Show publication content!

prof. dr hab. inż. Grażyna Lewandowicz
Poznań, 04.11.2014
Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
ul. Wojska Polskiego 48
60-627 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/m3 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 01.01.02-00-074/09 „Biotechnologiczna konwersja
glicerolu do polioli i kwasów dikarboksylowych” o akronimie „Zielona Chemia”
finansowanego z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013. Celem
całego projektu było opracowanie technologii mikrobiologicznej konwersji glicerolu do 1,3propanodiolu, 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
za pomocą 20 rysunków, 7 tabel oraz 3 równań. Ogółem w pracy przedstawiono 44 tabele,
85 rysunków oraz 40 równań. Ponadto praca obejmuje streszczenia polskoi 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:

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
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
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
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.