ENERGIAA JA ARVOKKAITA BIOKEMIKAALEJA LEVISTÄ

Transkriptio

1 ENERGIAA JA ARVOKKAITA BIOKEMIKAALEJA LEVISTÄ ALGOMEG/LEVARBIO -hankkeet Martin Romantschuk Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos Niemenkatu 73, Lahti Rahoitus: Tekes-DBT/India EAKR-Uusimaa, Päijät-Häme, Kanta-Häme

2

3 ALGOMEG/LEVARBIO Partnerit/tutkimus: Helsingin yliopisto Ympäristötieteiden laitos; Martin Romantschuk Elintarvike- ja ympäristötiet. laitos; Vieno Piironen VTT; Jaakko Pere HAMK; Maritta Kymäläinen SYKE; Kristian Spilling Partnerit/yritykset: ALGOMEG: Aromtech Oy, Clewer Technology Oy, Ductor Oy, Environment Master Oy, LADEC Oy, Olini Oy, Panimolaboratorio Oy, Raisioagro Oy, Roal Oy, Valioravinto Oy LEVARBIO: Hämeenlinnan Osuusmeijeri, Kiertokapula Oy, Envor Biotech Oy, MTK-Häme

4 ALGOMEG & LEVARBIO the overall concept SUB- STRATES AUTOTROPHY (SUNLIGHT) ENERGY-RICH FOOD- AND FEED INDUSTRIAL WASTE MUNICIPAL BIOWASTE BIOMASS PRODUCTION MASS-GROWTH OF MIXOTROPHIC ALGAE HEAT/CO 2 REJECT BURNED HARVESTING EXTACTION OF LIPIDS/OIL CARBO- HYDRATE & PROTEIN-RICH REJECT ANAEROBIC DIGESTION PRODUCTS DIESEL (BIOFUEL) FUNCTIONAL FOOD/FEED, COSMETICS BIO- PLASTICS METHANE (BIOFUEL) HYDROGEN (BIOFUEL)

5 Omega Levien ja niiden tuottamien arvokkaiden biomolekyylien tuotteistaminen Kala on terveellistä ruokaa koska syö levää Idea: Kasvatettu levä ruoaksi ja rehuksi. Tavoitteet: - Leväbiomassa reaktoreissa valolla ja jätefraktioilla - Mikrolevistä omega-3 rasvahappoja ja pigmenttejä ravintolisiksi, kalarehuksi ym tuotteiksi. - Hyödyntää elintarviketeollisuuden sivuvirtoja jätteestä raaka-aine - Korvata kalarehun kala levätuotteilla ekologisesti kestävä kalantuotanto (Eristää uusia entyymejä, antibiootteja, bioaktiivisia peptidejä) Hyötyjät: elintarviketeollisuus, kalakasvattamot, ravintolisiä ja rehua tuottavat yritykset, silli ym kalakannat; vegetaaristit VILLIT KALAKANNAT Omega KASVATETTU KALA KASVATETTU LEVÄ Omega Omega MERIEN LEVÄT Omega IHMIS- RAVINTO

6 Miksi levät? Pieni tarvittava kasvatusala Ravinto / polttoaine /molemmat Pieni solukoko nopea kasvu Eri kannat tuottavat eri yhdisteitä variabiliteettia suuri, monipuolinen potentiaali Korkea öljy/rasvapitoisuus; vaihtelee runsaasti Runsaasti erilaisia arvobiokemikaaleja Miksi miksotrofia? Sivuvirtoja / jätefraktioita hyödyntävä kasvualusta (ravinteina ja substraattina heterotrofisessa kasvussa) edistää kiertotaloutta Luonnonvalo energianlähteenä (ilmainen, autotrofinen kasvu hiilidioksidia sitova) hiilineutraali tai sitova Potentiaalisesti jätevettä puhdistava

7 Biomassa vs öljyn tuotanto levää biodieseliä varten Table 1. Comparison of oil productivity of major crops and two microalgae [4]. Crop Oil content per tonne of biomass (wt% dry mass) Oil Production (t/ha/y) Biomass yield (L/ha/y) Oilseed rape (UK) 40-44% (of seeds) Soya 20% (of seeds) Jatropha 30% (of seeds) 2.4 2,700 Chlorella vulgaris Up to 46% 7.2 8,200 Nannochloropsis Up to 50% ,000-34,000 Scott, S.A, Davey, M.P, Dennis, J.S, Horst, I., Howe, C.J., Lea-Smith, D.J. and Smith, A.G. Biodiesel from algae: challenges and prospects. Curr. Opin. Biotechnol., 21, (2010) (DOI: /j.copbio ).

8 LEVÄTUOTTEITA JOISSA LISÄARVOA Monityydyttämättömiä rasvahappoja Polyunsaturated Fatty Acids (PUFAs) Perinteisesti kala ja kalaöljyt Turskan maksaöljy (30% EPA + DHA) Krilli ja mustekalaöljy Mikrolevät voisivat korvata kalan EPAn ja DHAn lähteinä Karotenoidit Astaksantiini Beta-karoteeni (antioksidantti) Phycobilins (kosmetiikka, väriaineita) Arvokkaat polysakkaridit (antioksidantteja, anti-inflammatorisia) Proteiinit, peptidtit, entsyymit (bioaktiivisia) Vitamiinit, antibiootit, lääkeaineet? (Tang Y. Bioresources 2015; Jaakko Pere, suullinen tiedonanto; omat tulokset)

9 Käyttöesimerkkejä/historiaa Chlorella: Kasvatusta Japanissa 1960-luvulta Proteiinit Aminohapot B vitamiinejä Dunaliella: Β-karoteeni Kalan lihalle väriä (Kiina, Japani, Israel) Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/ 9

10 Fig. 1 Approximate global market value of carotenoids from all sources, both synthetic and natural, in 2010 (data from industry and trade sources). Borowitzka MA 2013.

11 Leväbiomassan käyttö Biomassana suoraan ravintolisänä, rehuna Uutteina, eroteltuina fraktioina Lipidit/rasvahapot (HY-Viikki) Hiilihydraatit Proteiinit, peptidit, entsyymit (VTT) Vitamiinit (HY-Lahti, HY-Viikki) Antibiootit? Biokaasun tuotannossa (HAMK) Käsittelymenetelmät Leväbiomassan talteenotto: kapasiteetti jopa 750 l/h. Kasvatus: miksotrofisesti maksimoidaan alustan hyöty Keräys (harvestointi): sentrifugointi, membraanisuodatus Veden poisto: kylmäkuivaus (hellävarainen, biologista aktiivisuutta säilyttävä) Uutto: ylikriittinen hiilidioksidiuutto (hellävarainen, ei denaturoiva, haihtuva, skaalattava) Tuotteistaminen: pelletoitu kuiva biomassa, kapseloitu öljy, muita

12 Levien kasvatusmenetelmät Bioreaktorit keinovalossa (HY-Lahti, SYKE, HAMK) Bioreaktorit luonnonvalossa Open pond tai raceway Luonnonlammet/kalankasvatuslammet (yhteistyö, Intia) Monokulttuuri (levien suhteen bakteereja kuitenkin aina) Sekavilmelmä (kaksi tai enemmän leväkantoja + bakteereja) Heterotrofisesti (pimeässä) Autotrofisesti (mineraalialustalla) Miksotrofisesti (valossa mutta orgaanisella alustalla)

13 Termostoitu huone kasvatuksia varten TULOSSA TUOTANTOMITTAKAAVAN KASVATUKSET; YRITYSYHTEISTYÖ Kalle Valkonen

14 For one bioreactor a pyranometer for early stage growth monitoring Meinsberger KM3000 measuring and control unit Kalle Valkonen

15 Omega rasvahapot Omega -3 and -6 rasvahapot välttämättömiä terveydelle Nisäkkäät eivät tuota alphalinolenic (18:3n3) tai linoleic acids (18:2n6), jotka muiden omega rasvahappojen prekursoreita Rajattu kapasiteetti muuttaa omega rasvahappoja kehossa EPA, DHA taso matala Saanti ruoassa tärkeää! Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/

16 Vaikutukset terveyteen Pitkäketjuiset monityydyttämättömät omega 3 rasvahapot (LC-PUFA) EPA: ehkäisee sydäntautia ja syöpää DHA välttämätön aivojen ja hermoston normaalille kehittymiselle Mikrolevät luonnollinen PUFA ml. EPA ja DHA lähde Miellyttävämpi haju ja maku kuin kalaöljyillä Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/

17 Miten maksimoida lipidien saantoa? Stressaavat kasvuolosuhteet kasvattavat lipidien osuutta mutta rajoittavat biomassan tuottoa Kaksivaiheinen kasvatus? Ensin biomassa, sitten indusoidaan lipidien tuotto PUFA tuotanto nousee matalissa lämpötiloissa: PUFAt pitävät solumembraanin joustavana Kuva: Kalle Valkonen Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/

18 Pigmentit esimerkkejä terveysvaikutuksista β karoteeni: vitamin A esiaste, antioksidantti (ehkäisee syöpää ja verenkiertoelimistön sairaudet) anti-inflamatorisia ominaisuuksia Astaksantiini: antioksidantti anti-inflamatorinen, ehkäisee sydäntaudit, alentaa kolesterolia, ehkäisee syöpää Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/

19 Karotenoidit miten kasvatetaan tuotantoa? Primaariset karotenoidit toimivat fotosynteesissä (α- and β karoteenit, luteiini) Sekundaariset karotenoidit tarvitaan stressavissa oloissa: korkea valon intensiteetti, ravinnevajaus, lämpötila tai ph muutokset, korkea suola tai oksidatiivista stressiä (astaxanthin, kantaxanthini ja echinenone) kasvatusolosuhteiden manipulointia? Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/

20 Biomassan karakterisointi: lipidejä eri biomassaeristä Total fat, mg/g % of total fat EPA DHA Non-polar lipids Polar lipids Tocopherols, µg/g Euglena R Euglena R Selenastrum R Selenastrum R Selenastrum R Eug+Sel R Eug+Sel R Eug+Sel R / vp, aml, mme 20

21 Pitoisuus mg/l Pitoisuus mg/l Pitoisuus mg/l Pitoisuus mg/l Levien kyky poistaa ravinteita vedestä. Esimerkkinä Euglena gracilis kalavedessä Ammoniumtyppi (NH 4+ ) Kissakalavesi 6 5 Ortofosfaatti (PO 4 3 ) Kissakalavesi Kasvatusaika vrk Kissakalavesi + liete Kuhavesi Kuhavesi + liete Kasvatusaika vrk Kissakalavesi + liete Kuhavesi Kuhavesi + liete ,00 5,00 10,00 15,00 Kokonaistyppi Kissakalavesi Kasvatusaika vrk Kissakalavesi + liete Kuhavesi Kuhavesi + liete Kokonaisfosfori Kissakalavesi Kasvatusaika vrk Kissakalavesi + liete Kuhavesi Kuhavesi + liete Suunnitteilla Euglenan käyttö biojätelaitoksen eri fraktioiden typenpoistossa.

22 Kuivapaino g/l LEVARBIO Kasvu eri alustoissa Saavutettavissa 3 5 g kuivapaino / L / viikko 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 E. gracilis Hutner E. gracilis HutnerB12 E. gracilis Likovesi E. sp. Hutner E. sp. HutnerB12 E. sp. Likovesi 2,000 1,000 0,000 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Kasvatusaika vrk

23 Kuivapaino g/l LEVARBIO Kasvu kalakasvattamon vesissä (Euglena) 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 Kissakalavesi Kissakalavesi + liete Kuhavesi Kuhavesi + liete 0,400 0,200 0,000 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 Kasvatusaika vrk

24 Saannon maksimoinnin kemialliset parametrit lipidi profiilit Extraction of lipids by accelerated solvent extraction (ASE) reference extraction method Fatty acids Total fat Carotenoids & Chlorophylls Tocopherols Neutral lipid classes / vp, aml, mme 24

25 Euglena gracilis siirrosta suuremman mittakaavan kasvatukseen Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

26 Clewer Oy:n fotobioreaktoreita kalaveden puhdistusta ja leväkasvatusta varten Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

27 N. 600 L reaktori jossa Euglena gracilis kasvaa kalalietteellä terästetyssä kalavedessä. Reaktoreita neljä, joista pienin n. 300 L ja yhteisvolyymi >3 m 3. Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

28 Tarve (Need) Projekteissa tarjotaan ratkaisua kahteen tarpeeseen: 1) Levämassan tuotanto (korkean jalostusasteen tuotteet; ravinto, energia) 2) Jäte- ym. veden puhdistus (Sinisen biotalouden kansallinen kehittämissuunnitelma) Jätteestä rahanarvoista tuotetta, jolla on globaalit markkinat Veden puhdistus Levämassaa Levätehdas 28

29 Levämassasta saadaan korkean jalostusasteen tuotteita Elintarviketeollisuus Lisäravinteiden tuottajat/luontaistuotteet Rasvahapot (omega-3) Pigmentit/antioksidantit Proteiinit Vitamiinit Hiilihydraatit? Rehuteollisuus Kosmetiikkateollisuus Lääketeollisuus Entsyymiteollisuus Biopolttoaineet 29

30 Markkinat ja levämassan kokonaisvaltainen hyödyntäminen > USD/kg > Vuosina levätuotteiden vienti Kiinasta, Indonesiasta ja Etelä-Koreasta 125 milj. USD/maa Spirulinan markkinat ,2 miljardia USD Omega-3 rasvahappojen ja pigmenttien markkinoiden arvioitu vuonna 2020 olevan miljardia USD Suomessa ei tällä hetkellä ole teollista levämassan tuotantoa, mutta useat yritykset olisivat kiinnostuneita käyttämään levistä peräisin olevia yhdisteitä, jos levämassaa olisi saatavilla Uusien vesibiotuotteiden markkinat Suomessa: 2019: 1 milj. ja 2025: 50 milj. (Sinisen biotalouden kehittämissuunnitelma) 30

31 Ratkaisu (Approach): Sivuvirtoja/jätevesiä hyödyntävä levätehdas Sivuvirta (kalankasvattamo) Veden kierrätys Fotobioreaktori = Jäteveden käsittely, levämassan tuotto 1. Levämassaa jatkoprosessoijille 2. Arvojakeiden uuttaminen uutettu fraktio ja uuttojäännös jatkoprosessoijille 3. Jalostaminen tuotteeksi Potentiaalisia asiakkaita: Raisioagro Valioravinto Olini Aromtech Supermood

32 Kilpailu (Competition) Maailmanlaajuinen kasvava kiinnostus sekä teollisuudessa että akatemisessa yhteisössä levämassan hyödyntämistä kohtaan Leväkasvattamoja on jo maailmalla, mutta yleisimmin tuotetut lajit (Spirulina, Chlorella) eivät tuota esim. tärkeimpiä omega-rasvahappoja (EPA, DHA) Jätevedenpuhdistusjärjestelmiä ja mm. kiertovesiviljelyä kehitetään jatkuvasti - ajatuksemme on olla osa puhdistuskokonaisuutta ja samalla tuottaa arvokasta levämassaa 32

33 Tällä hetkellä levistä tuotteita valmistavat yritykset Trends in Food Science & Technology 42 (2015) 33

34 50 ml 105 Islanti: Blue Lagoon -kosmetiikka 60 kapselia 39 Ruotsi: Simris -lisäravinteet 34

35 PÄÄTELMÄT: - Levät hyödyntävät jätteitä ja valoa kasvussaan - Kasvavat nopeasti suuri saanto per pinta-ala - Voidaan hyödyntää jäteveden puhdistuksessa - Tuottavat arvokkaita biomolekyylejä - Tuottavat biopolttoaineita / kaikki osat hyödynnettävissä - Yhdistämällä hyödyt saavutetaan kannattavuus Martin Romantschuk Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos Niemenkatu 73, Lahti martin.romantschuk@helsinki.fi KIITOS!