Begeleiding van game-changers in de groeiende algenindustrie
08 Jul 2019
Ze zijn een rijke bron van meervoudig onverzadigde vetzuren, eiwitten, enzymen, vitaminen, mineralen en sporenelementen, het is niet verwonderlijk dat algen een zeer gewilde grondstof zijn geworden voor tal van producten in de farmaceutische, chemische en voedingssector. Al meer dan 50 jaar biedt GEA een aantal start-ups en algenproducenten ondersteuning op het gebied van R&D en hoogwaardige verwerkingstechnologieën, die voldoen aan de strengste industriële normen.
Algen zijn de belangrijkste verbruikers van CO2 op onze planeet: 1 kilogram algenbiomassa is in staat om ongeveer 2 kilogram CO2 op te slaan terwijl er tegelijkertijd 1,6 kilogram zuurstof vrijkomt. Behalve deze zeer belangrijke functie kennen algen nog talloze andere nuttige toepassingen - in tandpasta, schoensmeer, gezichtscrème, diervoeder, voedingsmiddelen en voedingssupplementen, natuurlijke kleurstoffen voor voedingsmiddelen, meststoffen en biomeststoffen. Verder worden ze gebruikt in de afvalwaterbehandeling en als bindmiddel van zware metalen. En de lijst wordt steeds langer.
Algen leven in zout en zoet water en worden verder ingedeeld naar grootte – macro- of microalgen – en naar kleur: blauw, groen, bruin of rood. Tot de macroalgen behoren grotere waterplanten zoals kelp en zeewiersoorten die wel 50 meter lang kunnen worden. Tot de microalgen behoren bijvoorbeeld chlorella en spirulina:
- Dit zijn over het algemeen microscopische eencellige organismen (gemiddelde celgrootte tussen 2-10 micrometer)
- Ze hebben geen wortels, stelen of bladeren
- Ze kunnen worden gekweekt in fotobioreactoren (PBR’s) of in open vijvers en voeden zich met afvalwater, waaronder rioolwater, of worden gekweekt via heterotrofe fermentatie waarbij de algen meer op suikers dan op zonlicht leven
- Het kweken kan plaatsvinden op land dat ongeschikt is voor voedselgewassen en vormt daarom geen concurrentie voor de voedselproductie
De verwerking, of het oogsten, is nodig om de algenbiomassa te scheiden van het water waarin het gegroeid is – een veld waarin GEA al actief is sinds de jaren ‘60 met technologieën voor de concentratie, extractie en het wassen van algen, alsook het drogen.
Vanuit het oogpunt van de voedingswaarden zijn algen moeilijk te kloppen. Vis, bijvoorbeeld zalm, bevat nuttige omega-3 visolieën maar produceert deze niet van nature, maar door het eten van microalgen. Dit betekent dat algenolie een nog groter vermogen heeft om de voedingsbehoeften van de wereld te ondersteunen en kan helpen om de druk van de mondiale visvoorziening te verlichten, bijvoorbeeld als het breder wordt benut voor vismeel. De stijgende vraag naar betrouwbare, duurzame en goedkope energiebronnen en biologisch afbreekbare kunststoffen zijn eveneens belangrijke factoren die naar verwachting de groei in deze spannende sector zullen stimuleren.
Voorzichtig, voorzichtig: behandeling van algen om de overlevingspercentages te verhogen
De moderne algenverwerking heeft een centrifugetechnologie nodig om de geoogste algensuspensies te concentreren, extraheren en reinigen. Gezien de biologische samenstelling van algen zijn centrifuges vaak het enige economische middel om microalgen efficiënt te verwerken, niet alleen omdat ze minder energie verbruiken dan keramische membraanfiltratie, maar ook omdat de celgrootte vastlopen of verstopping veroorzaakt in traditionele roterende vacuümfilters.
Dat gezegd hebbende, houdt een centrifuge in dat er middelpuntsvliedende kracht wordt toegepast, en algencellen in leven houden terwijl ze worden blootgesteld aan krachten tot 15.000 g kan lastig zijn. Dit proces bevat twee kritieke fasen: de cellen het centrifugeveld in en ze er weer uit krijgen. GEA loste de uitdaging van de toevoer van gevoelige cellen in een draaiend systeem al jaren geleden op met haar gepatenteerde hydrohermetische toevoersysteem. Een schijf aan het einde van de toevoerleiding voert de cellen toe onder de vloeistofspiegel in de voorgevulde trommel – vergelijkbaar met een emmer water die verder wordt gevuld met een slang die onder het wateroppervlak binnenkomt, zodat spatten worden vermeden.
In recentere jaren ontwikkelde GEA een broodnodige oplossing om buitengewoon afschuifgevoelige cellen zoals diatomen en haptophyta uit het roterende systeem af te voeren zonder ze te beschadigen of te vernietigen, aangezien de mortaliteitscijfers meer dan 90 procent kunnen bereiken, zelfs bij lage snelheden. De meeste producten zijn probleemloos bestand tegen een ruwe behandeling en gewoonlijk wordt de trommel bij volle of gereduceerde snelheid geopend en schieten de verzamelde vaste stoffen eenvoudig naar buiten, in de vanger.
In het geval van algen concentreert de centrifuge de cellen en verzamelt ze tijdens de werking in de ruimten voor vaste stoffen in de trommelomtrek – exact de plaatst in de centrifuge waar de middelpuntsvliedende krachten het hoogst zijn. De sleutel tot GEA’s oplossing bestond uit de manier om de vaste stoffen tijdens de afvoer te vertragen, en zo de snelheid waarmee de cellen tegen de vangerwand botsen te vertragen. Dit leidde tot de ontwikkeling door GEA van een uitwerpsysteem met hydro-rem. Dit remsysteem heeft de vorm van een vloeistofgordijn waardoor de vaste stoffen worden uitgeworpen. Hiertoe wordt een serie spuitkoppen op de vanger gemonteerd, en zodra de zuiger wordt geactiveerd laat het besturingssysteem de spuitkoppen in werking treden zodat er een vloeistofgordijn naar beneden de vanger in wordt gespoten dat de snelheid van de vaste stoffen substantieel vertraagt of afremt. Als vloeistof wordt gewoonlijk water gebruikt, maar ook de gescheiden heldere fase kan worden benut. Doordat de koppen maar kort spuiten wanneer de tweede zuiger wordt geactiveerd wordt voorkomen dat de geconcentreerde algen opnieuw worden verdund.
Dwarsdoorsnede van een GEA-separator met weergave van het vloeistofstromingspatroon, inclusief het afvoersysteem.
Terugdringing van productverliezen van 95 tot 2 percent dankzij een nieuwe functie
In 2018 begon OP Bio Factory in Japan, een research- en ontwikkelingsbedrijf van natuurlijke producten uit mariene grondstoffen voor gebruik in potentiële geneesmiddelen en functionele stoffen, de nieuwe hydro-rem van GEA te gebruiken. Met een traditioneel uitwerpsysteem werd 95 procent van de algencellen van de klant tijdens het legen vernietigd. Met de nieuwe remfunctie zijn de algencelverliezen teruggebracht tot nog maar 2 procent, een gigantische verbetering zowel qua kosten als efficiëntie. OP Bio Factory kan nu dus met succes ook de meest gevoelige algencellen verwerken met centrifuges.
Samenwerking om aan de groeiende mondiale vraag naar algenproducten te voldoen
Voor start-ups en bedrijven in de algenindustrie is het verwerven van kapitaal cruciaal om van het laboratorium over te kunnen gaan naar de pilot-fase. Investeerders willen graag enige zekerheid dat een bepaalde technologie op kleine schaal functioneert of kan worden opgeschaald tot de productie van verschillende tonnen algenbiomassa of liters algenolie, voordat ze bereid zijn er geld in steken. Essentiële factoren bij succesvol opschalen van algenproductie en -verwerking zijn het terugdringen van het energieverbruik en de bedrijfskosten.
Sinds 2015 ondersteunt GEA een Franse start-up in de biotechnologie, die begon met proefmachines op locatie. Samen met de klant ontwikkelde GEA een aangepast algenoogstproces voor productie op industriële schaal van hoogwaardige biomassa van microalgen, voor gebruik in diervoeding, voedingsmiddelen en cosmetica. De GEA viscon® spuitstukseparator bijvoorbeeld wordt gebruikt bij heterotrofe scheiding van microalgen, wat resulteert in een homogeen algenconcentraat met een maximaal gehalte aan droge stof met behulp van een uiterst efficiënte scheidingsmachine met volledige CIP-functie.
Het Nederlandse bedrijf Duplaco benut eveneens GEA’s knowhow op het gebied van scheidingstechniek. De onderneming kweekt chlorella microalgen via heterotrofe fermentatie en gebruikt deze voor de productie van gezond voedsel zoals smoothies, algenburgers of pasta, in voedingssupplementen of diervoeder. De oplossingen van GEA dragen ertoe bij dat Duplaco’s algenpoeder en voedingssupplementen van hoge kwaliteit zijn met de maximale consistentie, terwijl de energiekosten en productiefootprint van de fabrikant zo laag mogelijk worden gehouden.
Vroegtijdige samenwerking met klanten is essentieel voor de ontwikkeling van algenoogstprocessen, vooral gezien de eisen om productiekosten en kosten per stuk te drukken.”- Alexander Piek, Application Manager - Scheiding, Algen, GEA Renewables
- Alexander Piek, Application Manager - Scheiding, Algen, GEA Renewables
De groeiende focus op het raffineren van algen ter ondersteuning van een duurzame voedingsmiddelenproductie heeft GEA en verschillende partners uit de wetenschappelijke en zakelijke gemeenschap van de EU er in 2016 toe aangezet om het Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture and Aquaculture (SABANA) project te vormen. Voor dit door de EU gefinancierde initiatief in het kader van Horizon 2020 heeft het team een grootschalige, geïntegreerde, op microalgen gebaseerde bioraffinaderij ontwikkeld voor de productie van diervoeding en toevoegingsmiddelen voor diervoeding, waaronder biostimulantia, biomeststoffen en biologische bestrijdingsmiddelen, door de technische, ecologische en sociale haalbaarheid aan te tonen van het produceren van waardevolle bijproducten van algen waarvoor uitsluitend zeewater en afvalwater als voedingbron worden gebruikt.*
Voor wat betreft de biologische bestrijdingsmiddelen kweekt, test en verwerkt het team algenstammen met antimicrobiële stoffen die diverse plantenpathogenen bestrijden. Om deze gevoelige biomassa te verwerken heeft GEA kennis en apparatuur geleverd, waaronder centrifuges voor het oogsten en concentreren van microalgen; homogenisatoren voor celfractionering alsook een sproeidroger voor het drogen van biomassa, zodat de actieve stoffen vervolgens kunnen worden getest. De resultaten van deze tests komen beschikbaar aan het einde van 2021.
Tubulaire fotobioreactoren produceren microalgen bij de SABANA R&D demonstratie-installatie, IFAPA researchcenter in Almeria (Spanje). Met dank aan: SABANA
GEA heeft de juiste knowhow voor de klus
Voor het concentratieproces biedt GEA keuze uit verschillende separatoren en decanters, elk met individuele voordelen voor een bepaalde algensoort en kweekomstandigheden. De keuze van een separator hangt ook af van de gevraagde verwerkingscapaciteiten, de viscositeit van het product, het gehalte aan vaste stoffen, de pH-waarde in de fermentatievloeistof en de celstructuur. Voor de verdere concentratie en ontwatering van biomassa of voor de classificatie van microalgen, is een decanter van GEA de volgende stap in de verwerking.
Voor de verwerking van rode en groene microalgen zijn GEA homogensatoren ideaal. Zij leveren de buitengewoon hoogwaardige grondstof die nodig voor voedsel- en vitaminesupplementen, biomateriaal of bioplastics. Deze technologie verzekert betrouwbare componenten met een lange levensduur die voldoen aan de aseptische eisen, en producten die volledig voldoen aan alle voorschriften. Homogenisatie is een mechanisch proces dat de buitenste celwand fractioneert met tot 1500 bar, om de intracellulaire vloeistof vrij te laten komen. Het biedt voordelen qua betrouwbaarheid en het dekken van de totale eigendomskosten:
- Het proces is snel en continu
- De in het laboratorium bereikte resultaten zijn 100% reproduceerbaar op industriële schaal
- De druk kan worden gevarieerd om de juiste graad van celfractionering te vinden
- Er bestaat geen gevaar voor verontreiniging van het product door andere stoffen
Terwijl centrifuges het meeste vrije water uit algensuspensies kunnen verwijderen, zijn voor sommige toepassingen algen in poedervorm nodig. Hiervoor biedt GEA sproeidrogers. Droog algenpoeder is een hoogwaardig eiwit en kan bijvoorbeeld worden gebruikt als additief in dierenvoeder.
* Dit project heeft een financiering ontvangen in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de EU onder subsidieovereenkomst nr. 727874.
