BIORAFIĒRIJA PRODUKTU AR · 2017-09-05 · VPP sesija Rīgā, 2013.g.26. novembris iorafinērijas koncepcija paredz tehnoloģijas klasteru izstrādi ar nolūku pārvērst biomasu

VPP sesija Rīgā, 2013.g. 26. novembris

LATVIJAS KOKU MIZU BIORAFINĒRIJA PRODUKTU AR PIEVIENOTU VĒRTĪBU IEGUVEI

Galina Teliševa

Darba vadītājs un izpildītāji:

Vad. pētniece G. Teliševa, vad. pētn. T. Dižbite, Dr. med. J. Krasiļņikova, pētn. G. Ļebedeva, pētn. O. Bikovens, pētn. A. Andersone, pētn. A. Aršanica, pētn. J.

Ponomarenko, pētn. S. Janceva, asist. M. Lauberts, asist. L. Roze, asist. L. Volperts, asist. L. Jašina, asist. V. Solodovņiks, asist. L. Vēvere

Vad. pētn. A. Treimanis, pētn. M. Laka, pētn. L. Vīķele, asist. S. Čerņavska, asist. M. Škute


MOTIVĀCIJA MIZAS BIORAFINĒRIJAI

20. gadsimta beigās ilgu laiku proklamēta tēze par mērenā un aukstā klimatā augošo koku mizas augstu potenciālu vērtību ieguva nozīmīgu atbalstu no Eiropas un Amerikas zinātniskajām laboratorijām.

Mizas izmantošanas nepieciešamība, kurai ir jābalstās uz dziļiem zinātnes pētījumiem, šodien skan gan tehnoloģiskās platformās, gan uzsaukumos starptautiskajiem projektiem (6. Un 7. ES IP). Šodien pasaules sabiedrība ir orientēta uz bio-pamatotas ekonomikas segmentu attīstīšanu.

• Unikālais mizas biomasas ķīmiskais sastāvs; • Iespēja iegūt no mizas daudz dažādu produktu

ar pievienoto vērtību, t. sk. individuālus vai savienojumu grupas ar sinerģisko bioloģisko aktivitāti, izejvielas dažādu materiālu ražošanai, tālākajam sintēzēm un tt.;

• Stabila iespēja iegūt mizu lielajos daudzumos, kas veidojas kā atlikumi meža ciršanas procesā, koksnes apstrādē un pārstrādē;

• Mizas pieejamības neatkarība no sezonas apstākļiem.

Miza ir ļoti perspektīva tehnoloģiska izejviela un klasiskais biorafinērijas objekts, pateicoties sekojošam faktoram:


black alderGoat willow

Ash tree

Grey alder

Pine

Fir tree

Aspen tree

Birch tree

Pašlaik lapkoku miza ir maz izmantota kā augstvērtīgu ekstraktvielu produktu avots. Visvairāk ir pētīta lapkoku miza ir bērzu, savukārt baltalksnis (Alnus incana), melnalksnis (Alnus glutinosa), blīgzna (Salix caprea) un osis (Fraxinus excelsior) aizņem, attiecīgi, 6,8; 2,6; 3,4 un 0,7% no Latvijas mežu platuma, ir mazāk pētīti.

• Lapkoku mizas sistemātiskie pētījumi mūsu laboratorijā sāka attīstīties Valsts pētījumu programmas ietvaros. Mēs sākām un turpinām pētīt Latvijā un Eiropā plaši izplatīto lapkoku mizas.

• Koku mizas biorafinērijas produktu tirgus ir vāji attīstīts. Tomēr, šis tirgus segments patlaban palielinās Latvijā un Eiropā sakarā ar sintētisko produktu lietošanas ierobežojumiem „zaļās” domāšanas un aizvien plašākas atjaunojamo materiālu izmantošanas dēļ.


Biorafinērijas koncepcija paredz tehnoloģijas klasteru izstrādi ar nolūku pārvērst biomasu bez atlikumiem par produktu ar pievienoto vērtību. Efektīva klastera izvēle ir atkarīga no infrastruktūras un apstākļiem vietējos un globālajos tirgos.

Lapkoku mizas biorafinērijas produkti, kurus tagad izstrādā KĶI VPP ietvaros, izmantojot ekstrakcijas frakcionēšanu

No mizas izdalītas frakcijas

Biorafinērijas produkti Pielietojuma jomas Komercializācijas stadija

Polifenolu ekstrakti

Lineāru diarilheptanoīdu kompleksi – antioksidanti, imunomodulātori, pret iekaisumu līdzekļi

Uztura bagātinātāji Latvijas tirgū

Kosmētikas un higiēnas līdzekļi Latvijas tirgū

Diarilheptanoīds oregonins Farmaceitiskie līdzekļi Eksperimentālo paraugu fizioloģisko efektu pārbaude medicīniskās institūcijās

Tanīnu ekstrakti – fenolu, t.sk. rezorcinola, aizvietotājs FFS sveķu kompozīcijās

Koksnes adhezīvi Laboratorijas mēroga pārbaude kopā ar LLU un Chimar Hellas S.A. (Greķija)

Kondensētie tanīni (proantocianidīni) – antioksidanti, pret iekaisumu līdzekļi, imunomodulātori

Uztura bagātinātāji, veselības aprūpes līdzekļi, kosmētika, veterinārija

Eksperimentālo paraugu fizioloģisko efektu pārbaude medicīniskās institūcijās

Lipofilie ekstrakti Bioloģiski aktīvo savienojumu (lupeols, lupen-3-ols, betulīns, betulons un betulīnskābe) kompleksi – Antimikrobu līdzekļi

Pārtīkas rūpniecība Laboratorijas pētījumi

Pēc ekstrakcijas atlikums

Kurināmās granulas Enerģētika Iegūtas eksperimentālie paraugi, atbilstošie EU standartam

Mizas nano/mikrodaliņas:

Importa celulozes aizvietotāji Papīra ražošana Laboratorijas mēroga pārbaudes

Piedevas koksnes adhezīvu kvalitātes (līmējuma stiprība) palielināšanai

Koksnes apstrādes rūpniecība Laboratorijas mēroga pārbaudes (kopā ar LLU)

Izolētie lignīni – antioksidanti:

Bioloģiskām sistēmām Pārtikas rūpniecība Eksperimentālo paraugu fizioloģisko efektu pārbaude medicīniskās institūcijās

Polimēru kompozīta materiāliem Kompozīta materiālu ražošana Laboratorijas mēroga antioksidanta efekta pārbaude uz PU termooksidēšanu


Latvijas kosmētikas katalogos var atrast LV KĶI un SIA “FIDE” kopdarbības jaunus tirgus produktus, kas satur bioloģiski aktīvus savienojumus no kokaugu mizas.

SAGATAVOTA DIARILHEPTANOĪDU EKSTRAKTA NEKAITĪGUMA APLIECĪBA DIVU PRODUKTU IEVIEŠANAI TIRGŪ


Dažādu Latvijā pieejamo mizas produktu cenas

Produkts Aptuvenā cena

Priedes miza mulčai 3 Ls/m3

Priedes mizas mulča 20 Ls/m3

Mizas granulas mājdzīvniekiem 40 Ls/m3

Lapkoku kurināmās granulas ar lielu mizas saturu 138-156 Ls/t Attīrīta miza (kokapstrādes dati) 70 Ls/t

Aptuvenā cena līdzīgo produktu analogiem, kurus ir iespējams iegūt no mizas saskaņā ar pētījumu rezultātiem

Produkts Aptuvenā cena

Polifenolu antioksidanti (atkarībā no tīrības) 500-1400 Ls/kg

Tanīnu ekstrakti no kvebraho 500-750 Ls/t Fenola-formaldehida sveķi (atkarībā no kvalitates) 500-2000 Ls/t

Rezorcinola-formaldehida sveķi (atkarībā no kvalitates) 3400-6000 Ls/t Ekstraģēto mizu nano/mikro daļiņas 150 Ls/t

Kurināmās granulas no ekstraģētas mizas (atbilst CEN/TC335 standartam) >150 Ls/t

MIZAS BIORAFINĒRIJAS PRODUKTU IESPĒJAMĀS CENAS


Biomasas miza ir brīnums, kuru Daba mums sintezēja, bet mēs šo brīnumu sadedzinām kā lētu kurināmo.

Bark biomass is a miracle, which Nature synthesized for us and we are burning this miracle like cheap fuel”

Prof. Pavel Krasutsky, University of Minnesota, USA

Vērtīgākie mizas ķīmiskie savienojumi ir polifenoli.

Polifenolu uzkrāšanās mizā ir augu evolūcijas rezultāts. Tas ir augu atbilde uz biotiskajiem un abiotiskajiem stresiem. Pateicoties specifiskajiem augšanas apstākļiem, ziemeļu koku sugu miza var būt unikāla izejviela bioloģiski aktīvajiem savienojumiem, kas it īpaši ir nepieciešami dzīvojošiem šajā pašā reģionā organismiem.


Alkšņa mizas diarilheptanoīdu ekstrakta HPLC hromatogramma (280nm)

Identificēti alkšņa mizas diarilheptanoīdu frakcijas dominējošie polifenoli

1. 1,7-bis(3,4-dihidroksifenil)-heptān- 3-ons-5-O-β-D-glikopiranozīds

2. Oregonīns 3. Hidroksioregonīns 4. Platifilozīds (pirmo reizi ir noteikts

melnalkšņa mizā) 5. 1,7-bis(3,4-dihidroksifenil)-heptān-5-O- β-D-

glikopiranozīds

Noskaidrots, ka pētāmo lapkoku mizas polifenolu ievērojamu daļu sastāda diarilheptanoīdi. Diarilheptanoīdu antioksidanta aktivitāte ir aprakstīta, izmantojot testus, kuri pamatojas uz ABTS•+ un DFPH• radikāļu dezaktivēšanu un ORAC-fluoresceīna oksidēšanas ar skābekļa radikāliem inhibēšanu. Oregonīna un hidroksioregonīna antioksidanta aktivitāte ORAC testā bija lielāka nekā labi pazīstamajam bioloģiski aktīvajam kurkumīnam, kuru plaši izmanto medicīnā un veselības aprūpē.


• Pamatojoties uz iegūtajiem aprēķinu rezultātiem hidroksioregonīns ir visspecīgākais antioksidants, bet platofilozīda antioksidantā aktivitāte ir viszemākā starp pētītajiem savienojumiem. Oregonīnam un hidroksioregonīnam ir ļoti līdzīgas BDE vērtības. Šiem rezultātiem ir laba korelācija ar ORAC testa rezultātiem.

• Atrastās likumsakarības dos iespēju dabas metabolītu sintētiskai transformācijai, kas ir viens no perspektīvākiem virzieniem polifenolu izmantošanai medicīnā, kā arī dabisko polifenolu kompozīciju sastāva regulēšanai medicīniskiem nolūkiem.

Visstabilākās konformācijas (A un B) oregonīnam atrodas kreisajā pusē un hidroksioregonīnam labajā pusē

• Lai raksturotu dabisko lineāro diarilheptanoīdu struktūras un antioksidantās aktivitātes sakarības, tika izmantotas molekulārās modelēšanas metodes O-H saites disociācijas entalpijas (BDEs) aprēķināšanai (Sadarbībā ar Limožas universitāti). Bāzējoties uz konformāciju analīzes rezultātiem, BDE bija aprēķināta katra diarilheptanoīda diviem stabilākiem konformēriem


• Iegūto polifenolu bioloģisko un ķīmisko aktivitāšu testēšana, parādīja to daudzpusīgo efektu, kas ir svarīgs metabolisko un vecuma izraisītās nesabalansētības, kardiomiopātijas, palielinātās fagocītās aktivitātes (kopā ar RSU un Gēteborgas Universitāti, Zviedrija) aprūpē un profilaksē.

Pirmo reizi ir raksturotas kvantitatīvas sakarības starp dažādām lignīnu struktūras īpašībām un antioksidanta aktivitāti, un iegūti matemātiskie modeļi, kas ļauj prognozēt augstmolekulāro polifenolu (lignīni, tanīni) antioksidanta darbību bioloģiskās sistēmās un dažādos materiālos.


• Izstrādāti priekšlikumi par vairākiem lapkoku mizas bezatlikumu pārstrādes variantiem, kas balstās uz frakcionēšanu ar ekstrakcijas palīdzību. Rezultātā var iegūt rindu produktu ar pievienoto vērtību un iespējām tos realizēt dažādos tirgus segmentos (kokapstrāde, papīrrūpniecība, pārtikas rūpniecība, lauksaimniecība, medicīna, veterinārija, kosmētika, enerģētika, kompozītu ražošana).

• Visvērtīgākie koka mizas biorafinērijas produkti ir hidrofīlie ekstrakti un to komponenti , kuru iznākums ir ap 20% no izejvielas masas. To vērtība vairakkārt pārsniedz mizas izmaksas (izdalītie tanīni – vairakkārt, diarilheptanoīdus saturošie ekstrakti – par vairākām kārtām).

• Izstrādāti un eksperimentāli pārbaudīti vairāki ekstraģēto mizu izmantošanas veidi (enerģētika, mizas nano- un mikrodaļiņas kā pildviela papīra un citu kompozītu pastiprināšanai, bioloģiski aktīvie savienojumi), kas ir ekonomiski efektīvi.

• VPP ietvaros sagatavoti un publicēti 10 citētie raksti, 10 mutiskie referāti starptautiskās konferencēs, aizstāvēti 2 promocijas darbi un 6 maģistra darbi, pieteikti un reģistrēti 6 patenti.

• Veikto pētījumu rezultāti parāda reālo iespēju attīstīt piedāvāto biorafinērijas shēmu un komercializēt jauno produktu grupu.

• Turpmākie pētījumi būs vērsti uz lapkoku polifenolu potenciāla tālāko izpēti veselības aprūpes jomā lai nodrošināt to plašāko pielietošanu.

REZUMĒJUMS


Maris Lauberts

Sarmite Janceva

Laima Vevere

Aleksander Arshanitsa Aleksandrs

Volperts

Jevgenija Ponomarenko

Anna Andersone

Liga Roze

PALDIES PAR UZMANĪBU NO VISIEM DARBA IZPILDITĀJIEM,

T.SK. 9 DOKTORANTIEM

Documents

BIORAFIĒRIJA PRODUKTU AR · 2017-09-05 · VPP sesija Rīgā, 2013.g.26. novembris iorafinērijas koncepcija paredz tehnoloģijas klasteru izstrādi ar nolūku pārvērst biomasu