Odpady spożywcze zamienią w związki cenniejsze niż biogaz

Związki o większej wartości niż metan pozyskiwane z domowych resztek i odpadów z produkcji żywności? Naukowcy z Politechniki Gdańskiej i Chin pracują nad nową technologią przetwarzania odpadów spożywczych, dzięki której będzie można odzyskiwać kwasy karboksylowe potrzebne do wyprodukowania polimerów, farmaceutyków, rozpuszczalników czy dodatków do żywności.

Projekt realizowany pod kierunkiem prof. Jacka Mąkini, kierownika Katedry Inżynierii Sanitarnej na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej oraz prof. Xiang Li z Donghua University w Szanghaju jest odpowiedzią na globalne wyzwanie, jakie stanowi marnotrawstwo żywności i – co za tym idzie – gromadzenie odpadów spożywczych. Szacuje się, że 7 miliardowa populacja ludności wytwarza rocznie ok. 1,3 miliarda ton odpadów spożywczych, przy czym w przeliczeniu na gospodarstwo domowe jest to odpowiednio: 54 kg w Polsce (średnia unijna to 76 kg) i 16 kg w Chinach.

Kwasy zamiast energii odnawialnej

W ramach projektu REVAMP polsko-chiński zespół badawczy zajmie się odzyskiem wartościowych produktów z fermentacji odpadów spożywczych poprzez sonokawitację i intensyfikację hydrotermalną. Naukowcy będą pracować na odpadach lokalnych i badać ich wpływa na efektywność procesu fermentacji.

– Fermentacja beztlenowa to jedna z powszechnie stosowanych technologii przetwarzania odpadów spożywczych. Dotychczas celem był maksymalny odzysk energii w postaci biogazu, ale podejście to zostało zakwestionowane w kontekście korzyści ekonomicznych i zasad gospodarki zrównoważonej. W naszym projekcie proponujemy odzyskiwanie tzw. związków o wysokiej wartości dodanej, takich jak kwasy karboksylowe, w procesie kwaśnej fermentacji – mówi prof. Jacek Mąkinia. – Kwasy karboksylowe i ich pochodne są istotne ze względu na ich wykorzystanie w produkcji m.in. syntetycznych polimerów, farmaceutyków, rozpuszczalników, czy też dodatków do żywności. Przewiduje się, że światowy rynek tych kwasów będzie rósł rocznie o 5 procent, w 2023 roku osiągając wartość ok. 20 miliardów dolarów.

Naukowcy m.in. porównają sposoby przetworzenia odpadów o różnej charakterystyce przy zastosowaniu dwóch metod obróbki hydrotermalnej. Zbadają kluczowe produkty uboczne obróbki oraz strategię mikro-napowietrzania pod kątem regulacji mechanizmów fermentacji. Ponadto, opracują model matematyczny (w tym m.in. specjalizuje się zespół prof. Mąkini) do oceny i optymalizacji pracy zintegrowanego systemu obejmującego proces obróbki wstępnej i fermentacji odpadów przemysłu spożywczego.

Kawitacja w inżynierii – w światowej czołówce

W projekcie uczestniczy zespół prof. Grzegorza Boczkaja z Katedry Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej na Wydziale Chemicznym PG, który będzie odpowiadał za badania nad przygotowaniem wsadu (przetworzonych odpadów spożywczych) za pomocą zjawiska sonokawitacji do procesów fermentacji. Ma to wpłynąć na poprawę intensywności fermentacji.

– Destrukcyjny charakter zjawiska kawitacji umożliwia m.in. wywołanie i przyspieszenie szeregu reakcji chemicznych. W przypadku sonokawitacji, a więc kawitacji akustycznej, ten efekt jest uzyskiwany za pomocą ultradźwięków – tłumaczy prof. Grzegorz Boczkaj. – Energia uwalniana w strumieniu cieczy, w momencie implozji pęcherzyków kawitacyjnych może być wykorzystana do uzyskania pożądanych przemian strukturalnych i fizyko-chemicznych odpowiednio przygotowanych odpadów spożywczych w celu zwiększenia ich biodostępności dla mikroorganizmów, które są wykorzystywane w procesach fermentacji.

Zespół badawczy z PG znajduje się obecnie w światowej czołówce zespołów naukowych zajmujących się wykorzystaniem zjawiska kawitacji w inżynierii chemicznej i inżynierii środowiska.

Zaawansowane metody modelowania i optymalizacji procesów

Wyzwaniem dla naukowców będzie opracowanie zintegrowanego modelu łączącego procesy wstępnej obróbki odpadów spożywczych i kwaśnej fermentacji, ukierunkowanej na produkcję kwasów karboksylowych i ich pochodnych.

– Modyfikacja istniejących, typowych modeli fermentacji będzie możliwa dzięki rozpoznaniu aktywności mikrobiologicznej, pośrednich produktów fermentacji oraz przemian azotu. Model zostanie wykorzystany jako narzędzie umożliwiające lepsze zrozumienie procesów, optymalizację warunków operacyjnych oraz oszacowanie wpływu badanych procesów na środowisko – mówi dr inż. Ewa Zaborowska z zespołu badawczego projektu, która na PG od lat pracuje nad innowacyjnymi technologiami w gospodarce ściekowo-osadowej w połączeniu z zaawansowanymi metodami modelowania matematycznego (dzięki dotychczas opracowanym modelom symulacyjnym oczyszczalnie ścieków i biogazownie rolnicze mogą optymalizować procesy technologiczne pod kątem efektywności usuwania zanieczyszczeń lub pozyskiwania wartościowych produktów, poprawy bilansu energii, czy też ograniczania emisji gazów cieplarnianych).

Współpraca z naukowcami z Chin

Trzyletni projekt po stronie polskiej pozyskał prawie 1-milionowe finansowanie z Narodowego Centrum Nauki w ramach międzynarodowego konkursu SHENG 2 na polsko-chińskie projekty badawcze. Po stronie chińskiej konkurs organizuje National Natural Science Foundation of China.

Współpraca zespołu prof. Mąkini z naukowcami z Donghua University rozpoczęła się w 2019 roku. Jej efektem jest szereg publikacji w renomowanych czasopismach naukowych (Journal of Hazardous Materials, Bioresouce Technology, Environmental Research). W ubiegłym roku prof. Mąkinia został laureatem programu „High-level Global Experts” na Donghua University, w ramach którego wygłosił cykl wykładów dla studentów i doktorantów z Chin.