Turun yliopiston uusi AlgaTECH-levätuotantolaitos käyttää kasvihuoneiden tai teollisuuden jätevesiä ekologisen ja kustannustehokkaan leväbiomassan tuottamiseen. Tutkimuksella etsitään eri levälajeille parhaiten sopivia käyttötarkoituksia. Tavoite on edistää pohjoismaista bioteollisuutta.
Turun yliopiston molekulaarisen kasvibiologian tutkimusryhmän tavoitteena on ollut kehittää kiertotalouteen perustuva mikrolevän tuotantojärjestelmä, joka sopii erityisesti Suomen olosuhteisiin.
Tarkoitusta varten Ruissalon kasvitieteelliseen puutarhaan on perustettu uusi AlgaTECH-levänkasvatuslaitos, joka käyttää kasvihuoneiden ravinnepitoisia jätevesiä arvokkaan leväbiomassan tuottamiseen.
Yli kuutiometrin kokoinen fotobioreaktori on Suomen suurin bioteknologia- ja biotaloussektoreiden tutkimus- ja testikäyttöön tarkoitettu laitos.
Levätuotantolaitoksen rakennuttaminen on osa EU-rahoitteista REALM-konsortiohanketta (Reusing Effluents from Agriculture to unLock the potential of Microalgae), jonka tarkoitus on kehittää levien hyödyntämistä maataloudessa ja tukea sinistä biotaloutta Euroopassa.
Uusi levätuotannon konsepti tarjoaa paljon potentiaalia suomalaiselle bioteollisuudelle
Ilmastonmuutoksen aiheuttamat ongelmat asettavat merkittäviä vaatimuksia biotaloudelle. Levien kasvu on erittäin nopeaa ja leväbiomassaa voidaan käyttää korkealaatuisena ravintona, rehuna tai erilaisten kemikaalien ja polttoaineiden lähteenä. Levät voidaankin luokitella kolmannen sukupolven kestäväksi biomassaksi.
Muualla Euroopassa levään perustuva teollisuus on ollut kovassa kasvussa, mutta Suomessa leväsektorin kehitys on ollut hidasta, johtuen levien viljelyn haasteista pohjoisen kylmässä ja pimeässä ilmastossa. Tuotantokulut ovat olleet korkeat, mikä on ollut merkittävä pullonkaula leväbiomassaan pohjautuvien sovellusten kaupallistamisessa.
Nyt fotosynteettisten mikrobien tutkimusryhmä on kehittänyt Suomen ilmastoon soveltuvan ja kiertotalouteen perustuvan biotalousmallin, jossa mikroleviä voidaan viljellä ekologisesti ja kustannustehokkaasti. Levätuotannossa hyödynnetään Itämerestä sekä suomalaisista järvistä saatavaa mikrolevää.
– Fotobioreaktorissa levän kasvatuksessa hyödynnetään maatalouden ja teollisuuden sivuvirtoina syntyvää ravinnepitoista jätevettä. Valmista biomassaa voidaan hyödyntää biotaloudessa monin eri tavoin. Tutkimuksessamme selvitämme parhaillaan eri levälajeille soveltuvia käyttökohteita, esimerkiksi innovatiivisina kasvibiostimulantteina tai biokasvinsuojeluaineina. Olemme kerryttäneet paljon tietoa laboratoriotutkimuksissa, ja nyt on aika osoittaa sen potentiaali laajemmassa mittakaavassa kasvihuoneympäristössä. Tällaisen laajamittaisen laitoksen avulla pyrimme kaventamaan kuilua tieteen ja teollisuuden välillä, kertoo tutkimusryhmän johtaja, molekulaarisen kasvibiologian professori Yagut Allahverdiyeva-Rinne.
Fotobioreaktori tuottaa arvokasta biomassaa ja puhdistaa jätevedet
Levät tarvitsevat kasvaakseen valoa, hiilidioksidia ja vettä, minkä lisäksi ne tarvitsevat myös ravinteita, typpeä ja fosforia, joita löytyy runsaasti jätevesistä.
Uusi fotobioreaktori on integroitu kasvitieteellisessä puutarhassa kasvihuoneiden olemassa olevaan infrastruktuuriin. Ensimmäisessä vaiheessa kasvihuoneesta johdettu jätevesi esikäsitellään niin, että epäpuhtaudet poistetaan, mutta levien tarvitsemat ravinteet jäävät jäljelle. Sen jälkeen vettä ja hiilidioksidipitoista ilmaa johdetaan bioreaktorin levänkasvatusputkistoihin, joita luonnonvalon lisäksi valaistaan säädettävillä led-putkilla.
Kasvihuoneiden tasaisessa lämmössä levät kasvavat nopeasti. Reaktorin maksimitilavuus on 1000 litraa ja valmista satoa voidaan korjata reaktorista päivittäin. Kasvatusputkista vesi johdetaan laitteeseen, joka erottelee levämassan ja puhtaan veden. Kierron myötä reaktorin käyttöön saadaan johdettua joka päivä satoja litroja uutta jätevettä.
Lopputuotteena syntyy tiivistä ja kuivaa leväbiomassaa, jota voidaan hyödyntää erilaisten leväpohjaisten tuotteiden valmistuksessa. Parhaillaan tutkimusryhmä tutkii eri levälajien hyödyntämistä esimerkiksi kasvibiostimulantteina ja kasviravinteina.
– Iso reaktori toimii validointilaitteistona, jolla varmistamme teollisuudelle potentiaalisten tuotteiden optimaalisimmat tuotantotavat. Tätä ennen olemme jo testanneet prosessia pienemmillä koereaktoreilla. Selvitämme esimerkiksi eri levälajien, jäteveden ravinnepitoisuuden, valaistuksen tai kasvatusajan vaikutusta lopputuotteena syntyvän levän ominaisuuksiin tai kasvatusprosessin tehokkuuteen, erikoistutkija Sema Sirin kertoo.
Valmiin levämassan lisäksi erottelusta jää jäljelle puhdistunutta vettä.
– Esimerkiksi kasvihuonetuottajien on käsiteltävä jätevetensä, ja tämä menetelmä on siihen erittäin varteenotettava. Leväkasvatuksen jälkeen eroteltu vesi on joko puhdasta, tai jos siinä on ravinteita jäljellä, se voidaan palauttaa takaisin reaktorin kiertoon, joten prosessissa ei synny jätettä, Sirin kertoo.
Nyt käytössä oleva laitos sopii kooltaan tutkimus- ja testikäyttöön. Esimerkiksi 200 litran päivittäisellä keruulla voidaan saada 200-300g valmista levämassaa. Kapasiteettia on mahdollista kasvattaa reaktorin tilavuutta lisäämällä.
Kohti kestävää biotekniikkaa ja tietopohjaista koulutusta
– Fotobioreaktorin rakentaminen on itse asiassa melko yleistä. Tärkeää tässä uudessa laitoksessa on hyödyntää syvää fotosynteesiin ja biotekniikkaan liittyvää asiantuntemustamme. Työmme ei rajoitu pelkästään biomassaan perustuviin teknologioihin. Tavoitteenamme on käyttää AlgaTechiä uusien bioteknisten prosessien laajentamiseen, mukaan lukien aurinkokemikaalien, polttoaineiden ja elintarvikkeiden tuottaminen muunnetuista mikro-organismeista. Tätä varten olemme hiljattain saaneet Erkko-säätiöltä yli 2,2 miljoonan euron rahoituksen, Allahverdiyeva-Rinne kertoo.
Tutkimusryhmä testaa kasvihuoneessa myös suoraa ilman talteenottoa (Direct Air Capture, DAC). Tämä Twenten yliopiston yhteistyökumppaneiden toimittama yksikkö kerää ilmasta hiilidioksidia, keskittää sen ja syöttää sen leväviljelmille.
– Kun otetaan huomioon, että yksi kilo levää voi sitoa 1,8 kiloa hiilidioksidia, tämä konsepti edistää merkittävästi hiilidioksidin talteenottoa ja hyödyntämistä, Allahverdiyeva-Rinne sanoo.
AlgaTechilla on myös tärkeä osa tulevien osaajien kouluttamisessa osana teknillisen tiedekunnan kestävien bioteknisten prosessien linjan opintoja.
– Laitoksella on keskeinen rooli siinä, että voimme houkutella lahjakkaita opiskelijoita ja kouluttaa biotekniikan ja sinisen biotalouden asiantuntijoita, Allahverdiyeva-Rinne sanoo.
Tutkimusryhmä kehittää leväntuotantoa yhteistyössä Euroopan johtavien leväyritysten kanssa. AlgaTECH-tutkimusta rahoittaa EU:n innovaatiotoimintahanke REALM (Reusing Effluents from Agriculture to unLock the potential of Microalgae), joka on osa Horisontti Eurooppa -ohjelmaa. Hanke saa tukea myös Maa- ja vesitekniikan tuki ry:n lahjoituksesta.
