Aldiga yhteistyöllä levästä bioenergiaa 2.11.2011 Mona Arnold, VTT Projektiryhmä: VTT, Helsingin yliopisto, SYKE, LAMK, HAMK
2 Levänkasvatuksen arvoketju Mata et al. 2010
3
4 Global production forecast U.S. Dept. of Energy and Frost & Sullivan based on algae biomass producers expectations
5 Leväntuotannon tekniset ja ympäristöhaasteet Levälajikkeiden valinta ja muokkaaminen Kestävyys, robustisuus Lipidien tuotto Kasvatuksen ravinteiden saatavuus (hiilijalanjälki!) Merkittävä CO 2 lähde saatavana kasvuun Keräystekniikan ja vedenpoiston kehittäminen
6 ALDIGA ekotehokas levän kasvatus Kehittää ja validoida uusi integroitu bioenergiatuotantokonsepti, levien tehokas kasvatus levämassat biodieseliksi, biokaasuksi ja uudeksi materiaaliksi levien kasvatuksessa hyödynnetään jätevirtoja Kehitetään minimaalisen energiankulutuksen omaava prosessi jossa nestemäiset, kiinteät ja kaasumaiset prosessi ja sivuvirrat hyödynnetään tehokkaasti. uusia puhtaan energian yhteistyömalleja, jotka linkittävät biometaanin tuotannon ja hyötykäytön, bioenergia- ja ympäristöalan palvelu- ja teknologiakonseptit sekä jätevirtojen hyötykäytön
7 Aldiga konsepti
8 ALDIGA yhteistyötahot Tutkimusorganisaatiot: Yritykset: VTT Helsingin yliopisto SYKE HAMK LAMK Sybimar
9 Työvaiheet 1. Potentiaaliset jätevirrat 2. Levälajikkeiden valinta 3. Tuotannon optimointi 4. Prosessikehitys 5. Biokaasun ja vedyn tuotanto 6. Teknis-taloudellinen analyysi ja mallinnus: kestävyys ja liiketoimintamallit 7. Levämassat biokemikaaleiksi
10 Jätevedet levien kasvatukseen Biokaasun rejektivesi (Biovakka) Kalanhautomon jätevesi (Sybimar) Osittain puhdistettu Kompostiprosessin kierrätysvesi (Kujalan komposti/phj) Kompostin vesipitoisuuden ylläpitämiseksi Kompostin ja biojätteen suotuvesi (Kujalan komposti/phj) Kalankasvatusvesi (Clewer) Biojätteen puristusneste (NSR Helsingborg)
Leväsolujen kasvu jätevesissä cells ml ¹ 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 C. pyrenoidosa EG fish farm 100 % Reject water 5 % Reject water 10 % Process water 25 % Process water 50 % Compost water 2,5 % Compost water 5 % Cells/mL 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 E.gracilis EG fish farm 100 % Reject water 5 % Reject water 10 % Process water 25 % Process water 50 % Compost water 2,5 % Compost water 5 % Press water (a) 10 % Press water (a) 50 % Faculty of Biological and Environmental Sciences / www.helsinki.fi/yliopisto 4.11.2011 11
12 Tuotannon optimointi Levälajikkeet Euglena gracilis Chlorella protothecoides Scenedesmus obiquus Kasvatusplatformit Fotobioreaktori (2 L & 3 L) CO 2 lisäys Substraatin ja tuotteen analyysit: Hiililähde: CO 2 tai orgaaninen (esim glukoosi) Typpi (NO 3- tai NH 4+ ) Happi Biomassa, kokonaislipidit ja hiilihydraatit
13 Valon määrän vuodenaikaisvaihtelu Valon riittävyyden kannalta kriittisin ajanjakso autotrofisessa tuotannossa on syyskuun lopusta maaliskuulle. Tällöin miksotrofisten lajien etuna on kyky käyttää orgaanista hiiltä fotosynteesin ohella. Content of fixed carbon mg L -1 250 200 150 100 50 0-50 Chlorella pyrenoidosa 0 100 200 300 Light intensity mol m -2 s -1 15 C 20 C 25 C Content of fixed carbon mg L -1 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 Euglena gracilis 0 100 200 300 Light intensity mol m -2 s -1 15 C 20 C 25 C
14 Teknistaloudellinen analyysi prosessikonseptit ja skenaariot Konsepteihin sopivat simulaatiomallit Casien taloudellinen tarkastelu: Käyttö ja huolto, investointi One source? Carbon Nutrients (N,P etc.) Light Algae cultivation Algae harvesting Lipid extraction 5-20 % DS Two sources? Wastewater (nutrients) Carbon CO 2? Residual biomass MetOH Catalyst Wastewater Biogasification of residual biomass Side products (glycerol) Lipids upgrading to biodiesel Biogas upgrading/use Bioga s FAME CO 2 C-containing co-digestion feed material Biomethane Electricity Heat Reject water Digestate (nutrients) Tools: Balas, SuperPro Designer
15 Case: Kujalan jäteasema yleistajuista materiaalia levästä ja levän toiminnasta sekä levälaitoksen rakenteesta Kujalalle mallinnettu ja suunniteltu levälaitoksen suhdetta muuhun toimintaan Kujalassa suljettu kierto, kapasiteetti, vesivaatimukset, tilavaatimukset muut olosuhdevaatimukset, ekotehokkuus, kustannustehokkuus lähtöoletuksina ALDIGA:n levänkasvatusmallit, levän kasvunopeustulokset ym.
16 Levien jäännösmassan fraktiointi ja karakterisointi Tausta: Lipidiuuton jälkeinen biomassa sisältää polysakkarideja ja proteineja ja voi soveltua uusien arvokkaiden biokemikaalien raaka-aineeksi Kehitetään uutto- ja fraktiointimenetelmiä biomassan polymeerien erottamiseksi Lähtömateriaaleina esim. biomuovi- ja biokomposiittisovelluksissa potentiaalisesti hyvä filminmuodostuskyky Proteiinifraktioit voidaan ajatella käytettävän pinta-aktiivisina komponentteina ja liimojen aineosina..
17 Kiitos! Mona Arnold Heli Hiltunen Eemeli Hytönen Silja Kostia Maritta Kymäläinen Anne Ojala Martin Romantschuk Kristian Spilling Marika Tikka Yangming Wang Marilyn Wiebe VTT HAMK VTT LAMK HAMK UH UH SYKE UH VTT VTT