Projekta Nr. 23-00-U2021401-000001 Mikroaļģu lipīdu jēlekstrakta ieguve un bagātināšana
síbiotech (AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”) sadarbībā ar Latvijas Valsts Koksnes Ķīmijas institūtu (LVKĶI) 01.07.2024 uzsāka pētniecības projektu:
“No fotobioreaktora sistēmā pavairotām (Nanochloropsis sp.) mikroaļģēm iegūta lipīdu jēlekstrakata bagātināšanas un frakcionēšanas metodoloģijas izstrāde, novērtējot tā izmantošanas potenciālu”
Projekta Nr. 23-00-U2021401-000001
Projekta mērķis: No fotobioreaktora sistēmā pavairotām (Nanochloropsis sp.) mikroaļģēm iegūta lipīdu jēlekstrakata bagātināšanas un frakcionēšanas metodoloģijas izstrāde, novērtējot tā izmantošanas potenciālu.
Projekta īstenošanas periods: 01.07.2024 – 31.03.2026.
Projekta kopējās izmaksas: 199 777.14,- EUR
Publiskais finansējums: 139 843.99,- EUR
Partneru finansējums: 59 933.15,- EUR
Projekta pārskata periods: 01.07.2024 – 30.09.2024.
Pārskata periodā tika uzsākta projekta īstenošana, kas tika sākta ar trīs aktivitātēm:
- Zinātniskās literatūras analīze;
- Mikroaļģu biomasas pavairošana;
- Iegūtās biomasas kaltēšana un sagatavošana ekstrakcijai.
Aktivitāte: Zinātniskās literatūras analīze
Iesaistītie partneri: AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”; Latvijas Valsts Koksnes Ķīmijas institūts.
Aktivitātes mērķis: Izpētīt pieejamās publikācijās un zinātnisko literatūrā mikroaļģu kultūru liela apjoma biomasas pavairošanai un metodoloģijas izstrādei, apstrādei un analīzei. Izstrādāt protokolus mikroaļģu audzēšanai, izmantojot optimālus apstākļus taukskābju koncentrācijas palielināšanai biomasā.
Rezultāts: tika apkopoti atbilstoši zinātniskās literatūras resursi un izveidoti eksperimentāli protokoli mikroaļģu pavairošanai, biomasas priekšapstrādei un pēcapstrādei.
Darbība: Biomasas pavairošana nepieciešamajam apjomam
Iesaistītie partneri: AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”
Darbības mērķis: Iegūta biomasa tālākai ekstrakcijai.
Rezultāts: Pārskata periodā veikta mikroaļģu pavairošana – ievākta un koncentrēta Nannochloropsis sp. biomasa. Vairāku mēnešu laikā fotobioreaktorā pavairotas mikroaļģes, regulāri ievākta raža (kopumā ievākti 1600 kg ražas), tad koncentrēta izmantojot separatoru. Lai uzglabātu biomasas koncentrātu, tas tika saldēts un uzglabāts. 2024.gada decembrī Vadošā partnera ražotnē ir paredzēts uzstādīt 4500L fotobioreaktora sistēmu, kas nodrošinās pilota mēroga ražas apjomus.
Darbība: Iegūtās biomasas žāvēšana un sagatavošana ekstrakcijai:
Iesaistītie partneri: AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS”; Latvijas Valsts Koksnes Ķīmijas institūts (LVKĶI).
Darbības mērķis: Sagatavot ievākto biomasas apjomu tālākai ekstrakcijai.
Rezultāts: Kad tika ievākts nepieciešamais apjoms kaltēšanai, sasaldētais biomasas koncentrāts tika atkausēts, lai tālāk to liofilizētu jeb aukstumā kaltētu (2. attēls) un iegūtu sausu biomasu. Biomasa tiek uzglabāta superkritiskās šķīduma ekstrakcijas procesam, lai iegūtu mikroaļģu jēlekstraktu tālākam attīrīšanas un bagātināšanas procesam.
Metodoloģijas izstrādei tika veikta mikroaļģu priekšapstrāde šūnu apvalku sagraušanai, lai palielinātu taukskābju saturu mikroaļgu jēlekstraktā, kā arī optimizētu ekstrakcijas procesu, samazinot putekļveida frakcijas saturu biomasā.
Tika noteikts Nannochloropsis sp. liofilizētās biomasas ķīmiskais sastāvs, tika konstatēts, ka vislielāko daudzumu taukskābju saturā veido eikozapentaēnskābe (C20:5n-3, EPS), kas pieder pie garo ķēžu omega-3 taukskābēm (1. tabula).
1. tabula.
Nannochloropsis sp. liofilizētās biomasas ķīmiskais sastāvs
| Taukskābes | Kopēji mg/g | Procentuāli |
| Mystric acid | 39.7 | 7.45% |
| Palmitoleic acid | 84.9 | 15.92% |
| Palmitic acid | 69.9 | 13.11% |
| Linoleic acid | 44.3 | 8.31% |
| Oleic acid + Linolenic acid | 20.0 | 3.75% |
| Steraic acid | 1.5 | 0.28% |
| Eicosapentaeoic acid | 262.2 | 49.17% |
| Arachidonic acid | 10.7 | 2.01% |
| Kopēji | 533.2 | 100.00% |
Papildus zinātniskās literatūras analīzei AS SISTĒMU INOVĀCIJAS pētnieki ir veikuši mikroaļģu jēlekstrakta turpmākas bagātināšanas procesu izpēti, izmantojot jaunāko zinātnisko periodiku un tehnisko literatūru. Aktivitātes ietvaros tika izstrādāti mikroaļģu filtrēšanas protokoli, kas pārbautīti eksperimentāli ar ekstraģēto Nannochloropsis sp. biomasu, lai verificētu iegūto tehnoloģiju pielietojumu mikroaļģu jēlekstraktam. Protokoli turpmāk tiks izmantoti metodes pielāgošanai un mikroaļģu jēlekstrakta bagātināšanai.
Rezultāts: Tika pielietota nostādināšanas metode ar dažādām etilspirta koncentrācijām, lai attīrītu ekstraktu no vaskiem un citiem piemaisījumiem (3. attēls).
Iegūtais maisījums tika filtrēts, izmantojot dažāda izmēra filtrpapīrus, tādējādi to attīrot, piemēram, no vaskiem (4. attēls).
Izfiltrētais maisījums tālāk tika ietvaicēts, iztvaicējot spirtu. Tika iegūts attīrīts un koncentrēts Nannochloropsis sp. ekstrakts.
Projekta pārskata periods: 01.10.2024 – 31.12.2024.
Pārskata periodā veiktās darbības un rezultāti:
Pārskata periodā pēc mikroaļģu biomasas liofilizēšanas vairākos piegājienos tika veikta Mikroaļģu lipīdu jēlekstrakta ieguve, izmantojot superkritisko šķīduma ekstrakciju ar CO₂ un sekundāro šķīdinātāju etilspirtu.
Ekstrahētajai biomasai un iegūtajam Nanochloropsis sp. jēlekstraktam tika noteikts ķīmiskais sastāvs, izmantojot gāzu hromatogrāfiju (GC). Tika noskaidrots ka eikozapentaēnskābe (EPS) ekstrahētajā biomasā ir 71.6 mg/g jeb 28.74%, ekstraktā pēc CO₂ ekstrakcijas EPS ir 578 mg/g jeb 52.99%, bet ekstraktā pēc CO₂ ekstrakcijas + EtOH ekstrakcijas – 439.1 mg/g jeb 59.43%.
Pēc superkritiskās CO₂ ekstrakcijas tika izmantots etanols (96%) kā sekundārais šķīdinātājs, lai vēl efektīvāk attīrītu jēlekstraktu.
Iegūtais attīrītais ekstrakts satur augstu EPA koncentrāciju. Tas ir šķidrā konsistencē, uzglabājot to +4 C – kas liecina, ka ekstraktā ir ļoti zems piesātināto taukskābju un vasku saturs. Šis produkts ir piemērots tālākai apstrādei, bagātināšanai un frakcionēšanai.
Papildus tam, pārskata periodā tika apmeklēta aļģu zinātniskā konference “AlgaEurope2024”, kur tika iegūtas vērtīgas zināšanas par specifiskiem aļģu apstrādes paņēmieniem.
Pārskata periods: 01.01.2025. g. – 31.03.2025. g
Pārskata periodā veiktās darbības un rezultāti:
Šajā periodā tika nodrošināta nepārtraukta Nannochloropsis sp. biomasas pavairošana, ievākšana, koncentrēšana, kaltēšana un sagatavošana ekstrakcijai. Šim nolūkam tika izmantots 4400 L tubulārais fotobioreaktors, kā arī citas iekārtas, piemēram, separātors (centrifūga) un aukstuma kaltētājs (liofilizātors). Rezultātā tika saaudzēti un ievākti 4737,5 kg mikroaļģu biomasas, no kā tika iegūts 82,95 kg koncentrāts un 5,39 kg sausas Nannochloropsis sp. biomasas.
Tika veikta arī lipīdu jēlekstrakta ieguve, izmantojot superkritisko CO2 (scCO2) ekstrakciju. Ekstrakcijas procesā tika izmantota sistēma ar vairākiem separatoriem (S0, S1, S2, S3) dažādās temperatūrās (+50°C, +40°C, +30°C, +25°C), lai iegūtu galaproduktus ar atšķirīgu bioķīmisko sastāvu, īpaši EPA koncentrāciju. Tika iegūti 1980 mg jēlekstrakta, no kuriem 540 mg tika attīrīti atkārtoti . Veiktās analīzes ar gāzu hromatogrāfiju (GC) parādīja, ka frakcijas S0 un S1 satur vislielāko EPA koncentrāciju.
Savukārt LVKĶI veica iegūtā jēlekstrakta tālāku apstrādi – frakcionēšanu ar dzesēšanu, lai attīrītu EPA no citām vielām. Frakcionēšana tika veikta gan istabas temperatūrā, gan pazeminātā temperatūrā (4±1°C), izmantojot Sephadex G-25 un Sephadex LH-20 sorbentus un dažādus etanolu saturošus eluentus. Pēc frakcionēšanas tika veikta frakciju analīze ar GC, lai novērtētu frakcionēšanas efektivitāti pēc EPA koncentrācijas. Tāpat tika veikta izejas aļģu analītiskā pirolīze ar gaistošo produktu GC analīzi, lai salīdzinātu datus un secinātu par sakarībām starp izejas materiāla sastāvu un frakciju attīrīšanas efektivitāti.
Pārskata periods: 31.03.2025. g. – 15.10.2025.g.
Pārskata periodā veiktās darbības un rezultāti:
Pārskata periodā tika turpināta Nannochloropsis sp. biomasas pavairošana tubulārajā fotobioreaktorā. Notika tās ievākšana un sagatavošana ekstrakcijai, kā arī lipīdu jēlekstrakta ieguve ar superkritisko CO₂ (scCO2) ekstrakciju. Iegūtie jēlekstrakti tika nodoti LVKĶI tālākai apstrādei – jēlekstrakta frakciju vienpakāpes un secīgai attīrīšanai, izmantojot dažādas polaritātes bināros šķīdumus, un attiecīgās metodikas efektivitātes izvērtēšanai. Darbības mērķis bija iegūt ar eikozapentaēnskābes (EPS) bagātinātas jēlekstrakta frakcijas, un novērtēt vienpakāpes un secīgās attīrīšanas efektivitāti.
Darbība: “Nannochloropsis sp. biomasas pavairošana un sagatavošana ekstrakcijai.”
Darbības mērķis: nodrošināt mikroaļģu biomasas ieguvi tālākai ekstraktu izveidei.
Rezultāts: No saaudzētas 49’118 kg (~49’280 L) mikroaļģu biomasas tika sakoncentrēti 962,98 kg (attiecība > 1:50 ) slapjās masas. Pēc aukstuma kaltēšanas tika iegūti 62,77 kg sausās Nannochloropsis sp. masas (skatīt pārskata 3. sadaļu). Fotobioreaktoros mikroaļģes tika kultivētas optimālā (1,2 g/L) koncentrācijā.
Darbība: “Nannochloropsis sp. lipīdu jēlekstrakta turpmākā attīrīšana”
Darbības apraksts: iegūtā Nannochloropsis sp. biomasa pēc liofilizēšanas tika ekstraģēta, izmantojot scCO2 ekstrakciju. Iepriekš tika noskaidrots, ka ekstraģēšanas laikā iegūtās frakcijas S0 (pie +50°C) un S1 (pie +40°C) sniedz visaugstāko EPA koncentrāciju, tāpēc tās tika izmantotas turpmākajam attīrīšanas procesam.
Rezultāti: attīrīšanas procesā abām frakcijām tika konstatētas gan iegūtā daudzuma, gan krāsas, gan konsistences atšķirības: S0 frakcija daudzuma ziņā no ekstraktora tika iegūta vairāk, tās konsistence bija nevienmērīga ar lielāku vizuāli redzamo daļiņu izmēru, krāsa gaišāka. S1 frakcijai: galaprodukts tika iegūts vidēji par 80% mazāk, tā konsistence bija vienmērīga, krāsa ļoti tumša (3. attēls un 4. attēls). Filtrēšanas process S0 frakcijai bija vienkāršāks un ātrāks, salīdzinot ar S1 frakciju.
Darbība: “Nannochloropsis sp. biomasas ķīmiskā sastāva noteikšana atkarībā no pirmsapstrādes veida”
Darbības apraksts: eksperimentālos nolūkos iegūtā Nannochloropsis sp. biomasa tika apstrādāta divos dažādos veidos:
- liofilizēta pēc AS “SISTĒMU INOVĀCIJAS” tehnoloģijas;
- liofilizēta un granulēta pēc KKI tehnoloģijas.
Granulēšanai tika piemeklēti optimalie apstākļi: granulējamā materiāla mitrums 15%, granulēšanas temperatūra +40–48oC, matrica 1:4, granulu diametrs 6 mm, rotacijas ātrums 200 rpm.
Rezultāti: mikroaļģu biomasas ķīmiskais sastāvs pirms ekstrakcijas tika novērtēts, analizējot lipīdu koncentrāciju katrā paraugā ar gāzu hromatogrāfijas (GC) metodi. Paraugu lipīdu sastāva dati ir 1. tabulā. Redzams, ka ar granulēšanas metodi ir izdevies iegūt lielāku EPA koncentrāciju, kā arī lielāku kopējo lipīdu iznākumu.
1. tabula. Mikroaļģu biomasas sastāvs pirms ekstrakcijas atkarībā no apstrādes veida.
| Lipīdi, kopēji (mg/g) | Liofilizēta | Granulēta |
| Mystric acid | 38.9 | 52.4 |
| Palmitoleic acid (omega-7) | 286.6 | 593.7 |
| Palmitic acid | 128.9 | 209.9 |
| Linoleic acid (omega-6) | 24.4 | 74.5 |
| Oleic acid | 33.7 | 141.6 |
| Steraic acid | 2.9 | 2.8 |
| Eicosapentaeoic acid (Omega-3) | 359.8 | 465.7 |
| Arachidonic acid | 293.9 | 199.2 |
| Kopēji (mg/g) | 1179.0 | 1751.2 |
Darbība: “Jēlekstrakta frakciju attīrīšana izmantojot dažādas polaritātes bināros šķīdumus (vienpakāpes attīrīšana un secīgā).”
Pārskata periodā tiek turpināta EPS saturošā produkta frakcionēšana pie istabas temperatūras un pazeminātas temperatūras (4±1°C), izmantojot Sephabeads sorbentu, kā arī XDA-1 sorbentu, aromatisko savienojumu atdalīsanai.
Pēc frakcionēšanas, etanols tika ietvaicēts pie temperatūras (< +40°C), kam sekoja liofīlā žāvēšana un analizējamo šķīdumu sagatavošana GC analīzei.
Darbība: “Attīrīšanas efektivitātes novērtējums pēc EPS koncentrācijas paraugā izmantojot GC analīzi”
Atskaites periodā GC analīze veikta izmantojot Shimadzu GC/MS/FID-QP ULTRA 2010 iekārtu, kolonnu Rtx1701(02-XII-2024), 60 m × 0.25 mm × 0.25 µm. Savienojumu identifikācija veikta izmantojot GC–MS spectral Library MS NIST 11 un NIST 11s programmu.
Relatīvais savienojumu saturs ir paradīts 2. tabulā, veikta savienojumu identifikācija (2. tabula) izejas frakcijai. Kopējais savienojumu saturs tiek ņemts par 100%, bet ūdens un etanols netiek ņemti relatīvo procentu aprēķinos.
2. tabula. Analītiskās pirolīzes dati, identificēto savienojumu relatīvais saturs izejas frakcijā, relatīvie %
| Peak | 33 | |
| Area total, mLn | 12.51 | |
| MW : Name | RT, min | relative % |
| 18 : Water | 3.997 | … |
| 46 : Ethanol | 4.146 | … |
| 188 : Pentanoic acid, 4-methyl-, trimethylsilyl ester | 8.763 | 0.16 |
| 244 : Decanoic acid, trimethylsilyl ester | 10.064 | 0.36 |
| 144 : Hexanoic acid, ethyl ester | 11.049 | 0.53 |
| 182 : 4-Tridecene, (Z)- | 11.170 | 0.31 |
| 184 : Tridecane | 11.204 | 0.49 |
| 216 : Octanoic acid, trimethylsilyl ester | 11.259 | 2.19 |
| 242 : Pentadecanoic acid | 11.553 | 0.73 |
| 212 : Tridecane, 4,8-dimethyl- | 11.792 | 0.13 |
| 268 : Octadecanal | 12.200 | 0.42 |
| 242 : Tridecanoic acid ethyl ester | 12.260 | 5.96 |
| 266 : 9-Octadecenal | 12.357 | 0.38 |
| 184 : Undecane, 3,7-dimethyl- | 12.393 | 0.45 |
| 300 : Tetradecanoic acid, trimethylsilyl ester | 12.442 | 1.23 |
| non iden. | 12.504 | 0.21 |
| 228 : Tetradecanoic acid (Myristic acid) | 12.841 | 9.49 |
| non iden. | 13.376 | 0.17 |
| 312 : Pentadecanoic acid, 2,6,10,14-tetramethyl-, methyl ester | 13.556 | 14.21 |
| 280 : 9-Octadecynoic acid | 13.667 | 0.11 |
| 296 : 10-Undecenoic acid, octyl ester | 13.774 | 0.47 |
| 256 : n-Hexadecanoic acid | 14.290 | 12.70 |
| 156 : 2-Nonen-1-ol, 2-methyl- | 14.960 | 0.57 |
| 254 : 9-Hexadecenoic acid | 15.137 | 1.50 |
| 222 : 7-Hexadecyne | 15.232 | 4.61 |
| 278 : 9,12,15-Octadecatrienoic acid, (Z,Z,Z)- (Linolenic acid) | 15.409 | 0.24 |
| non iden. | 15.484 | 0.24 |
| non iden. | 15.636 | 0.62 |
| 280 : 9-Octadecynoic acid (Stearolic acid ) | 16.200 | 0.68 |
| 260 : Z,Z,Z-1,4,6,9-Nonadecatetraene | 16.672 | 0.35 |
| 220 : 4-Hexadecen-6-yne, (E)- | 17.349 | 3.52 |
| 303 : EPA (Eicosapentaenoic Acid) | 17.751 | 33.55 |
| 324 : Z-4-Nonadecen-1-ol acetate | 18.850 | 1.53 |
| non iden. | 20.826 | 1.22 |
| 222 : 7-Hexadecyne | 22.885 | 0.67 |
| 100.00 |
Identifikacija visām frakcijām turpinās.
Aļģu analītiskā pirolīze ar gaistošo produktu GC analīzi.
Pārskata periodā veikta analītiskās pirolīzes datu interpretacija.
Iepriekšējā pārskata periodā tika veikta mikroalģu biomasas analītiskā pirolīze, kas balstas uz ātrās pirolīzes procesu, kurā alģu paraugs tiek uzkarsēts ar ātrumu +500°C/sec. Analītiskā pirolīze tika veikta izmantojot Fontier Lab Micro Doble shot Pirolīzes ierīci (Py- 2020iD, Japana).
Pēc analītiskās pirolīzes rezultātiem var raksturot alģu biomasas kompleksu sastavu, kas ietver: lipīdus (t.sk. taukskābes), oghidrātus, fenolus un aromātiskos savienojumus, aminoskābju atvasinājumus. Liels CO2 un ūdens (dekarboksilācijas un dehidratācijas reakciju produkti) īpatsvars 45% rel/DM, norāda uz augstu skābekli saturošo biomolekulu saturu, piemēram polisaharīdiem (celulozei līdzīgiem), organiskām skābēm un lipīdiem (6. attēls).
Ogļhidrātu saturs 16% rel/DM norāda uz polisaharīdiem, monosaharīdiem un to atvasinājumiem (piemēram, furāniem, furanooniem u.c.). Aromātisko vielu klātbūtne liecina par sekundāro metabolītu esamību un iespējamo bioloģisko aktivitāti, piemēram antimikrobiālo aktivitāti. Slāpekli saturošie savienojumi rodas no olbaltumvielu (proteīnu) un aminoskābju pirolīzes. Pie alifātiskiem un cikliskiem monomēriem ir pieskaitāmi ketoni, aldehīdi, alkāni, alkēni u.c., kas veidojas galvenokārt no lipīdu, vaska, un taukskābju degradācijas. Šo savienojumu saturs liecina par lipīdu frakciju (piemēram par polinepiesātinātajām taukskābēm).
Mikroaļģes satur daudzveidīgas organiskās vielas: ketoni, aldehīdi, piemēram acetons, propanāls, butanāls, 3-heksenāls u.c. (7. attēls) norāda uz lipīdu un ogļhidrātu degradācijas produktiem. Šie savienojumi liecina par lipīdu (t.sk. taukskābju) klātbūtni biomasā.
Tauskābju termiskās degradācijas produkti: īsas ķēdes karbonskābes (etiķskābe, propionskābe, sviestskābe) liecina par piesātināto un nepiesātināto taukskābju sadalīšanos (8. attēls). Lai arī EPA netiek identificētas tieši, šāda profila parādīšanās netieši norāda, ka biomasā ir glicerīdu/tauskābju frakcijas.
Furānu savienojumu klātbūtne, piemēram, 2-furankarboksilaldehīds, furanons, rodas no oglhidrātu un hemicelulozes sadalīšanās, piemēram polisaharīdiem (piemēram mannose, glikoze). Šie dati norāda uz polisaharīdu saturu biomasā (9. att.)
Aromātisko savienojumu klātbūtne (benzols, fenols, 2-metoksifenols, benzilgrupas). Šie savienojumi norāda uz aminoskābju, proteīnu vai fenolisko metabolītu klātbūtni. Tas parāda, ka aģēs ar arī proteīni un antioksidanti, piemēram fenoliskās vielas (10. attēls).
Informācija atjaunota 24.04.2025.
Informāciju sagatavoja Mārtiņš Šķiņķis, t. 29173103.
Atbalsta Zemkopības ministrija un Lauku atbalsta dienests
