Atskaite par veiktajām darbībām pārskata periodā 01.01.2026.-31.03.2026.

6. maijs, 2026 pl. 15:14

Atskaite par veiktajām darbībām pārskata periodā 01.01.2026.-31.03.2026.

Projekta 1. aktivitāte (WP1) “Katalītiskās hidrolīzes kā priekšapstrādes posma izstrāde”.

WP1.1. Priekšapstrādes procesa tehnoloģisko parametru novērtējums uz furfurola veidošanos no alusdarītavas drabiņu C5 ogļhidrātiem.

Projekta 2. perioda darba mērķis: Noteikt optimālos katalītiskās hidrolīzes procesa parametrus selektīvai alusdarītavas drabiņu C5 ogļhidrātu konversijai furfurolā, saglabājot C6 ogļhidrātus cietajā atlikumā, tālākai pārstrādei.

Rezultāti.

Izejvielas raksturojums. Alus drabiņas (BSG), alus ražošanas blakusprodukts, piegādāja projekta sadarbības partneris SIA “Baltic Oak” (Rīga, Latvija), uzņēmums, kas ražo alu, un drabiņas veidojas kā alus ražošanas blakusprodukts. Materiāls tiek iegūts no Simpson iesala Finest lager (rupji sasmalcināta) max 3,5 EBC 75 kg (95,4%) (Apvienotā Karaliste) un Swaen gold cara hell 20-30 EBC 3,6 kg (4,6%) (Nīderlande). Drabiņas un pēc priekšapstrādes iegūtā hidrolizāta ķīmiskais sastāvs tika noteikts, izmantojot standarta analītiskās metodes, kas aprakstītas [1]. Pēc priekšapstrādes tika konstatēts, ka hidrolizāts satur vairākus pievienotās vērtības savienojumus, tostarp skudrskābi, etiķskābi, levulīnskābi, 5-HMF un furfurolu. Šo savienojumu koncentrācijas tika kvantitatīvi noteiktas, izmantojot augstas efektivitātes šķidruma hromatogrāfiju (HPLC) Shimadzu LC-20AD sistēmā, kas aprīkota ar RI detektoru un Shodex Sugar SH-1821 kolonnu.

Katalizēts hidrotermāls priekšapstrādes process — BSG tika sajaukts ar katalizatoru speciālas konstrukcijas lāpstveida maisītājā. Katrā eksperimentā tika izmantoti aptuveni 650–700 g (a.s.m.) BSG. Katalizatora koncentrācija un daudzums tika pielāgots atbilstoši eksperimenta plānam. Sajauktais izejmateriāls tika apstrādāts ar nepārtrauktu ūdens tvaika plūsmu laboratorijas tipa stenda pilotiekārtā (1. attēls), simulējot furfurola iegūšanas procesu. Reaktora diametrs ir 110 mm, augstums 1450 mm, tilpums 13,7 l un maksimālais spiediens 1,2 MPa. Šī iekārta ļauj validēt procesu atbilstošos rūpnieciskos apstākļos un sniedz ticamus datus mēroga palielināšanai. Apstrādātie BSG lignocelulozes atlikumi tika izvadīti no reaktora un nosvērti. Mitruma saturs tika noteikts, izmantojot automātisku infrasarkano mitruma analizatoru. Katram eksperimentam tika veikti divi paralēli eksperimenti, un rezultāti ir norādīti kā vidējās vērtības ar relatīvo standartnovirzi (RSD) ≥5%.

att.. Unikāla laboratorijas tipa stenda pilotiekārta

Eksperimentālais plāns - balstoties uz veikto eksperimentu 1. pārskata periodā un iepriekšējiem pētījumiem, [1,2] tika sastādīts eksperimentālais darba plāns, izmantojot datorprogrammu Desing-Expert 13. Ņemot vērā, ka priekšapstrādes procesu ietekmē - temperatūra (T), katalizatora daudzums (m), katalizatora koncentrācija (%) un apstrādes laiks (τ) (sk. 1. tabulu), šie procesa parametri tika izvēlēti kā mainīgie.

1.tabula

Eksperimentālajā plānā izmantotie parametru līmeņi

Parametrs	Simbols		Faktiskais faktora līmenis
		−α	Zems	Centrālais	Augsts	+α
Katalizatora koncentrācija (cc) Temperatūra (T)	% ºC	45 145	55 155	65 165	75 175	85 185
Katalizatora daudzums (m)	% a.s.m.	2	3	4	5	6
Apstrādes laiks (τ)	min	15	30	45	60	75

Savukārt nemainīgie faktori bija izejvielas mitrums (w) 66 ± 2 masas % un tvaika plūsmas ātrums reakcijas zonā (v) 120 mL/min . Eksperimentālais plāns tika izstrādāts, izmantojot pilnu centrālo faktoru eksperimentu plānu (CCC) virsmas metodoloģijas (RSM) dizainu, kas sastāv no faktoriālajiem punktiem, aksiālajiem (zvaigžņu) punktiem un centra punktiem. Kopumā tika veikti 26 eksperimenti. Datu analīze tika veikta, izmantojot programmatūru Design-Expert 13. Pēc datu analīzes ir iespējams noteikt turpmāko eksperimentālo pētījumu virzienu un optimālo procesa parametru noteikšanu.

Drabiņu ķīmiskais sastāvs – kā noteicām 1. periodā drabiņas satur glikānu 31,4 ± 0,6 % no sausas masas (a.s.m.), kam seko ksilāns un arabināns 15,06 ± 0,03 % un 6,40 ± 0,05 % no a.s.m., savukārt skābē nešķīstošais lignīns 18,7 ± 0,6 % no a.s.m., skābē šķīstošais lignīns 5,75 ± 0,13 % un pelnu saturs 3,76 ± 0,02 % no a.s.m. Turklāt drabiņu acetilgrupu saturs bija tikai 0,79 ± 0,02 % no a.s.m., no tām hidrolīzes procesā veidojas etiķskābe. Ņemot vērā šo sastāvu, drabiņas piedāvā lielu potenciālu no C5 un C6 atvasinātu platformas ķīmisko vielu ražošanu.

Furfurola un etiķskābes iegūšana — efektivitāte no alus drabiņām ir būtiski atkarīga no priekšapstrādes procesa parametriem, tostarp temperatūras, katalizatora koncentrācijas un daudzuma, apstrādes ilguma un tvaika plūsmas ātruma. Lai sistemātiski novērtētu šo faktoru ietekmi uz furfurola veidošanos, tika veikti 26 eksperimenti, izmantojot ortofosforskābi kā katalizatoru. Iegūtie rezultāti apkopoti 2. tabulā. Furfurola iznākums svārstījās no 1,0 līdz 9,39 % no absolūti sausas masas (a.s.m.), kas atbilst 7,32–68,35 % no teorētiski iespējamā furfurola iznākuma. Savukārt etiķskābes iznākums bija robežās no 0,09 līdz 0,92 % no a.s.m., kas veido 8,46–83,37 % no teorētiskā etiķskābes iznākuma.

2.tabula

Furfurola un etiķskābes iznākums hidrolīzes kondensātos saskaņā ar CCC eksperimentālo plānu

Eksperiments Nr.	Temp., (T)	Kat. daudz., (m)	Kat., konc., (c)	Laiks, (τ)	Furfurols		Etiķskābe
Eksperiments Nr.	°C	wt.%	%	min	% no a.s.m.		% no a.s.m.
RUN1	155	3	75	30	1.53	± 0.02	0.14	± 0.01
RUN2	155	5	55	30	2.85	± 0.03	0.17	± 0.01
RUN3	155	5	75	60	6.07	± 0.05	0.52	± 0.02
RUN4	165	4	65	15	1.27	± 0.01	0.08	± 0.01
RUN5	175	3	75	60	8.19	± 0.08	0.90	± 0.02
RUN6	175	5	75	30	8.79	± 0.05	0.58	± 0.01
RUN7	165	2	65	45	3.62	± 0.03	0.40	± 0.01
RUN8	155	5	55	60	5.68	± 0.04	0.47	± 0.01
RUN9	175	3	75	30	5.62	± 0.05	0.44	± 0.02
RUN10	165	4	45	45	7.42	± 0.04	0.54	± 0.01
RUN11	175	5	55	30	8.35	± 0.05	0.54	± 0.02
RUN12	145	4	65	45	6.84	± 0.03	0.55	± 0.03
RUN13	155	3	55	30	1.00	± 0.01	0.09	± 0.01
RUN14	165	6	65	45	8.01	± 0.06	0.63	± 0.03
RUN15	175	5	55	60	9.39	± 0.05	0.90	± 0.02
RUN16	155	3	75	60	3.53	± 0.04	0.35	± 0.01
RUN17	175	5	75	60	8.32	± 0.06	0.79	± 0.04
RUN18	175	3	55	30	5.46	± 0.03	0.40	± 0.01
RUN19	165	4	65	45	5.33	± 0.03	0.45	± 0.02
RUN20	175	3	55	60	8.29	± 0.05	0.89	± 0.04
RUN21	185	4	65	45	7.80	± 0.04	0.92	± 0.04
RUN22	165	4	85	45	6.64	± 0.05	0.55	± 0.02
RUN23	155	3	55	60	3.24	± 0.02	0.31	± 0.01
RUN24	165	4	65	45	5.65	± 0.03	0.49	± 0.01
RUN25	155	5	75	30	2.92	± 0.04	0.22	± 0.01
RUN26	165	4	65	75	8.51	± 0.05	0.91	± 0.03

Furfurola veidošanās ir izteikti atkarīga no temperatūras, katalizatora daudzuma un apstrādes ilguma, sasniedzot maksimumu pie paaugstinātiem procesa apstākļiem. Turpretī etiķskābes veidošanās ir stabilāka, nodrošinot salīdzinoši augstus iznākumus plašā parametru diapazonā. Šādas atšķirības izskaidrojamas ar reakciju mehānismiem: furfurola veidošanās balstās uz pentozānu hidrolīzi un pentožu dehidratāciju un ir ļoti atkarīga no skābās katalīzes intensitātes, savukārt etiķskābes veidošanos galvenokārt nosaka acetilgrupu šķelšanās, kas efektīvi norit arī mērenos apstākļos.

Eksperimentos, kas veikti zemākās temperatūrās (145–155 °C), tika novērots ievērojami mazāks furfurola iznākums, kas apliecina termiskās paātrināšanas nozīmi pentozānu hidrolīzē un pentožu dehidratācijas reakcijās. Būtiska ietekme bija arī apstrādes ilgumam: reakcijas laika palielināšana no 30 līdz 60 minūtēm ievērojami paaugstināja furfurola iznākumu pie temperatūras 175 °C (piemēram, salīdzinot RUN 18. un 20.) furfurola iznākums 5,46 % no a.s.m. un 8,29 % no a.s.m., kas ir 1,52 reizes lielāks iznākums.

Hidrolīzes procesa temperatūrai ir skaidri izteikta pozitīva ietekme, savukārt katalizatora koncentrācijas palielināšana uzrāda negatīvu ietekmi uz furfurola veidošanās procesu un iznākumu. Šis novērojums liecina, ka pie paaugstinātas katalītiskās aktivitātes apstākļiem var pastiprināties furfurola noārdīšanās vai blakusreakcijas.

Kā parādīja eksperimentālie rezultāti katalizatora daudzums un reakcijas ilgums uzrāda pozitīvu korelāciju ar furfurola iznākumu, un augstākās vērtības tiek sasniegtas abu mainīgo lielumu augstākajos līmeņos. Reakcijas virsmas analīze norāda, ka temperatūra ir galvenais faktors furfurola iegūšanas procesā. Savukārt apstrādes laika pagarināšana un katalizatora daudzuma palielināšana papildus uzlabo pentozānu hidrolīzes un pentožu dehidratācijas procesu. Pretēji tam, paaugstināta katalizatora koncentrācija aplūkotajā diapazonā ir mazāk labvēlīga.

Katalizatora daudzums izrādījās sinerģiski saistīts ar temperatūru. Lai gan katalizatora daudzuma palielināšana no 3,0–5,0 % veicināja efektīvu drabiņu hidrolīzi. Augstākie furfurola iznākumi tika sasniegti pie 5,0 masas % katalizatora (piemēram; RUN 6., 11., 15., un 17.). Šajos eksperimentos tika sasniegts projektā plānotais iznākums — vairāk nekā 60 % no teorētiski iespējamā furfurola iznākuma.

Lai novērtētu izvēlēto apstrādes parametru ietekmi uz furfurola iznākumu, eksperimentālo apstākļu dizaina matrica ar atbilstošajiem furfurola iznākumiem (2. tabula) tika pakļauta regresijas analīzei, iegūstot šādu kvadrātisko vienādojumu faktiskajās vērtībās (1. vienādojums):

Furfurols = -172.1495 + 1.8209(T) − 0.3098(cc) + 1.9914(m) − 0.5178(τ) − 0.0011(T·cc) − 0.0058(T·m) − 0.0017(T·τ) − 0.0065(cc·m) − 0.0007(cc·τ) − 0.0128(m·τ) − 0.0043(T²) + 0.0042(cc²) + 0.1232(m²) − 0.0004(τ²).

(1)

Papildus furfurolam un etiķskābei drabiņu priekšapstrādes procesa laikā iegūtajos hidrolizātos tika konstatēti vairāki sekundārie noārdīšanās produkti — skudrskābe, levulīnskābe, propionskābe, metanols, 5-HMF un metilfurfurols. To veidošanās galvenokārt saistīta ar pentožu un heksožu cukuru blakusreakcijām skābos un termiski pastiprinātos apstākļos.

Secinājumi.

1) Temperatūrai bija visbūtiskāk pozitīva ietekme uz furfurola iznākumu. Reakcijas laika un katalizatora daudzuma palielināšana vēl vairāk uzlaboja furfurola iznākumu, savukārt pārāk augsta katalizatora koncentrācija virs optimālās vērtības (65%) izraisīja tā samazināšanos.

2) Maksimālais furfurola iznākums – 9,39 % tika sasniegts pie 175 °C, reakcijas laika 60 minūtēm, katalizatora daudzuma 5,0 % un katalizatora koncentrācijas 55 %. Šo parametru rūpīga optimizācija ir būtiska, lai maksimizētu furfurola ražošanas efektivitāti.

3) Lai pilnvērtīgi spriestu par katalizēta hidrotermiskā procesa ietekmi uz furfurola iznākumu no drabiņām, ir jāizpēta drabiņu lignocelulozes atlikuma ķīmiskais sastāvs, kas ir plānots nākamajā aktivitātē.

Literatūras saraksts.

1. Godina, D.; Brazdausks. P.; Puke. M. Optimizing an Integrated Biorefining Process for Birch Veneer Chips and Lignocellulosic Residues: Enhancing Cellulose Preservation and Maximizing Furfural and Acetic Acid Production. Sustainable Chemistry 2026, 7(1):11, DOI: 10.3390/suschem7010011.

2. Puke. M., Godina, D.; Brazdausks. P. Catalyzed Hydrothermal Pretreatment of Oat Husks for Integrated Production of Furfural and Lignocellulosic Residue. Polymers 2024, 16(5), 707, DOI: 10.3390/polym16050707.

WP7. Publicitāte par projektu oficiālajā tīmekļa vietnē

Citas pārskata perioda aktivitātes:

ü 12.02.2026. RTU Olaines tehnoloģijas koledža, ekskursijas ietvaros demonstrēta oriģinālā stenda pilotiekārta un stāstīts par furfurolu un tā iegūšanas procesu.

ü 16.03.2026. Viviāna Līva Kalniņa - LU & RTU apvienotās studiju programmas "Biotehnoloģija un Bioinženierija" studente. Eksperimenta veikšana uz oriģinālās stenda pilotiekārtas, aprēķini, izejmateriāla (kaņepju spaļi) maisīšanas ar katalizatoru un tehnoloģiskā procesa parametru noteikšana. Kursa darbam - Tehnoloģijas bioenerģijas un biomolekulu ražošanai.

ü 16.03.2026. LU & RTU apvienotās studiju programmas "Biotehnoloģija un Bioinženierija" studenti. Demonstrēta oriģinālā stenda pilotiekārta un stāstīts par furfurolu un tā iegūšanas procesu.