Microalgae – Platform for conversion of waste to high value products

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4563-5
Julkaisun nimi: Microalgae – Platform for conversion of waste to high value products
Tekijä: Tossavainen, Marika
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Mikrobiologian ja biotekniikan tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
Tiivistelmä: Microalgae have gained attention as a potential raw material for metabolic compounds suitable for human and animal nutrition, cosmetics, biofuels, pharmaceuticals and fertilizers. Furthermore, microalgae efficiently convert nutrients in the growth medium into biomass and may simultaneously be useful in wastewater treatment. Some of microalgae are able to synthesize long chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFAs), such as eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), which are essential parts of human and animal nutrition. Microalgal chlorophylls and carotenoids can be used as colorants, but several carotenoids are also strong antioxidants and precursors of vitamin A. Additionally, microalgae are a rich source of vitamins such as C, E, and B12 and provide a vegan protein source with all the essential amino acids. However, cost competitiveness of microalgae-based, high-value products is still a weakness. One possibility for cost reduction is the connection of microalgal cultivation to existing industrial processes and to convert spilled nutrients and side streams such as CO2 into valuable microalgal biomass. The overall aim of this thesis was (i) to study the suitability of composting leachate liquids and aquaculture wastewaters (AWWs) for microalgal cultivation, (ii) to reveal the microalgal nutrient up-take potential from wastewaters, and (iii) to evaluate the suitability of the produced biomass for human and animal nutrition. First, co-cultures of Selenastrum with associated bacteria were cultured in several composting leachate liquids and at the end of the experiments the fatty acid profiles of well grown cultures were analyzed. The ´biowaste leachate´ was selected as the substrate for experiments carried out in pilot scale photobioreactor (PBR) to study the up-scale potential of co-culture. In further experiments, the hypotheses of higher biomass and lipid production and more efficient resource utilization (i.e. nutrient reduction) and better tolerance against contaminations in mixed than in monocultures of microalgae were tested. Microalgae Euglena gracilis, Selenastrum and Chlorella sorokiniana were cultured in mono- and mixed cultures in biowaste leachate at a small scale. The experiments were up-scaled using a monoculture of E. gracilis and mixed cultures of E. gracilis with Selenastrum or with C. sorokiniana. To study the potential of microalgae in AWW treatment and to evaluate the suitability of the produced biomass as an ingredient in fish feed, mixed cultures of E. gracilis with Selenastrum were cultured in AWWs and sludge-amended AWWs from recirculating aquaculture system (RAS) used for growing pike perch or catfish. To clarify the influence of long term nitrogen (N) deprivation on fatty acid, protein, and pigment composition of E. gracilis, additional experiments were carried out in synthetic medium. In most of the composting leachate liquids and in AWWs, biomass production and nutrient reduction were efficient. As the nutrient concentrations in the composting leachate liquids were very high, the leachates had to be diluted before use, whereas the AWW sludge was used for enrichment of the nutrient poor AWWs. An interesting finding was that Selenastrum and bacteria grown together appeared to boost each other’s growth in composting leachate liquids. Pilot scale experiments showed that the growth and lipid production in co-culture can be boosted by feeding the culture with CO2, which was presumably a result of more efficient photosynthetic carbon uptake by Selenastrum. Strain survival and performance in biowaste leachate grown mixed cultures were totally different at different scales. In small scale experiments, C. sorokiniana dominated the cultures, whereas in the pilot scale, only E. gracilis thrived. Evidence of higher biomass or lipid productivity in mixed cultures as compared to monocultures was not found. However, in pilot scale cultivations a better resistance against contaminations and an enhanced lipid production and N reduction was found in mixed culture of E. gracilis with Selenastrum. In AWW grown cultures, the dominance of E. gracilis over the Selenastrum was repeated. The biomass FA and tocopherol contents were higher in AWWs without sludge-amendment than in sludge-amended cultures, but the more efficient biomass production in sludge-amended cultures resulted in higher FA and tocopherol yields. Short term nutrient stress was found to enhance lipid production in pilot scale monocultures of E. gracilis and in mixed cultures of E. gracilis with Selenastrum dominated by E. gracilis grown in biowaste leachate. However, long-term N deprivation in synthetic medium grown E. gracilis cultures resulted in poor nutritional quality of the FAs with a high content of saturated fatty acids (SAFAs) and low contents of LC-PUFAs, as well as lowered protein, chlorophyll a, and carotenoid concentrations. Thus, the recommendation for production of high quality E. gracilis biomass is that it should be cultivated under nutrient replete conditions to maximize biomass yield followed by short term exposure to nutrient limitation in the end part of the cultivation. As a conclusion, converting nutrients from waste streams into high-value microalgal biomass provides a sustainable solution that combines waste treatment with value added production. In AWW sludge treatment, connecting microalgal culturing units to RAS AWW treatment systems is an option for combined AWW treatment and microalgal biomass production. In mixed microalgal cultures, strain performance is sensitive to changes in growth conditions, and thus strains with different growth requirements can offer the solution for robust and continuous biomass production in unstable growth conditions, and also have better tolerance against bacterial contaminations. However, the biomass composition of strains varies in different growth environments and cultivation phases, and so the process parameters as well as strain combinations should be selected based on the desired products.Mikrolevät ja niiden metaboliatuotteet ovat potentiaalisia raaka-aineita ravinto-, rehu-, kosmetiikka-, lääke-, lannoite- ja biopolttoaineteollisuuden tarpeisiin. Ravitsemuksen kannalta tärkeitä yhdisteitä ovat mm. pitkäketjuiset monityydyttymättömät omega-3- rasvahapot, kuten eikosapentaeenihappo (EPA) ja dokosaheksaeenihappo (DHA), joita nykyisin saadaan pääsääntöisesti kalaöljyistä. Mikrolevien tuottamia pigmenttejä, klorofyllejä ja karotenoideja, voidaan hyödyntää väriaineina. Lisäksi karotenoidit ovat voimakkaita antioksidantteja ja osa myös A-vitamiinin esiasteita. Näistä ominaisuuksista johtuen ne ovat kiinnostavia mm. ravitsemuksessa ja kosmetiikan raaka-aineina. Lisäksi mikrolevät ovat monipuolinen vitamiinien lähde ja esimerkiksi Euglena gracilis -mikrolevä on erinomainen E-vitamiinin tuottaja. Myös mikrolevien proteiinipitoisuus on korkea ja ne tuottavat tyypillisesti kaikkia ravitsemuksen kannalta välttämättömiä aminohappoja. Mikroleväntuotannon yleistymistä rajoittavat korkeat tuotantokustannukset, joita voidaan mahdollisesti madaltaa integroimalla mikroleväkasvatus jätevettä tuottaviin prosesseihin, joiden ravinteikkaita sivuvirtoja voidaan hyödyntää leväkasvatuksessa. Samalla mikrolevät voivat toimia osana jäteveden puhdistusprosessia. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kompostointilaitoksen ja kiertovesikalankasvattamon (RAS) jätevesien soveltuvuutta mikrolevien viljelyyn sekä ravinteiden poistoa jätevesistä. Tuotetun leväbiomassan koostumus analysoitiin ja samalla tuotettiin tietoa sen soveltuvuudesta rehuksi ja ihmisten ravinnoksi. Tutkimuksessa keskityttiin kahteen mikrolevälajiin, Selenastrum sp. -viherlevään ja E. gracilis -silmälevään. Selenastrum -mikrolevää kasvatettiin laboratoriokokeissa useissa erilaisissa kompostointilaitoksella syntyvissä jätevesissä ja myöhemmin pilot-mittakaavan fotobioreaktorissa biojätteestä varastoinnin aikana erottuvassa suotovedessä. Lisäksi analysoitiin bakteerien määrä leväviljelmässä, sekä tuotetun biomassan rasvahappokoostumus. Suotovettä käytettiin myös kokeissa, joissa tutkittiin, tehostuuko biomassan ja lipidien tuotto Selenastrum, E. gracilis ja Chlorella sorokiniana -mikrolevien kahden tai kolmen lajin sekaviljelmissä ja ovatko sekaviljelmät tehokkaampia ravinteiden poistossa tai vastustuskykyisempiä bakteerikontaminaatioille kuin yhden lajin viljelmät. Selenastrum ja E. gracilis -mikroleviä kasvatettiin sekaviljelmänä myös RAS-laitoksen poistovedessä ja arvioitiin niiden hyödyntämistä osana RAS-laitoksen jätevedenpuhdistusta, sekä analysoitiin leväbiomassan rasvahappokoostumus ja tokoferoli-pitoisuus. Typpirajoitteisuuden ja kasvatusajan vaikutusta E. gracilis -mikrolevän kasvuun, rasvahappojen kokonaistuottoon ja rasvahappokoostumukseen sekä proteiinien ja pigmenttien tuottoon tutkittiin kasvattamalla leväbiomassaa synteettisellä kasvualustalla eri typpipitoisuuksissa. Ensimmäiset kokeet osoittivat sekä Selenastrum mikrolevän että bakteerien menestyvän samanlaisissa kasvuoloissa haittaamatta toistensa kasvua. Pilot-mittakaavan kokeissa hiilidioksidin syöttö tehosti sekä Selenastrum -mikrolevän kasvua että lipidien tuottoa. Sekaviljelmissä mikrolevälajien menestyminen laboratorio- ja pilot-mittakaavan kokeissa poikkesi täysin toisistaan. Laboratoriokokeissa C. sorokiniana oli hallitseva laji, mutta pilot-mittakaavan kokeissa vain E. gracilis menestyi. Laboratoriokokeiden tulokset eivät osoittaneet sekaviljelmien olevan tuottoisampia kuin yhden lajin viljelmät. Sen sijaan pilot-mittakaavassa, typen poisto oli nopeampaa ja rasvahappopitoisuus korkeampi Selenastrum-E. gracilis -sekaviljelmässä kuin E. gracilis -viljelmässä. E. gracilis oli valtalaji myös RAS-laitoksen jätevesissä kasvatetuissa leväviljelmissä. RAS-laitoksen puhdistusprosessissa syntyvän lietteen lisääminen RAS-laitoksen jäteveteen paransi huomattavasti leväbiomassan tuottoa. Rasvahappojen ja tokoferolien pitoisuus oli suurempi ilman lietelisäystä kasvaneessa mikroleväbiomassassa, mutta runsaampi biomassan tuotto lietteellä rikastetussa jätevedessä johti rasvahappojen ja tokoferolien parempaan loppusaantoon. Biojätteestä suotautuneessa jätevedessä kasvatetun E. gracilis mikroleväbiomassan kokonaislipidipitoisuus kasvoi kasvatusajan pidentyessä, mutta pitkäaikainen typpirajoitteisuus synteettisellä kasvualustalla johti ravitsemuksen kannalta epäedulliseen rasvahappokoostumukseen, jossa saturoituneiden rasvahappojen määrä oli suuri ja monityydyttymättömien ja pitkäketjuisten monityydyttymättömien rasvahappojen osuus pieni. Matala typpipitoisuus rajoitti myös pigmenttien ja proteiinin tuottoa, joten kokonaisuudessaan pitkäaikainen typpivajaus johti ravitsemuksellisesti heikkolaatuiseen biomassaan. Tässä tutkimuksessa osoitettiin sekä kompostointilaitoksen että RAS-laitoksen jätevesien soveltuvan mikrolevien kasvualustaksi. Mikrolevät hyödynsivät tehokkaasti jätevesien ravinteita ja tulevaisuudessa mikroleväkasvattamon integrointi RAS-laitoksen vedenpoistojärjestelmään voi tarjota tehokkaan prosessin lietepitoisen jäteveden puhdistukseen ja mikroleväbiomassan tuottoon. Sekaviljelmien lajikoostumus osoittautui erittäin herkäksi pienillekin muutoksille kasvuoloissa ja siksi levien kasvatus sekaviljelmissä ei takaa stabiilia biomassan koostumusta. Toisaalta sekaviljelmät saattavat olla vähemmän alttiita kontaminaatioille, mikä on etu jatkuvassa tuotannossa. Tämä tutkimus osoitti biomassan koostumuksen vaihtelevan runsaasti eri kasvuoloissa ja siksi sekä yhden lajin viljelmien että sekaviljelmien osalta haluttu metaboliatuote määrittelee tuotantoprosessin parametrit.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4563-5
http://hdl.handle.net/10138/243959
Päiväys: 2018-10-12
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Microalg.pdf 1.183MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot