Euroopan unioni Vipuvoimaa EU:lta

Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) rahoittaman hankkeen kuvaus

1 Hanke

Hankekoodi: A71035

Hankkeen nimi: LEVARBIO - Levien arvokkaiden biomolekyylien ja biomassan hyödyntäminen ravinnossa, rehuna ja energiana

Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen

Erityistavoite: 3.2. Uusiutuvan energian ja energiatehokkaiden ratkaisujen kehittäminen

Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.9.2015 ja päättyy 31.12.2017

Toiminnan tila: Toiminta päättynyt

Vastuuviranomainen: Uudenmaan liitto

2 Hakijan perustiedot

Hakijan virallinen nimi: Helsingin yliopisto

Organisaatiotyyppi: Yliopisto

Y-tunnus: 0313471-7

Jakeluosoite: Niemenkatu 73

Puhelinnumero: +3582941911

Postinumero: 15140

Postitoimipaikka: Lahti

WWW-osoite: http://www.helsinki.fi

Hankkeen yhteyshenkilön nimi: ROMANTSCHUK, MARTIN LEOPOLD

Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: PROFESSORI

Yhteyshenkilön sähköpostisoite: martin.romantschuk(at)helsinki.fi

Yhteyshenkilön puhelinnumero: +358414401421

Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely: Hakijoita on useampi kuin yksi (yhteishanke)

Osatoteuttajat

Suomen ympäristökeskus SYKE, 0996189-5
Hämeen ammattikorkeakoulu Oy, 2617489-3

3 Suunnitelman mukainen tiivistelmä toteutuksesta

LEVARBIO-hankkeessa hyödynnetään mikrolevien nopeaa kasvua mahdollisimman monipuolisesti. Hanke vastaa tarpeeseen kehittää hajautettua uusiutuvan energian kannattavaa tuotantoa, edistää ravinnekierrätystä, rehutuotannon omavaraisuutta ja biomassan jalostamista arvotuotteiksi. Levät ovat potentiaalisia uusiutuvan energian lähteitä: biodieseliä lipideistä ja biokaasua muusta biomassasta. Jotta uusiutuvan energian tuotanto leväkasvatuksen kautta saataisiin kannattavaksi, pitää se integroida osaksi ravinnekierrätystä, ja hyödyntää levän tuottamia ainesosia tehokkaasti, huomioiden kunkin potentiaalisen tuotteen kysyntä ja hinta markkinoilla. Aikaisempien ja käynnissä olevien hankkeiden (mm. Tekes-hanke ALGOMEG) perusteella tiedämme, että taloudellisesti optimaalinen tulos saadaan ottamalla leväkasvatuksen vaatimat ravinteet sivu- ja jätevirroista, uuttamalla arvokkaat fraktiot, kuten lipidit, ja biokaasuttamalla muu biomassa.

Hankkeen tavoitteena on parantaa levän potentiaalia uusiutuvan energian lähteenä, integroimalla tähän edullisten ravinnelähteiden käyttö leväkasvatuksessa ja levästä erotettujen arvojakeiden tuottaminen ja monipuoliset käyttösovellukset, mm. rehu-, elintarvike-, energia- ja lannoitekäytössä. Hankkeessa kartoitetaan ja testataan elintarviketeollisuuden hyödyntämättömiä sivuvirtoja, jätteidenkäsittelyn suoto- ja jätevesiä sekä maatilatasolla syntyviä sivuvirtoja levien ravinnelähteenä ja kasvualustana. Leväkasvatusta optimoidaan haluttujen tuote- ja energiasaantojen maksimoimiseksi. Samalla kehitetään leväkasvatuksen, kuin myös leväbiomassan erotusvaiheen skaalausta laboratoriotasolta isompaan mittakaavaan. Käytännössä optimoidaan leväbiomassan uuttovaihetta, jolla saadaan talteen levän arvokkaita komponentteja, kuten omega-rasvahapot, vitamiinit, pigmentit. Näin erotettuja arvojakeita testataan erilaisissa tuotteissa, ja selvitetään lopun leväbiomassan biokaasutuottopotentiaalia. Koko hankkeen ajan kehitetään eri sovelluskohteisiin (esim. integrointi teollisuuteen, kotieläintuotantoon ja jätevesien/jätteiden käsittelyyn) kokonaiskonseptiratkaisuja, joiden toteutettavuutta ja kannattavuutta arvioidaan laskennallisesti.

Hankkeen tuloksena edistetään sivu- ja jätevirtojen hyödyntämistä sekä saadaan tietoa leväkasvatuksen mahdollisuuksista ja vaatimuksista tiettyjen arvotuotteiden tuottamiseksi ja hyödyntämiseksi eri käyttösovelluksissa. Tarkasteluun valittujen kokonaiskonseptien osalta saadaan selville kannattavuuteen vaikuttavat keskeisest tekijät.

Hankkeen päätoteuttajana on Helsingin yliopisto (Lahti, Viikki), ja osatoteuttajina Hämeen ammattikorkeakoulu ja Suomen ympäristökeskus. Yhteistyötahoina on useita, kaikkia mukana olevia maakuntia edustavia yrityksiä, jotka ovat kiinnostuneita antamaan asiantuntemustaan ja toisaalta hyödyntämään LEVARBIO-hankkeen tuloksia ja tuotteita.

4 Hankkeen kohderyhmät

4.1 Varsinaiset kohderyhmät

Hanke hyödyttää toimijoita koko ketjussa - leväkasvatukseen tarvittavien ravinnepitoisten sivuvirtojen ja jätevesien tuottajista, levistä erotettavien tuotteiden ja uusiutuvan energian käyttäjiin eri sovelluskohteissa.

Ravinnepitoisia leväkasvatukseen soveltuvia vesiä (rejekti-, suoto ja jätevesiä) syntyy biologisilla käsittelylaitoksilla, kuten biokaasulaitoksilla. Näitä vesiä syntyy yleisesti myös elintarviketeollisuudessa ja maataloudessa. Näissä olevien ravinteiden saaminen kiertoon leväkasvatuksen ja hyödyntämisen kautta on merkittävä asia. Hankkeessa tässä mielessä mukana on elintarviketeollisuutta: Senson Oy, Panimolaboratorio (tätä kautta neljä panimoa/virvoitusjuomatehdasta) ja Hämeenlinnan Osuusmeijeri, sekä biohajoavien jätteiden käsittelijöitä (Kiertokapula Oy ja Envor Biotech Oy). Kytkentä maatalouteen voi tulla joko kotieläintilalla suoraan muodostuvien vesien tai tilatason biokaasulaitoksen rejektiveden hyödyntämisen kautta. Sivuvirtojen arvojakeiden rikastaminen biomassaan antaa huomattavaa lisäarvoa jätefraktioiden hyödyntämiseen.

Paitsi ravinnepitoisten vesien tuottajina, niin kaikki em. tahot ovat myös potentiaalisia kohdealueita levä-biojalostamoille, ja mahdollisesti tuotteiden hyödyntäjiäkin. Leväbiojalostamon kytkeminen alueen maatalouteen edustaa Suomen mitassa merkittävää edelläkävijyyttä, ravinnekierrätyksen, ravinne- ja valkuaisomavaraisuuden edistämisessä ja hajautetussa energiatuotannossa. Tässä hankkeessa alueellista tarkastelua tehdään HAMK Mustialan tilan puitteissa, ja hanke kiinnostaa maatalousyrittäjiä laajemminkin sekä MTK-Hämettä. Toisaalta, leväbiojalostamon sijoittaminen osaksi jätteidenkäsittelyä toisi näille alueille kaivattua ”vihertävää leimaa”. Tätä mahdollisuutta hankkeessa tarkastellaan Karanojan jätteidenkäsittelyalueen näkökulmasta.

Varsinaiseen leväkasvatukseen satsaavia ja erikoistuvia yrityksiä on Suomessa vielä vähän, mutta näille, ja uusillekin yritykselle tällä sektorilla hanke tuottaa arvokasta tietoa. Vastaavasti myös levien konsentrointiin, fraktiointiin ja puhdistukseen erikoistuville uusille yrityksille. Tällä hetkellä tähän kehitykseen tähtääviä, hankkeessa mukana olevia yrityksiä ovat Clewer Oy, Ductor Oy ja Aromtech Oy.

Levistä erotettavien komponenttien, arvojakeiden, hyödyntäjätahoja on useita: ravintolisiä tuottavat yritykset (tässä Valioravinto Oy), ravintolisiä tuotteissaan käyttävät yritykset (Valioravinto Oy, Olini Oy), rehutuottajat (Raisio Oy) ja toisaalta uusia bioaktiivisia aineita etsivät yritykset (ROAL Oy). Paitsi elintarvike-, lemmikkieläinruoka- ja rehusovellukset, niin erikoissovelluskohteena ovat myös kasvi- ja mäntyöljypohjaiset puhdistusaineet. Kiinnostusta tässä mielessä hankkeessa edustaa riihimäkeläinen yritys Tekno-Forest Oy/Pineline. Yritysyhteistyötä ja alan konsultointia puolestaan tarjoavat LADEC ja Environment Master Oy, jotka molemmat ovat mukana tavoitteissaa suppeammassa sisarhankkeessa ALGOMEG. Näin ollen, kaikista mukana olevista maakunnista on useita yrityksiä mukana yhteistyössä, neuvonanajina ja potentiaalisina tulevaisuuden hyödyntäjinä.

4.2 Välilliset kohderyhmät

Välillisiä kohderyhmiä ovat mukana olevat tutkimus- ja koulutusympäristöt sekä niissä toimiva henkilöstö ja opiskelijat. Uudesta tiedosta, ja aikanaan mahdollisesti markkinoille tulevista uusista leväpohjaisista tuotteista hyötyvät välillisesti myös kaikki kuluttajat, erityisesti kasviruokavaliota noudattavat, kuin myös kalaa ja erilaisia ravintolisiä käyttävät kuluttajat.
Välilillisinä hyötyjinä voidaan pitää myös Suomen rehevöitymisuhan alaiset vesistöt sekä rehuna nykyisellään käytetyt kalakannat.

5 Projektin julkinen rahoitus, euroa

Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 315 000

Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 307 038

Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 450 000

Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 439 143

6 Maantieteellinen kohdealue

Maakunnat: Päijät-Häme, Uusimaa, Kanta-Häme

Seutukunnat: Forssan, Helsingin, Hämeenlinnan, Riihimäen, Lahden

Kunnat: Tammela, Hyvinkää, Hämeenlinna, Riihimäki, Lahti, Helsinki, Forssa

Toteutuspaikan osoite, jos hanke toteutetaan yhdessä paikassa

Jakeluosoite:

Postinumero:

Postitoimipaikka:

7 Hakemusvaiheessa ilmoitettavat arviot hankekohtaisista seurantiedoista

7.1 Uusien työpaikkojen määrä (kysytään vain erityistavoitteisiin 1.1, 2.1 ja 3.1 kuuluvissa hankkeissa)

Suunniteltu: 0, joihin työllistyvät naiset 0

Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0, joihin työllistyvät naiset 0

7.2 Uusien yritysten määrä (kysytään vain erityistavoitteeseen 1.1 kuuluvissa hankkeissa)

Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0

Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0, joista naisten perustamia 0

8 Horisontaaliset periaatteet

8.1 Sukupuolten tasa-arvo

Hankkeessa on tehty toimintaympäristön analyysi sukupuolinäkökulmasta: Ei
Sukupuolijakautuma toteutuu hankkeesta riippumattomasti niin, että hanketoteuttajista enemmistö yleensä on naisia.
Sukupuolinäkökulma on huomioitu hankkeen toiminnassa (valtavirtaistaminen): Ei
Sukupuolijakautuma toteutuu hankkeesta riippumattomasti niin, että enemmistö yleensä on naisia.
Hankkeen päätavoite on sukupuolten tasa-arvon edistäminen: Ei
Oheistavoitteena on tasa-arvon edistäminen, mutta ei päätavoite. Sukupuolijakautuma toteutuu hankkeesta riippumattomasti niin, että enemmistö on naisia.

8.2 Kestävä kehitys

VälitönVälillinen
Ekologinen kestävyys
Luonnonvarojen käytön kestävyys 9 9
Kalakantojen supistuessa maailmanlaajuisesti kaivataan vaihtoehtoisia lähteitä LEVARBIOn tutteille ravintolisänä ja rehuna. Tuotteet muodostavat EPA, DHA lähteen vegetaarisessa ruokavaliossa.
Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen 3 3
Kalan (eli lihan)käyttö rehuna kasvatettaville petokaloille korvautuu, jolloin koko kalasaalis voidaan käyttää ihmisravinnoksi: ryöstökalastus vähenee.
Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus 5 9
Ryöstökalastettujen kalakantojen kestävyys taataan/parannetaan kun kalasaalista ei mene rehuksi.
Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) 5 5
Rejektillä tuotettu biokaasu korvaa fossiilisia polttoaineita. Biokaasuprosessin rejektistä muodostuu peltolannoite korvaamaan mineraalipohjaisia lannoitteita.
Natura 2000 -ohjelman kohteet 0 0
Ei vaikutusta
Taloudellinen kestävyys
Materiaalit ja jätteet 3 5
Rehujen ja ravinnetuotteiden tuontiraaka-aineiden määrä vähentyy ja jätteenkäsittelyn kokonaiskustannukset alentuvat.
Uusiutuvien energialähteiden käyttö 2 5
Levänkäsittelyn sivuvirtojen hyödyntäminen biokaasun tuotannossa. Muusta energian käytöstä vapautuneen hiilidioksidin sitominen kasvavaan levään antaa päästökauppamahdollisuuden.
Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen 5 3
Jätehuoltotoimijoiden ja teollisuuden kestävän toiminnan edistäminen, kiertotalouden keinoin. Maatilojen sivuvirroista tuotetun leväraaka-aineen hyödyntäminen maataloudessa lisää paikallista omavaraisuutta.
Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen 2 5
Erilaisten levän tuotantokasvatukseen tarvittavien analyysi- ja neuvontapalvelujen kehittäminen.
Liikkuminen ja logistiikka 1 2
Maatilojen rehunkäyttöön ja sivuvirtojen käsittelyyn liittyvien logistiikkakustannusten alentuminen.
Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus
Hyvinvoinnin edistäminen 0 0
Työllisyyden ja maaseudun elinvoimaisuuden lisääminen uusien mahdollisuuksien luomisen ja uuden yritystoiminnan kautta.
Tasa-arvon edistäminen 0 0
Ei suoranaista vaikutusta, mutta ei myöskään tasa-arvovastaisia vaikutuksia.
Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus 0 0
Ei vaikutusta
Kulttuuriympäristö 0 0
Ei vaikutusta
Ympäristöosaaminen 0 0
Ravinnepitoisten sivuvirtojen ja jätevesien parempi paikallinen hyödyntäminen lisää käytännön ympäristöosaamsista.

9 Loppuraportin tiivistelmä

Levarbio-hankkeessa (9/2015-12/2017) tutkittiin mikrolevien tuottamista erilaisissa ravinnepitoisissa sivuvirroissa, ja näin tuotetun leväbiomassan ja siitä erotettujen arvojakeiden monipuolista hyödyntämistä mm. rehuna, ravintona, lannoitteena ja biokaasuenergiana. Hankkeessa optimointiin haluttujen metaboliatuotteiden tuoton tehostamista ja kartoitettiin leväkasvatukseen soveltuvia sivuvirtoja. Lisäksi tutkittiin sivuvirroissa esiintyvien arvojakeiden rikastamista leväbiomassaan arvokomponenttien talteen keräämiseksi. Tavoitteena oli parantaa levän potentiaalia uusiutuvan energian tuotannossa integroimalla teollisten/maatalouden sivuvirtojen ravinteiden kierrätys leväbiomassan tuotantoon ja levätuotteiden monipuoliseen hyödyntämiseen. Hankkeen aikana sekä levän kasvatus että uuttoprosessi (ylikriittinen CO2 uutto, SFE) skaalattiin pilot-mittakaavaan. Hankkeessa tehtiin kokonaiskonseptitarkasteluja taloudellisuuden arvioimiseksi. Hankkeessa levää kasvatettiin RAS-laitoksen jätevedessä, jätteenkäsittelyalueen suotovedessä, mallastamon, hiivan tuotannon ja meijerin sivuvirroissa sekä biokaasulaitosten rejektivesissä. Leväbiomassoista tutkittiin mm. rasvahappokoostumus, pigmenttien ja vitamiinien tuotto sekä proteiini- ja paramylon-pitoisuus. Myös aminohappokoostumus määritettiin.
Leväbiomassan koostumus vaihtelee levälajin, kasvualustan koostumuksen ja kasvuolojen mukaan. Sivuvirroissa tuotettu mikroleväbiomassa sisälsi monityydyttymättömiä rasvahappoja parhaimmillaan yli 60 % kokonaisrasvahappojen määrästä, josta EPA:n, DHA:n ja ARA:n osuus oli yli 25 %. Sivuvirroissa tuotetut biomassat sisälsivät paljon proteiinia, keskimäärin 50–60 %. Lisäksi tutkittujen leväbiomassojen proteiinien aminohappokoostumus todettiin rypsin ja soijan veroiseksi sisältäen kaikkia välttämättömiä aminohappoja. Suurin mitattu kokonaiskarotenoidipitoisuus oli 11 700 µg/g. Osa mikrolevistä tuottaa varastohiilihydraattina, beeta-1,3-glukaania (paramylon), jonka osuus biomassoissa oli 10–30 %. Vitamiineista alfa-tokoferolia tuotettiin parhaimmillaan yli 1000 µg/g ja folaattiakin kaupallisiin leväjauheisiin verrattavia määriä (3–16 µg/g). Hankkeen aikana saatiin vahvistusta myös sille, että mikroleviin konsentroituu jonkin verran B12-vitamiina tiettyjen bakteerien tuottamana tai suuriakin määriä, jos kasvatusalusta sisältää B12-vitamiinia.
Pilot-mittakaavan SFE-uutolla uuttui noin 50 % lähtömateriaalin rasvoista. SFE uutti tehokkaasti lyhytketjuiset alkoholien kanssa esteröityneet rasvahapot (C12-C15) sekä tokoferolin, mutta pitkäketjuisten, ravitsemuksen kannalta oleellisten rasvahappojen uuttuminen oli heikkoa ja uuttomenetelmä tähän tarkoitukseen vaatii modifiointia. Proteiinipitoisuus ja aminohappokoostumus säilyivät uuton aikana muuttumattomina.. Folaattia tuhoutui jonkin verran korkeassa lämpötilassa, mutta B12-vitamiini säilyi vahingoittumattomana. Uuttojäännöksen biokaasuenergiapotentiaali oli n. 15 % lähtömateriaalin tuottoa alempi, johtuen uutossa poistuneesta rasvasta. Biokaasuenergiatuotossa todettiin kuitenkin merkittävää lajikohtaista vaihtelua, mikä oli selitettävissä levien soluseinän rakenne-eroilla.
Leväbiomassan talteenottoon testattiin kalvosuodatusta, mitä varten teetettiin hankkeessa tuotetuille mikroleville soveltuva mikrosuodinyksikkö. Työssä määritettiin kyseiselle suodatukselle sopivat ajoparametrit, ja jatkuvatoimisessa ajossa saavutettiin kapasiteetti 80 litraa/m2h. Käytännössä tällainen suodatusjärjestelmä voisi toimia esikonsentrointina ennen levän keräämistä sentrifugoimalla.
Ravinteiden poisto sivuvirroista mikrolevien avulla oli tehokasta, mutta typen (N) ja fosforin (P) poistumaan vaikutti N:P -suhde. Sivuvirroista, joissa N:P -suhde levien tarpeeseen nähden oli tasapainossa, molemmat ravinteet poistuivat. Yleisesti voidaan todeta levän kasvatuksen soveltuvan erinomaisesti ravinteiden kierrätykseen. Lisäksi sivuvirtojen ja jätevesien hyödyntäminen levien ravinnelähteenä on järkevää, koska tällöin vältetään teollisten ravinteiden käyttö. Kasvatettaessa mikroleviä jätteestä saatavilla ravinteilla, saattaa hyötykäyttöä osin rajoittaa jäteveden koostumus. Esimerkiksi biokaasulaitoksen rejektivedestä saattaa kertyä leväbiomassaan haitta-aineita. Sen sijaan mm. mallastamon sivuvirtojen voidaan olettaa olevan turvallisia elintarvikelaatuisen biomassan tuotossa.
Tässä hankkeessa tehtiin konseptitarkastelu koskien jätteenkäsittelyalueen suotoveden ravinteiden poistoa leväkasvatuksella, ja tuotetun levän hyödyntämistä ravinneköyhän puutarhajätekompostin N-pitoisuuden parantajana. Leväkasvatus käytti tehokkaasti suotoveden ravinteet, mikä käytännössä alentaa suotoveden käsittelykustannuksia, ts. jätevesimaksua. Kompostituotannossa puolestaan vähennettiin ostotypen tarvetta. Tarkasteltu leväsovelluskonsepti osoittautui potentiaaliseksi ja sen kehittäminen jatkuu uudessa hankkeessa.
Toinen mielenkiintoinen hankkeessa tarkasteltu sovellus liittyi maitotilan ravinnekierrätyksen ja valkuaisomavaraisuuden parantamiseen leväkasvatuksen avulla. Tarkastelu kohdennettiin HAMKin Mustialan tilalle, ja tavoitteeksi otettiin tilan ostorehuvalkuaisen korvaaminen levävalkuaisella. Tarkasteluhetkellä ostorehuvalkuaisen osuus kokonaisrehuvalkuaisesta oli 40%. Levä tuotettiin tilan lietelantaa ja peltobiomassaa hyödyntävän biokaasureaktorin rejektivedessä. Tarkastelu osoitti, että näiden syötteiden sisältämä ja levään akkumuoloituva typpi riittää korvaamaan kaikki tilan ostorehujen valkuaisen, eli valkuaisomavaraisuus on mahdollista saavuttaa. Paras kokonaishyöty kuitenkin saavutetaan, kun vain osa rejektivedestä käytetään leväkasvatukseen ja loppu lannoitteeksi.
Hanke osoitti, että leväkasvatukseen soveltuvien sivuvirtojen/jätevesien alueellinen saatavuus on hyvä ja alueen yritysten kiinnostus uusia innovatiivisia ja elinkeinoelämää tukevia ratkaisuja kohtaan kiitettävää. Hankkeen tuloksia tullaan hyödyntämään jatkohankkeissa: Tekesin rahoittamassa “Levätehdas-hankkeessa” keskitytään leväliiketoiminnan kaupallistamiseen, RaKi2-ohjelma-hankkeessa “Leväsieppari - ravinteet talteen ja kiertoon luonnonmukaisesti” (2018-2020) keskitytään ravinnekierrätyksen tehostamiseen levätuotannon avulla ja Food Kic –education -ohjelmassa koulutetaan alan uusia osaajia.