Enzymer? Tørket biomasse? Våtpellet? Antioksidanter? Verdifulle kjemikalier? Pigmenter? Biofuel? Medisin? Fiskefor? Dyrefor? Omega-3?
Norges Arktiske Universitet, Tromsø 20 mai 2015 Trond Jørgensen
Massekultivering av diatomeer: Produksjon av litt av hvert ved Finnfjord ferrosilisium smelteverk, og opptak av CO 2 et UiT Finnfjord pilot-prosjekt
Energy pathway CO 2 pathway Factory fumes (CO 2, N, Fe, Si) CO 2 sequestration in Sea Diatom mass cultivation Enriched Natural Primary Production BULK BIOMASS Increased Fish Stocks BIO FUEL FISH FEED OMEGA- 3 PHARMA- CEUTICALS
Fase I: Artsvalg og optimalisering Belysning Sollys, LED Automasjon Taksonomi -Morphology,!8S Innsamlingstokt - Nord Norge og Arktis Stamkultursamling - Kiselalger fra NN og Arktis 1984 Avl Optimalisering lipidinnhold, Rubisco og veksthastighet - Alltid 2 arter i prosessering Funksjonelle arter (UIT) - Optimaliserte stammer Analyser -Lipider - Proteiner, Rubisco - Karbohydrater - Genetikk -Bioprospektering (Marbio) Oppskalering ved Finnfjord når en art oppfører seg tilfredstillende! 2015 -Ved UIT har vi dyrket alger > 35 år -UIT - Finnfjord prosjektet startet (planlegging) for 4 år siden og ble realisert med -Støtte fra RDA-IN-UIT-Finnfjord i 2014??
Fase II: Oppskalering CO 2 opptak -Rensing - Innblandingsteknologi -Sjø-dumping Funksjonell art Belysning (UIT) Sollys, LED Vannrensing, næringssalter 2015 mai Fotobioreaktor konstruksjon Automasjon -Sensorteknologi -Regulering av (kontinuerlig) produksjon Avvanning Prosessering??
Toxisitet i røyk? Klogging? Kontaminering? Stabilitet eksponensiell fase? Miljødirektoratet? Produksjonshastighet? Stabilt kjemisk innhold? Lengde produksjonssyklus? Kostnader? Mikserate? ++??++??
Vanlige Fotobioreaktorer UIT Finnfjord Konseptet Cellestørrelse Små (5 10 mm) Store (50 300 mm) Lys-Dyp Kort (0.1 1m) Langt (1 6m) PBR-type Små (flate) tanker Store dammer Store tanker (lite areal) Volum spesifikk produksjon Middels-Høy (1 5 g L -1 Dag -1 ) Middels (0.5 2 g L -1 Dag -1 ) CO 2 fiksering (spesifisitet) Normal Høy (effektivt Rubisco) Prosessering Vanskelig (små celler) Lettere p.g.a. store celler Kjemisk Optimalisering? GOD! Artsvalg - Stammer, AVL, LIPID Vi gjør alt motsatt! + gjødsling sjøområder + CO 2 fjerning
Hvorfor DIATOMEER? Når?????
1. Vi har hatt fokus på nordlige diatomeer (fysiologi og vekstmiljø) i mere enn 35 år,- i felt og laboratorium
2. Det er en årsak til at diatomeer dominerer nordlige områder (lave temperaturer, lite lys, mørketid) og holder oppe noen av verdens største fiskebestander!
Photosynthetic rate 3. Nordlige diatomeer er tilpasset lite lys 60 50 Sørlig diatomee/mikroalge 40 30 Nordlig/Arktisk diatomee 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 m mol m -2 s -1 -P max for mange nordlige arktiske diatomeer er rundt 30 50 mmol m -2 s -1 -For sørlige arter er P max ofte rundt 200 300 mmol m -2 s -1 -Nordlige arter egner seg derfor godt i fotoinkubatorer hvor det raskt oppstår lysbegrensning!
4. Nordlige diatomeer er tilpasset lite lys 100L søyle, produksjon i eksponensiell fase = ~0.1g DW L -1 = ca. 1255200 J Tilsvarer ca. 1W energi produsert døgn -1 Belysning = ca. 15W (Clas Ohlson) -Dette tilsvarer en fotosyntetisk effektivitet (lysutnyttelse) på 6%???????????????????
5. Diatomeer er store!
) -3 mm Volum ( 12000000 10000000 8000000 6000000 4000000 2000000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 Diameter (m m) Når DIAMETEREN til en organisme øker med første potens --- øker VOLUMET med tredje potens! Man kan plassere 120 000 (små) Chlorella inne i en stor Coscinodiscus som vi dyrker! Dette har den konsekvens at det blir mindre selvskygging pr. biomasse-enhet = man kan operere en PBR med lengre lysdyp
Attheya longicornis 10 mm Porosira glacialis Coscinodiscus concinnus 50 mm 200 mm Scan by Anni Lemoskuro Når celleldiameteren øker fra 10 til 200 mm, avtar lys (VIS) absorpsjonen betrakterlig! Dette innebærer en mye mere effektiv utnyttelse av lyset i FOTOBIOREAKTOREN
Det er samme biomassekonsentrasjon i alle tre kolbene! Høyre Coscinodiscus sp. (200 um), midten Porosira sp. (40 um), and venstre Pyramimonas sp. (5 um).
5. Diatomeer utnytter flukturerende lys bedre! I sjøen og i kulturer fluktuerer lyset alltid kraftig! Intensiteten i moderne LED lys kan reguleres m.h.t. intensitet ved at lyset slås av/på mange(varierende) x pr. sekund! Dette fører til en bedre utnyttelse av lyset hos diatomeer!
6. Nordlige (kaldtvanns) Diatomeer utnytter lave CO 2 konsentrasjoner bedre! Specificity of Diatom Rubisco Richard P. Haslam, Alfred J. Keys, P John Andralojc, Pippa J. Madgwick, Inger Andersson 1, Anette Grimsrud 2, Hans C. Eilertsen 2, Martin A.J. Parry*. Specificty Factor 160 140 120 100 80 60 T. aestivum T. antarctica S. costatum C. socialis T. hyalina 0 10 20 30 Temperature ( o C)
6. Diatomeer er vakre!
Vi bruker kun stedegne arter 7. Diatomeer hører hjemme i nord!
Hvorfor Finnfjord? Finnfjord er verdens mest energi-effektive ferrosilisum smelteverk, men en av de 10 største CO 2 produsentene i Norge (No. 3?)
1. Røykgassen fra Finnfjord inneholder massevis av CO 2 FAS pr Nm3 Komponent 600 000 Dimensjon tonn/år Kommentar 1 Karbondioksid, CO2 76484 mg/nm3 402000 2 PAH 0,038 mg/nm3 0,2 Flyktige 3 bestanddeler,voc 1,142 mg/nm3 6 4 Lystgass, N2O 11 mg/nm3 60 5 Metan, CH4 32 mg/nm3 170 6 Karbonmonoksid, CO 37 mg/nm3 196 7 INSTOV 3800 mg/nm3 19973 Ca 90 % SiO2 8 Nitrogenoksider, NOx 285 mg/nm3 1500 9 Svoveldioksid, SO2 342 mg/nm3 1800 10 Dioksiner 0,000000114 2 mg/nm3 0,0000006 11 Kadmium, Cd 0,000381 mg/nm3 0,002 12 Molybden, Mo 0,001142 mg/nm3 0,006 13 Nikkel, Ni 0,009513 mg/nm3 0,05 14 Kvikksølv, Hg 0,001712 mg/nm3 0,009 15 Krom, Cr 0,003805 mg/nm3 0,02 16 Kobber, Cu 0,009513 mg/nm3 0,05 17 Arsen,As 0,009513 mg/nm3 0,05 18 Bly, Pb 0,015221 mg/nm3 0,08 19 Sink, Zn 0,041857 mg/nm3 0,22 Massedyrking av mikroalger i konsentrasjoner over ca. 0.03 g DW L -1 krever tilsetting av CO 2 utover vanlige sjø-konsentrasjoner. CO 2 er dyrt å kjøpe!
2. Finnfjord as produserer elektrisk energi tilsvarende ½ Alta-Kraftverk, tilsvarende 0,25 % av Norges årlige vannkraftproduksjon på ca. 130 TWh! Damp-turbin 0.325 TWh år -1 = masse dyrkingslys i vintermørket!!
3. Silica støvet i røykgassen inneholder Fe, NO 2, Si (bla.) Jern! Nitrit Silikat! Viktige begrensende faktorer for vekst er: N, Si, P og Fe! Finnfjord-røyken inneholder mye CO 2, Fe og N og SI!!! Da trenger vi kun å tilsette P!
4. Finnfjord er nært Tromsø (UiT)
Hva (skal vi) produserer vi?
Species acronym Maximum recorded working Biomass (g DW L -1 ) Produced Biomass (g DW Day -1 L -1 ) Produced biomass (Kg DW Day -1 ) PBR=4 000 000L Produksjon/år (Kg DW År -1 ) PBR=4 000 000L Skeletonema marinoi 0.020 0.020 80 Coscinodiscus sp. 0.030 0.030 120 Attheya longicornis 0.060 0.060 240 Chaetoceros furcellatus 0.069 0.069 210 Super-diatome? 0.250 < 0.220 1200 360 000 I utganspunktet skal vi kun produsere biomasse/våt-pellet!! Resten kommer etterhvert!
Produksjon er det som teller, ikke akkumulering! Art Protein Fett Fettsyrer PUFA N-3 EPA Art 1 40.5 16.2 59.0 23.2 16.5 1.9 Art 2 31.1 12.6 47.8 16.8 10.8 2.2 Prosent av DW Prosent av totalt fett DHA
100% 90% 80% 70% 35% 38% 38% 51% 50% 53% 22% 4% 34% 51% 47% 43% 43% 42% 56% 50% 41% 28% 60% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 22% 13% 24% 4% 20% 16% 18% 6% 16% 12% 25% 25% 3% 3% 9% 26% 22% 4% 2% 3% 3% 12% 13% 36% 35% 32% 2% 7% 20% 16% 6% 7% 5% 18% 13% 7% 15% 15% 6% 12% 21% 36% 2% 3% 11% 12% 5% 7% 33% 16% 2% 3% 16% 4% 6% 14% 14% 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 glycerides Mye EPA, mindredha - glycolipids 10-20% lipid av DW, 20-25% n-3 PUFAs godt protein innhold, 10-25% of DW 14% 4% 12% 25% 15% 4% 17% 29% 14% 5% 3% 12% others DHA EPA arachidonic linolenic linoleic oleic stearic palmitic
Våre sjøområder er undermettet på CO 2!!
CO 2,N, Si og Fe anriket sjøvann Dette kan vi utnytte ved å anrike sjøvann med CO 2,N, Si og Fe (fra støv/røyk). Dette opprettholder veksten i FOTOBIOREAKTOREN. Leder vi overskuddsvann også mettet med CO 2, N, Si og Fe I sjøen fjerner vi CO 2 på tre vis: 1) Ved algevekst i fotobioreaktoren 2) Ved absorpsjon i sjøvann utenfor fabrikken 3) Ved økt vekst i naturlige bestander i sjøen.