Lietuvos mokslininkų komanda sukūrė inovatyvų prietaisą – galingą elektrinių impulsų generatorių, elektroporatorių, leidžiantį pasterizuoti maisto produktus, panaudojant impulsinio elektrinio lauko technologijas ir atveriantį kelius naujų, pranašesnių technologijų proveržiui maisto pramonėje.
Lietuvos mokslininkų komanda sukūrė inovatyvų prietaisą – galingą elektrinių impulsų generatorių, elektroporatorių, leidžiantį pasterizuoti maisto produktus, panaudojant impulsinio elektrinio lauko technologijas (IEL) ir atveriantį kelius naujų, pranašesnių technologijų proveržiui maisto pramonėje, rašoma Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) siųstame pranešime.
Elektroporatorius / FTMC nuotr.
FTMC mokslininkų grupė, vadovaujama Funkcinių medžiagų ir elektronikos skyriaus vadovės prof. dr. Nerijos Žurauskienės, neseniai su verslo partneriais baigė įgyvendinti kelerius metus trukusį, ES struktūrinių fondų remiamą projektą. Jo metu stipriausio Baltijos šalyse mokslinių tyrimų ir inovacijų kūrimo centro mokslininkai sukūrė unikalią inovaciją – elektrinius impulsus generuojančio elektroporatoriaus pramoninį prototipą. FTMC mokslininkų išvystytą aukštųjų technologijų projektą bei jo galimus taikymus įvairiose srityse pristatė Bioelektrinių reiškinių laboratorijos vadovas dr. Arūnas Stirkė ir projekto koordinatorė prof. dr. Nerija Žurauskienė.
– Kaip veikia prietaisas, vadinamas elektroporatoriumi? Kokiose srityse aktualiausi šio projekto metu jūsų tirti elektrinio lauko impulsų valdymo ir pritaikymo procesai?
– Elektroporatorius – tai elektrinių impulsų generatorius, kurį naudodami stipraus elektrinio lauko impulsais galime paveikti augalų, gyvūnų ar mikroorganizmų ląsteles. Šio proceso metu ląstelių membranose gali susiformuoti poros, kurios pakeičia ląstelių gyvybingumą, aktyvumą bei įvairias kitas ląstelių savybes.
Viena iš jautrių sričių, kurioje itin aktualu gebėti kontroliuoti ir įtakoti įvairius biologinius procesus ląstelėse – maisto pramonė. Todėl maisto apdorojimas neterminiu būdu, kai išsaugoma daugiau vertingųjų medžiagų, yra labai svarbi elektrinio lauko impulsų taikymo sritis.
Trumpai kalbant, elektropasterizacija – maisto apdorojimas elektroporatoriumi – vyksta patalpinant skystį ar pusiau kietą maistą tarp dviejų elektrodų ir sukuriant trumpą (μs trukmės) 5-50 kV/cm elektrinį lauką. Tokiu būdu, apdorodami maisto produktus impulsinio elektrinio lauko technologija (IEL), sukuriame trumpus elektros impulsus, kurie sunaikina mikrobus, tačiau padaro labai minimalų poveikį maisto kokybei. Svarbiausia, kad lyginant su tradiciniu terminiu maisto apdorojimu, IEL yra žymiai pranašesnė: mikroorganizmus elektra nužudo, tuo tarpu maisto spalva, skonis, struktūra bei maistinės vertės – išlieka.
Vertingų biokomponentų išskyrimas (ekstrakcija) iš įvairių ląstelių – elektroekstrakcija, tai dar viena aktuali sritis, kur naudojama impulsinio elektrinio lauko technologija. Šiuo metu pasaulyje stipriausiai vystomos ir didžiausią potencialą atsinaujinančioje energetikoje, žaliojoje chemijoje bei medicinoje turi mikrodumblių technologijos. Mokslininkai ieško įvairių būdų, kaip iš gėlavandenių mikrodumblių išgauti nepolinius riebalus, omega rūgštis, astaksantiną, karotenus ir kitus naudinguosius komponentus. Dar didesne įvairove ir bioaktyvių komponentų kiekiais pasižymi jūros dumbliai.
– Kuo ypatingas yra šis, inovatyvus prietaisas, sukurtas FTMC mokslininkų komandos? Sakėte, kad esate pirmieji, sukūrę tokį prototipą Lietuvoje.
– Siekiant efektyviai atlikti elektropasterizaciją/elektroekstrakciją, svarbu pasirinkti tinkamus IEL generavimo įtaisus. Pagrindinis impulsinio elektrinio lauko (IEL) technologijos principas yra trumpų impulsų, kurių elektrinio lauko stipris siekia 3 – 100 kV/cm ir trukmė nuo mikrosekundžių iki milisekundžių, panaudojimas. Projekto metu turėjome tikslą išanalizuoti, sukurti, pagaminti bei ištirti impulsinio lauko generatorių įtaisus, kuriuos naudodami galėtume ištirti technologinius režimus, įgalinančius valdyti procesus, vykstančius ląstelėse.
Dauguma šiuo metu plačiai naudojamų komercinių elektroporacijos prietaisų leidžia dirbti tik su mažo tūrio (mililitrų) talpomis (kiuvetėmis). Tai apsunkina ir trikdo pramonės procesus, kadangi negalima elektroporatoriumi vienu metu apdoroti didelio kiekio biologinių medžiagų. Unikalus didelės galios impulsų generatorius/elektroporatorius atveria duris į didesnės nei litro skalės tyrimus. Tai reikšmingas pasiekimas šioje srityje, mūsų žiniomis – tokio analogiško prototipo Lietuvoje dar nėra sukurta.
Galia, taip pat platus impulsų trukmės ir amplitudės ruožas – pagrindinės, išskirtinės šio elektroporatoriaus prototipo ypatybės. FTMC jau dešimt metų mūsų komandos vykdomi unikalūs tęstiniai moksliniai tyrimai atskleidė naujų žinių apie elektroporacijos panaudojimo sritis. Per šį laikotarpį atlikome daug eksperimentinės plėtros darbų su Lietuvos įmonėmis, kurie parodė, kad siekiant įdiegti šį metodą gamyboje, reikalingas inovatyvus prietaisas, elektroporatorius, gebantis apdoroti medžiagų kiekius, didesnius nei laboratorinės skalės mėginiai. Keletą metų intensyviai ieškojome partnerių tokiam projektui. Ir prieš dvejus metus pavyko: subūrėme inžinierių, mokslininkų komandą iš Funkcinių medžiagų ir elektronikos skyriaus bei UAB „Geozondas“, gavome MITA finansavimą projektui ir įgyvendinome šią idėją – sukūrėme inovatyvų elektroporatoriaus prototipą, kokio Lietuvoje iki šiol nebuvo.
– Kokiomis išskirtinėmis techninėmis ypatybėmis, galimybėmis pasižymi jūsų sukurtas prietaisas? Kiek tam tikrus procesai tampa efektyvesniais, spartesniais: pvz., greičiau atliekami tam tikri matavimai, pateikiami tikslesni rezultatai ar kt.?
– Šis prietaisas – tarpinis variantas tarp mokslininkų laboratorijose naudojamo elektroporatoriaus ir pramoninio prietaiso. Pagrindinis tikslas, kurio su komanda siekėme kurdami šį prototipą: pereiti nuo laboratorinės skalės eksperimentų (maža srovė ir įtampa, mažos talpos kiuvetės ir pan.) prie didesnės skalės – didesnė srovė, įtampa ir talpų tūris.
Sukūrėme prietaisą, kuris veikia pagal Markso generatoriaus principą ir yra sudarytas iš dviejų modulių. Pirmame modulyje gali būti sukaupta energija iki 25 J, antrame iki 100 J. Priklausomai nuo apkrovos, pirmas modulis gali generuoti elektrinius impulsus su įtampos amplitude iki 20 kV, srovės amplitude iki 1 kA ir impulsų trukme nuo 5 μs ir daugiau (impulsas turi gęstančios eksponentės formą).
Antro modulio parametrai: įtampos amplitudė iki 30 kV, srovės amplitudė iki 2 kA, impulsų trukmė nuo 20 μs ir daugiau. Generatorius taip pat gali generuoti pavienius elektros impulsus, nustatytą impulsų kiekį arba generuoti neribotą impulsų kiekį.
Taip pat pagrindinė unikali šio prietaiso ypatybė – su juo galima nepriklausomai atlikti tyrimus ne tik su mažo tūrio laboratorinėmis talpomis (kelių ml kiuvetėmis), bet ir su didesniais indais ar netgi pratekančia sistema, galinčia apdoroti didesnius mėginio kiekius.
Dar labai svarbus yra prietaiso elektronikos komponentų ir kiuvetės elektrodų tyrimas: kaip jie dėvisi, koks jų ilgaamžiškumas, saugumas ir pan. Tokie tyrimai būtini dėl naujų žinių šioje srityje, taip pat – tokiu būdu kyla naujų mokslinių iššūkių. Atlikę šiuos tyrimus, įgyvendinsime kitą mūsų tikslą – įdiegti elektroporacijos metodą įvairiose pramonėse.
– Supažindinkite su komanda: kiek mokslininkų, kitų sričių specialistų dirbo kurdami šį unikalų eksperimentinį elektroporatorių?
– Įrenginio prototipą kūrė FTMC mokslininkų komanda, kurioje daug jaunų specialistų: dr. Voitech Stankevič, Aldas Dervinis, Dalius Augustinas, dr. Skirmantas Keršulis, dr. Arūnas Stirkė ir dr. Povilas Šimonis. Projekto vadovė ir koordinatorė – FTMC Funkcinių medžiagų ir elektronikos skyriaus vadovė prof. dr. Nerija Žurauskienė.
Elektroporatorių sukūrusi mokslininkų komanda / FTMC nuotr.
V. Stankevič pasiūlė inovatyvaus elektroporatoriaus veikimo principą ir pagrindinę elektrinę schemą, kontroliavo jos įgyvendinimą, simuliavo ir skaičiavo pagrindines prietaiso charakteristikas. A. Dervinis buvo atsakingas už įrenginio dizainą, elektroninio valdymo bloko projektavimą ir gamybą bei už elektrinių impulsų parametrų matavimo modulį. D. Augustinas rūpinosi šio prietaiso galios bloko projektavimu ir montavimu, dr. S. Keršulis ir dr. P. Šimonis atlikdavo eksperimentinius bandymus su skirtingo tipo talpomis (kiuvetėmis) ir skirtingomis medžiagomis. Dr. A. Stirkė analizavo elektrinių impulsų poveikį tiriamoms ląstelėms, taip pat teikė pasiūlymus, kaip patobulinti kiuvetes, siekiant pagrindinių parametrų, kurie atitiktų pramoninės skalės elektroporatorių reikalavimus.
Šio prietaiso kūrimas prasidėjo nuo idėjos: siekėme elektriniu impulsiniu lauku apdoroti didelį medžiagos kiekį. Pirmame etape nustatėme pagrindinius impulsų parametrus ir atlikome elektrinės schemos veikimo simuliaciją. Pagal gautus simuliacijos rezultatus buvo apskaičiuoti pagrindinių schemos elementų parametrai: maksimali srovė, įtampa, srovės užaugimo frontai, impulsų forma bei apkrovos laidumo (kiuvetės su apdorojama medžiaga) įtaka šiems parametrams. Kitame etape buvo parenkami pagrindiniai šio prietaiso komponentai: maitinimo šaltinis, kondensatoriai, tyristoriai, tyristorių valdymo schemos ir kt. Sumontavę prietaisą, atlikome pirmuosius bandymus, po jų – buvo optimizuojama prietaiso elektrinė schema. Taip pat buvo keičiamas mieginių kiuvečių dizainas siekiant gauti reikiamą elektroporacijai/permeabilizacijai/elektroekstrakcijai srovę ir elektrinį lauką.
– Kokius iššūkius teko įveikti, inovacijos kūrimo, testavimo ir kt. procesų metu?
– Kuriant prietaisą didžiausias iššūkis, matyt, buvo sugalvoti elektroporatoriaus valdymo schemą ir apsaugoti ją nuo stipraus elektromagnetinio poveikio. Taip pat sudėtinga tyrėjams problema buvo įtampos kritimo kiuvetėje ir tekančios ja elektros srovės matavimo schemos sukūrimas. Reikia pažymėti, kad taip pat susidūrėme su galios bloko dizaino problema, siekiant išvengti aukštos įtampos „pramušimo“. Dar viena aktuali problema, kurią sėkmingai išsprendėme: eksperimentinės kiuvetės parametrų parinkimas, siekiant optimalių elektroporacijos parametrų – pakankamos impulso įtampos amplitudės, srovės, impulso trukmės, o taip pat įvertinimas medžiagos tūrio, apdorojamo per vieną impulsą.
Šiuo metu labai svarbu pademonstruoti naujojo prototipo pajėgumus paveikti elektros impulsais didesnį kiekį medžiagos ir nustatyti tinkamus režimus konkretiems maisto apdorojimo bei dumblių ekstrakcijos taikymams.
