Prof. Piotr Oleśkowicz-Popiel i jego zespół wykorzystują do tego całe społeczności mikroorganizmów. Technologia rozwijana jest również w ramach programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
Fermentacja kojarzy się najczęściej z kiszoną kapustą, winem albo piwem. W każdym z tych przypadków mikroorganizmy przetwarzają jedne związki w inne. Prof. Piotr Oleśkowicz-Popiel wykorzystuje ten sam podstawowy mechanizm, ale jego celem nie jest produkt spożywczy. Naukowiec chce zamieniać odpady w związki chemiczne, które mogą mieć realną wartość dla przemysłu. Kluczową różnicą jest to, że zespół nie korzysta z jednego wyizolowanego szczepu bakterii, lecz z całych społeczności mikroorganizmów. Dzięki temu mogą one wspólnie przetwarzać bardziej zróżnicowane surowce.
– Najprościej można powiedzieć, że robimy fermentację, tylko nie taką jak przy produkcji piwa czy kiszonej kapusty. W naszym przypadku mikroorganizmy dostają jako pożywienie bioodpady, a my tak dobieramy warunki procesu, żeby przetworzyły je w konkretny, wartościowy związek chemiczny – tłumaczy prof. Piotr Oleśkowicz-Popiel.
Brązowy pojemnik jako źródło surowców
Ogromną zaletą mieszanych kultur mikroorganizmów jest ich elastyczność. Pojedynczy szczep zwykle potrzebuje bardzo konkretnego „pokarmu”. Społeczność wielu mikroorganizmów może korzystać z bardziej złożonej mieszaniny różnych związków. Dlatego surowcem mogą być zarówno odpady kuchenne trafiające do frakcji bio, jak i produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego. Zespół pracował między innymi z kwaśną serwatką, ale potencjalnym źródłem mogą być również pozostałości po produkcji soków czy przetwarzaniu warzyw.
– Dla nas odpad nie musi być jednorodny i idealnie czysty. To właśnie jedna z przewag społeczności mikroorganizmów: różne gatunki współpracują i potrafią wykorzystywać szerszą gamę związków. Dzięki temu materiał, który dla jednego zakładu jest problemem i kosztem, może stać się dla nas surowcem do dalszego przetwarzania – mówi naukowiec. To ważne także z punktu widzenia gospodarki o obiegu zamkniętym. Zamiast unieszkodliwiać czy składować pozostałości z produkcji, można próbować zwiększyć ich wartość i ponownie wprowadzić je do gospodarki.
Z odpadu do perfum, żywności i paliwa
Jednym z głównych produktów, na których koncentruje się zespół, jest kwas kapronowy. Należy on do grupy średniołańcuchowych kwasów karboksylowych i może być traktowany jako związek „platformowy” czyli taki, z którego można następnie wytwarzać wiele innych produktów. Sam ma dość charakterystyczny, niezbyt przyjemny zapach. Paradoks polega na tym, że jego pochodne mogą pachnieć już zupełnie inaczej, na przykład owocowo. Dzięki temu znajdują zastosowanie w kompozycjach zapachowych czy dodatkach do żywności. Możliwe zastosowania sięgają jednak znacznie dalej.
– Kwas kapronowy jest dla przemysłu czymś w rodzaju półproduktu. Możemy z niego otrzymywać związki wykorzystywane w żywności, perfumach, kosmetykach czy środkach czystości. W bardziej zaawansowanych procesach może być także punktem wyjścia do produkcji innych związków, w przyszłości również paliw lotniczych. To pokazuje, jak szeroki potencjał może mieć coś, co na początku było odpadem – podkreśla prof. Oleśkowicz-Popiel.
Możliwość zastępowania części związków wytwarzanych dziś z surowców kopalnych sprawia, że technologia ma znaczenie wykraczające poza samą gospodarkę odpadami. Ropa naftowa nie służy przecież wyłącznie do produkcji benzyny. Jej pochodne znajdują się w tworzywach sztucznych, farbach, lakierach, syntetycznych włóknach, kosmetykach i tysiącach innych produktów codziennego użytku.
Nawet o 80 proc. mniejszy ślad węglowy
Według wstępnych obliczeń zespołu produkty otrzymywane z bioodpadów mogą mieć nawet o 80 proc. niższy ślad węglowy niż ich odpowiedniki wytwarzane w konwencjonalnych procesach opartych na surowcach kopalnych. Naukowiec zastrzega, że żadna produkcja nie jest całkowicie bezemisyjna – energii wymagają również fermentacja i dalsze przetwarzanie.
– Nie możemy mówić o procesie bez śladu węglowego, bo każda technologia zużywa energię. Ale w naszych wstępnych analizach różnica wobec produktów opartych na surowcach kopalnych może sięgać nawet 80 procent. Jednocześnie rozwiązujemy drugi problem: zamiast pozbywać się odpadu, wykorzystujemy go ponownie – mówi prof. Oleśkowicz-Popiel. Tym sposobem jedna technologia może odpowiadać na dwa wyzwania jednocześnie: ograniczać zależność przemysłu chemicznego od paliw kopalnych i tworzyć nowe możliwości zagospodarowania odpadów.
Od kilkunastu litrów do tysiąca
Największym wyzwaniem jest dziś przejście od udanego eksperymentu laboratoryjnego do procesu, który można zastosować w zakładzie przemysłowym. Zespół dysponuje obecnie reaktorem laboratoryjnym o pojemności kilkunastu litrów. Kolejny krok to instalacja demonstracyjna o pojemności do 1000 litrów, czyli jednego metra sześciennego. Dopiero doświadczenia z takiego urządzenia pozwolą dobrze przygotować się do dalszego skalowania.
– W laboratorium łatwo utrzymać stałą temperaturę, mieszanie czy odpowiednie pH. Kiedy reaktor staje się kilkadziesiąt razy większy, te same warunki nie muszą już panować w każdym jego miejscu. A mikroorganizmy reagują na takie różnice. Dlatego technologii biologicznych nie da się po prostu powiększyć z dziesięciu litrów do wielkiej instalacji jednym ruchem. Trzeba przejść przez skalę pośrednią i zdobyć doświadczenie operacyjne – wyjaśnia badacz. Zespół jest obecnie na etapie projektowania instalacji o pojemności do 1000 litrów. Po jej uruchomieniu konieczne będą dalsze eksperymenty, które mają przygotować technologię do przejścia do pierwszej niewielkiej skali komercyjnej.
Dziesięć lat badań i kolejny krok: rynek
Prace nad technologią nie zaczęły się wraz z udziałem w PRIME. Zespół prof. Oleśkowicza-Popiela prowadzi badania w tym obszarze od około dekady. Program Fundacji na rzecz Nauki Polskiej ma pomóc w wykonaniu kolejnego kroku, czyli spojrzeniu na technologię oczami rynku, przyszłych klientów i inwestorów.
W zespole PRIME uczestniczą również Łukasz Łowiński, Opiekun Transferu Technologii, oraz dr Filip Brodowski, Lider Biznesowy. Łowiński pomaga w przygotowaniu ścieżki transferu rozwiązania z uczelni do gospodarki, natomiast dr Brodowski odpowiada między innymi za rozmowy z rynkiem i plan komercjalizacji. Prof. Oleśkowicz-Popiel i dr Brodowski prowadzą również rozmowy z uczelnią dotyczące powołania spółki, która miałaby rozwijać technologię dalej.
– Badania nad samym procesem prowadzimy od lat, ale komercjalizacja wymaga zupełnie innych kompetencji. Trzeba wiedzieć, jak rozmawiać z inwestorem, jak ocenić zapotrzebowanie rynku i jak przygotować model biznesowy. W Polsce doświadczeń z komercjalizacją biotechnologii przemysłowej jest wciąż stosunkowo niewiele, więc wsparcie PRIME pozwala nam nie uczyć się wszystkiego wyłącznie na własnych błędach – podkreśla profesor. Jak dodaje, rozwój technologii biologicznych wymaga cierpliwości. Od pierwszych badań do realnej próby komercjalizacji może minąć około dekady.
Czy odpady mogą kiedyś konkurować z ropą?
Prof. Oleśkowicz-Popiel uważa, że znaczenie bioodpadów jako surowca będzie rosło. Nie oznacza to, że w przyszłości zastąpią one każdy produkt pochodzący z ropy. Potencjał jest jednak duży, szczególnie w kraju takim jak Polska, z rozwiniętym rolnictwem i przemysłem rolno-spożywczym.
– Musimy przestać patrzeć na odpady wyłącznie jak na coś, czego trzeba się pozbyć. W wielu przypadkach są to niewykorzystane jeszcze surowce. Nie zastąpimy nimi całej ropy naftowej i nie powinniśmy oczywiście produkować odpadów tylko po to, żeby mieć z czego robić kolejne produkty. Ale potencjał jest ogromny, a w Polsce wciąż w dużej mierze niewykorzystany – mówi prof. Piotr Oleśkowicz-Popiel.
Jeśli technologia osiągnie skalę przemysłową, niewykluczone, że surowcem dla przyszłej chemii będą nie tylko odwierty naftowe, lecz również to, co dziś opuszcza zakłady spożywcze jako produkt uboczny albo trafia z naszych kuchni do brązowego pojemnika.
PRIME to program akceleracyjny transferu wiedzy i technologii dla naukowców i organizacji badawczych, realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Uczestnicy rozwijają kompetencje związane z komercjalizacją, prowadzą rozmowy z potencjalnymi odbiorcami oraz przygotowują indywidualną ścieżkę wdrożenia swoich technologii. Projekt PRIME jest finansowany z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG).
