variantu, kā visu sabojāt," komentē L. Mežule.

Tehniskie rādītāji

Pēc vieglas mehāniskās/termiskās pirmapstrādes enzimātiskā hidrolīze 40 °C temperatūrā 24–48 stundas ir pietiekama, lai iegūtu līdz 0,3 gramus fermentējamu ogļhidrātu uz gramu sausas biomasas. Dažādu biomasas veidu testi ir parādījuši, ka vislielākais potenciāls ir siena substrātam (20–25 procentus no sausas biomasas var pārvērst par fermentējamiem ogļhidrātiem). Tomēr arī citi substrāti, piemēram, salmi, aļģes, kaņepes, pārtikas atkritumi, šķelda, spēja ražot ogļhidrātus. No siena tika iegūti 80% no kopējiem ekstrahējamiem ogļhidrātiem (25 procenti no kopējās masas). Nedaudz zemākas, bet tomēr augstas ražas ieguva no aļģēm (0,16 grami raudzējamu ogļhidrātu no viena grama sausu aļģu) un koksnes zariem (0,23 grami uz vienu gramu sausas masas), tādējādi demonstrējot pārstrādes atkritumu izmantošanu enzimātiskajā hidrolīzē.

Turklāt tika veikts pārtikas atkritumu novērtējums un to potenciālās izmantošanas iespējas. Labi rezultāti tika demonstrēti ar kafijas atkritumiem. Diemžēl problēmas, kas saistītas ar lielu sadzīves bioloģisko atkritumu variāciju un acīmredzamu mikroskopisko sēņu klātbūtni, ļāva secināt, ka šāda veida atkritumi var tikt izmantoti fermentējamo ogļhidrātu ieguvei tikai tad, ja tie ir labi atdalīti.

Patents membrānu filtriem

Pētnieki projekta vajadzībām izveidoja un patentēja daudzpakāpju membrānu sistēmu. Kāpēc tās ir vajadzīgas? L. Mežule: "Mēs zāli hidrolizējam ar enzīmiem, sašķeļam, bet tāpat paliek daļiņas. Tātad ir cukura šķīdums, cukurs, ūdens un vēl pārējās daļiņas, ko nesašķeļam. Tīrā materiāla ieguvei vispirms ir lieli sietveida filtri, aiz kuriem ir aizvien mazāka izmēra filtri. Tas nozīmē, ka aizvācam daļiņas, tad citas vēl mazākas vienības, beigās aizvācam pašu enzīmu, kas ir olbaltumviela, ko varam vēlreiz izmantot. Pašās beigās mēs cukuru sakoncentrējam tāpēc, ka tajā būs ļoti daudz ūdens. To aizvācam, un paliek koncentrētākais šķīdums. Pareizo membrānu pareizā daudzumā piemeklēšana manā vērtējumā ir vienīgais izdevīgais risinājums šķīduma attīrīšanai. Protams, tās mēdz aizsērēt, tās ir jātīra kā jebkurā ražošanā," tā L. Mežule. 

"Vēl svarīgi, ka ūdeni varam laist ciklā atpakaļ, tātad taupām ūdens resursus. Enzīmus arī varam atkārtoti izmantot. Ne mūžīgi , jo diemžēl neviena molekula nav mūžīga, tomēr vairākas reizes izmantot varam. Esam novērojuši, ka šķelšanas process darbojas pietiekami labi, ja nākamajā ciklā pie vecā enzīma pievienojam 30 procentu svaigu enzīmu. Ik reizi kaut kādi zudumi ir, un atlikusī nesašķeltā masa, cietās daļiņas ir materiāls biogāzei," stāsta L. Mežule.

Domā par kafijas atkritumiem

L. Mežule teic, ka enzīmu izmantošana pārtikas atkritumu šķelšanā būtu iespējama, ja tie būtu viendabīgi: "Parasti enzīmi, hidrolīze ir tendēta uz konkrētām vielām, konkrētajām ķīmiskajām saitēm, ko varam sašķelt. Cieti saturošajiem produktiem būs vajadzīgi citi enzīmi nekā lignocelulozi saturošiem produktiem. Teorētiski enzīmus var piemeklēt, var pievienot enzīmu maisījumu." Iepriekš teiktais attiecas uz augu valsts atkritumiem. Dzīvnieku izcelsmes produkti esot "pilnīgi cits pasākums".

RTU asociētā profesore teic, ka institūtā patlaban darbojas ar kafijas biezumiem, atkritumiem un, visticamāk, pavisam drīz būs sagatavota zinātniskā publikācija. "Kafijas atkritumiem izaicinājums ir savākšanas process. Tos nedrīkst ilgi glabāt tāpēc, ka kafijas atlikumi ir laba barība mikroorganismiem. Rodas pelējums. Vērtējām, kā mūsu sēņu enzīmi sašķeļ kafijas atlikumus, cik daudz enzīmu veidojas. Ļoti nopietni domājam par kafijas atkritumu vākšanas organizēšanu. Kā rīkoties, ja kafijai ir pievienots piens un cukurs? Tad ir vajadzīgs cits process," jauno metodes pielietojumu raksturo profesore. 

Viņa teic, ka uz kafijas atkritumiem raugās kā uz parastu biomasu. Dabīgajiem produktiem, toskait no biomasas gatavotajiem, ražošanā ļoti svarīgi ir neielaist tajos mikroorganismus. Līdzko būs mitrs, pelējums būs iekšā. "Tā ir daba. No viena skatpunkta – varam no tās daudz ko dabūt, no cita skatpunkta vērtējot – tā pati rūpējas un veiksmīgi visu apēd," tā L. Mežule.

Gaida partneru piedāvājumu

RTU pētnieki aizvien cer atrast kārtīgu industriālo partneri, kas būtu gatavs šīs ražošanas sistēmas ieviest. Jautājums esot par tehnoloģijas pārcelšanu uz ražošanas vidi. Ja runa ir par tehnoloģijām, tad jābūvē sistēmas, iekārtas jāliek kopā. Tas esot nākamais solis. "Parasti prasa – kur ir tā kaste? Tā ir uzzīmēta. Kādam tā ir jāliek lietā. Mēs esam izveidojuši praksē ieviešamu tehnoloģiju," tā L. Mežule.

Viņas vadībā citā projektā izpētīts, ka enzīmu tehnoloģijas izmantošana notekūdeņu dūņām ir ar augstu potenciālu, tomēr šobrīd nav saimnieciski izdevīga. Ziemeļvalstu pieredze, toskait Zviedrijas un Norvēģijas, ir no mežizstrādes atkritumproduktiem gatavot etanolu, biodegvielu. Tas esot komerciāli iespējams.

Ja Latvijā būtu rūpnīcas, kas ražotu bioetanolu no graudiem, tad pielikt blakus sistēmu, hidrolīzes reaktoru un palaist līniju, lai ražo papildu substrātu, nebūtu izaicinājums. 

"Būvēt rūpnīcu no nulles neatmaksāsies," brīdina L. Mežule. Citu valstu pieredze ir šāda: ja ir pamatrūpnīca ar augstvērtīgu kultūraugu, kā blakus produkts ir apstrādes atlikumi, tad līdzās uzstāda vienu reaktoru sistēmu, kur piemēram, notiek hidrolīzes process un šo atkritumu frakciju arī var ielaist iekšā. Tad tas ir izdevīgi. Ja mums Latvijā būtu cukura ražotne, tad tieši tāpat – notiktu pamatprocess un tam blakus varētu uzstādīt vēl vienu iekārtu, kur izmanto biomasu. Tās ir standarta mācību shēmas, ja runa ir par biodegvielas no biomasas ražošanu.

Profesore teic, ka ir vērtēts arī enzīmu lietojums mežizstrādes nozarē, kur varētu būt konteinera tipa risinājumi. "Konteineros atkritumiem varētu veikt hidrolīzi, dabūt pirmo cukura šķīdumu un tad tālāk to transportēt un izmantot. Kaut ko līdzīgu dara Lietuvā ar atšķirīgām tehnoloģijām. Tad būtu jāpārvadā cisterna ar materiālu, nevis visa biomasa. Visnepareizāk ir šos atlikumus dedzināt," uzsver asociētā profesore Mežule.

Ieguldījums izaugsmei.

Foto: Publicitātes

Eiropas Savienības finansēts. Paustie viedokļi un uzskati atspoguļo autora personīgos uzskatus un ne vienmēr sakrīt ar Eiropas Savienības vai Eiropas Komisijas viedokli. Ne Eiropas Savienība, ne Eiropas Komisija nenes atbildību par paustajiem uzskatiem. #ieguldījumsizaugsmē