Sēņu laboratorija Rīgā: kā piepes palīdz samazināt SEG emisijas un ražot cukurus

Inovatīva tehnoloģija: RTU ar sēņu enzīmiem paātrina biodegvielas un bioproduktu ražošanu

Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) pētnieku izveidotā sēņu enzīmu šķelšanas tehnoloģija dod jaunas pielietojuma iespējas un aizvieto ķīmiskos līdzekļus. 

ERAF līdzfinansētā projektā "Videi draudzīga bezatlikuma tehnoloģija šķidrās biodegvielas un biogāzes ražošanai no biomasas" RTU zinātnieki panāca, ka biomasu var sašķelt daudz īsākā laikā un iegūt cukuru, kas pēc attīrīšanas ir izmantojams dažādu tirgū pieprasītu produktu ražošanai.

Lauksaimniecībā un mežsaimniecībā diezgan daudz pāri paliek zāle, koku zari, miza un citi ražošanas atlikumi. Tie, ko nevar izmantot pārstrādāt šķeldā un izmantot siltumenerģijas ražošanai, uz lauka vai mežā pūst un ražo siltumnīcefekta gāzu (SEG) emisijas. Iepriekš nosauktos atlikumus var izmantot daudz lietderīgāk, ražojot no tiem uz atdalīto cukuru bāzes pieprasītus produktus un arī biogāzi, teic RTU Dabaszinātņu un tehnoloģiju fakultātes Ūdens sistēmu un tehnoloģiju institūta vadītāja asociētā profesore Linda Mežule. Viņas vadībā projektā izveidotā tehnoloģija dod iespēju ar dabas produktiem – sēņu ražotajiem enzīmiem – daudz īsākā laikā sašķelt biomasu un citus substrātus, iegūt cukuru, kas pēc attīrīšanas ir izmantojams dažādu tirgū pieprasītu produktu ražošanai.

Neatņem produktus lauksaimniecībai

Institūtā uzsver – īstenotais projekts, kura laikā patentēta arī membrānu tehnoloģija, sasaucas ar ES Atjaunojamās enerģijas direktīvu. Proti, enerģijas ražošanai ir jāizmanto alternatīvie substrāti, nevis lauksaimniecības kultūraugi. Piemēram, kukurūza ir ļoti laba biogāzes ražošanā izmantojamā izejviela. Pēc Lauku atbalsta dienesta ziņām, pērn Latvijas 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. "Kad no sēnēm iegūtie enzīmi sašķeļ biomasu, zaļos atkritumus, nākamajā pārstrādes posmā savāc cukuru, lignocelulozi. Celulozes sastāvā galvenokārt ir glikozes molekulas. 

Cukuru var izmantot kā barību baktērijām, tālāk ražot citus produktus. Var arī ražot biogāzi no vieglāk šķeļama substrāta. 

Projekta laikā arī pētījām, kuras sēnes visvairāk ražo enzīmus. Svarīgi arī šos enzīmus ir savākt," tā L. Mežule.

Piespiež dabu  strādāt laboratorijā

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, tomēr tas nozīmē lielus naudas tēriņus un arī atkarību no produktiem. RTU pētnieki galvenokārt izmanto pašu Latvijas mežos vāktas sēnes. Vispirms pārbaudīja, cik aktīvi tas izdalīja enzīmus. L. Mežule: "Vislabākais piemērs enzīmu iegūšanai ir piepes. Tās ir dažāda veida, tostarp dažas ļoti efektīvi sadala koksni. Būtībā arī zaļā daļa tur ir iekšā, dažādi citi substrāti. Vislielākais izaicinājums ir, kad šķeļamais materiāls ir neviendabīgs, kad tajā ir gan grūtāk, gan arī vieglāk šķeļamas frakcijas. Vislabākā ir pavasara pirmā zālīte. Neviens gan to daudz nevāks! Enzīmu pielietojumam izaicinošas ir skuju koku paliekas, tām ir klāt sveķi, vēl citi piemaisījumi."

Projekta vadītāja teic, ka vairākas sēņu kultūras pirktas no kolekcijām citās valstīs, un vērtēja to koksnes degradēšanai vispiemērotākos celmus. "Sēnēm, 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," tā L. Mežule. Viņa teic, ka projekta laikā vissvarīgākais bija enzīmi no dažādām dabā sastopamajām sēnēm. Tās vajadzēja 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 stāsta, ka vispirms sēnei ar substrātu un barības vielām nodrošina tās augšanai labvēlīgu vidi. Tad pamazām sāk dot enzīmu ražošanai vajadzīgās barības vielas. "Sēne pēc 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 atkārtot pēc mēneša. Projekta īstenošanas laikā bija jāsaprot, kādu temperatūru vajag, kādus substrātus," teic L. Mežule.

Sēnes var kļūt par dabas ražotni – ne tikai pārstrādājot atkritumus, bet arī veidojot jaunus kompozītmateriālus ar dažādu pielietojumu. Šie sēņu kompozītmateriāli ir bioloģiski pilnīgi noārdāmi, un to ražošanai nav vajadzīga ne ķīmiskā sintezēšana, ne arī liels enerģijas patēriņš.

Foto: Uldis Graudiņš / Latvijas Mediji

Kā iegūst cukuru

Biomasas sadalīšanās paātrinās, kad tai pareizajās proporcijās pievieno sēņu enzīmus. Ar iepriekš nosaukto metodi sadalīšanās un šķelšanās, kā arī cukura ieguve notiek aptuveni nedēļas laikā, nav vairs vajadzīgi mēneši. L. Mežule: "Precizēšu, ka iegūstam dažādu cukuru maisījumu šķīdumu, nevis parasto galda cukuru. Dažādo cukuru šķīdums nav tīra glikoze. Tajā būs divas glikozes molekulas kopā – disaharīdi, vai desmit, arī kaut kas no fruktozes, ksilozes, no citiem ogļhidrātiem. Mēs esam mēģinājuši arī tos atdalīt, bet atdalīšana patlaban ir nepārliecinoša."

RTU pētnieki sākotnēji vairāk darbojās pie cukura izmantošanas etanola ražošanai. "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. Citronskābes ražošana, bioplastmasas ražošana vai dažādi citi mikrobioloģiskie produkti," turpina L. Mežule.

Viens no projekta svarīgākajiem ieguvumiem ir atklātās atsevišķās sēņu kultūras, kas spēj ražot ļoti daudz un efektīvus enzīmus, viņa uzsver. 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.

RTU pētnieki sadarbībā ar SIA "Bio Re" izveidoja dažādiem iespējamajiem substrātiem izmantojamu no sēņu enzīmiem gatavotu maisījumu. "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 gramus cukura. Tas ir pietiekami labs rezultāts. Cukurs šajā gadījumā būs cukura šķīdums, tā nebūs tīra glikoze. Dažkārt paliek disaharīdi vai polisaharīdi. Tie būtu tālāk vēl jāsašķeļ. Diemžēl, ja ilgāk veic hidrolīzi un ilgāk mēģina sašķelt, ir jāspēj nodrošināt vidi, lai citi mikroorganismi neapēstu saražoto glikozi. Ir daudz iespējamu variantu, kā visu sabojāt," stāsta L. Mežule.

Patentēta jauna membrānu tehnoloģija

Hidrolīzes procesā ar enzīmiem iegūst cukura šķīdumu, cukuru un ūdeni, un paliek arī nesašķeltas daļiņas. To atdalīšanai projekta pētnieku grupa izveidoja un patentēja daudzpakāpju membrānu sistēmu – filtru.

Tīrā materiāla ieguvei vispirms izmanto lielus sietveida filtrus, 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 arī cukuru sakoncentrējam. Pareizo membrānu pareizā daudzumā piemeklēšana manā vērtējumā ir vienīgais izdevīgais risinājums šķīduma attīrīšanai. Protams, tās mēdz aizsērēt, tās ir jātīra kā jebkurā ražošanā," filtra nepieciešamību pamato L. Mežule.

Sēņu audzēšana Rīgas Tehniskās universitātes Ūdens sistēmu un biotehnoloģiju institūta laboratorijā.

Foto: Uldis Graudiņš / Latvijas Mediji

Viņa vērš uzmanību, ka ūdeni aprites ciklā izmanto atkārtoti. Vairākas reizes var izmantot arī enzīmus. Profesore Mežule teic, ka tie nav izmantojami mūžīgi – neviena molekula nav mūžīga. Secināts, ka šķelšanas process darbojas pietiekami labi, ja nākamajā ciklā pie "vecā" enzīma pievieno 30 procentu svaigu enzīmu. "Ik reizi aprites ciklā ir kaut kādi zudumi, un atlikusī nesašķeltā masa, cietās daļiņas ir materiāls biogāzei," piebilst projekta vadītāja.

Ir pilotiekārta un tehnoloģija

RTU pētnieki projekta laikā uzbūvēja pilotiekārtu un izveidoja ražošanas tehnoloģiju, kas kādam interesentam, uzņēmējam ir jāpārceļ uz ražošanas vidi. Iespējams, šā gada rudenī kāds mežsaimniecības nozares uzņēmējs iesniegs LAD projekta pieteikumu iepriekš aplūkotas tehnoloģijas izmantošanai koku atlikumu pārstrādē.

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

Ja Latvijā būtu rūpnīca, 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 augstvērtīgo kultūraugu, kā blakusprodukts ir apstrādes atlikumi, tad līdzās uzstāda vienu reaktoru sistēmu, kur, piemēram, notiek hidrolīzes process un šo atkritumu frakciju arī var pārstrādāt. Ar iepriekš aplūkoto tehnoloģiju tas esot izdevīgi. Ja Latvijā būtu cukura ražotne, tad tieši tāpat – notiktu pamatprocess un tam blakus varētu uzstādīt vēl vienu iekārtu, kur izmanto biomasu.

Profesore teic, ka ir vērtēts arī enzīmu pielietojums 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. Veicot pirmapstrādi ražošanas vietā, būtu jāpārvadā cisterna ar materiālu, nevis visa biomasa. Visnepareizāk ir šos atlikumus dedzināt," uzsver profesore L. Mežule.

Kāds man no tā labums?

Linards Kļaviņš PhD, Latvijas Universitātes Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultātes pētnieks.

Foto: Uldis Graudiņš / Latvijas Mediji

Linards Kļaviņš PhD, Latvijas Universitātes Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultātes pētnieks: "Biotehnoloģijas ir nozare, kurā apvienojam tehnoloģiskus risinājumus ar bioloģiskajām sistēmām, lai iegūtu cilvēkam nepieciešamus produktus. Pēdējo 30 gadu laikā izveidotā izpratne par bioloģisko sistēmu darbības pamatprincipiem ļauj mums manipulēt ar dažādiem organismiem un izmantot tos, lai gūtu kādu labumu sev. Konkrētais projekts ir apskatījis dažādu sēņu unikālo spēju veidot enzīmus, kas var degradēt un sagraut celulozi un citus "smagsvarus", lai atbrīvotu šos lielos savienojumus veidojošās vienības – ogļhidrātus jeb cukurus.

Latvija ir bagāta ar mežiem un pļavām, šīs ekosistēmas veido augi jeb biomasa. Saimnieciskās darbības laikā ražo biomasas atlikumus, kas uzskatāmi par atkritumiem, un tos nereti dedzina siltumenerģijas ieguvei. Pielietojot biotehnoloģijas, šo pašu biomasu var pārveidot ne tikai enerģijā (sadedzinot), bet arī daudzos citos vajadzīgos produktos. Izmantojot sēnes un tajās veidojošos enzīmus, mēs varam panākt biomasas transformāciju – pārveidot to citā formā – cukurā, kuru var pielietot daudz un dažādos risinājumos. Līdzīgi kā mežā nokritis koks, kas gadu desmitu laikā sadalīsies un dos barību citiem mežā esošiem augiem, baktērijām, tāpat to varam darīt arī mēs, tikai daudz ātrāk – izmantojot biotehnoloģijas.

Cukurs ir pamata izejviela, enerģijas avots, kas ir nepieciešams dažādu organismu funkcionēšanai un augšanai. 

Pētījums parāda iespējas izmantot nevajadzīgus, praktiski atkritumproduktus, lai iegūtu citus, daudz vērtīgākus produktus. Kāpēc izmantot šo nevajadzīgo biomasu, ja cukuru varam nopirkt veikalā? Prātīgāk ir izmantot pārtikas produktu pārtikā, nevis citu organismu barošanai. Izmantojot demonstrēto pieeju, potenciāli var iegūt lētāku izejmateriālu, kam ir vietēja izcelsme.

Ir jāņem vērā arī Latvijas ģeopolitiskā situācija. Mums ir jāiemācās izmantot vietējas izcelsmes izejmateriālus, pielietojot savas zināšanas. Latvijas potenciāls biotehnoloģiju ieviešanā ir milzīgs – mums ir augsti kvalificēti speciālisti, kas jau patlaban pēta šādus risinājumus, tehnoloģiju attīstība un pieejamība dos mums iespēju ieviest šāda veida ražošanu arī Latvijā. Iepriekš aplūkotie risinājumi ļautu iegūt resursu neatkarību, bioetanolu, šķīdinātājus industriālo produktu ražošanai mēs varētu ražot šeit pat. Iespējams, pat sarežģītākus biotehnoloģiju produktus, arī insulīnu un vakcīnas. Šādus mērķus var sasniegt, vien veicot padziļinātus pētījumus par dažādu organismu veidotajām molekulām, šo molekulu īpašībām, iedarbību un galu galā par procesa izveidi un optimizāciju galaprodukta iegūšanai."

Kārlis Zariņš, RTU Būvniecības un inženierzinātņu fakultātes 3. kursa students.

Foto: Foto no privātā arhīva.

Kārlis Zariņš, RTU Būvniecības un inženierzinātņu fakultātes 3. kursa students: "Mēs pētām, kā sēnes var kļūt par dabas ražotni – ne tikai pārstrādājot atkritumus, bet arī veidojot jaunus materiālus. Patlaban darbojamies ar sēņu kompozītmateriāliem, kas var aizvietot putuplasta iepakojumus. Šie sēņu kompozītmateriāli ir bioloģiski pilnīgi noārdāmi, un to ražošanai nav vajadzīga ne ķīmiskā sintezēšana, ne liels enerģijas patēriņš.

Vienlaikus, sadarbojoties ar Latvijas sēņu audzētājiem, izstrādājam metodes, kā no sēņu biomasas iegūt uztura bagātinātājus. Mūsu mērķis ir veidot vietēju, aprites saimniecībā balstītu ražošanu, kur atkritumi kļūst par resursu. Sabiedrībai tas nozīmē videi draudzīgākus produktus, jaunas darba vietas reģionos un soli tuvāk ilgtspējīgai nākotnei."

Projekta rezultāti

• Izstrādāta efektīva, videi draudzīga bezatlikumu tehnoloģija lignocelulozi saturošas biomasas pārstrādei, lai iegūtu cukurus, ko iespējams pārcelt uz ražošanas vidi, piemēram, koku atlikumu pārstrādē.
• Patentēta jauna tehnoloģija – daudzpakāpju membrānu sistēma.
• Atklātas sēņu kultūras, kas spēj ražot ļoti daudz un efektīvus enzīmus, ar kuriem var pārstrādāt dažādus substrātus, biomasu, atkritumu produktus.
• RTU pētnieki sadarbībā ar SIA "Bio Re" izveidoja dažādiem iespējamajiem substrātiem izmantojamu, no sēņu enzīmiem gatavotu maisījumu, kas no viena kilograma sausas biomasas var saražot 250 gramus cukura.
• Iesaistīti jaunie zinātnieki un pētnieki, maģistranti un doktoranti, kas veic turpmākus pētījumus un rada komercializējamas tehnoloģijas.

Avots: RTU

Foto: Latvijas Avīze / Latvijas Mediji

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