Dezvoltarea și Optimizarea Tehnologiei de Fabricare a Ceramicelor Poroase utilizate în Horticulturǎ - CERAM-F

Obiectivele Proiectului

I. Definirea necesității agentului economic și a obiectivelor propunerii de proiect

Prezentarea tehnologiei moderne disponibile la agentul economic. Chemi Ceramic F a achiziționat o tehnologie de producere a ceramicelor poroase, pe care a dezvoltat-o și pentru utilizări în horticultură, ca granule de ceramici poroase nutritive [1]. Granulele de ceramici poroase sunt unul dintre cele mai eficiente produse utilizate în condiționarea solurilor [2]. Structura lor poroasă, asociată unei hidrofilicitǎți ridicate, determină pentru ceramicele poroase caracteristici similare cu cele ale unui sol ideal [3]. Produsele pentru condiționarea solului pe bază de ceramici poroase determină: menținerea optimă a aerului, apei și nutrienților în zona sistemului radicular, reducerea compactării și îmbunătățirea drenării, ameliorarea structurii solurilor – fig. 1.

Fig.1. Ilustrarea caracteristicilor benefice pentru sol și/sau plante, ale granulelor ceramice poroase.

Datorită acestor caracteristici, ceramicele poroase determină o stimulare a creșterii sistemului radicular al plantelor (ilustrată și în fig.1), o ameliorare a rezistenței la stresul hidric [4,5] și o mai mare rezistență la călcat și desprindere, ideală pentru terenurile de sport și spațiile verzi [6]. Un produs accesibil pentru condiționarea solurilor / substratelor de creștere este important nu numai pentru horticultura destinată activităților recreative, ci și pentru producerea de răsaduri de legume și flori sau pentru cultivarea legumelor în spații protejate [7].

Identificarea și detalierea necesității agentului economic și a problemelor derivate. Necesitatea agentului economic Chemi Ceramic F este de a dezvolta și optimiza tehnologia de producere a granulelor ceramice pentru a valorifica complet potențialul acestora, prin: (i) funcționalizarea cu polioxometalați de tip Keggin, pentru a crește încărcarea cu nutrienți / elemente benefice pentru plante și (ii) folosirea biosilicei în realizarea ceramicelor poroase, pentru a stimula eliberarea treptată a unor mici cantități de acid silicic cu efect biostimulant.

Moleculele anorganice de dimensiuni nano aparținând polioxometalaților au capacitatea de a forma structuri nano (cavitare, poroase, caniculare), cu o ridicată capacitate de încărcare cu diferiți ioni, inclusiv nutrienți / elemente benefice pentru plante. Astfel de structuri au fost folosite cu succes pentru fertilizarea și/sau biostimularea plantelor [8,9].

Un element benefic pentru plante, din ce în ce mai studiat, este siliciul solubil, respectiv acidul silicic, care are toate caracteristicile unui biostimulant pentru plante [10]. Siliciul solubil amorsează în mod echilibrat diferitele căi metabolice implicate în răspunsul de apărare din plante [11]. Acțiunea siliciului solubil nu se limitează doar la orchestrarea căilor metabolice implicate în apărarea plantelor față de atacul patogenilor și al dăunătorilor, dar are efecte și de: creștere a eficienței de utilizare a nutrienților; reducere a toxicității metalelor grele; limitare a efectelor stresului hidric (salin, secetă) și a stresului termic - îngheț, temperatură excesivă [12]. Siliciul este preluat de către rădăcinile plantelor ca acid ortosilicic, H4SiO4, în concentrații cuprinse între 0,2 și 0,6 mM [13]. Sărurile acidului silicic generează prin hidroliză un pH foarte ridicat, acidul silicic fiind un acid foarte slab, pH-ul ridicat al acestor săruri îngreunează aplicarea. De asemenea sărurile acidului ortosilicic sunt eficiente numai pe termen scurt și au dezavantajul de a genera concentrații prea ridicate în soluția solului, dincolo de limita de concentrație la care siliciul solubil este preluat de către rădăcini. Peste această limită se generează și reacții de poli/oligo-condensare, cu formare de specii moleculare de siliciu care nu mai sunt biodisponibile [14]. Mineralele bogate în biosilice (perlita și diatomita) eliberează treptat acid silicic în soluția solului, dar se separă de solul tratat, datorită densității reduse [15]. Ceramicele poroase cu biosilice au o densitate mărită și sunt o sursă optimă de siliciu solubil.

Problemele derivate din această necesitate de a dezvolta și optimiza tehnologia modernă de producere a ceramicelor poroase cu fertilizanți și biostimulanți sunt:

  • Necesitatea optimizării tehnologiei și formulărilor de ceramici poroase cu biostimulanți pentru o mai bună încărcare cu nutrienți și eliberare treptată a siliciului solubil biostimulant;

  • Necesitatea asigurării reproductibilității produselor cu încărcare cu nutrienți mărită și eliberare de elemente benefice biostimulante;

  • Necesitatea fundamentării campaniei de comunicare a avantajelor ceramicelor poroase îmbunătățite pe baza unor dovezi științifice.

II. Prezentarea obiectivelor proiectului în concordanță cu necesitatea agentului economic

Scopul proiectului este creșterea performanței și competitivității Chemi Ceramic F Srl Sfântu-Gheorghe, prin utilizarea expertizei existente la organizațiile publice partenere în proiect, UBB și INCDCP-ICECHIM, pentru dezvoltarea și optimizarea tehnologiei moderne de producere a ceramicelor macroporoase, în vederea obținerii unor produse cu încărcătură mărită de nutrienți și cu un efect biostimulant semnificativ, datorită eliberării treptate a siliciului solubil.

Obiectivele specifice ale proiectului sunt următoarele:

  • Transferul de cunoaștere de la UBB și INCDCP-ICECHIM, la agentul economic, pentru optimizarea tehnologiei de producere a ceramicelor macroporoase, în vederea obținerii unor produse cu încărcătură mare de nutrienți (ionici) și cu un efect biostimulant semnificativ;

  • Intensificarea cooperării dintre UBB, INCDCP-ICECHIM și Chemi Ceramic F și consolidarea pregătirii practice a studenților, pentru dezvoltarea unui sistem de asigurare a calității ceramicele poroase cu încărcătură mare de nutrienți și efect biostimulant;

  • Dezvoltarea abilităților antreprenoriale a cercetătorilor prin fundamentarea pe baza rezultatelor științifice a strategiei de marketing / comunicare a produselor cu încărcătură mare de nutrienți și efect biostimulant.

Concordanța dintre necesitatea identificată de agentul economic și a problemelor derivate, cu scopul și obiectivele proiectului, este ilustrată în fig 2.

Fig. 2. Concordanța dintre necesitatea identificată de agentul economic și a problemelor derivate, cu și obiectivele specifice ale proiectului.

Activitățile prevăzute în proiect sunt destinate obținerii de rezultate care permit atingerea obiectivelor proiectului. Corelarea activităților proiectului, care vor fi descrise la pct. III, cu obiectivele acestuia, este prezentată în fig. 3.

Fig. 3. Corelarea activităților cu obiectivele proiectului.

Prin transferul de cunoaștere de la UBB și INCDCP-ICECHIM către agentul economic se va realiza optimizarea tehnologiei de producere ceramici macroporoase cu nutrienți și biostimulanți. Două direcții de inovare a produsului final și a proceselor de fabricație vor fi utilizate: Polioxometalați cu capacitate mare de încărcare cu nutrienți (A1) și Biosilice pentru eliberare treaptă acid silicic (A2). Dezvoltarea sistemului de asigurarea calității, necesar pentru o reproductibilitate mărită a efectelor biologice benefice, se va realiza prin intensificarea colaborării pentru: analiza ceramicelor cu nutrienți și biostimulanți (produsul finit) (A3) și prin monitorizarea procesului de fabricație (A4). Dezvoltarea acestui sistem de asigurare a calității va oferi oportunități de pregătire practică pentru studenți (A5), atât la nivel de laborator analitic (de producție), cât și la nivel de monitorizare a procesului de fabricație. Biotestarea efectului nutritiv și biostimulant (A6) va oferi baza științifică pentru fundamentarea campaniei de marketing / comunicare a produselor optimizate, contribuind și la dezvoltarea abilităților antreprenoriale ale cercetătorilor. Rezultatele publicabile vor fi diseminate pe scară largă (A7).

Impactul estimat urmare a derulării cu succes a proiectului. Implementarea cu succes a proiectului va avea un impact semnificativ asupra competitivității agentului economic Chemi Ceramic F, în a cărui strategie de dezvoltare este și creșterea cotei de piață în domeniul produselor de uz horticol. Prin implementarea acestui proiect agentul economic va demara procedurile de omologare și apoi va pune pe piață, granule de ceramici macroporoase înalt inovative, cu încărcătură ridicată de nutrienți și elemente benefice cu efect biostimulanți, ale căror efecte fiziologice benefice pentru plante vor fi susținute de rezultate experimentale publicate în reviste științifice recunoscute. Previziunea Chemi Ceramic F este o creștere a cifrei de afaceri cu cel puțin 60 mii euro în primul an de producție, cu posibilități de dublare / triplare în următorii doi ani.

Proiectul va avea impact și asupra creșterii performanței agenților economici utilizatori ai ceramicelor macroporoase cu nutrienți și biostimulanți, în special producătorii de legume și fructe. Disponibilitatea pe piață a unui astfel de produs românesc, cu efecte semnificative în creșterea producțiilor și a calității, va determina creșterea profitabilității fermierilor utilizatori, datorită prețului de cost mai redus, în care nu se regăsesc costurilor de transport și marja intermediarilor. Creșterea profitabilității cultivatorilor de legume și fructe va determina o creștere a competitivității pe o piață înalt concurențială, generată de abundența produselor de import subevaluate

Proiectul va oferi un cadru pentru consolidarea pregătirii practice a studenților masteranzi și doctoranzi din domeniul stiintei si ingineriei mediului, într-un mediu în care se valorifică inovativ cunoașterea și în care sunt implementate standardele de calitate necesare omologării unor produse fertilizante / biostimulante pentru plante. Pregătirea practică va fi atât în domeniul analitic chimic (ca de ex. analiza ceramicelor macroporoase cu nutrienți și biostimulanți prin utilizarea echipamentelor de la agentul economic), cât și în cel tehnologic – monitorizarea parametrilor procesului de fabricare a ceramicelor macroporoase, cu încărcăturǎ mare de nutrienți și elemente benefice cu efect biostimulant.

Proiectul va contribui la dezvoltarea abilităților antreprenoriale ale cercetătorilor implicați. Participarea la realizarea strategiei de comunicare a efectelor benefice ale ceramicelor macroporoase cu fertilizanți și biostimulanți, pe baza rezultatelor publicate, va reprezenta o experiență profesională concretă, de valorificare a cunoașterii pentru utilizări practice.

Proiectul va determina intensificarea cooperării dintre UBB, INCDCP-ICECHIM și agentul economic, cooperare care va continua și după terminarea acestuia. Asigurarea reproductibilității efectului biostimulant va necesita permanent verificarea în laboratoarele UBB și/sau INCDCP-ICECHIM. Prin această continuă cooperare infrastructura de cercetare edificată prin proiecte publice, PN2 și POS.CCE, la UBB și INCDCP-ICECHIM, va fi utilizată și pentru furnizarea unor servicii de înaltă tehnologie către mediul economic.

1. Fazakas, E.; Muntean, M.; Fazakas, J.; Muntean, O. Granule ceramice poroase nutritive. Revista româna de materiale 2007, 37, 205-210.

2. Li, D.; Joo, Y.K.; Christians, N.E.; Minner, D.D. Inorganic soil amendment effects on sand-based sports turf media. Crop Science 2000, 40, 1121-1125.

3. Heinse, R.; Jones, S.B.; Or, D.; Podolskiy, I.; Topham, T.S.; Poritz, D.; Bingham, G.E. Microgravity oxygen diffusion and water retention measurements in unsaturated porous media aboard the international space station. Vadose Zone Journal 2015, 14, 23-30.

4. Miller, G.L. Physiological response of bermudagrass grown in soil amendments during drought stress. Hortscience 2000, 35, 213-216.

5. Li, D.Y.; Minner, D.D.; Christians, N.E. Managing isolated dry spot by topdressing inorganic amendments on a sloped golf green. In Proceedings of the IInd international conference on turfgrass science and management for sports fields, Stier, J.C.; Han, L.; Li, D.Y., Eds. International Society Horticultural Science: Leuven 1, 2008; pp 341-348.

6. Bigelow, C.A.; Soldat, D.J. Turfgrass root zones: Management, construction methods, amendment characterization, and use. In Turfgrass: Biology, use, and management, Stier, J.C.; Horgan, B.P.; Bonos, S.A., Eds. 2013; Vol. 56, pp 383-423.

7. Okuya, T.; Togashi, K.; Kaneda, A.; Ohta, T.; Teruhiro, O.; Kohsuke, T.; Akihisa, K.; Takeshi, O.; Okuya, T.; Togashi, K. Soil improvement material for culture soil for cultivation of plant, contains granular material containing porous ceramics as main component, and having preset moisture content. WO2014073570-A1 2014.

8. Petrehele, A.I.G.; Rusu, D.; Sipos, M.A.; Fodor, A.; Rusu, M. Polyoxometalates of keggin type with mixed addenda used as fertilizers for triticale seeds. Rev. Chim.i> 2012, 63, 1223-1227.

9. Petrehele, A.I.G.; Rusu, D.; Sipos, M.A.; Fodor, A.; Rusu, M. New keggin polyoxometalates with mixed addenda as stimulators of triticale seedlings growth and biomass production. Rev. Chim. 2014, 65, 437-443.

10. Savvas, D.; Ntatsi, G. Biostimulant activity of silicon in horticulture. Scientia Horticulturae 2015, 196, 66-81.

11. Van Bockhaven, J.; De Vleesschauwer, D.; Höfte, M. Towards establishing broad-spectrum disease resistance in plants: Silicon leads the way. Journal of Experimental Botany 2013, 64, 1281-1293.

12. Liang, Y.; Nikolic, M.; Bélanger, R.; Gong, H.; Song, A. Effect of silicon on crop growth, yield and quality. In Silicon in agriculture, Springer: 2015; pp 209-223.

13. Epstein, E. Silicon. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 1999, 50, 641-664.

14. Spinde, K.; Pachis, K.; Antonakaki, I.; Paasch, S.; Brunner, E.; Demadis, K.D. Influence of polyamines and related macromolecules on silicic acid polycondensation: Relevance to “soluble silicon pools”? Chemistry of Materials 2011, 23, 4676-4687.

15. Liang, Y.; Nikolic, M.; Bélanger, R.; Gong, H.; Song, A. Silicon sources for agriculture. In Silicon in agriculture, Springer: 2015; pp 225-232.

Activități Propuse

Nr. crt. Activitate/Sub-activitate Parteneri/Durata Status
A1. Polioxometalați cu capacitate ridicată de încărcare nutrienți
A1.1. Transfer de cunoaștere la agentul economic pentru utilizarea polioxometalalaților la obținerea ceramicelor cu nutrienți și biostimulanți UBB / M1 – M3 Raport de transfer
A1.2. Transfer de cunoaștere la agentul economic pentru analiza funcționalității polioxometalalaților utilizați pentru ceramice cu nutrienți și biostimulanți UBB / M1 – M3 Raport de transfer
A1.3. Validarea metodei de analiză a funcționalității polioxometalalaților, preluată de agentul economic, prin teste comparative inter-laboratoare ICECHIM / M4 - M10 Raport de validare
A2. Biosilice pentru eliberare treptată acid silicic
A2.1. Transfer de cunoaștere la agentul economic pentru utilizarea biosilicei în cadrul tehnologiei de obținere a ceramicelor cu nutrienți și biostimulanți ICECHIM / M1 - M3 Raport de transfer
A2.2. Transfer de cunoaștere la agentul economic pentru analiza eliberării controlate a acidului silicic din ceramici poroase cu biosilice ICECHIM / M1 - M3 Raport de transfer
A2.3. Validarea metodei de determinare a eliberării controlate / treptate a acidului silicic, biostimulant pentru plante, preluată de agentul economic, prin teste comparative inter-laboratoare UBB / M4 - M10 Raport de validare
A3. Analiza ceramicelor cu nutrienți și biostimulanți
A3.1. Interconectarea expertizei pentru dezvoltarea sistemului de analiză a nutrienților (ionici) din ceramicele macroporoase UBB / M1 - M3 Raport de transfer
A3.2. Interconectarea expertizei pentru dezvoltarea sistemului de analiză a elementelor benefice cu efect biostimulant din ceramicele poroase ICECHIM / M1 - M3 Raport de transfer
A3.3. Validarea metodei de analiză a componentelor minerale a nutrienților (ionici) din ceramicele macroporoase, prin teste inter-laboratoare ICECHIM / M8 - M14 Raport de validare
A3.4. Validarea metodei de analiză a elementelor benefice cu efect biostimulant din ceramicele poroase, prin teste inter-laboratoare UBB / M8 - M14 Raport de validare
A4. Monitorizarea parametrilor procesului de fabricație
A4.1. Transfer de cunoaștere la agentul economic privind parametrii de monitorizat în timpul funcționalizării cu polioxometalați UBB / M1 - M3 Raport de transfer
A4.2. Transfer de cunoaștere la agentul economic privind parametrii de monitorizat pentru biosilicea introdusă în ceramici poroase ICECHIM / M1 - M3 Raport de transfer
A4.3. Analiza eficacității monitorizării parametrilor în realizarea unor produse conforme și cu eficacitate reproductibilă ICECHIM / M8 - M14 Raport de analiza
A5. Stagii de pregătire practică pentru masteranzi și doctoranzi
A5.1. Stagii pregătire practică masteranzi pentru analiză nutrienți (ionici) din ceramicele poroase cu nutrienți și biostimulanți UBB / M7 - M11 Raport de practică
A5.2. Stagii pregătire practică masteranzi pentru monitorizare parametrii în timpul funcționalizării cu polioxometalați UBB / M8 - M12 Raport de practică
A5.3. Stagii de pregătire practică doctoranzi pentru analiza elemente benefice cu efect biostimulant din ceramicele poroase cu nutrienți și biostimulanți UBB / M7 - M10 Raport de practică
A5.4. Stagii de pregătire practică masteranzi privind procesul de producere a ceramicelor macroporoase cu nutrienți și biostimulanți UBB / M9 - M14 Raport de practică
A5.5. Stagii de pregătire practică doctoranzi pentru monitorizarea parametrilor procesului de introducere a biosilicei în ceramicele poroase UBB / M18 - M23 Raport de practică
A5.6. Stagii de pregătire practică doctoranzi pentru biotestarea efectului de nutritiv și biostimulant pentru plante UBB / M9 - M14 Raport de practică
A5.7. Stagii de pregătire practică doctoranzi pentru analiza eficacității monitorizării parametrilor în realizarea unor produse conforme ICECHIM / M18 - M23 Raport de practică
A6. Biotestarea efectului biostimulant
A6.1. Realizarea biotestelor privind efectul nutritiv și biostimulant al produselor în sisteme model de plante (Arabidopsis thaliana, Medicago truncatula) ICECHIM / M15 - M20 Raport de testare
A6.2. Realizarea biotestelor privind efectul nutritiv și biostimulant al produselor pe plantule de cereale (triticale) și legume (roșii, castraveți) UBB / M15 - M20 Raport de testare
A6.3. Fundamentarea campaniei de comunicare a beneficiilor produselor către producătorii de răsaduri, pe baza dovezilor științifice ICECHIM / M17 - M23 Etichetă + prospect
A6.4. Fundamentarea campaniei de comunicare a beneficiilor produselor către cultivatorii de legume, pe baza dovezilor științifice UBB / M17 - M23 Etichetă + prospect
A7. Diseminare
A7.1. Comunicări și prezentări ale ceramicelor macroporoase cu nutrienți și biostimulanți, dezvoltate și optimizate prin proiect UBB, ICECHIM / M12 - M15 1 Comunicare
A7.2. Articol științific referitor la efectele nutritive și biostimulante ale ceramicelor macroporoase, dezvoltate și optimizate prin proiect UBB, ICECHIM / M21 - M24 1 Articol

Echipa de Lucru

Nr. crt. Partener din consorțiu Persoana Calitatea Poziție
1. Coordonator (CO) - UNIVERSITATEA BABES BOLYAI Roşu
Cristina-Doina
Profesor Universitar Director Proiect
2. Partener (P1) - Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie - ICECHIM Bucuresti Oancea
Florin
CS I Responsabil Partener P1
3. Coordonator (CO) - UNIVERSITATEA BABES BOLYAI Roba
Carmen-Andreea
CS III Cercetator Senior
4. Coordonator (CO) - UNIVERSITATEA BABES BOLYAI Pistea
Ioana-Cristina
CS Cercetator
5. Partener (P1) - Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie - ICECHIM Bucuresti Badea Doni
Mihaela
CS I Cercetator Senior
6. Partener (P1) - Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie - ICECHIM Bucuresti Nistor
Cristina-Lavinia
CS II Cercetator Senior
7. Partener (P1) - Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie - ICECHIM Bucuresti Dima
Stefan-Ovidiu
CS II Cercetator
8. Partener (P1) - Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Chimie si Petrochimie - ICECHIM Bucuresti Zamfiropol-Cristea
Valentin
Doctorand Doctorand

Rezultate Obținute

Contact

Persoana de Contact: Prof. dr. ing. Roşu Cristina Doina

Adresa: Str. Fantanele, Nr.30 Cluj-Napoca ( corp E etaj 2 birou E.2.4 ), cod poştal 400294, România

Telefon: 0040264307030 , 0040744779497