W regionie Walencji sektor rolniczy generuje rocznie około 800 000 ton odpadów roślinnych, w tym słomę ryżową i odpady z cięcia cytrusów. Obecnie stosowane metody zagospodarowania tej biomasy są kosztowne, ponieważ wymagają użycia komercyjnych enzymów, które mogą stanowić nawet do 40% kosztu całego procesu, co ogranicza jego opłacalność przemysłową. W odpowiedzi na to wyzwanie centrum technologii tworzyw AIMPLAS koordynuje projekt Biovalsa, którego celem jest opracowanie innowacyjnych procesów wytwarzania zrównoważonych biotworzyw z odpadów rolniczych i pozostałości po cięciu roślin. Projekt finansowany jest przez IVACE+i Innovación i otrzymuje wsparcie finansowe Unii Europejskiej w ramach programu EFRR Comunitat Valenciana na lata 2021–2027.
W projekcie Biovalsa opracowywany jest nowy proces umożliwiający wykorzystanie odpadów rolniczych do produkcji biotworzyw, które stanowią alternatywę dla syntetycznych tworzyw pochodzenia petrochemicznego. Inicjatywa zakłada wypracowanie alternatywnych ścieżek odzysku wartości ze słomy ryżowej z pominięciem kosztownych związków chemicznych. Kluczowe jest tu zastosowanie metod pozwalających na wydzielenie trzech głównych frakcji lignocelulozowej biomasy, czyli celulozy, hemicelulozy i ligniny, które następnie mogą zostać wykorzystane w różnych zastosowaniach istotnych dla przemysłu biotworzyw. Takie podejście wpisuje się w założenia gospodarki o obiegu zamkniętym, w której odpady rolnicze stają się surowcem do produkcji materiałów o wyższej wartości dodanej. Projekt uwzględnia zarówno aspekty technologiczne związane z obróbką biomasy, jak i kwestie ekonomicznej wykonalności oraz potencjalnych zastosowań rynkowych uzyskanych biopolimerów i biokompozytów.
Odzysk frakcji lignocelulozowych dla przemysłu biotworzyw
W ramach projektu zakłada się opracowanie procesów, które zastąpią typowe, kosztowne i często oparte na agresywnej chemii metody przetwarzania lignocelulozowej biomasy. Celem jest takie prowadzenie obróbki, aby możliwe było odzyskanie trzech kluczowych frakcji: celulozy, hemicelulozy i ligniny, z przeznaczeniem do różnych zastosowań w sektorze biotworzyw.
Celuloza ma być wykorzystywana do produkcji kwasu mlekowego, podstawowego związku wytwarzanego w procesach fermentacyjnych i kluczowego monomeru do syntezy polilaktydu (PLA). PLA jest obecnie jednym z najczęściej stosowanych biotworzyw, szeroko wykorzystywanym m.in. w sektorze opakowaniowym oraz w zastosowaniach jednorazowych, gdzie wymagane są właściwości biodegradowalne i możliwość kompostowania.
Hemiceluloza, jako druga istotna frakcja, ma stanowić surowiec do wytwarzania kwasu bursztynowego. Ten z kolei jest niezbędny do produkcji politereftalanu bursztynianu (PBS), zaliczanego do biopolimerów charakteryzujących się większą elastycznością i lepszą odpornością cieplną niż niektóre inne popularne biotworzywa. PBS może znaleźć zastosowanie w elastycznych materiałach opakowaniowych oraz w wybranych zastosowaniach technicznych, gdzie wymagana jest podwyższona odporność na temperaturę przy zachowaniu biodegradowalności.
Lignina, stanowiąca trzecią główną frakcję lignocelulozowej biomasy, wyróżnia się właściwościami przeciwdrobnoustrojowymi. Z tego względu w projekcie przewiduje się jej odzysk i wykorzystanie jako dodatku ograniczającego rozwój mikroorganizmów w materiałach biotworzywowych. Włączenie ligniny jako komponentu o działaniu antybakteryjnym może zwiększyć wartość rynkową wytwarzanych materiałów, a także poszerzyć obszar ich potencjalnych zastosowań, zwłaszcza tam, gdzie istotne jest ograniczenie rozwoju mikroflory, przy zachowaniu biodegradowalności i możliwości kompostowania.
Partnerzy projektu i zakres ich udziału
Projekt Biovalsa jest koordynowany przez AIMPLAS, które wnosi doświadczenie zarówno w obszarze zagospodarowania odpadów, jak i wytwarzania biopolimerów. W realizację zaangażowany jest również Instytut Inżynierii Żywności Uniwersytetu Politechnicznego w Walencji (FoodUPV) oraz trzy przedsiębiorstwa zlokalizowane we Wspólnocie Walenckiej: Bioban, Viromii oraz Prime Biopolymers.
Bioban odpowiada za wykorzystanie swoich kompetencji w zakresie analiz genomowych w celu identyfikacji najbardziej odpowiednich szczepów bakterii do prowadzenia procesów obróbki biomasy. Dobór mikroorganizmów zdolnych do efektywnego rozkładu celulozy i hemicelulozy ma kluczowe znaczenie dla uzyskania kwasu mlekowego i kwasu bursztynowego w warunkach opłacalnych przemysłowo.
Viromii prowadzi prace związane z analizą opłacalności ekonomicznej nowych procesów otrzymywania biokompozytów. Obejmuje to ocenę kosztów surowców, energii i potencjalnej skali przemysłowej, a także analizę konkurencyjności opracowywanych rozwiązań względem istniejących technologii opartych na tworzywach petrochemicznych.
Prime Biopolymers pełni rolę odbiorcy końcowego i jest odpowiedzialne za wytwarzanie biomateriałów na podstawie uzyskanych w projekcie półproduktów, a następnie za ocenę możliwości ich zastosowania. W ramach tych działań analizowane są właściwości przetwórcze i użytkowe otrzymanych materiałów, w tym potencjał ich wykorzystania w konkretnych zastosowaniach przemysłowych.
Postępy prac i ukierunkowanie na biotechnologię
Projekt znajduje się obecnie w pierwszym roku realizacji. W tym etapie osiągnięto postęp w zakresie rozdziału komponentów słomy ryżowej z zastosowaniem metod, które nie wymagają użycia toksycznych substancji. Równolegle prowadzone są testy różnych szczepów bakterii i innych mikroorganizmów zdolnych do rozkładu celulozy i hemicelulozy w celu wytworzenia kwasu mlekowego i kwasu bursztynowego niezbędnych do produkcji biotworzyw.
Wykorzystanie biotechnologii w takim ujęciu ma na celu ograniczenie zużycia kosztownych chemikaliów i enzymów komercyjnych, a także zmniejszenie wpływu procesów na środowisko. Zastosowanie mikroorganizmów do konwersji biomasy może pozwolić na obniżenie kosztów produkcji biotworzyw oraz poprawę bilansu energetycznego całego łańcucha wytwórczego.
Projekt Biovalsa jest zgodny z wnioskami Strategicznych Wyspecjalizowanych Komitetów Innowacji (CEIE) w obszarze gospodarki o obiegu zamkniętym i technologii umożliwiających, promowanych przez IVACE+i Innovación. W pierwszym przypadku projekt odpowiada na potrzebę opracowania materiałów i technologii do wytwarzania produktów o wysokiej wartości dodanej z odpadów, w drugim zaś wpisuje się w postulat szerszego wykorzystania biotechnologii do doskonalenia procesów i produktów.
Inicjatywa mieści się również w głównych osiach Strategii Inteligentnej Specjalizacji (S3) Wspólnoty Walenckiej, koordynowanej przez regionalne ministerstwo przemysłu, turystyki, innowacji i handlu. Opracowywane rozwiązania łączą zagadnienia związane z gospodarką o obiegu zamkniętym, wykorzystaniem zasobów lokalnych i rozwojem technologii biopolimerów, co może w przyszłości sprzyjać wdrażaniu przemysłowych linii produkcyjnych opartych na odpadach rolniczych.
