Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih pomembnih za industrijo predelave hrane (2019-2021)

Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih pomembnih za industrijo predelave hrane (2019-2021)
Vodja: asist. dr. Samo Mahnič-Kalamiza, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Partner: /
Financiranje: ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS
Šifra: Z7-1886

 

Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS).

Članica Univerze v Ljubljani

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

Šifra
Z7-1886
Naziv projekta
Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih pomembnih za industrijo predelave hrane
Obdobje
01.07.2019 - 30.06.2021
Letni obseg
1 FTE
Vodja

asist. dr. Samo Mahnič-Kalamiza, u.d.i.e.

Veda
Tehnologija predelave hrane
Sodelujoče RO

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko

Vsebinski opis projekta

Električno polje zadostne električne poljske jakosti povzroči povečanje električne prevodnosti in prepustnosti celične membrane – tudi za molekule, za katere je sicer membrana slabo prepustna. Ta pojav, znan kot elektroporacija, elektropermeabilizacija ali obdelava s pulznim električnim poljem (angl. PEF), je bil pripisan nastanku vodnih por v lipidnem dvosloju.

Ker je izboljšanje prenosa snovi cilj pri številnih uporabah elektroporacije, je izrednega pomena dobro razumevanje pojavov, povezanih z elektroporacijo tkiv. Z elektroporacijo lahko nameravamo izboljšati selektivno pridobivanje (ekstrakcijo) spojin ali sokov iz rastlinskih celic, izboljšati hitrost dehidracije (tj. sušenja), izboljšati pridobivanje iz ali vnos topljencev (soli, sladkorjev, idr.) v ciljna tkiva, itd. Uporabe so številne in seznam se še vedno daljša. Možne družbeno-ekonomske koristi integracije elektroporacije v procese v prehrambni industriji in okoljskem inženiringu so obetavne in imajo velik potencial za razvoj ekonomsko in energetsko učinkovitih metod valorizacije odpadkov oz. stranskih proizvodov, proizvodnje biogoriv, ​​zagotavljanja varnosti hrane, itd., zato tehnologija popolnoma sovpada s sodobno paradigmo zelenega krožnega gospodarstva. Tako se predlagani interdisciplinarni projekt odlično vklaplja v okvir družbenega cilja “FACCE” (kmetijstvo, varna hrana in podnebne spremembe).

Izčrpni in popolni matematični modeli so pomembni teoretični okvirji, ki nam omogočajo, da testiramo svoje poznavanje in razumevanje pojavov in načrtujemo optimizirane postopke obdelave temelječe na proučevanem pojavu, kar vodi do učinkovite in energijsko ugodne uporabe virov. Pred kratkim je predlagatelj projekta objavil vrsto znanstvenih člankov na temo pristopa “dvojne poroznosti” pri modeliranju prenosa snovi v elektroporiranih tkivih. To je prvi primer uporabe principa dvojne poroznosti na primeru elektroporiranega (rastlinskega) tkiva, tako za proučevanje prenosa snovi, kot tudi prenosa toplote. Model dvojne poroznosti omogoča povezovanje učinkov elektroporacije na membrano posameznih celic v tkivu z rezultirajočim transmembranskim prenosom snovi in prenosom snovi skozi zunajcelični matriks, kar predstavlja povsem nov pristop k problemu.

Predlagani podoktorski raziskovalni projekt je zasnovan z namenom, da model dvojne poroznosti dvigne na naslednjo razvojno stopnjo, in ga v praksi uporabi za modeliranje obdelave rastlin oz. živil z elektroporacijo. Končni cilj je razviti celoviti model elektroporacije rastlinskega tkiva, ki bo predstavljal novo raven znanstvenega razumevanja učinkov elektroporacije na prenos snovi in toplote v elektroporiranih tkivih. Tekom projekta bo to doseženo z izvajanjem aktivnosti, ki so razdeljene v štiri delovne sklope projekta. Ti so: DS I: validacija in verifikacija modelov prenosa snovi in toplote; DS II: ocena pomembnosti elektrokinetskih mehanizmov na prenos snovi; DS III: ocena pomembnosti turgorja (turgorskega tlaka); in DS IV: sklapljanje modelov prenosa snovi oz. toplote z modeli električnega polja in porazdelitve električne prevodnosti v tkivu.

Vsaka od predlaganih razširitev modela, ki izhajajo iz izvajanja delovnih sklopov I – IV predlaganega projekta, je sama po sebi zmožna odpreti številne nove raziskovalne smernice, saj relevantni pojavi še niso bili proučevani z vidika mehanističnega modeliranja (temveč le empirično). Poleg tega lahko predlagana raziskava seže zunaj meja področja obdelave in predelave živil, kar pomeni prenos znanja na druga področja uporabe elektroporacije, denimo nazaj v biomedicino. Novi vpogledi, ki jih bo omogočil predlagani projekt, bi tako lahko imeli širši vpliv in obsežnejše pozitivne posledice od predvidenih na razvoj področij raziskav elektroporacije in predelave hrane na splošno.

Sestava projektne skupine

Link na SICRIS bo dodan, ko bo projekt objavljen na SICRIS-u.

Faze projekta in njihova realizacija

Delovni sklop I: Potrditev (validacija) in preverba (verifikacija) modelov prenosa snovi in toplote. Sklop zajema raziskave z uporabo različnih surovih rastlinskih živilskih materialov industrijskega pomena (npr. korenje, jabolka, krompirjevi gomolji idr., ki imajo med seboj zelo različne strukturne lastnosti) in ugotavljanje pomembnosti posameznih parametrov modela dvojne poroznosti, kar utegne voditi do morebitne poenostavitve modelov (v kolikor bo to potrebno).

Delovni sklop II: Ocena pomembnosti elektrokinetskih mehanizmov na prenos snovi. Pomen elektrokinetskih mehanizmov bo ovrednoten prek eksperimentalnega dela in matematičnega modeliranja, in v kolikor se bo za določen mehanizem (npr. elektroosmozo, elektroforezo, …) izkazalo, da je mehanizem pomemben, bodo ti vplivi vključeni v obstoječi model prenosa snovi po elektroporaciji za razvoj bolj celovitega modela.

Delovni sklop III: Ocena pomembnosti turgorja (turgorskega tlaka). Učinek sproščanja turgorskega tlaka (izguba turgorskega tlaka) zaradi elektroporacije, ki povzroča spontani iztisk tekočine iz rastlinskega tkiva in spremembe v strukturi in čvrstosti tkiva, bo ocenjen in količinsko opredeljen za različna rastlinska tkiva industrijskega pomena (izguba turgorskega tlaka je posebej zanimiva pri rabi elektroporacije v industriji predelave hrane).

Delovni sklop IV: Sklapljanje modelov prenosa snovi oz. toplote z modeli električnega polja in porazdelitve električne prevodnosti v tkivu. Prostorsko-časovna odvisnost teh porazdelitev bo povezana (sklopljena) z modeli prenosa snovi in toplote, da bi s tem postala ta modela izvorno manj fenomenološka. To bo doseženo prek razvoja in potrditve modelov porazdelitve električne prevodnosti v tkivu. Za te namene bo uporabljeno ne le matematično modeliranje, temveč tudi tehnike, ki temeljijo na MRI (angl. Magnetic Resonance Imaging – magnetoresonančno slikanje).

Končni cilj je razviti celovit model elektroporacije rastlinskega tkiva, ki bo predstavljal novo raven znanstvenega razumevanja učinkov elektroporacije na prenos snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih.

Bibliografske reference

Link na SICRIS bo dodan, ko bo projekt objavljen na SICRIS-u.

Razvoj naprednih modelov prenosa snovi in toplote v elektroporiranih rastlinskih tkivih pomembnih za industrijo predelave hrane (2019-2021)
Vodja: asist. dr. Samo Mahnič-Kalamiza, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani
Partner: /
Financiranje: ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS
Šifra: Z7-1886

 

Projekt je financirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS).