MIKSOTROFISTEN MIKROLEVIEN HYÖDYNTÄMINEN ARVOKKAIDEN BIOMOLEKYYLIEN LÄHTEINÄ ALGOMEG/LEVARBIO hankkeet Martin Romantschuk Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos Niemenkatu 73, Lahti martin.romantschuk@helsinki.fi Rahoitus: Tekes DBT/India EAKR Uusimaa, Päijät Häme, Kanta Häme
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
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)
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
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
Termostoitu huone kasvatuksia varten 6 www.helsinki.fi/yliopisto 20.5.2016 Kalle Valkon en
For one bioreactor a pyranometer for early stage growth monitoring Meinsberger KM3000 measuring and control unit Kalle Valkonen 20.5.2016 7
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
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) 1.4 1560 Soya 20% (of seeds) 0.48 544 Jatropha 30% (of seeds) 2.4 2,700 Chlorella vulgaris Up to 46% 7.2 8,200 Nannochloropsis Up to 50% 20 30 23,000 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, 277 286 (2010) (DOI: 10.1016/j.copbio.2010.03.005).
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)
Metaboliatuotteet Picture: http://lipidlibrary.aocs.org/plantbio/tag_algae/index.htm
Käyttöesimerkkejä/historiaa Chlorella: Kasvatusta Japanissa 1960 luvulta Proteiinit Aminohapot B vitamiinejä Dunaliella: Β karoteeni Kalan lihalle väriä (Kiina, Japani, Israel) Biotieteellinen tiedekunta / Marika 20.5.2016 Tikka/ 12
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.
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
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)
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).
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! 20.5.2016 17 Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/
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 20.5.2016 18 Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/
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 20.5.2016 19 Kuva: Kalle Valkonen Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/
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 20.5.2016 20 Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/
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? 20.5.2016 21 Biotieteellinen tiedekunta / Marika Tikka/
Karotenoidituotantoa kannalla Selenastrum sp. mallastamon likovedessä. Kasvatusta eri valointensiteetissä, 110, 150 ja 230 µmol m 2 s 1 2,2 2 1,8 2580 2080 Lutein g L 1 (DW) 1,6 1,4 1,2 150 µmol m 2 s 1 110 µmol m 2 s 1 230 µmol m 2 s 1 µg g 1580 1080 580 150 µmol m2 s 1 110 µmol m2 s 1 230 µmol m2 s 1 1 0,8 0 5 10 Time (d) 80 0 5 10 Time d
Pigmenttituotantoa kannalla Selenastrum sp. mallastamon likovedessä µg g 1880 1680 1480 1280 1080 880 680 480 280 80 0 5 10 Time d β carotene 150 µmol m2 s 1 110 µmol m2 s 1 230 µmol m2 s 1 µg g 480 430 380 330 280 230 180 130 80 Astaxanthin 0 5 10 Time d 150 µmol m2 s 1 110 µmol m2 s 1 780 Zeaxanthin Neoxanthin 680 280 580 230 µg g 480 380 280 180 80 0 5 10 150 µmol m2 s 1 110 µmol m2 s 1 µg g 180 130 230 µmol m2 s 1 80 0 5 10 Time d 150 µmol m2 s 1 110 µmol m2 s 1 230 µmol m2 s 1 Time d
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
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
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
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 www.helsinki.fi/yliopisto 11.5.2016 / vp, aml, mme 27
Biomassan karakterisointi: lipidejä eri biomassa eristä Total fat, mg/g % of total fat EPA DHA Non-polar lipids Polar lipids Tocopherols, µg/g Euglena R1 61 3.5 2.3 36 64 574 Euglena R3 74 8.1 4.7 36 64 1170 Selenastrum R1 96 - - 25 75 394 Selenastrum R2 98 - - 35 65 424 Selenastrum R3 96 - - 25 75 411 Eug+Sel R1 83 4.0 1.1 15 85 309 Eug+Sel R2 59 2.5 0.8 15 85 402 Eug+Sel R3 75 2.8 1.0 13 87 308 www.helsinki.fi/yliopisto 11.5.2016 / vp, aml, mme 28
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 70 60 50 40 30 20 10 0 Crude protein in selected samples www.helsinki.fi/yliopisto 11.5.2016 / vp, aml, mme 29
Yhteenveto Miia Pönnelinin kandidaattitutkinnosta Bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi www.helsinki.fi/yliopisto 20.5.2016 30
Pääasiasialliset materiaalin toimittajat: Marika Tikka, Katariina Lahti, HY Lahti Anna-Maija Lampi, Minnamari Edelman, HY Viikki KIITOS! Euglena gracilis Selenastrum www.helsinki.fi/yliopisto 31