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

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)

Etapa 2017

Rezumatul raportului de activitate

In cadrul etapei III/2017 au fost realizate cu succes toate activitatile propuse, aferente celor patru obiective. A fost continuata si finalizata activitatea de realizare si optimizare a sistemului biocatalitic pentru co-polimerizarea monolignolilor. Sistemul a fost aplicat pentru fragmentele de lignina provenite din degradarea ligninei naturale. Au fost construite si caracterizate bio-compozite cu structura de suport solid acoperit cu polimer de lignina artificiala.

Rezultatele experimentale obtinute in cursul acestei etape, dar si ca ecou al activitatii etapelor anterioare au fost diseminate in cadrul a 7 manifestari stiintifice de specialitate sub forma de prezentari orale si postere. Totodata, aceste rezultate au constituit subiect pentru 5 articole de specialitate aflate in diferite etape (in constructie, trimise spre publicare si chiar publicate). De specificat este faptul ca toate aceste articole sunt construite pentru a fi publicate in jurnale cotate ISI, ceea ce demonstreaza importanta subiectului abordat pentru comunitatea stiintifica actuala.

Se poate observa ca acest proiect a permis atat realizarea unor produse concrete de utilitate stiintifica (sistem biocatalitic, bio-compozite), dar si imbunatatirea vizibilitatii grupului de cercetare in domeniul Biocatalizei condus de Madalina Tudorache, directorul acestui proiect. Acest ultim fapt fiind concretizat in relatii de colaborare noi cu grupuri de cercetare la nivel national si international si publicatii de specialitate. Totodata, proiectul a permis elaborarea unei cantitati considerabile de cunostinte in domeniul valorizarii ligninei. parte a rezultatelor experimentale vor constitui subiecte pentru cercetari viitoare. exista inca date experimentale obtinute in cadrul acestui proiect care nu au fost publicate din lipsa de timp. Acest fapt se va realiza in viitor, rezultatele respective constituind teme importante pentru cercetare.

Etapa 2017 a fost incheiata cu succes prin realizarea tuturor activitatilor propuse. In cadrul acestei etape s-a pus la punct o metoda de co-polimerizare a monolignolilor si fragmentelor de lignina. Sistemul de oxi-polimerizare a fost testat in conditii neconventionale (solvent organic si lichid ionic). S-a reusit reconstituirea structurilor ligninice pornind de la resturi de oligomeri din lignina naturala. In functie de sursa de provenienta a ligninei, fragmentele rezultate au avut structura si abundenta variata, ceea ce a influentat compositia finala a ligninei artificale. Faza finala a experimentelor a constat in prepararea bio-compozitelor lignina-suport solid. Aceastea au fost analizate si caracterizate in vederea cunoasterii structurii, texturii si proprietatilor corespunzatoare pentru a putea gasi aplicatii ale acestora pe viitor.

Rezultatele experimentale obtinute in cadrul acestei faze au permis realizarea unei actiuni de diseminare concretizata in participarea la conferinte. Totodata, finalizarea activitatii de laborator in cadrul acestui proiect a permis structurarea rezultatelor in cadrul a 5 publicatii stiintifice aflate in diferite trepte de publicare. In plus, acest proiect a permis realizarea unei echipe de cercetare dedicate domeniului Biocataliza condusa de dr. Madalina Sandulescu-Tudorache si mai mult, vizibilitatii laboratorului si realizarea de noi relatii de colaborare pentru viitoare proiecte de cercetare.

Publicatii

1. C. Opris, N. Amanov, V.I. Parvulescu, M. Tudorache - "Peroxidase-based oxidative polymerization of monolignols", Comptes Rendus Chimie, 2017, in press.

2. M. Tudorache, C. Opris, B. Cojocaru, N. Gheorghe, A. Tarsoaga, S.M. Coman, V.I. Parvulescu, B. Duraki, F. Krumeich, J. A. van Bokhoven - "Highly efficient, easy recoverable and recyclable Re(VI)@SiO₂@Fe₃O₄ catalyst for the fragmentation of lignin", ACS Sustainale Chemistry and Engineering, 2017, under evaluation.

3. S. Ion, C. Opris, B. Cojocaru, A. Galca, Vasile I. Parvulescu, M. Tudorache -" Enzyme one-pot system for preparation of green bio-composites as artificial lignin-based functionalized support ", Frontiers in Chemistry, section Green and Environmental Chemistry, 2017, submitted.

4. S. Ion, C. Opris, Vasile I. Parvulescu, M. Tudorache - "Biocatalytic co-oxi-polymerization of monolignols", 2017, manuscript under preparation.

5. N. Amanov, C. Opris, Vasile I. Parvulescu - Biocatalytic design for preparation of artificial lignin from lignin residues, 2017, manuscript under preparation.

Diseminare

1. M. Tudorache, C. Opris, V.I. Parvulescu, Catalysis for renewable sources: fuel, energy and chemicals, Gabicce Mare, Italy, septembrie 2017. (prezentare orala)

2. M. Tudorache, C. Opris, M. Alcalde, V.I. Parvulescu, EuropaCat, Florenta, Italia, august 2017. (flash communication)

3. M. Tudorache, C. Opris, M. Alcalde, M. Irimia-Vladu, S.M. Coman, V.I. Parvulescu, International Symposium in Green Chemistry, La Rochelle, Franta, mai 2017. (flash communication)

4. M. Tudorache, A. Negoi, V.I. Parvulescu, 13th International Conference on Renewable Resources and Biorefineries, Wroklaw, Polonia, iunie-mai 2017. (prezentare orala)

5. C. Opris, S. Ion, V.I. Parvulescu, M. Tudorache, PRIOCHEM, Bucharest, Romania, octombrie 25-27 2017. (prezentare orala)

6. S. Ion, M. Tudorache, V.I. Parvulescu, PRIOCHEM, Romania, octombrie 25-27 2017. (poster)

7. S. Ion, M. Tudorache, V.I. Parvulescu, European Summer School on Industrial Biotechnology (ESSIB), Wageningen, Olanda, 24-30 september 2017. (poster)