Oláh György Doktori Iskola (Kémia és Vegyészmérnöki tudományok)

Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

Témavezető: Dr. Sevella Béla

Biofinomító technológiáinak optimálása

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Egy olyan, megújuló nyersanyagokból kiinduló zöld vegyipari egység, ún. biofinomító tervezésében veszek részt, amelynek alapanyaga valamilyen haszonnövény (pl. búza, cukorcirok), míg főterméke az igen sokoldalúan hasznosítható, platformalkotó vegyület, a tejsav lehet.

A tervezett üzem alkalmas lehet több, korábban kőolajalapú technológiákkal előállított és a környezetre ártalmas anyag felváltására; a tejsavból ugyanis egyszerű vegyipari lépések útján biooldószerek (etil-laktát, butil-laktát), konzerválószerek (laktát sók) vagy akár biológiailag lebontható műanyagok (politejsav) állíthatók elő. 

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat az Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Fermentációs Kísérletiüzemi Laborjában (F-labor) végzem.

Kutatócsoportunk profilja biotechnológiai kutatások megvalósítása laboratóriumi és félüzemi léptékben: biodízelgyártás melléktermékeinek hasznosítása; tűzelhalás elleni víruskészítmény előállítása; keményítőalapú biogáz- és bioetanol-termelő technológia kidolgozása; rekombináns fehérje expressziója élesztősejttel; fermentációs itakonsav-termelés; tejsav-fermentációs technológia fejlesztése búza, illetve cukorcirok alapanyagon.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A tejsav-fermentációs kutatások mind világviszonylatban, mind tanszéki szinten több évtizedes múltra tekintenek vissza. Fermentációs csoportunk a '90-es években kapcsolódott be a biológiai tejsav-előállítás vizsgálatába az akkori Nitrokémia Rt. megbízásából, ennek eredményeképpen született egy átfogó megvalósíthatósági tanulmány, és ezen kutatások adják jelenlegi munkánk alapját.

2006-ban került újra napirendre egy tejsav-fermentációs technológia kidolgozása, amelyre az új Nitrokémia Zrt. adott megbízást, és egy észt együttműködés (Nordbiochem LLC) keretein belül kezdtük meg kutatásainkat. A tervezett tejsavüzem alapanyaga a Magyarországon nagy mennyiségben termelt búza, amelynek keményítőtartalma megfelelő nyersanyag az ún. első generációs bioproduktumok gyártásához. A jelenleg is futó projekt célja egy 100 ezer tonna búza feldolgozására alkalmas biofinomító kombinát (biorefinery) létrehozása. A projektcégként létrejött Hunest Biorefinery Kft. tanszékünkkel szorosan együttműködve megkezdte a Balatonfűzfőre tervezett üzem technológiai tervezését és a kapcsolódó részletes megvalósíthatósági tanulmány elkészítését.

A tejsav mint fermentációs termék és a biomassza-hasznosítás iránti megnövekedett igény szülte új konzorciális projektünket is. "A cukorcirok integrált mezőgazdasági termelési, tárolási, feldolgozási és logisztikai rendszerének kidolgozása" c. pályázati anyag 2008-ban elnyerte a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal Nemzeti Technológiai Platformjának keretein belül meghirdetett támogatását, így a 2009 – 2011-es időszakban lehetőségünk nyílik részt venni egy olyan cukorcirok-alapú biofinomító tervezésében, amelynek egyik tervezett főterméke szintén a tejsav.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatási munkám elsősorban a tervezett biofinomító(k) tejsav-fermentációs technológiai szempontú fejlesztésére irányul. A globális cél egy olyan technológiai megoldás kidolgozása, amely a rendelkezésre álló kétféle alapanyagra egyaránt alkalmazható, és költséghatékony termelést tesz lehetővé, ezáltal a tejsavra mint fermentációs termékre épülő további termelő egységeket integrálva a létrejövő komplexum akár ún. III. fázisú biofinomítóvá léphet elő, amely rugalmasan alkalmazkodik a piaci igényekhez (a tejsavból származtatható végtermékek ennek megfelelően állíthatók elő) és a rendelkezésre álló nyersanyagokhoz (búza vagy cukorcirok), míg a termeléshez szükséges energia egy részét a keletkező hulladékok és melléktermékek biogázosításával vagy égetésével biztosíthatjuk.

A fermentációs egység kidolgozásánál tehát mindenképp egy hatékony és olcsó fermentációs eljárás kidolgozása a célom, kétféle nyersanyagból kiindulva, és a fermentációs tápközegen kívül megvizsgálva az egyéb technológiai paramétereket is. Végül a laboratóriumi léptékről félüzemi léptékre szeretném emelni az optimált technológiát.

Módszerek

Tág értelmezésben egy termék fermentációs előállítása alatt olyan biológiai reakciót értünk, ahol többnyire biológiai eredetű (biomassza) nyersanyagból kiindulva egy vagy több mikroorganizmus vagy annak sejtalkotói által jön létre a kívánt vegyület. Ennek értelmében a tejsav mint termék (produktum) fermentációs előállításának fő szempontjai a nyersanyag (szubsztrátum) és a termelő mikroorganizmus, valamint az ezek felhasználásához szükséges technológia. A tejsav bakteriális fermentációval történő előállítása során a sejt ATP formájában megtermeli a működéséhez szükséges energiát, amihez átalakítja a rendelkezésre álló szénforrásokat (egyszerű vagy összetett cukrokat). A baktérium szaporodásához és a sejtalkotók felépítéséhez nagyrészt a tápközegben található nitrogénforrás szerepű összetevőket építi be, míg a szénforrásnak csak egy része fordítódik erre a célra.

A tejsav-fermentáció lényeges lépései tehát:

• megfelelő termelő mikroba kiválasztása: izolálás, screening, törzsfejlesztés

• a kiválasztott baktérium igényeinek felmérése: szénforrás, nitrogénforrás, mikrokomponensek
  

• a nyersanyagok mennyiségének és minőségének optimálása a mikroba igényeinek megfelelően: tápközeg optimálása

• megfelelő előkezelési és fermentációs technikák kiválasztása
  

• az optimált tápközegen végzett fermentáció technológiai paramétereinek vizsgálata: pH, hőmérséklet stb.
  

• a kidolgozott eljárás léptéknövelése

Ezen feladatok mellé társulhatnak egyéb megoldandó feladatok a technológiafejlesztés területén:

• a nyersanyagok (pl. megfelelő cukorcirok fajta) kiválasztása
  

• nyersanyagok előkészítése, frakcionálása, előkezelése

• nyersanyagok tárolási, tartósítási problémáinak megoldása
  

• a szükséges kiegészítő tápközeg-komponensek beszerzése vagy in-house előállítása

• a kísérletileg kidolgozott technikák számítógépes szimulációja és gazdasági értékelése

A fentiek értelmében munkám során a következő feladatokkal foglalkoztam:

1. Kísérletek a kutatócsoportunk által korábban optimált ún. Lac-2 tápközegen, glükóz szénforráson:

• kiválasztottam a megfelelő mezofil (közepes hőmérsékletet kedvelő) baktériumtörzset

• párhuzamos kísérleteket végeztem

• 250 literig növeltem a léptéket

2. Búza nyersanyagból kiinduló technológiai fejlesztések:

• tápközeg optimálása

• keményítőhidrolízis és fermentációs technika együttes alkalmazásának megvalósítása

3. Cukorcirok nyersanyagból kiinduló technológia fejlesztése:

• cirokfajták vizsgálata

• cukorciroklé és -szecska tartósítása

• tápközeg optimálása

4. Az alkalmazott baktérium tápanyagigényeinek vizsgálata:

• vitamin- és aminosavigény

• szénforrás/nitrogénforrás/mikrokomponensek optimális arányának vizsgálata

5. A pH-szabályozás és a hőmérséklet hatása a tejsav termelésre

6. Magas hőmérsékleten alkalmazható (termotoleráns) törzsre épülő technológia kidolgozása:

• termotoleráns baktérium screeningje

• termotoleráns törzs igényeinek vizsgálata

• a törzs alkalmazása búza ill. cukorcirok-alapú tápközegen (laboratóriumi léptékben)

7. Alternatívák élesztőkivonat mint kiegészítő komponens előállítására:

• élesztőtermelés cukorcirok kipréselt szárának cellulóz vagy hemicellulóz frakcióján 

• élesztőtermelés a cukrocirok kipréselt levén

• az alternatívák számítógépes szimulációja, gazdasági elemzése
  

Eddigi eredmények

Doktori munkám során elért kutatási eredményeim a következő pontokban foglalhatók össze:

• A tanszéki kutatócsoportunkban korábban kidolgozott, optimált tápközegen, egy kiválasztott mezofil törzzsel, glükóz szénforráson sikeresen növeltem egy klasszikus, szakaszos tejsav-fermentációs eljárás lépékét 250 literig.
• Sikeresen optimáltam egy búzaalapú tápközeget, a cukrosított keményítőt szénforrásként, a búza fehérjetartalmának egy részét nitrogénforrásként, és egy minimális élesztőkivonatot mikrokomponens-forrásként használva.

  

• A búzakeményítő hidrolízisét vizsgálva összevetettem a szimultán cukrosítás és fermentáció (SSF), illetve a szeparált hidrolízis és fermentáció (SHF) előnyeit, és sikeresen optimáltam a szeparált hidrolízis időtartamát inokulálás előtt (kombinált hidrolízis és fermentáció – CHF).
• Optimáltam egy cukorciroklé-alapú tápközeget, ahol a ciroklé cukortartalma szénforrásként, a hozzáadott glutén nitrogénforrásként, az élesztőkivonat mikrokomponens-forrásként szolgált.
• A két tápközeg-optimálás eredményei nyomán felmértem az alkalmazott törzs adott szénforrás-mennyiséghez tartozó nitrogén- és mikrokomponens-igényét, és meghatároztam az esszenciális vitaminokat és aminosavakat. Az eredmények alapján kidolgoztam egy optimálási eljárást, amelyre szabadalmi bejelentés is született.
• Megvizsgáltam a törzs pH- és hőmérséklet-függését, és kidolgoztam egy kombinált pH-szabályozási módot, ammónium-hidroxid és kalcium-karbonát együttes alkalmazásával.
• Kiválasztottam egy termotoleráns tejsavtermelő törzset, és megkezdtem tápanyagigényeinek felmérését, valamint a törzs adaptálását a két alkalmazott tápközegre.
  
• A kapott eredmények alapján megkezdtem a biofinomító folyamatainak számítógépes tervezését, a különböző variációk gazdasági összevetését, illetve az élesztőkivonat in-house előállításának gazdasági vizsgálatát.
  
  
  

Várható impakt, további kutatás

A kidolgozott tejsav-fermentációs eljárás(ok) felhasználása két futó projektben is megvalósulhat. 

„A cukorcirok integrált mezőgazdasági termelési, tárolási, feldolgozási és logisztikai rendszerének kidolgozása” c. projekt keretein belül 2011 végéig egy agrár-ipari modell kialakításában veszünk részt, a konzorciumi partnerek eredményeinek felhasználásával, beleértve a tejsav-fermentációs és az élesztőkivonat-előállító technológia fejlesztéseit is. Az NKTH által támogatott munka közvetett célja a termelést és az egyre bővülő felhasználást folyamatosan támogatni képes kutatás-fejlesztési és innovációs háttér megteremtése.

A Nitrokémia Zrt. által Balatonfűzfő Gyártelepre tervezett búzaalapú biofinomító hosszú távú célja olyan jó minőségű és olcsó platformvegyület (tejsav) előállítása, amely megfelelő alapanyag lehet egy biodegradálható műanyag (politejsav – PLA) előállító technológia számára, és lehetővé teszi egy környezetbarát, zöld vegyipari egység létrehozását.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

Szabadalom

• Hetényi K. Zs., Németh Á., Sevella B., Kovács L. P., Bodnár Zs., Eljárás haszonnövények fermentációs felhasználására tejsav és származékainak előállítása céljából, P1000061 (bejelentés: 2010. január)

Írott közlemények

• K. Hetényi, K. Gál, Á. Németh, B. Sevella, Use of sweet sorghum juice for lactic acid fermentation: preliminary steps in a process optimization, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 85 (2010) 872 – 877
  

• K. Hetényi, Á. Németh, B. Sevella, First steps in the development of a wheat flour based lactic acid fermentation technology. Culture medium optimization, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly (2009) publikálás alatt (várható megjelenés: 2010/2. szám)

• K. Hetényi, Á. Németh, B. Sevella, Examination of medium supplementation for lactic acid fermentation, Hungarian Journal of Industrial Chemistry 36 (2008) 49–53

• Hetényi K., Németh Á., Sevella B., Fehér biotechnológiai kutatások, Magyar Kémiai Folyóirat, Kémiai Közlemények, 3 (2008) 102 – 106

Konferencia előadások

• Hetényi K., Németh Á., Sevella B., Tejsavbaktérium tápanyagigényének technológiai szempontú vizsgálata, Műszaki Kémiai Napok ’10, Veszprém, 2010. április 27 – 29.

• Hetényi Kata, Biofinomító technológiáinak optimálása, Szent-Györgyi Albert Szakkollégium, A Biotechnológia a biológia, a kémia és a mérnöki tudományok találkozása c. konferencia, Budapest, 2010. március 20.

• Hetényi K., Biofinomító technológiáinak optimálása, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Oláh György Doktori Iskolájának VII. konferenciája, Budapest, 2010. február 4.

• Hetényi, K., Németh, Á., Sevella, B., Lactic acid fermentation on wheat flour via SHF and SSF technology, 2nd Central European Forum for Microbiology (CEFORM), Keszthely, 2009. október 7 – 9 (angol nyelvű), tartalmi kivonat: Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica 56 (2009) 167 – 168

• Hetényi K., Németh Á., Sevella B., Tejsav-fermentációs tápközeg vitamin kiegészítése, Magyar Mikrobiológiai Társaság 2008. évi Nagygyűlése, XI. Fermentációs Kollokvium, Keszthely, 2008. október 15 – 17., tartalmi kivonat: Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica 56 (2009) 36

• Hetényi K., Németh Á., Sevella B., Tejsav fermentációs tápközeg kiegészítésének vizsgálata, Műszaki Kémiai Napok ’08, Veszprém, 2008. április 22 – 24.

• Hetényi K., Németh Á., Sevella B., Tejsavtermelő technológia fejlesztése, Műszaki Kémiai Napok ’07, Veszprém, 2007. április 25 – 27.

Poszterek

• K. Hetényi, K. Gál, Á. Németh, B. Sevella, Use of sweet sorghum juice for lactic acid production, Műszaki Kémiai Napok ’09, Veszprém, 2009. április 21 – 23; Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Oláh György Doktori Iskolájának IV. konferenciája, Budapest, 2009. február 4.

• K. Hetényi, B. Sevella, Cost effective lactic acid production on wheat flour, Pannon Mérnöknapok, Veszprém, 2008. február 27 – 28; Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Oláh György Doktori Iskolájának V. konferenciája, Budapest, 2008. február 8.

• K. Hetényi, Á. Németh, B. Sevella, Researches on Renewable Resources at BUTE ABFS F-labor, 5th Croatian Professional and Scientific Conference on Biotechnology with International Particiption, Stubicke Toplice, 2007. május 9 – 10.

Linkgyűjtemény

BME, F-Labor


Cukorcirok konzorcium

Nitrokémia Zrt.

Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal