MIKSOTROFISTEN MIKROLEVIEN HYÖDYNTÄMINEN ARVOKKAIDEN BIOMOLEKYYLIEN LÄHTEINÄ

Transkriptio

1 MIKSOTROFISTEN MIKROLEVIEN HYÖDYNTÄMINEN ARVOKKAIDEN BIOMOLEKYYLIEN LÄHTEINÄ ALGOMEG/LEVARBIO hankkeet Martin Romantschuk Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos Niemenkatu 73, Lahti Rahoitus: Tekes DBT/India EAKR Uusimaa, Päijät Häme, Kanta Häme

2 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

3 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)

4 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 Omega KASVATETTU LEVÄ Omega Omega MERIEN LEVÄT Omega IHMIS- RAVINTO

5 Food Feed Biochemicals etc. Agriculture and farming Food industry and Breweries Algae production Biomass Municipal sector (wastewater and waste treatment) Forest industry incl. biorefineries CO 2 CO 2 Maritta Kymäläinen, Jarkko Nummela

6 Termostoitu huone kasvatuksia varten Kalle Valkon en

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

8 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

9 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 ).

10 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)

11 Metaboliatuotteet Picture:

12 Käyttöesimerkkejä/historiaa Chlorella: Kasvatusta Japanissa 1960 luvulta Proteiinit Aminohapot B vitamiinejä Dunaliella: Β karoteeni Kalan lihalle väriä (Kiina, Japani, Israel) Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/ 12

13 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.

14 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

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

16 Kasvatusolosuhteet vaikuttavat merkittävästi leväbiomassan koostumukseen. Esimerkkinä Euglena Cellular composition of Euglena gracilis grown under three different conditions. Cells grown under aerobic/dark (a), aerobic/light (b), anaerobic/dark condi tions (c). Bioscience Biotechnologyand Biochemistry. Matsuda et al. (2011).

17 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/

18 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/

19 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/

20 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/

21 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/

22 Karotenoidituotantoa kannalla Selenastrum sp. mallastamon likovedessä. Kasvatusta eri valointensiteetissä, 110, 150 ja 230 µmol m 2 s 1 2,2 2 1, Lutein g L 1 (DW) 1,6 1,4 1,2 150 µmol m 2 s µmol m 2 s µmol m 2 s 1 µg g µmol m2 s µmol m2 s µmol m2 s 1 1 0, Time (d) Time d

23 Pigmenttituotantoa kannalla Selenastrum sp. mallastamon likovedessä µg g Time d β carotene 150 µmol m2 s µmol m2 s µmol m2 s 1 µg g Astaxanthin Time d 150 µmol m2 s µmol m2 s Zeaxanthin Neoxanthin µg g µmol m2 s µmol m2 s 1 µg g µmol m2 s Time d 150 µmol m2 s µmol m2 s µmol m2 s 1 Time d

24 Kasvu eri kasvatualustoissa 3,500 3,000 Kuivapaino g/l 2,500 2,000 1,500 1,000 Euglena Likovesi Selenastrum COMBO 1. Sekaviljelmä EG 2. Sekaviljelmä EG 1. E. gracilis modifioitu Hutner 2. E. gracilis modifoitu Hutner 3. E. gracilis modifioitu Hutner 0,500 0,000 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 Kasvatusaika vrk

25 LEVARBIO Kasvu eri alustoissa (2) 8,000 7,000 6,000 Kuivapaino g/l 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

26 LEVARBIO Kasvu kalakasvattamon vesissä (Euglena) 1,600 1,400 1,200 1,000 Kuivapaino g/l 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

27 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 27

28 Biomassan karakterisointi: lipidejä eri biomassa eristä 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 28

29 Biomassan karakterisointi: Kokonaisproteiini ja aminohappo koostumus Crude protein by Kjeldahl-method (by using factor 6.25) Amino acids by an Acquity UPLC system for Waters g/100 g Crude protein in selected samples / vp, aml, mme 29

30 Yhteenveto Miia Pönnelinin kandidaattitutkinnosta Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi

31 Pääasiasialliset materiaalin toimittajat: Marika Tikka, Katariina Lahti, HY Lahti Anna-Maija Lampi, Minnamari Edelman, HY Viikki KIITOS! Euglena gracilis Selenastrum 31