Akadēmiskais centrs
Projekta nosaukums: Lipīdu atkritumu ilgtspējīga valorizācija: mikroorganismu pielietošana bio-virsmaktīvo vielu ražošanā (Waste2Surf)
Projekta Nr. 1.1.1.1/19/A/047
Finansējums avots: Eiropas Reģionālās attīstības fonda 1.1.1.1. aktivitāte “Praktiskas ievirzes pētījumi”, 3.kārta.
Projekta partneri: A/S “Biotehniskais Centrs”
Projekta periods: 01.10.2020. – 30.09.2023. (36 mēneši)
Projekta izmaksas: 647 877 EUR (t.sk. 374 472.90 EUR ERAF finansējums)
Projekta vadītāja: Vadošā pētniece, Dr.sc.ing. Elīna Dāce, elina.dace@lu.lv
Mērķis: izveidot biotehnoloģiskas ražošanas procesa izstrādes darbplūsmu, kur tiek ietverta ilgtermiņa ilgtspējības modelēšana, mikroorganismu celmu dizains un bioprocesa izveide rūpniecības bioatkritumu ilgtspējīgai biotransformācijai – lipīdu atkritumu (izlietota pārtikas eļļa, dzīvnieku tauki un citi), kas savākti pārtikas ražošanā un ēdināšanas sektorā, pārveidei augstvērtīgās bio-virsmaktīvajās vielās.
Kopsavilkums: Liela apjoma vērtīgo produktu ražošana no liela apjoma atkritumiem ir joma, kurā uz zināšanām balstītai bioekonomikas pieejai ir vislielākais potenciāls. Pasaulē ar katru gadu krasi pieaug radītais organisko atkritumu apjoms. Eļļas un tauku atkritumi (ETA) no pārtikas ražošanas un ēdināšanas sektoriem ir kļuvuši par nozīmīgu organisko atkritumu plūsmu pilsētās. Saskaņā ar Eiropas Savienības aplēsēm katrs cilvēks gadā saražo vidēji 8 litrus izlietotās cepameļļas. Visā pasaulē ik gadu tiek radīts apmēram 29 miljoni tonnu izlietotās cepameļļas gadā. Tikmēr ETA apsaimniekošana ir problemātiska, un to izmantošana aprobežojas ar bioenerģijas ražošanu. Projektā Waste2Surf tiek piedāvāts jauns ETA izmantošanas ceļš, t.i. kā zemas cenas izejviela, lai ražotu bio-virsmaktīvas vielas (BVV) – alternatīvu bioloģiski nedegradējamām sintētiskajām virsmaktīvajām vielām, kas sintezētas no naftas, neatjaunojama resursa, izmantojot ķīmiskus sintēzes ceļus, kas var būt videi bīstami.
Virsmaktīvās vielas ir viena no svarīgākajām ķīmiskajām vielām, ko izmanto gandrīz visos ikdienas produktos – tīrīšanas līdzekļos, kosmētikā, pārtikā, farmācijā u.c. Paredzams, ka 2024. gadā globālā virsmaktīvo vielu tirgus vērtība pārsniegs 41 miljardu eiro. Galvenās BVV priekšrocības ietver to atjaunojamo izcelsmi, bionoārdīšanos, zemu toksiskumu, labākas putošanas īpašības un stabilu aktivitāti dažādos apstākļos. Ņemot vērā to priekšrocības, BS ir milzīgs tirgus potenciāls, jo īpaši, ja tās ir ražotas no atkritumiem.
Projekts veicinās Viedās specializācijas stratēģijas (RIS3) prioritārās jomas “Zināšanu ietilpīga bioekonomika” attīstību, un projekta rezultātus izmantos vairākas mērķgrupas.
Projekta galvenās aktivitātes ietvers jaunas procesa izstrādes darbplūsmas izveidi, integrējot uz modeļiem balstītu metabolisko inženieriju, kas sastāv no BVV ražojoša rauga celmiem, bioprocesa attīstību atkritumu pārveidei produktā un ilgtermiņa dzīves cikla ilgtspējības novērtējumu attiecībā uz atkritumu-produkta-tirgus sistēmu. Atkritumu biokonversijas modeļu saraksts tiks sakārtots atbilstoši integrētam kritērijam, ņemot vērā vides ilgtspējību, ekonomiskos parametrus un sociālo ietekmi. Visbeidzot, tiks izstrādāta netradicionālu atdalīšanas un aerācijas metožu integrēšana automatizētajā bioreaktoru sistēmā. Bioreaktors tiks aprīkots ar progresīvu modeļprognozējošu fermentācijas kontroles sistēmu. Tādējādi tiks iegūta izmaksu ziņā efektīva un ilgtspējīga sistēma BVV iegūšanai no ETA, kas rezultēsies ar jaunas tehnoloģijas prototipu (TRL4).
Laboratorijas mēroga BVV ražošana tiks īstenota kopā ar industriālo partneri – pieredzējušu bioreaktoru ražotāju, 1996. gadā dibināto A/S “Biotehniskais centrs”.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.10.2020. līdz 31.12.2020.
Pārskata periodā uzsākta projekta īstenošana ar padziļinātu zinātniskās literatūras analīzi par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pirmējām un izlietotām pārtikas eļļām un taukiem. Balstoties uz literatūras analīzi, izvēlēti pieci raugu celmi biovirsmaktīvo vielu ražošanai un uzsākts darbs pie to genotipu raksturošanas. Paralēli ir uzsākts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes – identificēta genoma mēroga stehiometrisko modeļu kopa organismiem, kas ražo soforolipīdus un mannosileritritola lipīdus. Modeļos ir identificēta vai ieviesta daļa no mērķproduktus ražojošajiem bioķīmiskajiem ceļiem. Uzsākts darbs pie laboratorijas eksperimentu metodikas izstrādes biovirsmaktīvo vielu noteikšanai, kā arī veikti vairāki eksperimenti biovirsmaktīvo vielu iegūšanai no eļļu un tauku atkritumiem. Ieviestas divas biovirsmaktīvo vielu kopējās aktivitātes standartmetodes (CTAB, eļļas izspiešanas metode). Metodes pārbaudītas gan uz standartvielām, gan ekstraktiem, kas iegūti no raugu eļļu fermentācijām.
Pārskata periodā tika arī uzsākta nepieciešamo materiālu un palīgiekārtu specifikāciju veidošana biovirsmaktīvo vielu fermentācijām, kā arī tika veikta kritisko procesa parametru un attiecīgo mērījumu principa identificēšana un svarīgāko procesa modeļa parametru saraksta veidošana, uz kuru balstīsies procesa matemātiskā modeļa izstrāde. Tāpat tika realizēts pirmais fermentācijas procesa mēģinājums laboratorijas bioreaktorā ar S. bombicola celmu.
Pārskata periodā pētnieku komanda uzsāka darbu pie apskata raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem un ražošanas procesa ietekmes uz vidi vērtējumu. Tika veikti vairāki komunikācijas pasākumi, kā arī notika trīs projekta komandas sanāksmes, kurās apspriests projekta kopējais progress, riski, kas var kavēt projekta rezultātu sasniegšanu, un darbības šo risku mazināšanai.
Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
Projekta zinātniskais vadītājs: Egils Stalidzāns, e-pasts: egils.stalidzans@lu.lv
Projekta administratīvā vadītāja: Agnese Kukela, e-pasts: agnese.kukela@lu.lv
05.01.2021.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.01.2021. līdz 31.03.2021.
Pārskata periodā darbs projektā turpinājās ar padziļinātu zinātniskās literatūras analīzi par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pirmējām un izlietotām pārtikas eļļām un taukiem. Balstoties uz literatūras analīzi, tika veikta laboratorijas eksperimentu sērija, pārbaudot biovirsmaktīvo vielu ražošanu dažādu oglekļa un slāpekļa avotu klātbūtnē. Tika turpināts meklēt un pielāgot dažādas analītiskas metodes biovirsmaktīvo vielu on site kvantificēšanai tieši kultivēšanas šķīdumā (barotnē), pēc iespējas samazinot ekstrakcijas soļu skaitu. Tika pārbaudītas kālija jodīda, stalagmometrijas un Victoria Pale Blue metožu izmantošanas iespējas biovirsmaktīvo vielu kvantificēšanai. Paralēli tika turpināts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes. Modelēšana tika koncentrēta uz Yarrowia lipolytica genoma mēroga modeļa testēšanu un piemērošanu virsmaktīvo vielu ražošanas simulācijai, pievienojot trūkstošos metaboliskos ceļus, kas detalizēti parāda rapšu eļļas komponenšu uzņemšanu organismā. Tika uzsākta modeļa validācija ar publicētiem eksperimentālajiem datiem.
Biovirsmaktīvo vielu fermentācijas procesa darbplūsmas izveidei tika turpināta nepieciešamo materiālu un palīgiekārtu specifikāciju veidošana, kā arī identificēti skābekļa kontaktora un biovirsmaktīvo vielu atdalīšanas membrānu raksturojošie parametri. Balstoties uz apkopoto informāciju no zinātniskas literatūras avotiem, tika uzsākta tirgus izpēte, kuras mērķis ir identificēt potenciālos iekārtu/elementu piegādātājus. Papildus tam tika realizēti divi fermentācijas eksperimenti ar Starmerella bombicola. Vienā no eksperimentiem izdevās veiksmīgi nostimulēt soforolipīdu sintēzi.
Pārskata periodā tika veikts padziļināts atkritumu eļļu sastāva un priekšapstrādes ietekmes uz ražošanas procesu un galaproduktu izvērtējums. Tāpat arī tika apkopota informācija par biovirsmaktīvo vielu raksturojošām īpašībām un pielietojumiem, lai noteiktu iegūstamo biovirsmaktīvo vielu potenciālos pielietojuma ceļus. Veikta aprites cikla analīzes datu inventarizācija. Projekta komanda turpināja darbu arī pie apskata raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem, to īpašībām un izmantošanas iespējām. Visbeidzot tika izstrādāta, aprakstīta un iesniegta publicēšanai ilgtspējīgas metaboliskās modelēšanas koncepcija.
05.04.2021.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.04.2021. līdz 30.06.2021.
Pārskata periodā tika veikti laboratorijas un modelēšanas eksperimenti biovirsmaktīvo vielu ieguves raksturošanai lipīdiem bagātā fermentācijas vidē. Raugu fizioloģijas laboratorijā tika turpināti eksperimenti, lai pielāgotu analītiskas metodes biovirsmaktīvo vielu un oglekļa avotu (lipīdu/glikozes) on site kvantificēšanai tieši kultivēšanas šķīdumā (barotnē), pēc iespējas samazinot nepieciešamo apstrādi. Tika pārbaudīta glikozes oksidāzes un antrona-sērskābes testa piemērotība biovirsmaktīvo vielu kvantificēšanai, kā arī veikti raugu augšanas testi eļļu (arī izlietoto pārtikas eļļu) un papildus pievienotā oglekļa un slāpekļa avota klātbūtnē. Tika novērtēta rauga biomasas augšana dažādos apstākļos (svaigas/izlietotas eļļas un atšķirīgu slāpekļa avotu klātbūtnē) un noteikta biovirsmaktīvo vielu ražošana dotajos apstākļos, kā arī izejvielu (eļļu) un saražoto biovirsmaktīvo vielu ķīmiskais sastāvs. Biotehniskā centra fermentācijas laboratorijā tika realizēti vairāki eksperimenti, kuri vērsti uz biomasas/produkta atdalīšanu (filtrēšanu) fermentācijas procesa gaitā, kā arī tika realizēti biovirsmaktīvo vielu atmazgāšanas un iekoncentrēšanas eksperimenti ar diviem tangenciālas filtrācijas sistēmas variantiem (10 un 20 kDa membrānam). Eksperimentu rezultātā tika savākti nepieciešamie eksperimentālie dati par bioloģiskās sistēmas veiktspēju biovirsmaktīvo vielu ražošanā.
Modelēšanas uzdevumos tika turpināts darbs pie genoma mēroga stehiometrisko modeļu izstrādes, kā arī uzsākts darbs pie kinētisko modeļu struktūras izveides. Pārskata periodā tika turpināts darbs ar Yarrowia lipolytica genoma mēroga modeļa adaptācijas, kā arī uzsākts darbs ar Starmerella bombicola stehiometriskā modeļa izveides, balstoties uz pieejamajiem sekvenēšanas datiem. Sākotnējo metabolisko rekonstrukciju kvalitātes uzlabošanai modeļu izveidē tiek izmantota dažāda sekvenēšanas datu analīzes programmatūra. Paralēli tika uzsākta kinētisko modeļu struktūras izveide virsmaktīvo vielu ražošanai, izmantojot Starmerella bombicola un Yarrowia lipolytica modeļus. Biovirsmaktīvo vielu ražošanas shēmas ietekmes uz vidi aspektu noteikšanai tika izvērtēti un veidoti dažādi scenāriji, kuru aprites cikli tiks salīdzināti tālākās izpētes procesā. Pamatmodelim tika izveidota detalizēta struktūra, paredzot atsevišķu ietekmes uz vidi novērtējumu barotnēm, raugu fermentācijai un dažādu veidu fermentēšanas režīmam. Vienlaikus tika uzsākts darbs pie datu ieguves un apkopošanas par izlietoto pārtikas eļļu apsaimniekošanas procesu raksturojošajiem sociālajiem un ekonomiskajiem parametriem.
Sadarbojoties laboratorijas un modelēšanas grupu pētniekiem, tika pabeigts darbs pie zinātniskā raksta sagatavošanas par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem. Raksts tika iesniegts žurnālā Fermentation (ISSN: 2311-5637, IF(2020)=3.975).
07.07.2021.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.07.2021. līdz 30.09.2021.
Pārskata periodā aktīvi turpinājās eksperimentālais darbs gan raugu fizioloģijas laboratorijā, gan projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” fermentācijas laboratorijā. Raugu fizioloģijas laboratorijā tika izstrādāta metode ar kuras palīdzību ir iespējams ātrāk un ērtāk noteikt saražoto biovirsmaktīvo vielu klātbūtni ar lipīdiem bagātā fermentācijas vidē. Metodē tiek izmantota vairāku metožu kombinācija, kas pielāgota tieši glikolipīdu formas biovirsmaktīvo vielu noteikšanai. Radītā metode tiek aprakstīta un kalpos par pamatu jaunai zinātniskajai publikācijai. Pētnieku grupa pārskata periodā ir izstrādājusi arī biomasas kvantificēšanas metodi, balstoties uz šūnu skaitu uz mL. Tika veikts Starmarella bombicola augšanas novērtējums, izmantojot glikozi, gilcerīnu un taukskābes, kā augšanas substrātus. Katrā no šiem eksperimentiem noteikts biomasas specifiskais augšanas ātrums, izmantojot izstrādāto biomasas kvantificēšanas metodi.
A/S “Biotehniskais centrs” fermentācijas laboratorijā ir turpinājusies pilotiekārtas pilnveidošana. Uzstādītais tangenciālās filtrācijas modulis labi strādā, un iespējams izfiltrēt 100 mL/min. Iepirkuma rezultātā ir iegādātas vairākas reaktora fermentācijas/ekstrakcijas sistēmas sastāvdaļas, t.sk. peristaltiskie sūkņi, virsmaktīvo vielu uzkrāšanas tvertne, membrānas un ir uzsākts sistēmas montāžas darbs. Pārskata periodā tika realizēti vairāki S. bombicola kultivācijas/fermentācijas eksperimenti, kuros tika noteikti procesa kinētiskie parametri. Uz minēto parametru bāzes tiek veidoti iespējama softsensora algoritma varianti. Analizējot realizēto eksperimentu rezultātus tika konstatēts, ka fermentācijas vides uzputošanos ir iespējams daļēji (vai pilnībā) novērst, uzturot vides pH līmeni pie zemām vērtībām (<3.5). Tas, savukārt, dod iespēju virsmaktīvo vielu ražošanas nolūkā neizmantot gāzes kontaktorus.
Projekta sadaļās, kas attiecas uz modelēšanu turpinās darbs ar stehiometriskajiem un kinētiskajiem modeļiem, kuru vienlaicīga izmantošana uzlabo simulēto rezultātu ticamību. Tiek veidots S. bombicola genoma mēroga modelis, kas nepieciešams organisma inženierijas potenciāla novērtēšanai. Tiek izskatīti arī jaunākie Yarrowia lipolytica genoma mēroga modeļu varianti. Kinētisko modeļu struktūras tiek paplašinātas dažādu substrāta komponenšu pievadei.
Biovirsmaktīvo vielu ražošanas shēmas ietekmes uz vidi aspektu noteikšanai tika izvērtēti papildus aspekti, kas var ietekmēt modeļa rezultātus. Pastiprināta uzmanība pievērsta bioloģisku procesu aprites cikla modelēšanas specifiskajām niansēm. Tiek meklēts optimālais risinājums, lai modelis būtu piemērots fermentēšanas procesu modelēšanai. Uzsākts arī darbs pie atkritumu eļļu sistēmdinamikas modelēšanas, veidojot sistēmas konceptuālo modeli un cēlonisko cilpu diagrammu.
Pētnieciskais darbs ir rezultējies divos sagatavotos un publicētos zinātniskos rakstos:
- Liepins, J, Balina, K, Soloha, R, Berzina, I, Lukasa, LK & Dace, E 2021, 'Glycolipid biosurfactant production from waste cooking oils by yeast: Review of substrates, producers and products', Fermentation, vol. 7, no. 3, 136. par raugu izmantošanu biovirsmaktīvo vielu ražošanai no pārtikā izmantotajām eļļām un taukiem.
- Stalidzans, E & Dace, E 2021, 'Sustainable metabolic engineering for sustainability optimisation of industrial biotechnology', Computational and Structural Biotechnology Journal, vol. 19, pp. 4770-4776. par ilgtspējīgas metabolisma inženierijas koncepciju, kas ļauj novērtēt un optimizēt biotehnoloģiskās ražošanas ilgtspēju, to atvasinot no izmantotā mikroorganisma vielmaiņas iezīmēm.
Projekta aktivitātes un rezultāti tika prezentēti nozares profesionāļiem COST akcijas Yeast4Bio: Non-conventional yeasts for the production of bioproducts (CA18229) sanāksmē (29.09.2021, attālināti).
Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
Projekta zinātniskais vadītājs: Egils Stalidzāns, e-pasts: egils.stalidzans@lu.lv
Projekta administratīvā vadītāja: Agnese Kukela, e-pasts: agnese.kukela@lu.lv
05.10.2021.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.10.2021. līdz 31.12.2021.
Projekta pārskata periodā aktīvi norisinājās darbs gan ar metabolisma matemātiskās modelēšanas metodēm, gan arī ietekmes uz vidi modelēšana. Tāpat savas aprises sāk iegūt arī sistēmdinamikas modelis, taču nepieciešams turpināt darbu pie modeļa pilnveidošanas un potenciālo scenāriju izstrādes. Pārskata periodā aktīvi turpinājās eksperimentālais darbs gan raugu fizioloģijas laboratorijā, gan projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” fermentācijas laboratorijā.
Raugu fizioloģijas laboratorijā ar modeļvidēm veiksmīgi tika aprobēts biovirsmaktīvo vielu fermentācijas/ekstrakcijas sistēmas prototips. Pārbaudīts antrona un DNS metožu specifiskums (lipīdi, virsmaktīvas vielas). Sagatavots protokols par metožu pielietošanu biovirsmaktīvās vielas noteikšanai lipīdiem bagātā fermentācijas vidē. Uzsākts darbs pie rekombinanto celmu metodes – tiek veikta literatūras analīze, lai izvēlētos optimālo Starmerella bombicola transformācijas un rekombinantu atlases metodes.
Projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” fermentācijas laboratorijā notiek darbs pie biovirsmaktīvo vielu fermentācijas un ekstrakcijas sistēmas optimizēšanas. Tika noteikti optimālie darbības parametri (spiediens, plūsmas ātrums) soforolipīdu un biomasas atdalīšanai no fermentācijas vides. Pārskata periodā tika realizēti vairāki S. bombicola kultivācijas/fermentācijas eksperimenti, kuros tika noteikta biovirsmaktīvo vielu sintēzes dinamika. Uz minēto parametru bāzes tiek veidoti gan procesa matemātiskais modelis, gan softsensora algoritms. Tiek realizēti skrīninga eksperimenti ar mērķi noteikt rauga ekstrakta sastāvdaļas, kuras stimulē soforolipīdu biosintēzi S. bombicola šūnās. Tika eksperimentāli noteikts, kā rauga ekstraktā ietilpstošās aminoskābes realizē metabolisma novirzīšanu uz biovirsmaktīvo vielu sintēzes ceļu. Tiek veikti eksperimenti, lai noteiktu, kuras aminoskābes un pie kādam koncentrācijām stimulē biosintēzi.
Projekta sadaļās, kas attiecas uz modelēšanu turpinās S. bombicola genoma mēroga modeļa izveides process. Sadarbībā ar raugu fizioloģijas laboratoriju turpinās piemērotāko Yarrowia lipolytica modeļu izvēle un apvienošana. Lai noteiktu bioloģisko virsmaktīvo vielu ražošanas ceļu, tiek identificēti kinētisko modeļu parametri ar parametru novērtēšanas metodēm COPASI vidē, balstoties uz publicētajiem un projekta ietvaros iegūtajiem eksperimentālajiem datiem. Uzsākta uz stehiometrisku un kinētisku modeļu sinerģiju balstīta celmu projektēšana, veicot pieejamo modeļu optimizāciju saskaņā ar izstrādātajiem risinājumu ranžēšanas kritēriju prototipiem.
Pārskata periodā izstrādāts aprites cikla modeļa pamats jeb bāzes scenārijs. Ar modeļa palīdzību tiek modelēta fermentācijas procesa ietekme uz vidi un noteikti ražošanas posmi, kuros rodas ietekme uz vidi. Modelī ir definēti parametri, kurus mainot, modeli iespējams pielāgot attiecīgajam fermentācijas procesam. Uzsākts darbs pie aprites cikla novērtējuma atskaites sagatavošanas. Pārskata periodā uzsākts darbs pie sistēmdinamikas modeļa veidošanas un notiek datu apkopošana, lai noteiktu likumsakarības, kas nosaka pētāmās sistēmas dinamiku.
Pārskata periodā tika iesniegtas divas tēzes starptautiskajai zinātniskajai konferencei "Conference for Young Scientists on Biorefinery Technologies and Products", kas notiks š.g. 27.-29.aprīlī: www.btechpro.lv/
Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
Projekta zinātniskais vadītājs: Egils Stalidzāns, e-pasts: egils.stalidzans@lu.lv
Projekta administratīvā vadītāja: Agnese Kukela, e-pasts: agnese.kukela@lu.lv
14.01.2022.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.01.2022. līdz 31.03.2022.
Projekta pārskata periodā ir turpināti eksperimenti, lai noteiktu optimālākos fermentācijas vides apstākļus soforolipīdu iegūšanai fermentācijas ceļā. Bioloģisko virsmaktīvo vielu ražošanas process iegūst arvien konkrētākas aprises. Pārskata periodā turpinājās kinētisko un stehiometrisko modeļu izveides un optimizācijas aktivitātes. Turpinās darbs arī pie procesa ietekmes uz vidi modelēšanas, modelis tiek adaptēts, lai atbilstu eksperimentu rezultātiem. Ir izstrādāta arī ietekmes uz vidi novērtējuma atskaite bāzes scenārijam.
Raugu fizioloģijas laboratorijā veikti laboratorijas testi ar dažādiem raugiem, izmantojot gan svaigas eļļas, gan ceptas eļļas. Veicot testus, tika konstatēts, ka Starmarella bombicola savu dzīvotspēju nezaudē, savukārt Yarrowia lipolitica šūnas pēc piektās eksperimenta dienas iet bojā. Tika noteikta arī S. bombicola vitamīnu auksotrofija. Testu rezultātā tika noskaidrots, ka biotīna klātbūtne ir kritiski nepieciešama S. bombicola augšanai. Tiek veikta literatūras analīze soforolipīdu ražošanas ceļam S. bombicola metabolismā, lai celmā varētu veikt ģenētisko inženieriju. Dzēšot Ura3 gēnu, S. bombicola vairs neražo uracilu. Tika analizēts arī oglekļa avotu patēriņš. Tiek secināts, ka vislabāk patērē glikozi, fruktozi un glicerīnu. Šī ir svarīga informācija, meklējot gēnu, ko inženierijas procesā izslēgt. Uzsākts eksperiments, lai ar 5-FOA izslēgtu ura3 gēnu. Izslēdzot ura3 gēnu, uracils būs mākslīgi jāpievieno, taču tas ļaus regulēt organisma darbību.
Projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” fermentācijas laboratorijā uzbūvēts otrs biovirsmaktīvo vielu fermentācijas/ekstrakcijas sistēmas prototips, kas ticis veiksmīgi aprobēts fermentācijas procesos ar piebarošanu. Tika noteikti optimālie darbības parametri (plūsmas ātrums) soforolipīdu/biomasas atdalīšanai no fermentācijas vides. Pārskata periodā tika realizēti vairāki S. bombicola kultivācijas/fermentācijas eksperimenti, kuros tika noteikta biovirsmaktīvo vielu sintēzes dinamika. Uz minēto parametru bāzes tika izveidots procesa matemātiskais modelis un tiek veidots softsensora algoritms. Tiek realizēti skrīninga eksperimenti ar mērķi noteikt rauga ekstrakta sastāvdaļas, kuras stimulē soforolipīdu biosintēzi S. bombicola šūnās. Tika eksperimentāli noteikts, kā rauga ekstraktā ietilpstošās aminoskābes realizē metabolisma novirzīšanu uz biovirsmaktīvo vielu sintēzes ceļu. Tiek veikti eksperimenti, lai noteiktu, kuras aminoskābes un pie kādām koncentrācijām stimulē biosintēzi. Tika realizēti S. bombicola fermentācijas procesi, izmantojot dažādus sintētiskus/kompleksus barotnes sastāvus, kā arī iniciētas biovirsmaktīvo vielu sintēzes, un novērtēti procesa kinētiskie parametri. Uz kinētisko parametru bāzes tika izveidots un pilnveidots procesa kontroles algoritms.
Projekta sadaļās, kas attiecas uz modelēšanu, ir izveidots S. bombicola modeļa sākotnējais variants, kurš tiks precizēts, ņemot vērā eksperimentālos rezultātus. Turpinās divu Y. lipolytica virsmaktīvās vielas ražojošu celmu genoma mēroga modeļu adaptācija projekta vajadzībām. Tiek analizēti arī citu virsmaktīvās vielas ražojošo organismu modeļi, izskatot iespēju tos iesaistīt optimizācijas darbplūsmā. Tiek detalizēti analizēti Y. lipolytica metaboliskie ceļi, kuri piedalās virsmaktīvo vielu ražošanā. Iegūtie metabolisma stacionārie stāvokļi tiek pārcelti uz genoma mēroga stehiometriskajiem modeļiem, lai noskaidrotu ceļu darbināšanas iespējas, ņemot vērā biomasas ražošanu. Izstrādāts kompleksa optimizācijas kritērija ietvars COBRA programmatūrā, kas ļauj novērtēt organisma stacionārā stāvokļa plūsmu atbilstību. Iegūtās stacionāro stāvokļu plūsmas tiek testētas kinētiskajos modeļos.
Pārskata periodā veikta pārtikas eļļu izmantošanas plūsmas izpēte un sākotnējā modeļa izveide. Veikta ietekmes uz vidi novērtējuma modeļa struktūras optimizācija. Modelī ir identificēti posmi, kuros rodas vislielākā ietekme uz vidi un sadarbībā ar partneriem tiek meklēti risinājumi/scenāriji ietekmes samazināšanai. Atlasīti ietekmi uz vidi raksturojošie indikatori. Tiek veikta izpēte par iespējām tos izmantot viena raksturlieluma iegūšanai, izmantojot normalizācijas un svēršanas metodes.
Pārskata periodā tika īstenoti vairāki komunikācijas pasākumi, kā arī sniegta prezentācija vienā un iesniegti jauni pieteikumi dalībai divās starptautiskās zinātniskās konferencēs. Projekta rezultāti tika prezentēti LU 80.starptautiskajā zinātniskajā konferencē ar vienu referātu. Par projektu tika stāstīts Latvijas Radio raidījumā "Zināmais Nezināmajā”. Papildus tam tika īstenota dalība valsts mēroga pasākumā profesionāļiem un plašākai sabiedrībai, sniedzot prezentāciju Vidzemes Inovāciju Nedēļas 2022 ietvaros organizētajā pasākumā "Kas vienam lieks – otram prieks! Vai varam to attiecināt arī uz ražošanas blakus produktiem un bioatkritumiem?". Pārskata periodā tika arī organizēts informatīvais vebinārs par projekta rezultātiem un turpmāk plānotajām aktivitātēm projekta mērķa sasniegšanai, kā arī starptautiska apmācību darbnīca Biomodelling spring 2022. Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
18.04.2022.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.04.2022. līdz 30.06.2022.
Projekta pārskata periodā optimizācijas eksperimentu gaitā tika attīstīta kinētisko un stehiometrisko modeļu sinerģija. Sākotnējie ietekmes uz vidi novērtējuma rezultāti prezentēti divās konferencēs un atkritumu eļļas sistēmdinamikas modelis iegūst arvien konkrētākas aprises. Pārskata periodā turpinājās eksperimentālais darbs laboratorijā, kur veikti eksperimenti ar Starmarella bombicola un izveidots arī rauga Yarrowia lipolitica mutants. Turpinās darbs arī pie ekstrakcijas/attīrīšanas iekārtas darbības parametru raksturošanas. Tika noteiktas empīriskās matemātiskās saistības, kas turpmāk ļaus modelēt un/vai projektēt līdzīgas sistēmas dažāda mēroga soforolipīdu ražošanas procesiem.
Raugu fizioloģijas laboratorijā veikti laboratorijas testi, lai noteiktu S. bombicola augšanas parametrus (glikozes patēriņš, augšanas ātrums, mannitola uzkrāšanās, biomasas komponentu noteikšana) periodiskā fermentācijā ar glikozi. Tika pabeigts iepriekšējā periodā uzsāktais eksperiments, lai ar 5-FOA izslēgtu ura3 gēnu. Izslēdzot ura3 gēnu, uracils ir mākslīgi jāpievieno, taču tas ļauj regulēt organisma darbību. Izveidotais Yarrowia lipolytica ura3 mutants ir arī deponēts LU Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas institūta kolekcijā. Ir uzsākta sagatavošanās (pirmie testi), lai izmantotu šo celmu kā gēnu inženierijas pamata šasiju.
Projekta sadaļās, kas attiecas uz kinētisko un stehiometrisko metabolisma modelēšanu tiek analizēti genoma mēroga modeļu metaboliskie ceļi, kuri var darboties paralēli kinētiskajos modeļos iekļautajiem ceļiem. Šo ceļu plūsmu variabilitātes analīze ļauj noteikt to potenciālo ietekmi uz pētāmo procesu pie konkrētām biomasas augšanas vērtībām. Kinētiskajos modeļos tiek pielietoti dažādu veidu ierobežojumi, kas uzlabo izstrādāto risinājumu pielietojamības varbūtību bioloģiskos eksperimentos. Genoma mēroga stehiometriskie modeļi tiek optimizēti, izmantojot dažādas delēciju un insertu kombinācijas, maksimizējot oglekļa kopējo plūsmu uz produktiem, kas minimizē oglekļa nonākšanu blakusproduktu savienojumos. Tiek vērtēta konverģences gaita optimizācijas laikā. Notiek darbs pie pirmo celmu dizainu izstrādes.
Pārskata periodā ir pabeigts pamatmodeļa ietekmes uz vidi novērtējums un ir identificēti ‘karstie punkti’. Ir izstrādāti vairāki scenāriji karsto punktu novēršanai un priekšlikumu formā prezentēti starptautiskā konferencē. Aprites cikla novērtējuma modelī, konsultējoties ar ārējo ekspertu, ir identificēti punkti, kuros nepieciešams pievērst papildu uzmanību: 1) Funkcionālā vienība, 2) Izmantošanas scenārijs, 3) Atkritumu scenārijs. Veicot literatūras analīzi un balstoties uz ekspertu priekšlikumiem, ir panākta esošo nenoteiktību un nepilnību novēršana. Darbā ar sistēmdinamikas modeli notiek cēloņu un seku identificēšana un cilpu veidošana. Tiek veikta datu analīze, lai cilpas aprakstītu ar matemātiskām formulām. Uzsākta raugu metabolītu datubāzes veidošana, lai aprakstītu ietekmi uz vidi, ko varētu radīt katrs metabolīts, ieejot rauga šūnā un iznākot no tās.
Projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” laboratorijās turpinājās darbs pie ekstrakcijas/attīrīšanas iekārtas darbības parametru raksturošanas. Tika noteiktas empīriskās matemātiskās saistības, kas turpmāk ļaus modelēt un/vai projektēt līdzīgas sistēmas dažāda mēroga soforolipīdu ražošanas procesiem. Pārskata periodā turpinājās arī kultivācijas/fermentācijas eksperimenti. Minēto eksperimentu ietvaros notika svarīgo datu uzkrāšana, kā arī tika izveidota softsensoru algoritmu testēšana. Kopš projekta sākuma Covid-19 radīto ierobežojumu dēļ aktivitātes ietvaros paredzēto eksperimentu veikšana ir iekavējusies, un aktivitāti plānots pabeigt līdz 2022.gada 31.decembrim.
Lai noteiktu rauga ekstrakta sastāvdaļas, kuras stimulē soforolipīdu biosintēzi S. bombicola šūnās, tika turpināti skrīninga eksperimenti, izmantojot dažādus fermentācijas vides sastāvus (variējot gan aminoskābju, gan citu organisko/neorganisko komponenšu koncentrācijas). Eksperimentāli un teorētiski iegūtā informācija tiek apvienota, meklējot kopsakarības.
Pārskata periodā tika īstenoti vairāki komunikācijas pasākumi, t.sk. sniegtas trīs prezentācijas par projekta rezultātiem divās starptautiskās zinātniskās konferencēs.
Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
12.07.2022.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.07.2022. līdz 30.09.2022.
Noslēdzoties projekta pārskata periodam, pabeigts darbs pie aprites cikla novērtējuma un iegūtie rezultāti apkopoti rezultātu pārskatā. Tikmēr darbs pie soforolipīdu ražošanas ceļa darbības analīzes dažādos organismos joprojām turpinās, veidojot plazmīdu konstruktus sintēzes ceļa heterologai ekspresijai. Tāpat arī turpinās pētījumi, lai raksturotu S. bombicola augšanas fenotipu. Sadarbības partneru A/S Biotehniskais centrs laboratorijās tiek realizēti eksperimenti ar modeļvidēm (soforolipīdu šķīdumiem) uz izveidotās filtrācijas sistēmas. Ir izveidots filtrācijas eksperimentu plāns, un notiek tā izpilde. Iegūtie dati tiks turpmāk izmantoti filtrācijas procesa veiktspējas rādītāju modelēšanai. Pārskata periodā izveidots arī optimālais fermentācijas vides sastāvs, kurā ir iespējams efektīvi stimulēt soforolipīdu sintēzi. Balstoties uz iepriekšminēto, tiek aktīvi uzkrāti eksperimentālie dati (gan fermentācijas, gan filtrācijas procesiem), kuri turpmāk ļaus pielāgot/izveidot efektīvu vadības sistēmu.
Lai izveidotu biovirsmaktīvo vielu ražošanas kinētiskos modeļus un tos optimizētu, tiek vākti papildus literatūras dati, kas ļautu noteikt precīzākus modeļa parametrus. Tiek meklētas arī iespējamās atšķirības starp ceļa parametriem Y. lipolytica (pēc inženierijas) un S. bombicola. Tiek pārbaudīti reakciju kinētikas vienādojumu tipi. Lai projektētu organisma celmus, notiek evolucionāro algoritmu apmācība vienlaicīgu delēciju un insertu meklējumu ātrdarbības un konverģences īpašību uzlabošanai. Turpinās ar augšanu sasaistīto ražošanas metožu ieviešana optimizācijā. Izveidoti desmit uz stehiometriskā un kinētiskā modeļa sinerģiju balstīti celmu projekti.
Aprites cikla novērtēšanas modelī veikti pēdējie pilnveidošanas darbi. Ir novērstas neprecizitātes, kas bija radušās iepriekšējā projekta periodā, piešķirot modelim divas dažādas funkcijas. Aprites cikla novērtējuma rezultāti sagatavoti prezentēšanai starptautiskā zinātniskā konferencē. Noslēdzas darbs pie pārskata sagatavošanas par aprites cikla analīzes rezultātiem. Pārskata periodā turpinājies darbs arī pie sistēmdinamikas modeļa izveides. Modelis sadalīts divās pamatstruktūrās - atkritumu rašanās sistēma un biovirsmaktīvo vielu tirgus daļa. Tiek meklētas kopsakarības, kas saista abus modeļus. Pārskata periodā tika diskutēts par socio-ekonomiskajiem indikatoriem, kas ietekmē sistēmu. Tiek veikta literatūras analīze, lai noteiktu piemērotākos indikatorus, kas apraksta minēto sistēmu.
Raugu fizioloģijas laboratorijā pabeigts darbs pie S. bombicola augšanas parametru noteikšanas. Sagatavots pārskats par S. bombicola standarta celma fizioloģiju. Iegādāts un deponēts Yarrowia lipolytica goldengate plazmīdu komplekts. Izveidotas GoldenGate klonēšanas sistēmai Y. lipolytica atbilstošas S. bombicola soforolipīdu sintēzes proteīnu gēnu sekvences. Raksturotas Y. lipolytica izejas celma biovirsmaktīvās vielas. Uzsākti testi ar Pseudozyma antarctica, lai pārbaudītu šī mikroorganisma spēju konvertēt izlietotās cepamās eļļas.
Projekta partneru A/S “Biotehniskais centrs” laboratorijās tiek turpināti kultivācijas/fermentācijas eksperimenti. Uz minēto eksperimentu rezultātu bāzes tiek veidots softsensora algoritms. Pārskata periodā noslēdzies darbs ar skrīninga eksperimentiem ar mērķi noteikt rauga ekstrakta sastāvdaļas, kuras stimulē soforolipīdu biosintēzi S. bombicola šūnās. Turpmāk tiks realizēti eksperimenti ar atbilstošu fermentācijas vides sastāvu 5L bioreaktorā, lai pierādītu koncepciju.
Tiek veidoti empīriskie modeļi, ar kuru palīdzību ir iespējams prognozēt soforolipīdu ekstrakcijas sistēmas galvenos efektivitātes rādītājus un realizēt teorētisko mērogošanu. Tiek turpināts iesāktais darbs pie pārskata sagatavošanas. Tika izveidots optimālais vides sastāvs, kurā ir iespējams efektīvi stimulēt soforolipīdu sintēzi. Vadoties no realizēto kultivācijas/fermentācijas eksperimentu rezultātiem, tika turpināta esošās algoritma versijas pilnveidošana. Algoritma efektivitāte un kopējā funkcionalitāte tiek testēta ar esošajiem eksperimentālajiem datiem. Notiek aktīvs darbs pie optimizācijas algoritma izstrādes. Pirmās versijas tiek testētas, izmantojot iegūtos eksperimentālos datus.
Pārskata periodā tika īstenoti vairāki komunikācijas pasākumi, sniegtas trīs prezentācijas par projekta rezultātiem trijās starptautiskās zinātniskās konferencēs. Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
27.10.2022
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.10.2022. līdz 31.12.2022.
Pārskata periodā, genomu modelētāju grupā turpinājās darbs pie modeļu pilnveidošanas un papildināšanas, lai tie sniegtu iespējami pilnīgāku soforolipīdu sintēzes mehānisma atspoguļojumu. Tikmēr Ilgtspējas modelēšanas darba grupā tika turpināts darbs pie sistēmdinamikas modeļa pilnveidošanas un dinamikas aprakstīšanas ar matemātiskiem vienādojumiem. Balstoties uz aprites cikla analīzes rezultātiem, tiek izstrādāta publikācija. Sadarbības partnera Bioreactors.net laboratorijā ir pabeigti plānotie eksperimenti ar soforolipīdu filtrācijas sistēmu. Iegūtie dati tika daļēji apkopoti un analizēti. Tika uzkonstruētas empīriskas matemātiskas sakarības starp filtrācijas ātrumu, efektīvu filtrācijas laukumu, membrānas poru izmēriem un retentāta cirkulācijas ātrumu. Minētās empiriskās sakarības (modeļi) tiek validētas. Savukārt LU Rauga fizioloģijas laboratorijā ir izveidoti konstrukti Starmarella bombicola soforolipīdu sintēzes ceļa ekspresijai Yarrowia lipolytica. Turpinājās arī iepriekšējā pārskata periodā uzsāktie testi ar Pseudozyma antarctica, lai pārbaudītu šī mikroorganisma spēju konvertēt izlietotās cepamās eļļas. Tika turpināti arī eksperimenti ar iepriekš atrasto optimālo fermentācijas vides sastāvu. Eksperimentāli iegūtie dati tiek apkopoti un analizēti, lai pielāgotu procesu vadības sistēmu. Pārskata periodā lielāka uzmanība tika pievērsta masas bilancēm, kā arī procesa marķieru identificēšanai, kuri spēj aprakstīt tekošo bioprocesa stāvokli (soforolipīdu sintēze/biomasas augšana/citu metabolītu veidošana).
Lai uzmodelētu un optimizētu soforolipīdu ražošanas ceļa mēroga kinētisko modeli ir izstrādāti un optimizēti trīs kinētiskie modeļi: divi no tiem raksturo soforolipīdu ražošanu ar S. bombicola ar dažādiem substrātiem un viens modelis apraksta virsmaktīvo vielu prekursora ražošanu Y. lipolytica. Modeļiem ir veikta TOP optimizācija, kā rezultātā ir identificēti metaboliskās inženierijas mērķi. Turpinās jaunu celmu projektu izstrāde, ieviešot vides un sociālās ilgtspējas kritērijus, par meklēšanas algoritma pamatu izmantojot OptGene pieeju. Izstrādātie projekti tiek testēti uz spēju ietvert iepriekšminētajos trīs kinētiskajos modeļos aprakstītās produktu ražošanas plūsmas.
Lai novērtētu soforolipīdu ražošanas ilgtspēju, izmantojot izlietoto pārtikas eļļu, tiek vākti papildus literatūras dati, lai pilnveidotu esošās sistēmdinamikas modeļa struktūras. Sadarbībā ar Raugu fizioloģijas laboratorijas kolēģiem, tiek izstrādāta pieeja, kā modelēt atkritumu eļļu konversiju uz biovirsmaktīvajām vielām, ņemot vērā substrātu savstarpējo proporciju. Kā kopsakarību plānots izmantot glikozes un atkritumu eļļas savstarpējās attiecības ietekmi uz soforolipīdu iznākumu. Balstoties uz literatūras analīzi, notiek darbs pie dažādu scenāriju izstrādes multikritēriju analīzes veikšanai. Ir atrasti socio-ekonomiskie indikatori, no kuriem tiks atlasīti atbilstošākie, lai salīdzinātu izstrādātos scenārijus.
Projekta partneru Bioreactors.net laboratorijā izveidots soforolipīdu softsensors. Attiecīgā informācija (algoritms un metodoloģijas apraksts) tika nodota izvērtēšanai. Tika atrasta efektīva stratēģija putu rašanās mazināšanai, kura vienlaikus nepasliktina skābekļa masas pārnesi. Izpētīto paņēmienu novērtējums un gala stratēģijas apraksts nodoti izvērtēšanai. Balstoties uz iepriekš iegūtajiem rezultātiem, tiek veidots fermentācijas/ekstrakcijas sistēmas prototips. Iegūtie filtrācijas procesa modeļi tiek izmantoti, lai prototipa izveides gaitā novērtētu prognozējamo efektivitāti un attiecīgos sistēmas darbības parametrus. Tāpat pārskata periodā tika būtiski papildināts MPC vadības algoritms (tika integrēti efektīvie masas bilances uzskaites algoritmi, kā arī tika notestēti vairāki procesa efektivitāti raksturojošie marķieri (RQ, OUR, CER) un to kombinācijas). Tiek turpināts darbs pie MPC sistēmas uzlabošanas. MPC vadības optimizācijas algoritma pēdējā versija ir spējusi uzrādīt labus rezultātus un spējusi pierādīt savu efektivitāti soforolipīdu iegūšanas bioprocesos. Lai turpmāk uzlabotu algoritma darbību, tiek vākti papildus eksperimentālie dati.
Pārskata periodā tika īstenoti vairāki komunikācijas pasākumi. Starptautiskās zinātniskās konferences "LCA Foods 2022" ietvaros tika sniegta stenda prezentācija un publicētas tēzes par projekta rezultātiem. Vispārīga prezentācija par projektu un tā rezultātiem sniegta arī Latvijas Universitātes kolēģiem, no citām struktūrvienībām. Notika projekta grupas dalībnieku vizīte uzņēmuma SIA "Happy Fish", kas nodarbojas ar biovirsmaktīvo vielu ražošanu no eļļas, ražotnē. Vizītes laikā tika apspriestas sadarbības iespējas, kā arī dalībnieki apmainījās pieredzē par biovirsmaktīvo vielu ražošanas aspektiem.
Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: https://www.bioreactors.net/wastetosurf
06.02.2023.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.01.2023. līdz 31.03.2023.
Projekta pārskata periodā noritēja darbs ar mikroorganismu celmu modelēšanu, apvienojot kinētiskos un stehiometriskos modeļus. Paralēli tika veikti sistēmdinamikas modeļa uzlabojumi, meklējot labākos veidus, kā savstarpēji integrēt dažādas modeļa struktūras. Tika veiksmīgi klonēti heterologie gēni Yarrowia lipolytica genomā, atbilstoši Golden Gate (GG) protokolam. Projekta komanda turpina eksperimentēt ar iepriekš noteikto optimālo augšanas barotni. Iepriekš izveidotais biovirsmaktīvās vielas ekstrakcijas sistēmas prototips ir ticis veiksmīgi integrēts bioprocesu vadības sistēmā. Šī aktivitāte ļāva apkopot fermentācijas un atdalīšanas procesu eksperimentālos datus, lai uzlabotu funkcionalitāti un spēju kontrolēt procesu nepārtrauktā režīmā. Tāpat tika pabeigts biovirsmaktīvo vielu ekstrakcijas sistēmas prototips.
Metabolisma modelēšanas grupa iepriekšējā pārskata periodā turpināja izmantot kinētisko un stehiometrisko modeļu sinerģiju, izstrādājot dizaina projektus, kuru sekmīgas ieviešanas varbūtība būtu iespējami augsta. Ieviešanas varbūtība tiek paaugstināta, pielietojot dažādu veidu ierobežojumus, kuri sākotnēji netika izmantoti modelī. Turpinās S.bombicola stehiometriskā modeļa detalizācija un izmantošana projektu izveidē.
Ilgtspējas modelēšanas grupas galvenais fokuss pašlaik ir vērsts uz pārtikas eļļas atkritumu valorizācijas moduļa izstrādi sistēmdinamikas modelī. Šis process sastāv no vairākiem soļiem: (1) tiek modelēts, kā mainīsies atkritumeļļas izmantošanas ceļi (biovirsmaktīvās vielas, biodīzeļdegviela, biogāze); (2) tiek modelēta biovirsmaktīvo vielu ražošana, ņemot vērā optimālāko ražošanas paņēmienu (glikozes un atkritumeļļas attiecība, maksimālais iznākums); (3) uzsākts darbs pie biovirsmaktīvo vielu patēriņa moduļa un ekonomiskā moduļa. Iepriekšējā pārskata periodā arī veikta visaptveroša literatūras analīze un multi-kritēriju lēmumu analīzes (MCDA) metožu izpēte. Tiek identificētas vispiemērotākās un atbilstošākās MCDA metodes, kuras varētu pielietot projekta mērķiem. Notiek diskusijas un domu apmaiņa starp darba grupām, lai panāktu loģisku analīzes veikšanu. Turpmāk ir plānots sākt ieviest MCDA metodi, lai analizētu datus un izdarītu secinājumus.
Raugu fizioloģijas laboratorijas komanda pirmo reizi ir veikusi heterologo gēnu klonēšanu Y. lipolytica genomā atbilstoši GoldenGate (GG) protokolam un pierādījusi ekspresēto gēnu aktivitāti. Tā kā izdevās veiksmīgi sasniegt klonēšanas mērķi, tad šobrīd notiek darbs, lai arī atlikušos soforolipīdu ceļa gēnu klonēšanas vektorus sagatavotu atbilstoši GG protokolam. Paralēli klonēšanas aktivitātēm tika veikti arī eksperimenti, lai noteiktu virsmaktīvo vielu blakusproduktu (glicerīna un mannīta) potenciālu kā papildu piedevas Starmerella bombicola biomasas ražošanai.
Šajā periodā tika veikti arī pēdējie pasākumi, lai pabeigtu biovirsmaktīvo vielu ekstrakcijas sistēmas prototipa izstrādi. Prototipa pamatā ir divpakāpju nepārtraukta fermentācijas vides filtrēšana, lai pirmajā posmā atdalītu biovirsmaktīvās vielas un otrajā pakāpē tās iekoncentrētu, sasniedzot augstākas tīrības produktu. Minētā prototipa izveides gaitā tika veikti vairāki eksperimenti gan reālās fermentācijās, gan simulētās modeļvidēs.
Tuvojas noslēgumam darbs pie fermentācijas sistēmas algoritma uzlabošanas, lai kompensētu izmaiņas pēc biovirsmaktīvo vielu ekstrakcijas sistēmas prototipa ieintegrēšanas – tiek veikta algoritma precizēšana, tajā ievadot papildus eksperimentālos datus. Paralēli notiek algoritma darbības izvērtēšana, veicot ievaddatu perturbācijas (algoritma stabilitātes analīze).
Pārskata periodā tika veikti projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi, Liepājas Universitātē sniedzot prezentāciju par pētījuma rezultātiem. Projekta informācija sadarbības partnera tīmekļa vietnē: www.bioreactors.net/wastetosurf
11.05.2023.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.04.2023. līdz 30.06.2023.
Projektam turpinoties tā noslēdzošajā fāzē, arvien vairāk darba tiek veltīts rezultātu apkopošanai un analīzei, tādējādi noslēdzot daļu projekta aktivitāšu. Pārskata periodā modelēšanas darbi turpinājās gan metabolisma modelēšanas grupā, gan arī ilgtspējas modelēšanas grupā.
Metabolisma modelēšanas grupa ir izstrādājusi celmu projektus, kuri var tikt izskatīti kā kandidāti ieviešanai laboratorijā. Piedāvātajiem celmu projektiem ir liels daudzums alternatīvu ieviešanas variantu, kas var tikt analizēti, ja konkrētais celma projekts satur operācijas ar gēniem, kas nevar radīt nevēlamas blakusparādības. Nepieciešamības gadījumā ir iespējams detalizētāk analizēt projektu realizācijas alternatīvas. Ir izstrādāti celmu projekti virsmaktīvo vielu ražošanai ar alternatīviem ieviešanas variantiem, kas rodas gēnu-proteīnu-reakcijas saišu dēļ. Līdz ar celmu projektu izstrādi noslēdzas darba aktivitātes izpilde.
Ilgtspējas modelēšanas grupa ir noslēgusi darbu pie sistēmdinamikas modeļa, un turpinās darbs ar multi-kritēriju analīzi, lai novērtētu soforolipīdu ražošanas procesa ilgtspēju. Modelī tika pilnveidotas atsevišķas tā struktūras, lai samazinātu nenoteiktības. Tika veiktas simulācijas ar stāvokli 2020., 2030. un 2050. gadā. Iegūti un analizēti simulāciju rezultāti. Sistēmdinamikas modelis, tā moduļi un atsevišķie scenāriji ir aprakstīti modeļa aprakstā, kas iesniegts kā projekta nodevums. Līdz ar sistēmdinamikas modelēšanas aktivitātes noslēgšanos, projekta pēdējā fāzē aktīvāks darbs notiks tieši ar multikritēriju analīzi, lai novērtētu šādas soforolipīdu ražošanas ilgtspēju. Turpinās iesāktais darbs pie analīzē iekļaujamo indikatoru atlases un vērtību noteikšanas.
Raugu fizioloģijas laboratorijā veiktās heterologo gēnu klonēšanas rezultātā pierādīta ekspresēto gēnu aktivitāte. Četri gēni no sešiem sagatavoti ekspresijai Y. liplolytica, izmantojot GoldenGate (GG) protokolu un līdz projekta beigām paredzēts izveidot rekombinanto celmu. Sagatavota un pielāgota metode biovirsmaktīvo vielu ražošanas novērtēšanai ar Y. lipolytica.
Partneru institūcijā tika realizēti fermentācijas eksperimenti ar MPC sistēmas pielietošanu. Dati par eksperimentiem tika apvienoti attiecīgajā pārskatā. Optimizācijas algoritma testēšana un uzlabošana tiek turpināta. Tika identificēti stāvokļi, kurus algoritms nespēj efektīvi atpazīt. Balstoties uz to, ir nepieciešams papildināt izveidoto sistēmu ar parametriem, kuri ļauj atpazīt soforolipīdu sintēzes un biomasas augšanas stāvokļus.
Pārskata periodā tika īstenoti vairāki projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi, t.sk. dalība divās starptautiskās zinātniskās konferencēs ar stenda referātiem. Projekta ietvaros tika arī organizēts trīs dienu seminārs-apmācību kursi “Biomodelling Spring 2023”, lai popularizētu projektā izmantotās vielmaiņas matemātiskās modelēšanas metodes.
05.08.2023.
Projekta pārskats par paveikto laika periodā no 01.07.2023. līdz 30.09.2023.
Projekta noslēdzošajā periodā galvenā uzmanība tika pievērsta pēdējo rezultātu iegūšanai un to apkopošanai, lai noslēgtu projekta aktivitātes. Ilgtspējas novērtējuma pēdējie posmi tika veikti, izmantojot multikritēriju lēmumu analīzi (MCDA). Turklāt tika izstrādāti un aprakstīti rauga Yarrowia lipolytica rekombinantie celmi. Projekta periodā tika veikti noslēdzošie modelī bāzētas prognozēšanas kontroles (MPC) sistēmas optimizācijas posmi.
Ilgtspējas modelēšanas grupa pabeidza ilgtspējības novērtējumu soforolipīdu ražošanas procesam 2020., 2030. un 2050. gadam un veica iegūto rezultātu analīzi. Nākotnes scenāriji tika aprēķināti, pieņemot izmaiņas elektroenerģijas bilancē nākotnes scenārijos un aprēķinot lipīdu substrāta nākotnes cenas. Ir sagatavoti divi ziņojumi par ilgtspējas novērtējuma rezultātiem. Vienā ziņojumā ietverta pakāpeniska ilgtspējības kritēriju atlase, bet otrā ziņojumā aprakstītas MCDA metodoloģiskās izvēles un rezultāti.
Raugu fizioloģijas laboratorijā komanda ir pabeigusi GoldenGate konstrukta izveidi Yarrowia lipolytica rauga celmā, kā rezultātā tika iegūti rekombinantie celmi. Ir sagatavots ziņojums par aktivitātes rezultātiem. Y. lipolytica savvaļas tipa celms neražo glikolipīdu bioloģiski virsmaktīvās vielas. Tika pierādīta arī Y. lipolytica savvaļas tipa celma spēja transformēties ar GoldenGate konstruktu, kas satur GFP, un GFP tika veiksmīgi producēts. Soforolipīdu līmenis rekombinantajos celmos nesasniedza noteikšanas slieksni. Iespējams, ka daļa sintēzes ceļa ir inhibēta vai arī ir izvēlēti Y. lipolytica kloni ar nomāktu soforolipīdu sintēzi. Ir sagatavots ziņojums par aktivitātes rezultātiem. Bez tam pētnieki papildināja savas zināšanas, piedaloties starptautiskās profesionālās mācībās par Y. lipolytica.
Partnerinstitūcijā AS "Biotehniskais centrs" tika optimizēts fermentācijas process, izmantojot modelī bāzētas prognozēšanas kontroles (MPC) sistēmu. Tika noteikts optimālais fermentācijas barotnes sastāvs, kā arī izstrādāts un pārbaudīts MPC algoritma prototips. Iegūtais rezultāts nodrošinās pamatu turpmākai MPC sistēmu izstrādei un ieviešanai bioloģisko virsmaktīvo vielu ražošanā. Algoritma darbības novērtējums tika veikts ieejas datu traucējumu apstākļos (algoritma stabilitātes analīze). Darba pakas galvenais mērķis tika sasniegts, par rezultātiem tika sagatavots ziņojums.
Pārskata periodā tika veikti dažādi projekta izplatīšanas un komunikācijas pasākumi, t.sk. ietekmes uz vidi novērtējuma rezultāti tika publicēti zinātniskajā rakstā: Balina K., Soloha R, Suleiko A, Dubencovs K, Liepiņš J, & Dace E, 2023, "Prospective Life Cycle Assessment of Microbial Sophorolipid Fermentation". Šis raksts publicēts žurnālā "Fermentation"[DOI:10.3390/fermentation909090839].
Prezentācija par projekta rezultātiem tika sniegta nozares profesionāļiem COST akcijas WIRE (Waste biorefinery technologies for accelerating sustainable energy processes - CA20127) zinātniskajā seminārā, kas notika Kotbusā, Vācijā.
Kopumā šajā projektā ir panākts ievērojams progress mērogojamas un ilgtspējīgas biovirsmaktīvo vielu ražošanas tehnoloģijas izstrādē. Projekta komanda ir sniegusi nozīmīgu ieguldījumu zināšanu bāzē par rauga S. bombicola un Y.lipolytica metabolismu un soforolipīdu ražošanu. Izstrādātais genoma mēroga metabolisma modelis un dzīves cikla novērtējuma pētījums būs vērtīgi resursi turpmākajiem pētījumiem un attīstībai šajā jomā, savukārt izstrādātais tehnoloģijas prototips ir sagatavots mēroga palielināšanai un izmantošanai ķīmisko izejvielu, t.sk. biovirsmaktīvo vielu, ražošanas nozarē.
19.10.2023.