ΒΙΟΝΑΜΑ

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΒΙΟ-ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΝΕΧΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΜΙΚΡΟ-ΦΥΚΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΠΡΟΣΤΙΘΕΜΕΝΗΣ ΑΞΙΑΣ

Η κατανάλωση συμπληρωμάτων διατροφής αυξάνεται διαρκώς παγκοσμίως και η παραγωγή τους με τους πλέον φυσικούς τρόπους και πρώτες ύλες αποτελεί πεδίο έντονης ερευνητικής και επιχειρηματικής δραστηριότητας.

Αντικείμενο του έργου είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη Μαγνητικού Φωτο-Βιο-Αντιδραστήρα για την παραγωγή και συγκομιδή μικροφυκών καθώς και των διεργασιών ανάκτησης και τροποποίησης προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από την παραγόμενη βιομάζα.

Η παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας με οικονομικά αποδοτικότερες και φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες αποτελεί τομέα εντατικής έρευνας. Τα μικροφύκη αποτελούν πηγή για την παραγωγή βιοδραστικών ενώσεων με ευρεία εφαρμογή σε βιομηχανίες φαρμάκων και καλλυντικών.

Με το παρόν συνεργατικό έργο επιδιώκεται η διεπιστημονική σύμπραξη μεταξύ της χημείας, της βιολογίας, της μηχανικής και της βιοτεχνολογίας για τη βελτίωση της καλλιέργειας μικροάλγης και των τεχνικών εκχύλισης φυσικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας.

Η καλλιέργεια θα πραγματοποιηθεί με μεθόδους μαγνητικής νανοτεχνολογίας, ενώ η εκχύλιση των προϊόντων με τη χρήση ολιστικών μεθόδων παραγωγής και συνδυαστικές τεχνικές, όπως η υπερκρίσιμη εκχύλιση.

Τα αναμενόμενα αποτελέσματα ενδιαφέρουν βιομηχανίες πρωτογενούς παραγωγής και μεταποίησης, καταναλωτικών σημάτων, ΜΜΕ, κέντρα έρευνας & τεχνολογίας και πανεπιστήμια.

Στόχοι του έργου είναι

Α. Η παραγωγή μαγνητικά τροποποιημένης άλγης

Μαγνητικά Νανοσωματίδια (ΜΝΣ) θα εισαχθούν στο κυτταρόπλασμα των μικροφυκών με ηλεκτροδιάτρηση ώστε να τους προσδώσουν μαγνητικές ιδιότητες. Αυτή η διαδικασία απαιτεί μια γεννήτρια παλμών διαφοράς δυναμικού οι οποίοι σχηματίζουν προσωρινούς πόρους στην κυτταρική μεμβράνη μέσα από τους οποίους εισάγονται τα ΜΝΣ στο κυτταρόπλασμα. Η τεχνική της ηλεκτροδιάτρησης εφαρμόζεται ευρέως στο πεδίο της βιολογικής και βιοϊατρικής έρευνας για τη μεταφορά μορίων στο πρωτόπλασμα κυττάρων.

Β. Σχεδιασμός και κατασκευή Μαγνητικού Φωτο-Βιο-Αντιδραστήρα (ΜΦΒΑ)

O ΜΦΒΑ (βλ.Σχήμα) αποτελείται από μια συστοιχία μαγνητικών δίσκων στους οποίους θα ακινητοποιούνται τα μαγνητικά τροποποιημένα μικροφύκη. Το νερό θα κυκλοφορεί συνεχώς ώστε τα ακινητοποιημένα κύτταρα να καλύπτονται από λεπτό στρώμα μέσω του οποίου θα επιτρέπεται η ανταλλαγή αερίων (CO2, O2) και η παροχή απαραίτητων θρεπτικών συστατικών. Ο σχεδιασμός θα εξασφαλίζει τη μέγιστη μαγνητική επιφάνεια στον ελάχιστο όγκο και θα βελτιώνει την ανάπτυξη και τη βιωσιμότητα των κυττάρων, μειώνοντας έτσι το κόστος της παραγωγής βιομάζας. Επιπλέον, το μικρό μέγεθος του ΜΦΒΑ τον καθιστά φορητό και επιτρέπει την παραγωγή μικροάλγης ακόμα και σε κλειστό περιβάλλον με τη χρήση λαμπτήρων LED.

Γ. Εκχύλιση προϊόντων.

Εκτός της εκχύλισης με χρήση συμβατικών διαλυτών θα εφαρμοστεί η τεχνολογία της υπερκρίσιμης εκχύλισης (ΥΕ) με χρήση CO2. Με αυτήν επιτυγχάνεται αρχικά η διάρρηξη της κυτταρικής μεμβράνης για απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού περιεχομένου και στη συνέχεια η εκχύλιση των συστατικών που ενδιαφέρουν το έργο. Η χρήση της ΥΕ, πέραν της υψηλής εκλεκτικότητάς της, διασφαλίζει την ποιότητα των προϊόντων λόγω της αποφυγής θερμικής καταπόνησης, και την εύκολη και οικονομική απομάκρυνση του CO2 με μια απλή εκτόνωση.

Θα μελετηθεί, επίσης, η δυνατότητα ενζυμικής τροποποίησης για την παραγωγή μορίων διατροφικού και φαρμακευτικού ενδιαφέροντος σε μη συμβατικά συστήματα. Το έργο είναι ιδιαιτέρως καινοτόμο σε ό, τι αφορά το σύστημα καλλιέργειας (ΜΦΒΑ) μικροφυκών για την εκχύλιση προϊόντων υψηλής ποιότητας και προστιθέμενης αξίας, τοποθετώντας τα στο “state-of-the-art” διεθνώς και αποτελώντας παγκόσμια καινοτομία. Πράγματι, δεν υπάρχει παγκοσμίως εφαρμογή συστήματος αντίστοιχου με το ΜΦΒΑ για την καλλιέργεια μικροαλγών. Σύμφωνα με τα προκαταρτικά αποτελέσματα της ερευνητικής ομάδας του έργου αναμένεται η μείωση του κόστους παραγωγής της βιομάζας από 5-12€/kg σε <0,5 €/kg, λόγω:

  • Συνδυασμένης χρήσης μαγνητικά τροποποιημένων κυττάρων μικροφυκών και μαγνητικών δίσκων με μεγάλη ωφέλιμη επιφάνεια που διασφαλίζει γρήγορη και οικονομική συγκομιδή.
  • Μειωμένης κατανάλωσης ενέργειας για την ανάδευση, την αφαίρεση νερού (dewatering) και τη συλλογή της βιομάζας σε σύγκριση με εκείνη σε συμβατικούς βιοαντιδραστήρες (οpen pods και tubular systems).
  • Εφαρμογής της υπερκρίσιμης εκχύλισης με CO2 για ταχεία, αποδοτική και οικονομική εκχύλιση προϊόντων υψηλής αξίας (καροτενοειδή, ασταξανθίνη, πολυακόρεστα λιπαρά οξέα, πολυσακχαρίτες).

Αντίκτυπος

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει υιοθετήσει μια φιλόδοξη στρατηγική για την ανάπτυξη της Βιο-οικονομίας στην Ευρώπη. Βασίζεται στην καινοτόμo χρήση βιώσιμων βιολογικών πόρων για την κάλυψη της αυξανόμενης ανάγκης για τροφή, ενέργεια και νερό.

Επιπλέον, η ευρωπαϊκή πολιτική σχετικά με τις δραστηριότητες υδατοκαλλιέργειας έχει θέσει ως στόχο τη μείωση της ποσότητας νερού που απαιτείται τόσο για την καλλιέργεια όσο και για τις διαδικασίες μετασχηματισμού.

Σε αυτό το πλαίσιο, τα μικροφύκη και άλλα είδη θαλάσσιας βιομάζας αποτελούν μια αναδυόμενη βιολογική πηγή μεγάλης σημασίας χάρη στις πιθανές εφαρμογές που μπορούν να βρουν σε διάφορα πεδία συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανίας τροφής.

Η αξία της παγκόσμιας αγοράς της θαλάσσιας βιοτεχνολογίας το 2015 ήταν 4.1 δις € με αναμενόμενη ετήσια ανάπτυξη 10%.

Η παρούσα τεχνολογία, πέρα από τα πεδία των κοσμητικών προϊόντων, των συμπληρωμάτων διατροφής και των φαρμακευτικών προϊόντων, μπορεί να βρει εφαρμογή και σε άλλους κλάδους (πχ. ενέργεια, προστασία του περιβάλλοντος).

Πράγματι, μια πρόσφατη μελέτη ανάλυσης κόστους, εστιασμένη σε ανοιχτές λεκάνες, οριζόντιους σωληνωτούς Φωτο-Βιο-Αντιδραστήρες (ΦΒΑ) και ΦΒΑ επίπεδης επιφάνειας έδειξε ότι το κόστος παραγωγής βιομάζας μικροφυκών συμπεριλαμβανομένης της αφυδάτωσης ήταν 4.95, 4.15 και 5.96 € ανά κιλό, αντίστοιχα. Οι παράγοντες που εξετάστηκαν ήταν οι συνθήκες ακτινοβόλησης, η ανάμιξη, η φωτοσυνθετική απόδοση των συστημάτων, το μέσο κόστος και το κόστος του CO2. Η χρήση καυσαερίων από βιομηχανικές πηγές μπορεί να μειώσει το κόστος του CO2 -το οποίο είναι το πιο ακριβό αναλώσιμο- σε μηδενικές τιμές αν τα καυσαέρια είναι άμεσα διαθέσιμα.

Οι αγορές έχοντας ολοένα και περισσότερη ζήτηση και με έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό πελατών, έχουν τεράστιο περιθώριο εμπορικής αξιοποίησης παγκοσμίως. Για παράδειγμα, η αγορά της ασταξανθίνης εκτιμάται ότι θα αυξηθεί με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 8,02% από το 2017 και θα φτάσει τα 814,1 εκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2022.

Ως αποτέλεσμα της συμμετοχής σε αυτό το πρόγραμμα, οι εταίροι θα μπορέσουν να διοχετεύσουν τα αποτελέσματά του στην παγκόσμια αγορά. Η διάδοση της νέας τεχνολογίας λόγω της κατοχής των πνευματικών δικαιωμάτων μπορεί να ανοίξει νέες επενδυτικές οδούς σε δυναμικές αγορές νέων προϊόντων και διαδικασιών.

Συμμετέχοντες:

Το έργο θα υλοποιηθεί από τις μικρομεσαίες επιχειρήσεις (ΜΜΕ) AKMELOGI και Theracell και τα εργαστήρια Βιοτεχνολογίας και Θερμοδυναμικής & Φαινομένων Μεταφοράς της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Ε.Μ.Π:

Η AKMELOGI είναι μια νεοσύστατη ΜΜΕ που διαθέτει υψηλή τεχνογνωσία στην ανάπτυξη και κατασκευή μηχανημάτων υψηλής τεχνολογίας. Η εταιρεία δραστηριοποιείται στον τομέα της επιφανειακής μηχανικής, της κατασκευής εργαλειομηχανών και της ανάπτυξης νέων τεχνικών βελτιστοποίησης δομών, με την προοπτική να γίνει ένας σημαντικός παράγοντας στην βιομηχανική έρευνα με την εισαγωγή και την εδραίωση των καινοτομιών της. Αναπτύσσει βιομηχανικές λύσεις, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες αιχμής, λόγω της πολυετούς επιστημονικής δραστηριότητας που επιτελείται από την ομάδα μηχανικών υψηλής εξειδίκευσης, ερευνητών και ακαδημαϊκών.

mirtec

Η εταιρεία βιοτεχνολογίας Theracell διαθέτει εξειδικευμένη τεχνολογία και τεχνογνωσία στην ανάλυση, το χαρακτηρισμό και την εμπορική αξιοποίηση ιατρικών και βιοτεχνολογικών προϊόντων.

Η Theracell είναι μία από τις πιο σύγχρονες και καινοτόμες εταιρείες βιοτεχνολογίας στην Ευρώπη. Το κύριο μέλημα της εταιρείας είναι η αναγεννητική ιατρική και η βιοτεχνολογία, τα βλαστοκύτταρα και οι κυτταρικές θεραπείες. Αποστολή της είναι να παρέχει καινοτόμα, ασφαλή, αποτελεσματικά και προσιτά προϊόντα αναγεννητικής βιοτεχνολογίας και κυτταρικές θεραπείες στους ασθενείς. Το όραμά της είναι να γίνει μια από τις κορυφαίες εταιρείες αναγεννητικής βιοτεχνολογίας στην Ευρώπη. Οι λειτουργίες της καθοδηγούνται από την επιθυμία ανάπτυξης καινοτόμων προϊόντων που θα βοηθήσουν τους ανθρώπους να ζήσουν μια πιο υγιεινή ζωή. Αυτό επιχειρεί να το πετύχει μέσω της επιστημονικής αριστείας και της πραγματικής καινοτομίας, λειτουργώντας με τα υψηλότερα πρότυπα ακεραιότητας, διευρύνοντας την πρόσβαση στα προϊόντα και τις υπηρεσίες της και απασχολώντας ένα αφοσιωμένο, αυτοπαρακινούμενο, εφευρετικό και προορατικό εργατικό δυναμικό, που εφαρμόζει με ζήλο τη γνώση, το ταλέντο και την εμπειρία του προς όφελος της ανθρώπινης υγείας.

Τα εργαστήρια του Ε.Μ.Π διαθέτουν σημαντική τεχνογνωσία στην καλλιέργεια μικροοργανισμών / μικροφυκών, στην ενζυμική τεχνολογία, στην ανάπτυξη διεργασιών ενζυμικής σύνθεσης προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας σε συμβατικά και μη συστήματα και στις διεργασίες διαχωρισμού των προϊόντων με υπερκρίσιμη εκχύλιση (ΥΕ).

Το Εργαστήριο Θερμοδυναμικής & Φαινομένων Μεταφοράς (ΕΘΦΜ) της Σχολής Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π έχει μια πολύχρονη διεθνή παρουσία στο χώρο της έρευνας και δραστηριοποιείται σε θέματα θερμοδυναμικής μοντελοποίησης και πειραματικών μετρήσεων, μοντελοποίησης συστημάτων και διεργασιών καθώς και στο σχεδιασμό, στην βελτιστοποίηση και στην ενεργειακή ολοκλήρωση βιομηχανικών διεργασιών. Το εργαστήριο διαθέτει τις κατάλληλες υποδομές και ένα ιδιαίτερα έμπειρο και άριστα καταρτισμένο προσωπικό. Επίσης, επιδεικνύει σημαντικό επιστημονικό έργο, το οποίο αποτυπώνεται σε πολυάριθμες δημοσιεύσεις και συμμετοχές σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια, καθώς και στην επιτυχή συμμετοχή του σε χρηματοδοτούμενα ερευνητικά προγράμματα.

Το Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας (ΕΒ) του Ε.Μ.Π λειτουργεί στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου στο Κτίριο της Σχολής Χημικών Μηχανικών. Η επιστημονική ομάδα του εργαστηρίου εξελίσσεται διαρκώς σε μέγεθος και εμπειρία διεξάγοντας διεθνώς αναγνωρισμένη ερευνητική δραστηριότητα σε αντικείμενα όπως η μικροβιακή και ενζυμική τεχνολογία, η βιοενέργεια, η βιοκατάλυση, και η μεταβολική μηχανική- βιοπληροφορική. Το εργαστήριο διαθέτει τις κατάλληλες υποδομές και ένα ιδιαίτερα έμπειρο και καλά καταρτισμένο προσωπικό. Επίσης έχει να επιδείξει σημαντικό επιστημονικό έργο, το οποίο αποτυπώνεται σε πολυάριθμες δημοσιεύσεις και ανακοινώσεις σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια, καθώς και στην επιτυχή συμμετοχή του σε χρηματοδοτούμενα ερευνητικά προγράμματα.