Ciljevi, ideja i značaj

Razvoj novih bioprocesa za dobivanje proizvoda visoke dodatne vrijednosti iz mikroalgi, makroalgi, spužva ili bakterija prisutnih u moru uključuje selekciju adekvatnog radnog organizma, te posljedično definiranje optimalnog sastava hranjive podloge, uvjeta i načina (autotrofni, fotoautotrofni, miksotrofni ili heterotrofni) uzgoja tog organizma. U tom stupnju razvoja bioprocesa adekvatni bioreaktorski sustav (npr. fotobioreaktor ili drugi tip bioreaktora) kao i tehnika vođenja bioprocesa (šaržni, šaržni proces s pritokom supstrata, polukontinuiran ili kontinuirani proces) trebaju biti definirani. Kinetička istraživanja bioprocesa potrebno je također provesti da bi se prikupili podaci za razvoj matematičkog modela bioprocesa koji se može primjeniti u procesu povećanja mjerila. Nadalje, proučavanje adekvatnih metoda za izdvajanje i pročišćavanje tih biotehnoloških proizvoda u velikom mjerilu neophodno je provesti da bi se dobili što čišći proizvodi za daljnju praktičnu primjenu. Integracija između faze proizvodnje i separacije proizvoda treba biti u središtu razvoja ovog stupnja razvoja bioprocesa s ciljem unapređenja ekonomskih i ekoloških aspekata tih bioprocesa. U ovom stupnju razvoja bioprocesa vrlo često je potrebno razviti inovativana tehnološka rješenja za izdvajanje i pročišćavanje određenog proizvoda (npr. različitih metabolita ili dijelova odnosno cijelih stanica). Istraživanja određenog bioprocesa u poluindustrijskom mjerilu su također neophodna zbog  činjenice da se s povećanjem mjerila mjenjaju transportni fenomeni u sustavu. Tijekom proučavanja bioprocesa u poluindustrijskom mjerilu trebaju se odrediti svi relevatni podaci za povećanje mjerila bioprocesa, te usporediti s podacima dobivenim u laboratorijskom mjerilu kako bi se dobila što pouzdanija procedura za industrijsko povećanje mjerila bioprocesa. Kriteriji povećanja mjerila obično se baziraju na geometrijskoj, hidrodinamičkoj i fiziološkoj sličnosti između malog i velikog mjerila bioprocesa. Da bi se razina pogrešaka prilikom povećanja mjerila smanjila na najmanju moguću mjeru procedura za povećanje mjerila trebala bi koristiti i integralni matematički model bioprocesa.

Znanstvena osnova

Mikroalge, makroalge, spužve i bakterije prisutne u moru imaju veliki potencijal za proizvodnju različitih prirodnih proizvoda (bioproizvoda) koji se mogu koristiti kao bojila, mirisi, konzervansi ili arome hrane, probiotici ili lijekovi kao što su antibiotici. Efikasna održiva industrijska proizvodnja tih

proizvoda pomoću različitih morskih organizama još je uvijek u fazi razvoja. Da bi se uspostavila održiva industrijska proizvodnja tih bioproizvoda potrebno je provesti kompletnu analizu cijelog proizvodnog  sustava pomoću metodologije životnog ciklusa proizvoda (eng. Life Cycle Assessment; LCA). LCA metodologija vrši procjenu održivosti bioprocesa uzimajući u obzir ekonomske, ekološke i socijalne aspekte određenog bioprocesa. U prvoj fazi LCA ciljevi i područje rada, te granice proučavanog bioprocesnog sustava trebaju biti određeni, te povezano s tim i cijeli radni plan istraživanja. Nadalje, za prikaz rezultata istraživanja treba biti odabrana adekvatna funkcionalna jedinica primjenjiva za određeni bioprocesni sustav, te prikupljeni relevatni ulazni i izlazni podaci za proučavani bioprocesni sustav. Na osnovi ovih podataka može se izvršiti procjena i usporedba učinaka bioprocesa na okolinu pomoću definiranih ekoloških indikatora. Na osnovi LCA rezultata najefikasnija i održiva tehnološka konfiguracija bioprocesa biti će definirana, te razvijena procedura za povećanje mjerila bioprocesa.

Istraživačke kompetencije

Istraživačka grupa Laboratorija za biokemijsko inženjerstvo, industrijsku mikrobiologiju, tehnologiju slada i piva Prehrambeno-biotehnološkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (koju vodi prof. dr. sc. Božidar Šantek) bavi se istraživanjima u području bioprocesnog inženjerstva, fiziologije industrijskih mikroorganizama i industrijske biotehnologije. Istraživačka grupa ima veliko iskustvo u području uzgoja mikroorganizama i algi, razvoju integriranih bioprocesa, izdvajanju i pročišćavanju sastojaka stanice (npr. b-glukana iz kvasca i alge Euglena gracilis), razvoju i primjeni horizontalnih rotirajućih cijevnih bioreaktora za provođenje različitih  bioprocesa  (uzgoji  u  tekućim  ili  na  polučvrstim  ili  čvrstim  hranjivim  podlogama), razvoju integralnih matamatičkih modela različitih bioprocesa, povećanju mjerila bioprocesa i matematičkom modeliranju metaboličkih puteva mikrobnih stanica. Istraživači ovog laboratorija imaju također veliko iskustvo u nadzoru bioprocesa uz primjenu različitih analitičkih metoda, te razvijene metode za izuzimanje i analizu polučvrstih i čvrstih uzoraka bioprocesa. Laboratorij je opremljen sa različitim vrstama bioreaktora s mješalom (volumen 5 – 50 L), horizontalnim rotirajućim cijevnim biorektorima (30 – 100 L) i adekvatnom analitičkom opremom (npr. GC I HPLC). U laboratoriju se trenutno provode istraživanja ekološki i ekonomski održive proizvodnje bioetanola i biokemikalija (npr. mliječne kiseline za proizvodnju polilaktata  i fiziološki aktivnih oligosaharida za farmaceutske i prehrambene svrhe) iz otpadnih poljoprivrednih sirovina (Hrvatska zaklada za znanost br. 9158, Sustainable production of bioethanol and biochemicals from agricultural waste lignocellulosic raw materials).

Istraživačka grupa Laboratorija za tehnologiju antibiotika, enzima, probiotika i starter kultura Prehrambeno- biotehnološkog fakulteta (koju vodi prof. dr. sc. Jagoda Šušković) ima ekspertizu za razvoj nove generacije probiotika kao živih lijekova, a koji će biti namijenjeni za terapiju različitih gastrointestinalnih bolesti ili će poslužiti kao nositelji vakcina, imunoglobulina i drugih terapijskih proteina. Već provedena i istraživanja u tijeku su obećavajuća za razvoj i evaluaciju specifičnih probiotika u prevenciji i terapiji infekcijskih bolesti. U Laboratoriju je već dostupna oprema za analizu autohtonih sojeva bakterija mliječne kiseline molekularnim metodama (PCR uređaje Applied Biosystems i Eppendorf, horizontalnu, vertikalnu i DGGE gel-elektroforezu Bio-Rad, čitač mikrotitarskih pločica LKB, transiluminator Applied Biosystems), izolaciju, održavanje  i  proizvodnju  biomase  bakterija  mliječne  kiseline  (homogenizator  Bagmixer     Interscience, zamrzivač -80oC New Brunswick, liofilizator Christ, GC-MS Shimadzu, Sci. spektrofotometar UV/VIS Carry 3, Biospec-nano spektrofotometar Shimadzu, centrifuga Beckmann J21B, Eppendorf centrifuga, vodena kupelj s miješanjem New Brunswick Sci., autoklav Inco, CO2 inkubator, Brouwer termostati BTE-S, analitičke vage Sartorius, svjetlosni mikroskopi Olympus).

Metode i njihova povezanost sa specifičnim ciljevima

Odabrane vrste mikroalgi, makroalgi, spužva ili bakterija prisutnih u moru koristit će se za dobivanje proizvoda visoke dodatne vrijednosti kao što su različita bojila, mirisi, konzervansi ili arome hrane,  probiotici ili lijekovi kao što su antibiotici. Tijekom istraživanja u laboratorijskom mjerilu treba odrediti adekvatni bioreaktorski sustav i način vođenje određenog bioprocesa, te to dodatno potvrditi tijekom istraživanja u poluindustrijskom mjerilu. Kinetička istraživanja određenog bioprocesa provest će se pomoću standardnih kinetičkim metoda, a dobiveni rezultati će se primjeniti za razvoj matematičkog modela bioprocesa. Da bi se dobio pouzdan matematički model bioprocesa za povećanje mjerila potrebno je povesti kinetička istraživanja i u poluindustrijskom mjerilu. Integracija između faze proizvodnje i separacije proizvoda treba biti bazinara na LCA evaluaciji sustava koja uzima u obzir ekološke, ekonomske i socijalne aspekte određenog bioprocesa. U ovoj fazi razvoja bioprocesa vrlo često je potrebno razviti inovativna tehnološka rješenja za izdvajanje i pročišćavanje određenog proizvoda (npr. različitih metabolita ili dijelova odnosno cijelih stanica). Izdvajanje i pročišćavanje tih proizvoda iz konvertirane hranjive podloge bazirat će se na inovativnim sustavima koji će biti energetski manje zahtjevni sustavi u odnosu na postojeće  industrijske sustave. Novi sustavi će biti formirani kao kombinacija različitih separacijskih sustava kao što su specijalno razvijeni membranski sustavi (npr. perstrakcija ili pervaporacija), ekstrakcijski, adsorpcijski, kromatografski ili sustavi za istiskivanje pomoću plinova (eng. gas stripping) s ciljem dobivanja čistih tvari za njihovu daljnju praktičnu primjenu. Održivost tih bioprocesa procjenit će se pomoću metodologije životnog ciklusa proizvoda (eng. Life Cycle Assessment; LCA) koje je dio ISO standarda (ISO-14040-44). Tijekom LCA sve faze (definiranje ciljeva i područje rada, detaljna analiza sustava, procjena utjecaja na okolinu, interpretacija rezultata) tog procesa treba provesti da bi se odredio ukupan utjecaj određenog bioprocesa na okolinu, ekonomiju i društvo. Na osnovi LCA rezulata, najefikasnija i održiva tehnološka konfiguracija određenog bioprocesa će se odrediti, te predložiti procedura za povećanje mjerila. Tijekom proučavanja bioprocesa u poluindustrijskom mjerilu trebaju se odrediti svi relevatni podaci za povećanje mjerila bioprocesa s ciljem dobivanja pouzdane industrijske procedure za povećanje mjerila. Da bi se razina pogrešaka prilikom povećanja mjerila smanjila na najmanju moguću mjeru, procedura za povećanje mjerila treba koristiti i integralni matematički model bioprocesa.

Očekivani rezultati i njihovi krajnji korisnici

Određivanje adekvatnih bioreaktorskih sustava i način vođenja određenog bioprocesa. Kinetička istraživanja određenog bioprocesa.

Razvoj matematičkog modela bioprocesa.

Protokoli za izdvajanje i pročišćavanje biomolekula iz konvertirane hranjive podloge baziranih na inovativnim sustavima energetski manje zahtjevnim u odnosu na postojeće industrijske sustave.

Procjena održivosti bioprocesa i određivanje ukupnog utjecaja određenog bioprocesa na okolinu, ekonomiju  i društvo.

Potencijalni korisnici su biotehnološke tvrtke koje su specijalizirane za fine kemikalije i bioprocesing.