Intenzifikacija biokatalitskih procesov z uporabo evtektičnih topil v mikropretočnih sistemih za trajnostno valorizacijo odpadkov - BioInDES

Potencial biokatalitskih procesov kot ključne tehnologije za trajnostno proizvodnjo snovi še zdaleč ni izkoriščen. Glavni izziv je nizka produktivnost procesov povezana s pogosto prisotno nizko topnostjo substratov in/ali produktov v vodi in deaktivacijo encimov v organskih topilih ali pri visokih koncentracijah produkta. Uporaba evtektičnih topil (angl. deep eutectic solvents, DES), ki sodijo med najperspektivnejša zelena topila, lahko bistveno izboljša topnost in zmanjša stroške procesov, porabo energije in količino nastalih odpadkov. Z imobilizacijo biokatalizatorjev lahko dosežemo njihovo stabilizacijo ter dolgotrajno uporabo v kontinuirnih pretočnih sistemih. Miniaturizacija reaktorjev omogoča visoke koncentracije imobiliziranega biokatalizatorja, kontinuirno delovanje procesa in hiter prenos snovi in toplote, kar vodi do visoke volumetrične produktivnosti in izboljšane produktivnosti biokatalizatorja. Poleg tega je v mikropretočnih sistemih boljši nadzor procesa, omogočena je integracija in situ odstranjevanja produktov in razvoj multiencimskih reakcij, kar pomembno prispeva k intenzifikaciji biokatalitskih procesov. S tem projektu želimo razviti kontinuirno biopretvorbo CO2 v metanol in furfurala v njegove derivate z visoko vrednostjo z uporabo DES in imobiliziranih biokatalizatorjev v mikrotopretočnih sistemih na osnovi multiencimskih reakcij in integriranega odstranjevanja produktov. Projekt bo obsegal 5 delovnih sklopov (DS). V okviru DS1 se bomo osredotočili na opredelitev obeh reakcijskih sistemov, kar vključuje izbiro biokatalizatorjev, analitiko za spremljanje reakcij in ovrednotenje kinetike reakcij v šaržnih sistemih. V okviru tega bomo testirali in izbrali različne dehidrogenaze in transaminaze za nadaljnjo uporabo v mikropretočnih sistemih. V DS2 bomo izvedli racionalen izbor DES za izbrane encimsko katalizirane reakcije, v okviru česar bomo pripravili in eksperimentalno ter teoretično okarakterizirali tudi nove DES, da bi dobili globlje razumevanje interakcij med komponentami, ki tvorijo DES, in drugimi reakcijskimi spojinami. V DS3 bomo preučili imobilizacijo izbranih biokatalizatorjev v mikroreaktorjih, ki bodo zagotavljali tudi učinkovito regeneracijo kofaktorja. Preizkusili bomo različne napredne tehnike imobilizacije, nastale biokatalizatorje pa bomo sistematično okarakterizirali. V DS4 se bomo osredotočili na reaktorsko in procesno inženirstvo, ki bo temeljilo na matematičnem modeliranju, z namenom razvoja integriranih procesov proizvodnje metanola in derivatov furfurala v DES z visoko učinkovitimi mikropretočnimi napravami. Nazadnje bomo v DS5 izvedli podrobno tehno-ekonomsko študijo in presojo vplivov integriranih biokatalitskih procesov na okolje z uporabo standardnih izračunov in računalniško podprtih metod. Ugotovitve, ki bodo izvirale iz te študije, bodo razširile znanje o biokatalitskih reakcijah v DES in predvsem o njihovi uporabi v mikropretočnih sistemih z namenom intenzifikacije teh procesov. To bo dodatno spodbudilo industrijsko uporabo trajnostnih biokatalitskih procesov za reševanje problema globalnega segrevanja in valorizacije odpadkov, kar bo prispevalo k doseganju ciljev določenih z evropskim zelenim dogovorom.