NORGES TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR PETROLEUMSTEKNOLOGI OG ANVENDT GEOFYSIKK TPG 4140 NATURGASS

NORGES TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR PETROLEUMSTEKNOLOGI OG ANVENDT GEOFYSIKK TPG 4140 NATURGASS NATURGASS SOM RÅSTOFF VED PRODUKSJON AV PROTEIN John Vidar Koren Trondheim, desember 2008 i

NATURGASS SOM RÅSTOFF VED PRODUKSJON AV PROTEIN ii

Sammendrag Naturgass er en allsidig ressurs med mange bruksområder. Den kan brukes til produksjon av elektrisitet, varme og transport. Den kan også brukes som råvare ved produksjon av gjødsel og bioprotein. Utbyttet ved produksjon av bioprotein av naturgass er høyt. Ved bruk av ett tonn naturgass får en 630kg bioprotein. Ved produksjon av nitrogengjødsel vil ett tonn naturgass gi 1142kg gjødsel. Ved dyrking av soyabønner er det vanskelig å anslå effekten av nitrogengjødsel. I noen tilfeller vil det medføre økt produksjon, mens i andre tilfeller vil gjødslingen ikke ha noe effekt. Likevel blir det ofte gjødslet selv om jordsmonnet er godt nok. Energiinnholdet i bioprotein er på 418kcal, mens energiinnholdet i soyabønner er på 147kcal. Det er nesten tre ganger så høyt energiinnhold i bioprotein som i soyabønner. Det er ennå mange betenkeligheter til bruk av bioprotein, også i fôr. Det finnes mange skeptikere, og de fleste foretrekker mat produsert på en naturlig måte, men dette er noe som kan forandre seg i fremtiden. Mesteparten av maten vi spiser i dag er jo unaturlig fremstilt på et eller annet tidspunkt i produksjonsrekka. iii

Innhold Sammendrag...iii Innhold...iv 1 Innledning... 1 2 Bioproteinfabrikken på Tjeldbergodden... 2 3 Prosessbeskrivelse... 4 3. 1 Fermentor... 6 3.2 Sentrifugering... 6 3.3 Ultrafiltrering og varmebehandling... 6 3.4 Tørkeprosessen... 6 4 Bakterien methylococcus capsulatus... 8 5 Bioprotein... 9 5.1 Smak... 10 6 Produksjon av gjødsel...11 7 Sammenligning av naturgassforbruk... 12 8 Konklusjon... 13 9 Kilder... 14 10 Vedlegg... 15 iv

v

1 Innledning Med et stadig større folketall og økende forbruk blir kampen om verdens ressurser stadig større. Naturgass er en av dem, og den er en ikke fornybar ressurs. Naturgass er en allsidig ressurs som kan benyttes til mange forskjellige formål. Det kan være kraftproduksjon, varmeproduksjon eller som energikilde i transportsektoren. Naturgass kan også benyttes som råvare i produksjon av gjødsel eller i produksjon av bioproteiner. I denne oppgaven blir naturgass brukt som råvare til produksjon av bioprotein nærmere undersøkt. Først gir oppgaven et innblikk i historien til verdens første bioproteinfabrikk. Videre kommer en innføring i produskjonsprosessen og litt informasjon om hva bioprotein er og hva det kan brukes til. Så kommer en sammenligning av utbyttet ved bruk av naturgass som råvare til bioprotein og som råvare til gjødselsproduksjon ved dyrking av soyabønner. 1

2 Bioproteinfabrikken på Tjeldbergodden Bioproteinfabrikken på Tjeldbergodden i Møre og Romsdal ble offisielt åpnet i 1998, men den første sekken med bioprotein ble ikke produsert før 6. februar 1999. En av grunnene til dette var problemer med sirkulasjonspumpa i fermentoren 1. Fabrikken benyttet naturgass fra Heidrunfeltet på Haltenbanken i sin produksjon av bioprotein. Teknologien som gjør det mulig å omsette naturgass til bioprotein ble utviklet i selskapet Dansk Bioprotein AS. I 1990 refinansierte Statoil og Hafslund Nycomed selskapet. I 1994 etablerte de selskapet Norferm DA for å kommersialisere denne teknologien. Statoil var fra 1999 eneeier av både Dansk Bioprotein AS og Norferm fram til 2003 da DuPont Bio Based Materials, et amerikansk bioteknologisk firma, kjøpte 50 prosent av det Statoil eide selskapet. 1 En fermentor er en innretning som opprettholder optimale forhold for vekst av mikroorganismer 2

Bilde 1: Bioproteinfabrikken på Tjeldbergodden Kilde: www.norferm.no Anlegget på Tjeldbergodden har en årlig produksjonskapasitet på 10 000 tonn bioprotein. En vesentlig del av dette blir brukt til tilsetning i fôr. Fabrikken ble på generalforsamlingen i bioteknologiselskapet Norferm 21. November 2005 besluttet nedlagt 1. mars 2006 på grunn av sviktende salg, skepsis i markedet og manglende EUgodkjenning for bruk av bioprotein i mat. 3

3 Prosessbeskrivelse 4

Norferm DA har utviklet en industriell prosess som omdanner naturgass til bioprotein. I denne prosessen benyttes bakterien Methylococcus capsulatus 2 som bruker metan som karbon og energikilde. Produksjonen av bioprotein er utviklet som en kontinuerlig fermenteringsprosess hvor organismen Methylococcus capsulatus tilføres næringsstoffer i en rørsløyfefermentor. Disse næringsstoffene består blant annet av metangass, oksygen, ammoniakk og ulike næringssalter. Figur 1: Prosessoversikt av fremstilling av bioprotein Kilde: www.norferm.no 2 Mer om denne bakterien i kapittel 4 5

3. 1 Fermentor En fermentor er en innretning som opprettholder optimale vekstvilkår for mikroorganismer. Fermentoren består av en 100 meter lang rørsløyfe som inneholder vann ved en temperatur på 45 C. En propellpumpe sørger for sirkulasjon av væsken. Fermentoren har et volum på 300 kubikkmeter, og kan produsere opptil 10 000 tonn bioprotein per år. 3.2 Sentrifugering Væsken som tappes ut av fermentoren består av vel to prosent biomasse, resten er vann og noe gass. Denne væsken føres så inn i sentrifuger som roterer med 6000 omdreininger per minutt. Sentrifugene reduserer vanninnholdet ned til ca 85 prosent. Det utskilte vannet føres tilbake til fermentoren. Den konsentrerte fermenteringsmassen som gjerne kalles konsentratet ledes videre til to mellomlagringstanker før den går videre til filtreringsanlegget. 3.3 Ultrafiltrering og varmebehandling For å redusere vanninnholdet ytterligere benyttes ultrafiltrering (UF). UF anlegget består av et stort antall finmaskede membranposer fordelt i en rekke sylindere som filtrerer biomassen. Vannet som passerer filtrene går tilbake til fermentoren. Konsentrasjonen av biomasse i væsken er nå på ca 22 prosent. Denne massen kalles retentat og føres videre til varmebehandlingsanlegget. 3.4 Tørkeprosessen Tørkeprosessen foregår i en silo hvor vannet i biomassen reduseres til fem prosent. Siloen har en diameter på 10 meter og er 20 meter høy. Biomassen sprøytes inn på toppen av siloen. Luft 6

oppvarmet ved hjelp av en gassfyrt brenner føres inn i bunn av siloen. Denne lufta har en initial temperatur på 300 grader og når den forlater siloen er temperaturen redusert til 80 grader. Produktet føres ut av bunnen av spraytørken hvor det videre blir avkjølt og ført til en annen silo for pakking i storsekker. 7

4 Bakterien methylococcus capsulatus Bakterien methylococcus capsulatus brukes til produksjon av bioprotein av naturgass. Denne bakterien er metanotrop som betyr at den benytter metan som eneste karbon og energikilde. Bakterien er også termofil, det vil si at den trives i høye temperaturer. Optimal veksttemperatur for methylococcus capsulatus er 45 C. Generasjonstiden er den tiden det tar for en bakterie å dele seg. Generasjonstiden for methylococcus capsulatus er på 2 3 timer, avhengig av miljøet og livsbetingelsene. Bilde 2: bakterien methylococcus capsulatus Kilde: www.uib.no 8

5 Bioprotein Den spraytørkede biomassen er et lysebrunt, lett flytende granulat 3 med høyt proteininnhold. Bilde 3: Bioprotein Kilde: www.uib.no Sammensetningen av bioprotein er vist i tabellen nedenfor. Næringsstoff Andel Protein 70 % Karbohydrater 12 % Fett 10 % Mineraler 7 % 3 Granulat er et stoff formet som et korn eller gryn 9

Fiber 1 % Tabell 1: Næringsinnhold i bioprotein Kilde:www.norferm.no Bioprotein er godkjent i EU/EØS området som proteintilsetning i fôr til laks og husdyr. Forsøk med bioprotein har vist gode vekstresultater og helsetilstand for husdyr som kylling, gris og kalv og for laks. Bioproteinet kan videreforedles ved at det homogeniseres. Ved homogenisering brytes celleveggen opp ved at cellene presses gjennom en dyse ved høyt trykk. Dette fører til at alle proteinene fra cellens indre frigjøres. Når cellenes proteiner er frigjort, fjernes uløselige partikler av cellevegger og membraner. Disse fjernes ved sentrifugering eller filtrering. Prosessen kalles fraksjonering. Produktene får da bedre funksjonalitet og bedre smak. Disse funksjonelle proteinene kan benyttes som tilsetningsstoffer i pølser, kjøttdeig og sauser. 5.1 Smak Hele proteiner har ingen smak. Det er først når proteinet brytes opp i aminosyrer at smaken kommer frem. Nedbrytningsprosessen kalles for hydrolyse. Dette kan skje ved hjelp av sterke syrer eller proteinnedbrytende enzymer. Norferm har utviklet to ulike enzymhydrolysater fra bioprotein. Bakterien kan bruke egne enzymer, eller tilsatte enzymer. Produktene kan brukes som smaksangivere i næringsmidler. 10

6 Produksjon av gjødsel Naturgass benyttes i gjødselsproduksjonen for å danne ammoniakk. Det er metan som benyttes. Naturgassen fra Heidrunfeltet inneholder opp mot 90 prosent metan. Metan benyttes som hydrogen kilde (H 2 ). Dette skjer gjennom dampreforming. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Videre benyttes Haber prosessen for dannelsen av ammoniakk. N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g), ΔH o = 92.4 kjmol 1 Naturgass lager altså nitrogenholdig gjødsel. 11

7 Sammenligning av naturgassforbruk Ved framstilling av bioprotein benyttes metan. Naturgassen fra Heidrunfeltet inneholder som tidligere nevnt 90 prosent metan. Av ett tonn metan kan en produsere 700 kg bioprotein 4. Det vil si at ett tonn naturgass gir 630kg bioprotein. Ved produksjon av gjødsel gir ett tonn naturgass 1142kg gjødsel 5. Anbefalt tilførsel av nitrogengjødsel ved dyrking av soyabønner ligger på 11,22 kg per mål 6. Optimal avling er forventet å være på 327kg per mål. Det vil si at per kg gjødsel vil en få 29kg soyabønner. Men det store spørsmålet her er hvor mye vil tilførselen av gjødsel virke på produksjonen av gjødsel. Hvis jordsmonnet er bra vil produksjonen være den samme med eller uten tilførsel av nitrogengjødsel gjøre noe forskjell på produksjonen. I dette tilfelle vil produksjonen per kg gjødsel være 0 kg soyabønner. Det er med andre ord svært vanskelig å anslå hvor mye tilførselen av nitrogengjødsel vil utgjøre av den totale produksjonen av soyabønner. 4 Kilde:www.uib.no 5 Beregning i vedlegg, kilde:www.bestsyndication.com 6 Beregninger i vedlegg, kilde:www.ianrpups.unl.edu og www.nmsp.css.cornell.edu 12

8 Konklusjon Direkte produksjon av bioprotein er det som gir best utnyttelse av naturgass i det formål å skaffe mest mulig næring. 100 gram bioprotein gir 418kcal 7, mens 100 gram soyabønner gir 147kcal. Utnyttelsen av naturgassen ved produksjon av bioprotein er høy. Men det er mye som gjenstår for at det kan benyttes som mat. Mye må godkjennes samt at folk flest er skeptisk til at proteiner benyttes i mat. Dette gjelder også for bruk av bioproteiner i fôr. 7 Kilde: www.matvareguiden.no 13

9 Kilder http://www.ebi.ac.uk/2can/genomes/bacteria/methylococcus_capsulatus.html http://www.norferm.no/norferm/svg02599.nsf/attachments/bioprotein.pdf/$file/bioprotein.pdf http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genomeprj&cmd=retrieve&dopt=overview&list_uids=21 http://en.wikipedia.org/wiki/thermophile http://www.uib.no/elin/elpub/uibmag/en02/bacteria.html http://www.rogalandsavis.no/naring/article3959605.ece http://www.norferm.no/norferm/svg02599.nsf/attachments/bioprotein.pdf/$file/bioprotein.pdf http://www.thefreedictionary.com/fermentor http://www.tu.no/nyheter/produksjon/article51548.ece http://www.statoilhydro.com/no/newsandmedia/news/1999/pages/bioproteinbegins.aspx http://www.statoilhydro.com/no/newsandmedia/news/2005/pages/norfermtobewoundup.aspx http://www.norferm.no/norferm/svg02599.nsf/attachments/bioprotein.pdf/$file/bioprotein.pdf http://www.statoilhydro.com/no/newsandmedia/news/2003/pages/dupontbuysintonorferm.aspx http://www.bestsyndication.com/?q=043007_corn crops use fertilizers from natural gas suppliesinvesting in commodities.htm http://www.ica.no/file_archive/pdf/bli_bedre_kjent_maten.pdf http://www.matvareguiden.no/matvare577.asp http://www.ianrpubs.unl.edu/epublic/pages/publicationd.jsp?publicationid=146 http://www.ipt.ntnu.no/~jsg/undervisning/naturgass/oppgaver/oppgaver2001/01nergaardsoebstadjensen. doc http://www.extension.org/faq/2062 http://nmsp.css.cornell.edu/publications/articles/extension/wcuhowmuchn.pdf 14

10 Vedlegg Beregning for mengde naturg. for prod. av nitrogengj. 33000 kubikk feet naturgass gir 1 ton gjødsel 1 feet 0,3048 m 1 feet^3 0,02831685 m^3 33000 feet^3 934,455938 m^3 934,455938 m^3 naturgass gir 907,18 kg gjødsel 1030,06673 m^3 naturgass gir 1000 kg gjødsel 0,85 kg/sm^3 875,556722 kg naturgass gir 1000 kg gjødsel 1000 kg naturgass gir 1142,13 kg gjødsel 1 ton 907,18 kg Beregning av mengde gjødsel 100 pounds per 1 acre 1 pound 0,454 kg 100 pund 45,4 kg 1 acre 4046,86 m^2 1 acre 4,04686 mål 45,4 kg per 4,04686 mål 11,22 kg per 1 mål Beregning av produksjon 48 bu per 1 acre 1 bu 27,2155422 kg soya 1306,34603 kg per 4,04686 mål 48 bu 1306,34603 kg soya 322,80 kg per 1 mål 15