Sursa de finantare UEFISCDI, Programul PN II

Cod proiect PN-II-RU-TE-2014-4-1364

Nr. Contract 103/2015

Titlu proiect Bio-modelarea ligninei artificiale – Contribuţia biocatalizei în orientarea reziduurilor ligninice către industria polimerilor fenolici

Acronim BioModAL

Descrierea proiectului

BioModAL propune elaborarea unor biomateriale polimerice dezvoltând o cale biocatalitică care să mimeze procesul de sinteză naturală a ligninei. Metoda biocatalitică implică polimerizarea enzimatică (peroxidază) a unităţilor de biomasă (monomerilor/fragmentelor de lignină) cu "arhitectura" controlată, în vederea obţinerii polimerilor fenolici cu proprietăţi fizico-chimice impuse (biopolimeri). Procesul biocatalitic va fi optimizat pentru a permite generarea biomaterialelor polimerice cu caracteristici performante. Totodată, BioModAL lansează ideea unui sistem biocatalitic, bazat pe procesul dezvoltat anterior, dedicat producerii compozitelor biopolimer-suport solid. Tehnologia aferentă implică sinteza şi depunerea biopolimerului pe un suport solid (microcip) întro singură etapă tehnologică, ceea ce constituie un element de originalitate, definitoriu pentru proiectul BioModAL.

De asemenea, BioModAL oferă directorului de proiect şi echipei acestuia posibilitatea lărgirii ariei de cercetare ştiinţifică, cu implicaţii la nivel de experienţă profesională şi vizibilitate naţională/ internaţională.

Echipa de cercetare

Nr. Crt.

Pozitie


Nume

Prenume

1

Director proiect

Sandulescu-Tudorache

Madalina

2

Cercetator postdoctoral

Podolean

Iunia


3

Student doctorand

Opris

Cristina

4

Student doctorand

Bercaru (Negoi)

Alina

5

Tehnician studii superioare

Dinulescu

Elena


Etapa 2015

Rezumatul raportului de activitate

Etapa I/2015 a constituit lansarea activitatii de cercetare in cadrul proiectului BioModAL. Astfel, in cadrul acestei etape s-a realizat un studiu amanuntit asupra literaturii de specialitate in domeniul valorificarii ligninei prin utilizarea oligomerilor obtinuti in urma fragmentarii ligninei. S-au urmarit cu precadere procesele biocatalitice implicate. In acest fel s-a putut realiza o trecere in revista a informatiilor publicate pana in acest moment in aceasta directie de cercetare. Este util sa cunoastem ceea ce s-a realizat pentru a sti care este punctul de plecare al activitatii stiintifice in acest proiect. Totodata, este de notorietate faptul ca lignina, prin structura sa complexa, impune numeroase piedici in monitorizarea proceselor corespunzatoare. De aceea, partea de analitica in determinarea produsilor de reactie pentru procesele ce implica lignina este foarte importanta.

In cadrul acestei etape s-a avut in vedere testarea diferitelor surse de enzime pentru evidentierea capacitatii catalitice a acestora in procesul de re-polimerizare a ligninei. Enzimele testate au fost: HRP, PaDa-I (AaeUPO1 variant), VP (R4, P. eryngii) si VP (2-1B, P. eryngii). Se observa ca activitatea enzimatica cea mai buna o prezinta HRP in mediu de tampon tartrat. Prezenta unui solvent organic in mediu de reactie influenteaza negativ activitatea catalitica a peroxidazelor, in general. Aceeasi observatie o putem face si pentru lichidul ionic testat. Deci, peroxidazele prefera mediul tampon pentru a-si exercita capacitatea catalitica maxima. In ciuda faptului ca HRP a prezentat cea mai buna activitate catalitica in conditiile standard, totusi, pentru reactia de polimerizare a monomerilor ligninei este indicata utilizarea peroxidazei VP-R4/2-1B.

Rezultate obtinute

Etapa I/2015 a fost incheiata cu succes deoarece au fost realizate toate activitatile propuse in planul de realizare. A fost elaborat un studiu de literatura avand ca subiect procesele, cu precadere biocatalitice, de re-sinteza a ligninei din fragmente. In cadrul acestui studiu au fost considerate metodele de biocataliza existente pentru oxipolimerizarea derivatilor fenolici, prezentand similaritate cu procesul propus de proiectul BioModAL. Au fost studiate principalele

metode de analiza pentru monitorizarea produsilor de reacrie (ex. spectrometrie UV-Vis, cromatografie HPLC si GPC/SEC). S-a observat o lipsa de rapoarte stiintifice care sa descrie re-polimerizarea biocatalitica a fragmentelor de lignina. Tot ceea ce exista se bazeaza pe enzime de tipul HRP si sistemul clasic de oxipolimerizare cu H2O2, in mediu tampon sau mediu mixt solvent-apa. Totodata s-a realizat un screening enzimatic pe sursele de peroxidaze procurate. Activitatea enzimatica a fost determinata atat in conditii standard cat si neconventionale. S-a observat ca atat prezenta mediului organic, cat si a lichiului ionic ([bmim][PF6]) induc o inhibare a activitatii catalitice pentru peroxidaze. Aceleasi enzime au fost testate in reactie de polimerizare pentru alcool sinapilic, alcool coniferilic si amestecul lor in proportie molara de 1:1. Alcoolul sinapilic a prezentat cea mai buna afinitate pentru enzima peroxidaza, in mod particular pentru VP-R4 si VP-2-1B.

In baza rezultatelor obtinute a fost generat un plan strategic pentru lucrul in laborator a echipei de cercetare a proiectului BioModAL.

Publicatii

Pentru aceasta etapa nu exista publicatii deoarece derularea proiectului s-a realizat pe parcursul doar a 3 luni (1 octombrie - 31 decembrie 2015).

Diseminare

Pentru aceasta etapa nu exista activitate de diseminare deoarece derularea proiectului s-a realizat pe parcursul doar a 3 luni (1 octombrie - 31 decembrie 2015).


Etapa 2016

Rezumatul raportului de activitate

In cadrul etapei 2016 a fost optimizat sistemul biocatalitic inceput a fi dezvoltat in etapa 2015. Au fost obtinute materiale polimerice de tip lignina artificiala. Aceste materiale au fost caracterizare din punct de vedere al dimensiunii si omogenitatii. De asemenea, s-a testat cu succes co-polimerizarea sistemului realizat cu monomeri de tip acid cafeic si acid cumaric. In acest fel s-a asigurat o parte din reusita etapei urmatoare (etapa III/2017 - depuna materialul polimeric pe suprafete pre-tratate/activate cu acid cafeic si acid cumaric). Mai mult, performantele sistemului dezvoltat au fost evaluate in prezenta unui mediu neconventional de tip lichid ionic. Se poate observa o imbunatatire a conversiei sistemului in prezenta lichidului ionic, mai ales pentru cazul cuplului peroxidaza HRP si lichid ionic [Bmim]BF4.

Rezultate obtinute

Etapa 2016 a fost incheiata cu succes prin realizarea tuturor activitatilor propuse. Astfel, la finalul acestei etape exista un sistem biocatalitic optimizat pentru producerea ligninei artificiale din monomeri ai ligninei, este cunoscut efectul co-monomerilor de tip acid cafeic si acid cumaric asupra oxi-polimerizarii biocatalitice a monomerilor de lignina si a fost evaluata performanta sistemului biocatalitic in conditiile unui mediu neconventional (lichid ionic).

Rezultatele experimentale obtinute in cadrul acestei faze au permis realizarea unei vaste actiuni de diseminare concretizata in participarea la conferinte si redactarea unui articol stiintific. Totodata, aceasta activitate de diseminare a permis cresterea vizibilitatii laboratorului nostru si realizarea de noi relatii de colaborare pentru viitoare proiecte de cercetare.

Publicatii

A. Negoi, V. I. Parvulescu, M. Tudorache, Catalysis Today, trimis spre publicare la 30 septembrie 2016, in procesul de revizuire.

Diseminare

1. M. Tudorache, C. Opris, N. Amanov, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, V.I. Parvulescu - "Production of artificial lignin fragments with predictable properties using oxy-polymerization process assisted by peroxidase enzyme", Biocat, Hamburg, Germane, 29 August - 1 September, 2016. (prezentare orala)

2. M. Tudorache, C. Opris, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, V. I. Parvulescu - "Biocatalytic polymerization of the lignin residues for tunable biocomposites production", FCCat 1, Frejus, France, 23-27 May, 2016. (poster)

3. M. Tudorache, C. Opris, N. Amanov, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, V.I. Parvulescu - "Biocatalytic polymerization of the lignin residues for tunable biocomposites production", International Conference on Green Chemistry and Sustainable Engineering, Rome, Italy, 20-22 July, 2016. (prezentare orala)

4. M. Tudorache, A. Gheorghe, G. Ghemes, A. Negoi, S. Coman, V.I. Parvulescu - "Lipase-composites designed as cross-linked enzyme aggregated onto magnetic particles", ICC, Beijing, China, 3-8 July, 2016. (poster)

5. M. Tudorache, C. Opris, N. Amanov, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, V. I. Parvulescu - "Design artificial lignin composites with predictable properties based on peroxidase biocatalysis of the lignin-residues", IUPAC Green Chemistry, Venice, Italy, 4-8 September, 2016. (poster)

6. M. Tudorache, C. Opris, N. Amanov, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, S.M. Coman, V.I. Parvulescu - "Tuning the bio-polymer properties based on the lignin residues and biocatalytic process", 12th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries, Gent, Belgium, 30-31 May & 1 June, 2016. (prezentare orala)

7. M. Tudorache - " Procese biocatalitice ȋn valorificarea biomasei - aportul enzimelor de tip lipază şi peroxidază ȋn producerea bio-materialelor ", Sesiunea anuala de comunicari stiintifice ale Institutului de Biologie, Academia Romana, Bucuresti, 9 Decembrie 2016. (prezentare orala)