pomysł zastosowania do wydzielania kwasu fumarowego z mieszaniny pohodowlanej sekwencji procesów membranowych nanofiltracji i elektrodializy

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Grażyna Lewandowicz Poznań, Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu ul. Wojska Polskiego Poznań Recenzja rozprawy doktorskiej Pani mgr inż. Marty Woźniak-Budych pt.: Separacja kwasów dikarboksylowych technikami membranowymi (NF i EDBM) wykonanej pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Krystyny Prochaska, prof. nadzw. w Instytucie Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechniki Poznańskiej Ocena trafności tematu i celu rozprawy Separacja produktów otrzymywanych w toku procesów katalizowanych za pomocą mikroorganizmów jest procesem wieloetapowym i skomplikowanym, wymagającym każdorazowo indywidulanego opracowania. Skład mieszaniny pohodowlanej jest zawsze bardzo złożony, albowiem cechy metaboliczne mikroorganizmów powodują iż obok produktu głównego tworzy się szereg produktów ubocznych niekiedy o zbliżonych właściwościach fizykochemicznych. Z tego powodu koszty separacji bioproduktów są z reguły bardzo wysokie i decydujące o efektywności ekonomicznej całej technologii. Bardzo istotnym czynnikiem determinującym koszty separacji bioproduktów jest ich zawartość w mieszaninie pohodowlanej. Przyjmuje się, że gdy zawartość produktu w mieszaninie wynosi powyżej 30 kg/m 3 wówczas koszty separacji stanowią tylko około 20% kosztów ogólnych procesu. W przypadku gdy zawartość bioproduktu jest rzędu kilku gramów w litrze wówczas koszty separacji wynoszą powyżej 50%, natomiast gdy stężenie produktu spada poniżej 1% koszty te rosną nawet do 90%. Recenzowana praca doktorska Pani mgr inż. Marty Woźniak-Budych pt.: Separacja kwasów dikarboksylowych technikami membranowymi (NF i EDBM) powstała w ramach realizacji projektu PO IG /09 Biotechnologiczna konwersja glicerolu do polioli i kwasów dikarboksylowych o akronimie Zielona Chemia

2 finansowanego z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Celem całego projektu było opracowanie technologii mikrobiologicznej konwersji glicerolu do 1,3- propanodiolu, erytrytolu oraz kwasów fumarowego i bursztynowego, wraz z separacją i oczyszczaniem produktów końcowych. Jego ideą było wprowadzenie do praktyki gospodarczej technologii o wysokim ładunku innowacyjności polegających na wykorzystaniu surowców odpadowych pochodzenia roślinnego w miejsce surowców kopalnianych, głównie ropopochodnych i tym samym przyczyniających się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Kolejnym istotnym elementem projektu było wykorzystanie najnowszych osiągnięć biologii molekularnej do konstrukcji genetycznie modyfikowanych mikroorganizmów oraz zastosowanie najnowszych technik inżynierii chemicznej i bioprocesowej do separacji i oczyszczania finalnych produktów. Przeprowadzone przez Doktorantkę badania nad separacją i oczyszczaniem kwasu fumarowego z płynu pohodowlanego przyczyniły się do osiągnięcia znacznej części końcowych wyników projektu. Zastosowanie nanofiltracji oraz elektrodializy bipolarnej jako metod separacyjnych doskonale wpisuje się w ideę projektu polegającą na wykorzystaniu najnowszych osiągnięć inżynierii chemicznej i bioprocesowej do separacji i oczyszczania finalnych produktów. Ocena formalna rozprawy Praca pod względem formalnym stanowi niezwykle obszerne opracowanie liczące ogółem 191 stron maszynopisu. Zawiera ona wszystkie elementy, które z formalnego punktu widzenia powinny wejść w skład rozprawy doktorskiej, w tym: przegląd stanu wiedzy, sformułowanie celu pracy, opis metod realizacji zadań badawczych, omówienie wyników, ich dyskusję oraz wnioski. Praca została ujęta w postaci dziewięciu rozdziałów, przy czym jej właściwa część zawarta jest w pierwszych siedmiu. Treść rozdziału ósmego stanowi wykaz dorobku naukowego Doktorantki a rozdział dziewiąty to aneks. Należy tu podkreślić, że dorobek naukowy Doktorantki jest bardzo bogaty - obejmuje 6 publikacji (w tym 5 z listy Journal of Citation Reports), 3 patenty, 4 recenzowane prace konferencyjne, kilkanaście wystąpień na konferencjach krajowych (jedno z nich zostało wyróżnione) i międzynarodowych oraz udział w czterech szkoleniach. W aneksie przedstawiono informacje uzupełniające na temat przeprowadzonych eksperymentów dotyczące głównie charakterystyki stosowanych membran oraz badanych materiałów. Zostały one zilustrowane

3 za pomocą 20 rysunków, 7 tabel oraz 3 równań. Ogółem w pracy przedstawiono 44 tabele, 85 rysunków oraz 40 równań. Ponadto praca obejmuje streszczenia polsko- i angielskojęzyczne, spis literatury (285pozycji) oraz wykazy symboli skrótów i akronimów. Merytoryczna ocena rozprawy Oceniana praca doktorska dotyczy separacji kwasów organicznych z mieszaniny pohodowlanej technikami nanofiltracji oraz elektrodializy bipolarnej. Część literaturowa kompleksowo wprowadza w tę tematykę. Omówiono w niej syntetycznie możliwości zagospodarowania frakcji glicerynowej powstałej po produkcji biodiesla ze szczególnym uwzględnieniem metod biotechnologicznych. Znacznie bardziej szczegółowo omówiono techniki separacyjne, które mogą być wykorzystane w wydzielaniu związków niskocząsteczkowych, w tym przede wszystkim zastosowane w pracy techniki nanofiltracji i elektrodializy bipolarnej. Przedstawiony przegląd literatury jest wszechstronny i oparty na najnowocześniejszych źródłach. Zastosowana metodyka badań odpowiada najnowocześniejszym standardom, jest właściwie dobrana i w większości właściwie opisana. Wyjątek stanowi tu brak opisu metodyki przygotowania membran do badań metodą skaningowej mikroskopii elektronowej. Jest to zaskakujące, bo zdjęcia membran zostały przytoczone na str. 122 czyli w rozdziale Omówienie wyników. Tymczasem, w pracy dokładnie zostały opisane techniki, których wyniki przytoczono wyłącznie w aneksie. Podanie procedury przygotowania membran byłoby jak najbardziej celowe, ponieważ w badaniach metodami mikroskopowymi bardzo istotne jest właściwe postępowanie z analizowaną próbką, mające na celu uniknięcia obserwacji artefaktów związanych z zastosowaną techniką. Zakres recenzowanej pracy doktorskiej jest niezwykle obszerny i dotyczy dwóch odrębnych, aczkolwiek ściśle ze sobą powiązanych zagadnień nanofiltracji oraz elektrodializy bipolarnej prowadzonych w celu separacji kwasu fumarowego z brzeczki pohodowlanej. Eksperyment dotyczący każdego z tych zagadnień jest tak wszechstronny i dobrze zrealizowany, że mógłby oddzielnie stanowić podstawę do ubiegania się o stopień naukowy doktora. Na wartość merytoryczną pracy składają się moim zdanie przede wszystkim dwa elementy:

4 pomysł zastosowania do wydzielania kwasu fumarowego z mieszaniny pohodowlanej sekwencji procesów membranowych nanofiltracji i elektrodializy bipolarnej; logiczny i konsekwentnie realizowany plan badań mający na celu określenie czynników decydujących o wydajności i selektywności zastosowanych procesów jak również czynników je limitujących. Brzeczki rzeczywiste wykazują zmienność w zakresie składu jak i stężeń poszczególnych metabolitów w mieszaninie. Dlatego też Doktorantka słusznie, w celu precyzyjnego ustalenia czynników decydujących o przebiegu badanych procesów, większość badań prowadziła z użyciem roztworów modelowych. Zawierały one wszystkie typy związków chemicznych występujących w brzeczce rzeczywistej tj. kwasy mono- i wielokarboksylowe, glicerol, propanodiol oraz jony nieorganiczne. Badając proces nanofiltracji Doktorantka wykazała, że efektywność separacji kwasu fumarowego tą metodą jest determinowana głównie przez ph nadawy a efekt sitowy ma mniejsze znaczenie. Proces ten jest zaburzany w niewielkim stopniu przez obecność niezdysocjowanych związków niskocząsteczkowych dzięki czemu może być zastosowany do oddzielania fumaranu sodu od glicerolu oraz większości typowych składników brzeczki. Wykazane zostało ponadto, że ograniczeniem tej technologii jest obecność w brzeczce soli wapniowych, które ulegają znacznie niższej retencji niż sole sodowe przy tych samych wartościach ph. Ponadto Doktorantka badała też wpływ innych czynników takich jak temperatura procesu czy ciśnienie transmembranowe i dogłębnie je przedyskutowała. Badania procesu elektrodializy bipolarnej wykazały, że inaczej niż w przypadku nanofiltracji separację kwasu fumarowego utrudnia obecność kwasów monoi wielokarboksylowych. Udowodniono zatem, że proces nanofiltracji nadaje się do wstępnej separacji kwasu fumarowego, który następnie można doczyścić metodą elektrodializy bipolarnej. W szczegółowych badaniach dotyczących konfiguracji stosów do elektrodializy Doktorantka wykazała, że korzystne do zatężania kwasu fumarowego przed procesem jest zastosowanie klasycznej elektrodializy z układem dwóch membran kationoi anionowymiennej, lub elektrodializy bipolarnej, w której membrana bipolarna współpracuje z membraną kationowymienną.. Powyższe obserwacje pozwoliły na zaprojektowanie dwóch układów hybrydowych do separacji kwasu fumarowgo z rzeczywistej brzeczki pofermentacyjnej. Złożone były one z modułu nanofiltracyjnego zawierającego

5 alternatywnie membranę ceramiczną lub polimerową oraz modułu do elektrodializy bipolarnej. W podsumowaniu Doktorantka zaproponowała także zastosowanie ekstrakcji reaktywnej jako alternatywy dla krystalizacji. Ponieważ nie prowadziła ona żadnych badań w tym zakresie dywagacje na temat alternatywnych technologii powinny znaleźć się raczej w rozdziale 5.3. Układy hybrydowe. Wysoko oceniając cały przeprowadzony w ramach pracy doktorskiej eksperyment oraz jego wnikliwą interpretację chciałabym poruszyć pewne problemy natury problemowej: Proces nanofiltracji z wykorzystaniem modułu Spirlab prowadzono przy ciśnieniu transmembranowym 0,4 MPa. Jest to parametr typowy raczej dla ultrafiltracji. Czy zastosowanie takiej wartości ciśnienia transmembranowego wynikało z ograniczeń aparaturowych czy było decyzją podjętą na podstawie innych przesłanek? Ponadto, czy zastosowanie w badaniach tak niskiej wartości ciśnienia transmembranowego miało wpływ na uzyskane wyniki? Badając wpływ stężenia kwasu fumarowgo oraz ph na strumień permeatu w procesie nanofiltracji (rozdział 5.1.1) Doktorantka stwierdziła jego zaskakująco duże obniżenie dla niskich stężeń kwasu fumarowego w nadawie oraz zwiększenie dla wyższych wartości stężeń (rys. 20 str. 80). Próbując wyjaśnić (wymykające się próbie prostej interpretacji) dane przytoczone na ww. rysunku, mgr inż. Marta Woźniak-Budych przebadała m.in. intensywność adsorpcji kwasu fumarowego na zastosowanej membranie. Niestety przeprowadzone doświadczenie nie przyniosło zamierzonego wyjaśnienia obserwowanych zjawisk. Ponieważ w tabeli nie przytoczono danych dotyczących ph badanego układu zakładam, że pomiary były prowadzone przy jednej wartości tego parametru. Być może zbadanie intensywności adsorpcji kwasu fumarowego przy różnych wartościach ph (takich samych w jakich badano proces nanofiltracji) pomogłoby wyjaśnić naturę zjawisk przedstawionych na rysunku 20. Ocena formy językowej i technicznej strony opracowania Praca doktorska Pani mgr inż. Marty Woźniak-Budych została napisana niezwykle starannie. Dotyczy to zarówno poprawności językowej jak i prawidłowości materiału ilustracyjnego. Głównym uchybieniem, utrudniającym nieco lekturę pracy jest, w mojej opinii, niekompletny spis symboli, skrótów i akronimów. Ilustracja tego problemu jest

6 zastosowanie już w tytule pracy skrótów NF i EBDM. Skróty te nie zostały rozwinięte również w wykazie symboli, skrótów i akronimów. Na podkreślenie zasługuje również logiczny i nie budzący wątpliwości sposób wnioskowania na wszystkich etapach eksperymentu. Do nielicznych wyjątków należy wewnętrzna sprzeczność w tabeli 14 i tekstu str. 84. Komentując zawarte w tabeli 14 dane dotyczące stopnia retencji kwasu fumarowego przy różnych ciśnieniach transmembranowych wynoszące 86-88% dla TMP=0,4MPa oraz 43-46% dla TMP=0,8 MPa Doktorantka na str. 84 stwierdza, że zastosowane ciśnienie transmembranowe ma niewielki wpływ na stopień zatrzymania fumaranu sodu. Ocena wartości naukowej i praktycznej rozprawy Problemem technologicznym jaki został rozwiązany w toku eksperymentu realizowanego przez Doktorantkę była efektywna separacja kwasu fumarowego z brzeczki otrzymanej w wyniku mikrobiologicznej konwersji glicerolu. Pomysł zastosowania do realizacji tego celu sekwencji dwóch technik membranowych: nanofiltracji oraz elektrodializy bipolarnej, przyczynił się w znacznym stopniu do końcowego sukcesu. Wysoka wartość naukowa pracy związana jest również ze sposobem rozwiązania problemu jaki przyjęła Doktorantka. Większość zrealizowanych eksperymentów została przeprowadzona na układach modelowych co umożliwiło precyzyjne określenie czynników decydujących o wydajności, selektywności i ekonomicznej racjonalności badanych procesów technologicznych. Dopiero w końcowym etapie pracy Doktorantka przeprowadziła badania z zastosowaniem rzeczywistych brzeczek otrzymanych przez jeden z zespołów badawczych zrzeszonych w konsorcjum Zielona Chemia, weryfikując w ten sposób wyniki badań układów modelowych i dowodząc praktycznej przydatności opracowanej technologii. Tak przeprowadzony cykl badań powoduje iż ich wyniki będą mogły być w przyszłości zastosowane do separacji kwasów organicznych z mieszanin pohodowlanych innych niż tylko te przebadane w ramach projektu Zielona Chemia. Wysoka wartość naukowa dysertacji została potwierdzona przez recenzentów czasopism naukowych o wysokim współczynniku wpływu. Doktorantka opublikowała aż 6 oryginalnych prac twórczych związanych bezpośrednio z tematyką pracy doktorskiej, w tym 5 w czasopismach z listy JCR. Dwie z powyższych prac przygotowała wyłącznie z Panią Promotor prof. dr hab. inż. Krystyną Prochaska. Dotyczą one separacji kwasu fumarowego

7 metodą elektrodializy bipolarnej i zostały opublikowane w Journal of Membrane Sciences oraz Separation and Purification Technology. Wysoka wartość praktyczna rozprawy związana jest z faktem, iż związanym z nią trzem zgłoszeniom patentowym (dotyczącym nanofiltracyjnego rozdziału kwasu fumarowego od glicerolu, jego zatężania oraz separacji i zatężania techniką elektrodializy bipolarnej) dokonanym w roku 2012, zostały już nadane prawa wyłączne przez Urząd Patentowy RP. Uwaga końcowa Rozprawa doktorska Pani mgr inż. Marty Woźniak-Budych pt.: Separacja kwasów dikarboksylowych technikami membranowymi (NF i EDBM) spełnia wymagania stawiane przez Ustawę o Tytule Naukowym i Stopniach Naukowych, jest bowiem samodzielnym i wartościowym dorobkiem naukowym, wnosi do nauki elementy poznawcze i ma znaczenie dla praktyki. Doktorantka poprzez realizację rozprawy dowiodła, że opanowała wiedzę w dziedzinie nauk podstawowych oraz w zakresie technologii i inżynierii chemicznej, wykazuje się inwencją naukową i techniczną przy planowaniu zadań i ich realizacji w stopniu zapewniającym możliwość samodzielnego prowadzenia badań naukowych. Proszę Wysoką Radę Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej o przyjęcie rozprawy i dopuszczenie Pani mgr inż. Marty Woźniak-Budych do jej publicznej obrony. Równocześnie biorąc pod uwagę imponująco szeroko zakrojony zakres badań, wysoką wartość naukową oraz praktyczną pracy wnioskuję o wyróżnienie pracy w stosownym trybie.