Towarzyszymy przełomowym firmom w rozwijaniu branży hodowli glonów
08 Jul 2019
Stanowią bogate źródło wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, białek, enzymów, witamin, minerałów oraz pierwiastków śladowych – nie jest zatem zaskakujące, że algi są najbardziej poszukiwanym surowcem do produkcji wielu artykułów w branży farmaceutycznej, chemicznej oraz spożywczej. Od ponad 50 lat GEA towarzyszy start-upom oraz hodowcom glonów, pomagając w pracach badawczo-rozwojowych oraz dostarczając doskonałej jakości technologie przetwórcze, które pozwalają wypełnić surowe standardy branżowe.
Są największym konsumentem CO2 na planecie, 1 kilogram biomasy glonowej potrafi zmagazynować około 2 kg CO2 i jednocześnie wyzwolić 1,6 kilograma tlenu. Ale nie jest to jedyna zaleta glonów, które są również wykorzystywane w produkcji artykułów tak różnych jak pasta do zębów, pasta do butów, kremy do twarzy, pasza dla zwierząt, żywność i suplementy diety, naturalne barwniki żywności, bionawozy czy środki do nawożenia gleby. Algi są również przydatne w uzdatnianiu ścieków i wykorzystywane jako spoiwo metali ciężkich. A lista wciąż rośnie.
Glony żyją w środowisku morskim lub słodkowodnym, a klasyfikuje się je według rozmiaru – na makro- lub mikroglony – oraz koloru: istnieją glony niebieskie, zielone, brązowe lub czerwone. Makroalgi to duże rośliny wodne, na przykład listownice i wodorosty, które potrafią urosnąć do 50-metrów wysokości. Mikroglony obejmują takie gatunki jak Chlorella i Spirulina:
- Są to generalnie mikroskopijne organizmy jednokomórkowe (średni rozmiar komórek wynosi od 2 do 10 mikrometrów).
- Organizmy te nie mają korzeni, łodyg ani liści.
- Mogą być hodowane w fotobioreaktorach (PBR) lub otwartych stawach oraz żywić się wodą procesową, w tym ściekami, albo być hodowane metodą fermentacji cudzożywnej, w ramach której glony żywią się bardziej cukrami niż słońcem.
- Hodowla może przebiegać na terenach nieprzystosowanych do uprawy plonów, dzięki czemu nie musi być realizowana kosztem produkcji żywności.
Procesy przetwarzania lub zbierania są niezbędne, aby oddzielić biomasę glonową od wody, w której jest hodowana – GEA jest aktywna na tym polu od lat sześćdziesiątych dwudziestego wieku. Opracowuje technologie do zagęszczania, ekstrahowania, mycia i suszenia alg.
Pod względem dostarczania substancji odżywczych ciężko jest pokonać glony. Ryby, na przykład łosoś, zawierają korzystne dla zdrowia oleje rybne omega 3, przy czym nie produkują ich naturalnie, a bardziej poprzez konsumpcję mikroglonów. Oznacza to, że olej z alg ma duży potencjał pod względem zaspokajania globalnych potrzeb odżywczych i może ograniczyć globalne zapotrzebowanie na ryby, jeśli będzie szerzej stosowany w daniach rybnych. W podobny sposób rośnie popyt na niezawodne, zrównoważone i niedrogie źródła energii oraz biodegradowalny plastik: są to główne obszary, dzięki którym ta ekscytująca branża będzie notowała wzrost.
Delikatnie, delikatnie: Ograniczenie ścinania w celu podniesienia wskaźnika przeżycia alg
Nowoczesne metody przetwarzania glonów wymagają stosowania technologii wirowania w celu zagęszczania, pozyskiwania i mycia zebranych zawiesin alg. Z uwagi na biologiczny skład glonów wirówki są często jedynym oszczędnym narzędziem do skutecznego przetwarzania mikroglonów, nie tylko dlatego, że zużywają mniej energii niż filtracja za pomocą membran ceramicznych, ale i dlatego, że rozmiar komórek powoduje wiązanie bądź blokowanie tradycyjnych, obrotowych filtrów próżniowych.
Należy jednak zaznaczyć, że użycie wirówki wiąże się z działaniem siły odśrodkowej, a utrzymanie przy życiu komórek glonów, które są narażone na działanie przeciążenia rzędu 15 000 g wcale nie jest łatwe. Proces ten przebiega w dwóch krytycznych etapach: jest to dostarczenie komórek do wnętrza pola odśrodkowego oraz wydostanie ich stamtąd. GEA rozwiązała problem transportu komórek do rotującego systemu już kilka lat temu, kiedy stworzyła opatentowany system dopływu hydrohermetycznego. System jest zbudowany z dysku umieszczonego na końcu rury zasilającej, która pozwala transportować komórki pod poziom cieczy znajdującej się we wstępnie wypełnionej misie – podobny efekt jest widoczny, kiedy wiadro napełniamy wodą za pomocą węża umieszczonego pod powierzchnią wody, co eliminuje rozbryzgi wody.
Niedawno GEA opracowała bardzo potrzebne rozwiązanie polegające na usuwaniu z wirującego systemu niezwykle wrażliwych na ścinanie komórek, takich jak okrzemki oraz haptofity, bez naruszania ich czy niszczenia, co jest ważne, gdyż wskaźniki obumierania potrafią wynosić ponad 90% nawet przy zmniejszonych prędkościach. Większość przetwarzanych produktów można poddać działaniu ostrych procesów bez powodowania negatywnych skutków; podczas zwykłego procesu wyrzutu misa pozostaje otwarta przy pełnej i ograniczonej prędkości, a zgromadzone cząstki stałe są po prostu wystrzeliwane do łapacza.
W wypadku glonów wirówka zagęszcza komórki i zbija je podczas działania do postaci cząstek stałych, które tworzą się na obrzeżach misy – dokładnie w tym miejscu wirówki, w którym siły odśrodkowe są najwyższe. Kluczowe rozwiązanie GEA polegało na znalezieniu sposobu na spowolnienie tych cząstek stałych podczas procesu wyrzutu, udało się dzięki temu zmniejszyć prędkość, z jaką komórki zderzają się ze ścianką łapacza. Doprowadziło to do opracowania przez GEA hydraulicznego mechanizmu wspomagającego hamowanie wyrzutu. Mechanizm wspomagający hamowanie to zasłona cieczy, przez którą przelatują wyrzucane cząstki stałe. Jest on oparty na szeregu dysz rozpyłowych zamontowanych na łapaczu: system sterowania uruchamia dysze tuż po załączeniu tłoka, a do łapacza wpuszczana jest zasłona cieczy, która znacząco spowalnia albo hamuje prędkość wyrzucania cząstek stałych. Najczęściej używaną cieczą jest woda, ale zastosować można również oddzieloną fazę czystą. Ponieważ dysze rozpylają ciecz przez bardzo krótki okres po uruchomieniu drugiego tłoka, zagęszczone glony są ponownie rozcieńczane tylko w minimalnym stopniu.
Przekrój poprzeczny separatora GEA ze schematem przepływu cieczy oraz systemem spustowym.
Nowa funkcja pozwala ograniczyć straty produkcyjne z 95 do 2 procent.
W 2018 roku fabryka OP Bio w Japonii, która bada i opracowuje produkty naturalne pochodzące z zasobów morskich w celu ewentualnego zastosowania w produkcji leków oraz substancji czynnych, zaczęła korzystać z nowego hydraulicznego mechanizmu hamującego od GEA. Przy konwencjonalnym systemie wyrzutu 95 procent komórek glonowych ulegało zniszczeniu na etapie wylotu. Dzięki nowej funkcji wspomagania wskaźnik utraty komórek alg zmniejszono do zaledwie 2 procent, co znacznie obniża koszty oraz podnosi wydajność. Dlatego obecnie fabryka OP Bio może z powodzeniem przetwarzać za pomocą wirówek nawet najwrażliwsze komórki glonów.
Pomagamy w zaspokojeniu globalnego popytu na produkty z glonów
W wypadku start-upów oraz przedsiębiorstw w branży glonów to finansowanie pozwala przenieść proces z laboratorium do fazy produkcji pilotażowej. Inwestorzy szukają zasadniczo dowodów na skuteczność danej technologii w małej skali albo możliwość rozwinięcia jej pod kątem produkcji kilku ton biomasy glonowej albo kilku ton oleju z alg. Dopiero po uzyskaniu takich dowodów są skłonni odkręcić kurek z finansowaniem. Skalę produkcji oraz przetwarzania glonów można podnieść dzięki dwóm kluczowym czynnikom: mniejszemu zużyciu energii oraz niższym kosztom roboczym.
Od 2015 roku GEA wspiera francuski startup biotechnologiczny. Pomagać zaczęliśmy podczas fabrycznych testów oddzielania. Współpraca z GEA pomogła klientowi opracować unikatowy proces zbierania glonów w wyniku którego na przemysłową skalę produkowana jest wysokiej jakości biomasa z mikroglonów, używana do produkcji paszy dla zwierząt, żywności oraz kosmetyków. Separator dyszowy GEA viscon® jest na przykład używany do oddzielania cudzożywnych mikroglonów, co pozwala uzyskać jednolity koncentrat z glonów o maksymalnej zawartości substancji suchej z użyciem urządzenia o wysokiej wydajności oddzielania i z funkcją pełnego czyszczenia w obiegu zamkniętym (CIP).
Również holenderska spółka Duplaco wykorzystuje praktyczne umiejętności GEA w obszarze oddzielania i dzięki nim przetwarza mikroglony Chlorella, hodowane metodą fermentacji heterotroficznej. Algi te są wykorzystywane w produkcji zdrowej żywności, na przykład koktajli, burgerów czy smarowideł z glonów, a także w segmencie suplementów diety oraz paszy dla zwierząt. Rozwiązania GEA pomagają zapewnić wysoką jakość proszku z alg i suplementów diety marki Duplaco – pozwalają osiągnąć maksymalną spójność, minimalizują koszty energii oraz powierzchnię produkcji.
Możliwość wczesnego nawiązania współpracy jest kluczowa w wypadku opracowywania procesów uprawy glonów, zwłaszcza biorąc pod uwagę potrzebę ograniczenia produkcji oraz kosztów jednostkowych”. – mówi Alexander Piek, kierownik ds. zastosowań – Oddzielanie, Glony, GEA Renewables
– mówi Alexander Piek, kierownik ds. zastosowań – Oddzielanie, Glony, GEA Renewables
Rosnące zainteresowanie uszlachetnianiem glonów z myślą o zrównoważonej produkcji żywności skłoniło GEA i kilku partnerów ze świata nauki i biznesu w UE do stworzenia w 2016 roku projektu Zrównoważonej Biorafinerii Glonów na rzecz Rolnictwa i Akwakultury (Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture and Aquaculture, SABANA). W ramach finansowanej przez UE inicjatywy Horizon 2020 zespół opracował dużą, opartą na mikroglonach biorafinerię do produkcji paszy oraz dodatków paszowych, w tym biostymulatorów, bionawozów oraz biopestycydów, wykazującą techniczny, środowiskowy oraz społeczny potencjał do produkcji cennych dwuskładnikowych produktów z glonami z użyciem jedynie wody morskiej oraz ścieków jako źródła substancji odżywczych*.
W kategorii biopestycydów zespół rozwija, testuje oraz przetwarza szczepy glonów z substancjami przeciwdrobnoustrojowymi pozwalającymi zwalczać różne patogeny roślinne. GEA oferuje doświadczenie oraz dostarcza sprzęt do przetwarzania biomasy wrażliwej, w tym wirówki do zbierania oraz zagęszczania mikroglonów, homogenizatory do rozrywania komórek oraz suszarki rozpyłowe do suszenia biomasy, aby substancje czynne można było następnie przetestować. Wyniki będą dostępne pod koniec 2021 roku.
Fotobioreaktory rurowe produkujące mikroglony w instalacji badawczo-rozwojowej SABANA R&D, centrum badawcze IFAPA, Almeria, Hiszpania. Podziękowania dla: SABANA
GEA ma narzędzie, które wykona pracę
Na potrzeby procesu zagęszczania GEA oferuje kilka wirówek oraz dekanterów, każdy ma indywidualne zalety oraz jest dostosowany do danego rodzaju glonów i warunków uprawy. Wybór separatora zależy również od przetwarzanej ilości, lepkości produktu, zawartości cząstek stałych, wartości pH w bulionie fermentacyjnym oraz struktury komórek. Dekanter GEA stanowi kolejny etap przetwarzania oraz umożliwia dalsze zagęszczanie oraz osuszanie biomasy lub klasyfikowanie mikroglonów.
Homogenizatory GEA są idealnym narzędziem do przetwarzania czerwonych i zielonych mikroalg, dostarczają surowiec doskonałej jakości, wymagany w produkcji suplementów diety oraz witamin a także biomateriałów lub biotworzyw. Technologia jest oparta na niezawodnych i długotrwałych komponentach, które spełniają wymogi sterylności, i pozwala otrzymać produkty w pełni zgodne ze wszystkimi regulacjami. Homogenizacja to proces mechaniczny, który pozwala rozerwać zewnętrzne ścianki komórkowe z siłą do 1500 barów, aby uwolnić płyn wewnątrzkomórkowy. Oferuje zalety pod względem niezawodności oraz odzyskania ogólnych kosztów użytkowania, dzięki:
- Szybkości i ciągłości procesu.
- 100% powtarzalności wyników uzyskanych w laboratorium podczas produkcji na skalę przemysłową.
- Możliwości dostosowania ciśnienia w celu określenia właściwego stopnia rozerwania komórek.
- Braku ryzyka zanieczyszczenia produktu przez inne substancje.
Wirówki potrafią usuwać większość wolnej wody z zawiesiny glonów, lecz do niektórych zastosowań wymagany jest proszek z alg, co wymusza suszenie rozpyłowe. Suchy proszek z alg stanowi wysokiej jakości białko i może być używany jako dodatek do paszy dla zwierząt.
* Projekt jest finansowany w ramach programu ramowego UE w zakresie badań naukowych i innowacji (Horizon 2020) na podstawie Umowy o dotację nr 727874.
