Na všechna Oddělení

Výzkumná skupina řasové a mikrobiální biotechnologie

Výzkumná skupina řasové a mikrobiální biotechnologie se dlouhodobě zabývá využitím mikroorganismů v environmentálních a potravinářských technologiích. Jedná se především o fotosyntetizující mikroorganismy zahrnující jak eukaryotní mikroskopické řasy tak prokaryotní cyanobakterie, ale také o heterotrofní bakterie nebo kvasinky. Mezi důležité aktivity výzkumné skupiny patří především optimalizace a scale-up kultivačních procesů vybraných mikroorganismů, včetně vývoje fotobioreaktorů a down-stream procesů.

Bioremediace povrchových eutrofních vod

Rozvoj nežádoucího vodního květu sinic způsobený eutrofizací povrchových vod je jednou z aktuálních environmentálních výzev. Nejefektivnějším řešením je důkladná analýza podmínek v povodí nádrže, identifikace zdrojů živin a jejich eliminace. Pokud ale již dojde k tomu, že voda v nádrži dosáhne stavu eu- či hypertrofie, existují omezené možnosti, jak situaci řešit. Část z nich je vysoce nákladná a invazivní (bagrování sedimentů), jiné mají pouze dočasný účinek a spočívají v introdukci chemických látek do vody (použití koagulantů či algicidů). Vhodné kmeny některých mikroskopických řas a cyanobakterií mají vlastnosti, které lze s výhodou použít k odčerpání rozpuštěných živin z vody do biomasy a v kombinaci s novým typem plovoucího fotobioreaktoru s polopropustným dnem použitého in situ, by mělo být možno narostlou biomasu (včetně živin) z vody relativně snadno odstranit a použít například jako ekologické hnojivo.

Využití vodních fotosyntetizujících mikroorganismů v lidské výživě

Cyanobakterie Arthrospira maxima je v sušené formě běžně k dostání v maloobchodní síti jako potravinový doplněk pod obchodním označením spirulina. Čerstvá biomasa získaná z fotobioreaktoru je senzoricky výrazně přijatelnější (chuťově i pachově neutrální) než sušená biomasa (zápach a pachuť rybiny). Vzhledem k tomu, že o bezpečnosti a vhodnosti konzumace čerstvé biomasy prakticky neexistují odborné publikace, ani doporučení ohledně skladování, plánujeme provést testování této biomasy z hlediska bezpečnosti a skladovatelnosti, a dále pak porovnat suchou a čerstvou biomasu z hlediska míry degradace zdravotně prospěšných látek (nenasycené mastné kyseliny, vitamíny, antioxidanty). Pokud bude ověřen předpoklad, že čerstvá biomasa Arthrospira maxima je vhodná ke konzumaci a hodnotnější než sušená, umožní to navazující vývoj nových zdraví prospěšných či terapeutických potravinářských produktů.

Biostimulační přípravky na bázi mikroskopických řas pro použití v zemědělství

Hlavní cíl projektu je výzkum biostimulačních účinků mikroskopických řas a jejich metabolických produktů na zemědělské plodinyOčekáváme zlepšení celkového zdravotního stavu, zvýšení výnosů a odolnosti vůči chorobám a snížení spotřeby vody a konvenčních pesticidů během pěstování. Dílčí cíle: 1) identifikace vhodných kmenů mikrořas se známými biostimulačními účinky a zároveň schůdnou biotechnologickou produkcí biomasy a/nebo extracelulárních bioaktivních látek 2) formulace a optimalizace preparátu (identifikace vhodné koncentrace a dávky bioaktivní složky, způsobu a časovém schématu aplikace, nastavení vhodných fyzikálně-chemických vlastností a zajištění skladovatelnosti) 3) ověření účinků preparátu prostřednictvím testů in vitro a in vivo na vybraných významných zemědělských plodinách – luskovinách.

Elektrokoagulace snižuje náklady na sklizeň mikrořas

Tento výzkum byl zaměřen na problematiku sklízení jednobuněčných řas, neboť tento krok je během produkce řasové biomasy pro potravinářské účely jeden z energeticky nejnáročnějších. Chlorella vulgaris, jako typický zástupce jednobuněčných řas hojně využívaný jako potravinový a krmivový doplněk, má buňky o průměru přibližně 10 μm. Díky této malé velikosti tvoří buňky stabilní suspenzi, sedimentují velice pomalu a jejich filtrace je velice obtížně proveditelná. V praxi je proto nejčastěji používanou metodou sklízení centrifugace na talířových odstředivkách, která má ovšem vysokou spotřebu elektrické energie. Výzkum pod vedením Dr. Brányikové nedávno publikovaný v prestižním biotechnologickém časopise Bioresource Technology byl zaměřen na studium využití elektrokoagulace jako alternativního způsobu sklízení řas, který by mohl vést k významnému snížení energetických nákladů procesu.

Elektrokoagulace je jev, kdy jsou do řasové suspenze vloženy kovové elektrody, anoda se díky přivedenému elektrickému proudu pomalu rozpouští, přičemž dochází k uvolňování kationtů kovu do roztoku. Vzhledem k tomu, že řasové buňky jsou negativně nabité, dochází k elektrostatické interakci s pozitivně nabitými ionty, což vede k agregaci buněk do shluků, které již mají dobré sedimentační vlastnosti. V práci byl studován vliv řady parametrů na účinnost tohoto procesu, jeho energetickou náročnost a míru “kontaminace“ sklizené biomasy elektrodovým materiálem (v tomto případě železem). Naprosto novým a dosud nikde nepublikovaným výsledkem je zjištění, že při aplikaci optimalizovaných podmínek procesu je možné udržet obsah železa v biomase na takové úrovni, že získaná biomasa vyhovuje legislativním požadavkům kladeným na potraviny. Unikátní je také zjištění, že zařazení elektrokoagulace jako předkoncentračního kroku před centrifugaci ušetří téměř 90% energetických nákladů na separaci biomasy.

  • Lucáková S., Brányiková S., Kováčiková S., Pivokonský M., Filipenská M., Brányik T., Růžička M., Electrocoagulation reduces harvesting costs for microalgae. Bioresour. Technol. 323, 124606, 2021. DOI

Kontinuální elektrokoagulace Chlorelly vulgaris v novém průtokovém reaktoru: Studie sklizně v pilotním měřítku

Chlorella je rod jednobuněčných mikroskopických řas často využívaných v potravinářství a krmivářství, v dnešní době je běžně dostupná v maloobchodní síti ve formě sušeného prášku nebo tablet. Přestože produktivita  chlorelly je řádově vyšší než u zemědělských plodin, její biomasa je stále výrazně dražší než potraviny produkované tradičním zemědělstvím. Jedním z důvodů je nákladná separace biomasy od kultivačního média. Buňky chlorelly jsou kokální s průměrem kolem 10 µm, proto v kultivačním médiu vytvářejí stabilní koloidní suspenzi a na jejich separaci není možné efektivně využít nízkonákladové separační metody jako jsou sedimentace či filtrace. Nejčastěji je používána energeticky velmi náročná centrifugace. 

Nedávno publikovaný výzkum navazuje na článek z roku 2020 „Electrocoagulation reduces harvesting costs for microalgae“, ve kterém bylo prokázáno, že elektrokoagulace je využitelná jako vhodná předúprava před vlastní centrifugací a její použití vede k významnému snížení centrifugovaného objemu a tím energetických nákladů. V aktuálním navazujícím článku bylo popsáno konstrukční řešení a testování inovativní průtočné elektrokoagulační jednotky s pracovním objemem 160 litrů; jejíž návrh vycházel z poznatků získaných během předchozí parametrické studie procesu v laboratorním měřítku. Zkonstruovaný průtočný reaktor se skládá ze tří funkčních částí – (i) elektrolyzér, (ii) agregační kanál, (iii) lamelový usazovák – ve kterých dochází k (i) elektrolytickému rozpouštění železné anody (dávkování koagulačního činidla), (ii) vzniku agregátů buněk při toku buněčné suspenze aerovaným kanálem s vertikálními perforovanými přepážkami a (iii) sedimentaci agregátů v lamelovaném usazováku. Bylo ověřeno, že v tomto zařízení je možné dosáhnout vysoké účinnosti separace (>85 %), nízké kontaminace sklizené biomasy železem (<4 mg/g suché biomasy – sklizená biomasa tedy vyhovuje legislativním požadavkům na potraviny) a zároveň úspor energie vyšších než 80 % v porovnání se sklízením pouze pomocí centrifugace.

  • Lucáková S., Brányiková I., Kováčiková S., Masojídek J., Ranglová K., Brányik T., Růžička M.C., Continuous electrocoagulation of Chlorella vulgaris in a novel channel-flow reactor: A pilot-scale harvesting study. Bioresour. Technol. 351, 126996, 2022. DOI

Ostatní výsledky

  • Lucáková S., Brányiková I., Hayes M., Microalgal proteins and bioactives for food, feed, and other applications, Appl. Sci. 12, 4402, 2022. DOI
  • Lucáková S., Brányiková I., Brányik T., Matoulková D., Krausová G., Wastewater from demineralization of cheese whey for cost-efficient cultivation of spirulina, J. Appl. Phycol. 34, 89, 2021. DOI
  • Brányiková I., Lucáková S., Kuncová G., Trögl J., Synek V., Rohovec J., Navrátil T., Estimation of Hg(II) in soil samples by bioluminescent bacterial bioreporter E. coli ARL1, and the effect of humic acids and metal ions on the biosensor performance, Sensors 20, 3138, 2020. DOI
  • Potočár T., Pereira J. A. V., Brányiková I., Barešová I., Pivokonský M., Brányik T., Alkaline flocculation of Microcystis aeruginosa induced by calcium and magnesium precipitates, J. Appl. Phycol. 32, 1-4, 2020. DOI
  • Brányiková I., Lucáková S., Technical and physiological aspects of microalgae cultivation and productivity—spirulina as a promising and feasible choice, Org. Agric. 11, 269–276, 2021. DOI
  • De Souza L., Daniel L. A., Pivokonský M., Novotná K., Brányiková I., Brányik T., Interference of model wastewater components with flocculation of Chlorella sorokiniana induced by calcium phosphate precipitates, Bioresour. Technol. 286, 121352, 2019. DOI
  • Brányiková I., Procházková G., Potočár T., Ježková Z., Brányik T., Harvesting of microalgae by flocculation. Fermentation 4, 93, 2018. DOI
  • Brányiková I., Filipenská M., Urbanová K., Růžička M., Pivokonský M., Brányik T., Physicochemical approach to alkaline flocculation of Chlorella vulgaris induced by calcium phosphate precipitates. Colloids Surf. B 166, 54-60, 2018. DOI
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.