 |
Az elektrokémiai folyamatok hatása biológiai eredetű termékek elektrodialízissel történő szeparációjára
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
119940 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Bélafiné dr. Bakó Katalin |
| magyar cím |
Az elektrokémiai folyamatok hatása biológiai eredetű termékek elektrodialízissel történő szeparációjára |
| Angol cím |
Study of Electrochemical Effects on Bioproduct Separation by Electrodialysis |
| magyar kulcsszavak |
elektrodialízis, membrán, szerves savak |
| angol kulcsszavak |
electrodialysis, membranes, organic acids |
| megadott besorolás |
| Biokémia és élelmiszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 70 % | | Ortelius tudományág: Élelmiszeripari technológiák | | Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 30 % |
|
| zsűri |
Kémia 2 |
| Kutatóhely |
BKV Biomérnöki, Membrántechnológiai és Energetikai Kutatócsoport (Pannon Egyetem) |
| résztvevők |
Gerencsérné dr. Berta Renáta
Gubicza László
Nemestóthy Nándor
Tóth Gábor
Tóth Gábor
|
| projekt kezdete |
2016-10-01 |
| projekt vége |
2022-03-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
24.972 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
10.45 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Ebben az OTKA projektben egy membrán szeparációs eljárás (elektrodialízis, ED) közben lejátszódó elektrokémiai folyamatokat és azok intenzifikálását tanulmányozzuk. Teszt feladatként rövid szénláncú szerves savak biokatalitikus előállítási lehetőségeit tanulmányozzuk olyan integrált rendszerekben, ahol az ED rendszer beépítésével a termékképződés hatékonysága javítható. A kutatómunka során többféle kémiai szerkezetű sav fermentációs és/vagy enzimkatalitikus előállítási lehetőségeit vizsgáljuk elektrodialízissel kombinálva és nélküle, kísérleti úton határozzuk meg a környezeti paraméterek hatását, s leírjuk a rendszerek viselkedését.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapvető célja, hogy az elektrodializis során lejátszódó elektrokémiai folyamatokat vizsgáljuk szerves savak elválasztásánál. A projekt kidolgozása során szeretnénk
• vizsgálni a határáram feletti üzemeltetés jelenségét
• elemezni azokat a hatásokat, melyek nagyobb vezetőképességű szén nanocsövet vagy ionos folyadékot tartalmazó membránoknál előfordulhatnak
• eldönteni, hogy hatékonyabb-e a hagyományos biokatalitikus előállításnál a korszerű oldószermérnökséggel és membránokkal segített eljárás
• összehasonlítani az ED-vel integrált enzimes eljárást és az ED-vel kombinált fermentációs módszert a sav előállítására
• meghatározni a savak in-situ eltávolításának egyrészt a fermentáció metabolizmusára, másrészt az enzimes reakció mechanizmusára gyakorolt hatását
• leírni és értékelni/elemezni az integrált rendszerű sav előállítás további következményeit (megbízható működés, rendszer szabályozás...stb.)
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Egy különleges membrán szeparációs eljárásnál, az elektrodialízisnél, (ED) lejátszódó elektrokémiai folyamatok meghatározzák az eljárás hatásfokát. Ahhoz, hogy ezt jelentősen tudjuk növelni, fontos megvizsgálnunk az alapfolyamatokat, így azt a szerves savak előállításánál, szeparációjánál is alkalmazhatjuk.
A rövid szénláncú szerves savaknak (pl. tejsav, citromsav, itakonsav, szukcinsav, levulinsav....stb.) igen erős potenciáljuk van számos iparágban (élelmiszer, gyógyszeripar, kozmatikai ipar, textilipar....stb.). E savak fontos nyersanyagot jelentenek sokféle vegyi anyag előállításához (amire gyakran "bio-finomításként" utalnak, illetve "zöld kémia"-ként emlegetik). A szerves savak biokatalitikus előállítása általában kedvezőbb eljárás, mint a hagyományos kémiai út, ráadásul sok esetben megújuló bio-nyersanyag is felhasználható előállításukhoz (lignocellulóz, mezőgazdasági hulladékok...).
A magas hozzáadott értékű savak előállítása többnyire nehézkes, ezért fontosnak tűnik a savképződés hátterének tanulmányozása, a nehézségek felderítése és a problémákra javaslatok kidolgozása. A savképződés komplikációi mellett a savak kinyerése és szeparációja is meglehetősen problematikus: hosszadalmas, additíveket és sok energiát igénylő, környezetvédelmi szempontból nem vonzó eljárás. Ezért kézenfekvőnek látszik, hogy a képződést és a szeparációt együtt tanulmányozzuk, akár egy integrált rendszerben. Ehhez a sokféle, eddig tanulmányozott alternatív szeparációs módszer közül egy membrános eljárás: az elektrodialízist választottuk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elektrodialízisnél lejátszódó elektrokémiai folyamatok meghatározzák az eljárás hatásfokát. Ahhoz, hogy ezt jelentősen tudjuk növelni, fontos megvizsgálnunk az alapfolyamatokat, így azt a szerves savak előállításánál, szeparációjánál is alkalmazhatjuk.
A rövid szénláncú szerves savak (pl. tejsav, citromsav, itakonsav, szukcinsav, levulinsav....stb.) igen fontos nyersanyagforrásnak számítanak sok iparágban (élelmiszer, gyógyszeripar, kozmatikai ipar, textilipar....stb.), segítségükkel a biofinomítási koncepció keretében ún. platformvegyületek sokasága állítható elő. E szerves savak biokatalitikus előállítása sok szempontból előnyösebb, mint a hagyományos kémiai út, ráadásul számos esetben megújuló bio-nyersanyag is felhasználható előállításukhoz (lignocellulóz, mezőgazdasági hulladékok...).
Ebben a projektben a biokatalitikus úton történő savképződés tanulmányozása a célunk olyan eljárásokkal, ahol a sav előállítását egy környezetbarát membrán szeparációs lépéssel egészítjük ki, s így integrált rendszert alakítunk ki. Egy ilyen rendszerben a biokonverzió és a termék kinyerése egyidejűleg hozható létre. Az integráláshoz alkalmas membrános technikák közül az elektrodialízist választottuk.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In this project the electrochemical processes of a membrane separation process: electrodialysis (ED) will be studied, and its intensification is aimed. Biocatalytic manufacture of short chain organic acids is used as a test, and integrated systems will be applied where ED) is built in, thus higher product formation effectiveness is expected. During the research work fermentative and/or enzyme catalytic productions of acids with various chemical structures will be investigated combined with or without electrodialysis. The effects of operation parameters will be determined experimentally, the systems will be compared, and the behaviour of the systems will be described.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main aim of the project is to study the electrochemical processes of ED in the separation of organic acids. During he project we should like
- to investigate the phenomenon appearing in operation beyond the limiting current
- to evaluate the effects caused by higher conductivity materials containing carbon nanotubes or ionic liquids
- to decide if the biocatalytic acid formation aided by solvent engineering and membranes can be carried out more effectively than the traditional process
- to compare the integrated systems constructed from an enzymatic process and ED and built from a fermentative acid formation and ED
- to determine the effects of the in-situ separation of acids on the metabolic processes in case of fermentation route and on the mechanism of the enzymatic reaction
- to describe and evaluate the further consequences of the integrated system (reliable operation, controlling the process...etc.)
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The electrochemical processes occurring in electrodialysis – a special membrane separation technique – determine the effectiveness of the method. In order to enhance it significantly, the fundamental processes should be studied, thus the results can be applied e.g. in manufacture and separation of organic acids.
Biocatalytic production of short chain organic acids e.g. lactic, citric, itaconic, fumaric, malic, glutamic, succinic, levulinic…etc. has great potential in many industries (food, pharmaceutical, cosmetic, textile…). The usage of these acids as feedstock for producing a wide variety of chemicals is well known (often regarded as processes of biorefinery, green chemistry). Biocatalytic synthesis of these organic acids is usually beneficial over their chemical route, since cheap renewable biomaterials (lignocellulosic biomass, agro-industrial wastes...) can be utilized.
The manufacture of some organic acids – mainly those having high added value – is fairly difficult, therefore it seems important to study their formation, to uncover the difficulties and to suggest solutions. Beyond the acid formation complications, the traditional recovery and separation of the acids have problems, as well: it is quite lengthy, complex, need additives, environmentally harmful and energy demanding. Thus it seems obvious that the formation and separation should be studied together, even in one integrated system. For this purpose a membrane process: electrodialysis was chosen from the many alternatives evaluated so far.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The electrochemical processes taking place during electrodialysis highly determine the effectiveness of the method. In order to enhance it significantly, it is important to study the fundamental processes, thus the results can be applied e.g. in manufacture and separation of organic acids.
Short chain organic acids (e.g. lactic, citric, itaconic, fumaric, malic, glutamic, succinic, levulinic…etc) are considered as highly important raw materials in many industries (food, pharmaceutical, cosmetic, textile…), in the frame of the biorefinery concept numerous "platform molecules" can be manufactured. Biocatalytic production of these organic acids seem more beneficial from many aspects than the traditional chemical route, moreover cheap renewable biomass (e.g. lignocellulose, agro-wastes) may be used for the process.
In this project our aim is to study the biocatalytic acid formation in various systems where the acid productions is combined with an environmental safe membrane separation technique, thus integrated systems are constructed. In this way the bioconversion and the product recovery can be accomplished simultaneously. For the separation electrodialysis was selected from the membrane processes suitable for integration.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Tóth Levente: Itakonsav fermentáció nyomonkövetése, MSc diplomamunka, Pannon Egyetem (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2017, 2017 | | Tamás Rózsenberszki, Enikő Kőrösi, Péter Komáromy, Nándor Nemestóthy: Itaconic acid separation by bipolar membrane, PERMEA International Conference, Budapest, August 26-29 2019 Book of Abstracts, 2019 | | Péter Komáromy , Péter Bakonyi, Adrienn Kucska, Gábor Tóth, László Gubicza, Katalin Bélafi-Bakó and Nándor Nemestóthy: Optimized pH and Its Control Strategy Lead to Enhanced Itaconic Acid Fermentation by Aspergillus terreus on Glucose Substrate, Fermentation 5 (2019) 31-39, 2019 | | Polyák Norbert: Itakonsav fermentáció (levegőztetés, kevertetés), MSc diplomadolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2018 | | Nándor Nemestóthy, Péter Komáromy, Péter Bakonyi, András Levente Tóth, Gábor Tóth, László Gubicza, Katalin Bélaf‑Bakó: Carbohydrate to Itaconic Acid Conversion by Aspergillus terreus and the Evaluation of Process Monitoring Based on the Measurement of CO2, Waste and Biomass Valorization, 2019 | | Vozik Dávid, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin: Ionszelektív membránok alkalmazása elektrodialízisnél, PhD hallgatók Anyagtudományi Konferenciája, PE Veszprém, 2018. nov. 26. Konferenciakiadvány, 2018 | | Sztojanovics Hédi: Aspergillus terreus NRRL 1960 törzzsel végzett itakonsav fermentáció vizsgálata, MSc diplomadolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2020 | | Kőrösi Enikő: Itakonsav szeparációja elektrodialízissel, MSc diplomadolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Rózsenberszki Tamás), 2019 | | Hollósi Levente: Itakonsav elválasztása bipoláris elektrodialízissel, MSc diplomarolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Rózsenberszki Tamás), 2020 | | Rózsenberszki, T, Komáromy, P., Kőrösi, E., Bakonyi P., Nemestóthy N., Bélafi-Bakó, K.: Investigation of itaconic acid separation by operating a commercialized electrodialysis unit with bipolar membranes, Processes 8, 1031-1043, 2020 | | Hülberné Beyer É., Nemestóthy N., Bélafiné Bakó K.: Az eredő folyadékoldali térfogati oxigénabszorpciós együttható (K_L a) meghatározása itakonsav fermentációnál, Membrántechnika és Ipari Biotechnológia 11(3) 26-37, 2020 | | Bélafi-Bakó, K., Tóth, G., Nemestóthy, N.: Application of polymer membranes in downstream processes, Physical Sciences Reviews, De Gruyter, 20180070, 2020 | | Varga, V., Bélafi-Bakó, K., Vozik, D., Nemestóthy, N.: Recovery of itaconic acid by electrodialysis, Hungarian Journal of Industry and Chemistry 46(2) 43-46, 2018 | | Bóna, Á., Bakonyi, P., Galambos, I., Bélafi-Bakó, K., Nemestóthy, N.: Separation of volitile fatty acids from model anaerobic effluents using various membrane technologies, Membranes 10(10), 252-267, 2020 | | Péter Komáromy , Péter Bakonyi, Adrienn Kucska, Gábor Tóth, László Gubicza, Katalin Bélafi-Bakó and Nándor Nemestóthy: Optimized pH and Its Control Strategy Lead to Enhanced Itaconic Acid Fermentation by Aspergillus terreus on Glucose Substrate, Fermentation 5 (2019) 31-39, 2019 | | Nándor Nemestóthy, Péter Komáromy, Péter Bakonyi, András Levente Tóth, Gábor Tóth, László Gubicza, Katalin Bélaf‑Bakó: Carbohydrate to Itaconic Acid Conversion by Aspergillus terreus and the Evaluation of Process Monitoring Based on the Measurement of CO2, Waste and Biomass Valorization, 11, 1069-1075, 2020 | | Hollósi Levente: Itakonsav elválasztása bipoláris elektrodialízissel, MSc diplomadolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Rózsenberszki Tamás), 2020 | | Rózsenberszki, T, Komáromy, P., Kőrösi, E., Bakonyi P., Nemestóthy N., Bélafi-Bakó, K.: Investigation of itaconic acid separation by operating a commercialized electrodialysis unit with bipolar membranes, Processes 8, 1031-1043, 2020 | | Bóna, Á., Bakonyi, P., Galambos, I., Bélafi-Bakó, K., Nemestóthy, N.: Separation of volitile fatty acids from model anaerobic effluents using various membrane technologies, Membranes 10(10), 252-267, 2020 | | Hülberné Beyer Éva: Itakonsav előállítása Aspergillus terreus mikroorganizmussal félfolytonos fermentációval, Műszaki Kémiai Napok, 2021 | | Hülber-Beyer, É., Bélafi-Bakó, K., Nemestóthy, N.: Low-waste fermentation-derived organic acid production by bipolar membrane electrodialysis – an overview, Chemical Papers, 2021 | | Rózsenberszki, T., Komáromy, P., Hülber-Beyer, É., Bakonyi, P., Nemestóthy, N., Bélafi-Bakó, K.: Demonstration of bipolar membrane electrodialysis technique for itaconic acid recovery from real fermentation effluent of Aspergillus terreus, Chemical Engineering Research and Design 175, 348-357, 2021 | | Nemestóthy, N., Bakonyi, P., Komáromy, P., Bélafi-Bakó, K.: Evaluating aeration and stirring effects to improve itaconic acid production from glucose using Aspergillus terreus, Biotechnol Lett 41, 1383-1389, 2019 | | Komáromy, P., Bélafi-Bakó, K., Hülber-Beyer, É., Nemestóthy, N.: Enhancement of Oxygen Transfer through Membranes in Bioprocesses, Hungarian Journal of Industry and Chemistry, 48(2), 5–8, 2020 | | Komáromy, P., Rózsenberszki, T., Bakonyi, P., Nemestóthy, N., Bélafi-Bakó, K.: Statistical analysis on the variables affecting itaconic acid separation by bipolar membrane electrodialysis, Desalination and Water Treatment 192, 408-414, 2020 | | Komáromy Péter, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin: Elektrodialízis alkalmazása itakonsav kinyerésére, Műszaki Kémiai Napok, 2022 | | Rózsenberszki Tamás, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin: Itakonsav szeparációja elektrodialízissel, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, Konferenciakiadvány, 2017 | | Nemestóthy N., Bakonyi P., Bélafi-Bakó K.: Evaluation of ionic liquid-based membranes applied in ED systems, 3rd Int. Conf. on Ionic Liquids in Sep. Purific. Technol., Kuala Lumpur, Malaysia, 2017 | | Nemestóthy Nándor, Varga Veronika, Vozik Dávid, Bélafiné Bakó Katalin: Itakonsav előállítása és szeparációja, Membrántechnika és Ipari Biotechnológia 8(3) 42-46, 2017 | | Nemestóthy N., Bakonyi P., Tóth G., Gubicza L., Bélafi-Bakó K.: Study on electrochemical effects on bioproduction of organic acid by electrodialysis, ICOM Book of abstracts, 2017 | | Varga Veronika: Itakonsav elválasztása elektrodialízissel, BSc szakdolgozat, Pannon Egyetem, (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2017 | | Kucska Adrienn, Nemestóthy Nándor, Bélafiné Bakó Katalin: Itakonsav előállítása fermentációs úton, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, Konferenciakiadvány, 2018, 2018 | | Nemestóthy N., Tóth L., Tóth G., Bakonyi P., Gubicza L., Bélafi-Bakó K.: Optimisation of Itaconic Acid Production with Membrane Systems, EuroMembrane'18, Valencia, 2018, július 9-13, Book of abstracts, 2018 | | Sztojanovics Hédi: Itakonsav előállítása fermentációval, BSc szakdolgozat, Pannon Egyetem, (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2018 | | Kucska Adrienn: Itakonsav fermentáció vizsgálata: a pH és a szubsztrát hatása, MSc diplomadolgozat, Pannon Egyetem (témavezető: Nemestóthy Nándor), 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
