Pieter Oostlander

Wageningen University

Deel dit project

Publicatiedatum: 6 oktober 2020

Universiteit: Wageningen University

ISBN: 978-94-6395-321-4

Industrial microalgae production for aquaculture hatcheries

Samenvatting

In dit proefschrift wordt het onderzoek beschreven naar de kostprijs van micro-algenproductie voor de aquacultuurindustrie en het effect van kostenverlagende maatregelen op de kwaliteit van de geproduceerde biomassa. De kostprijs van micro-algenproductie in aquacultuur-broedhuizen en strategieën om deze kosten te verlagen zijn onderzocht aan de hand van een techno-economisch model. De alg Rhodomonas sp. is gebruikt als modelalg voor de productie van algen in de aquacultuur in experimenteel werk op laboratoriumschaal en piloot-schaal. In deze experimenten is specifiek gekeken naar de efficiëntie van lichtgebruik door de alg; de biomassa-opbrengst op licht. De kwaliteit van de geproduceerde algen is bestudeerd door de vetzuurconcentratie en de vetzuursamenstelling van de biomassa te bepalen.

De kostprijs van algenproductie in de aquacultuur

De kostprijs van algenproductie voor toepassingen in aquacultuur-broedhuizen wordt berekend met een techno-economisch model dat is ontwikkeld als onderdeel van dit proefschrift en staat beschreven in hoofdstuk 2. Het techno-economische model is ontworpen in samenwerking met Nederlandse aquacultuur-broedhuizen waar algenproductie op commerciële schaal wordt uitgevoerd. Aannames en inputwaardes voor het model, waaronder de biomassa-opbrengst op licht, zijn gebaseerd op algenproductiefaciliteiten in de Nederlandse aquacultuur. In het techno-economische model wordt de kostprijs van algenproductie in twee verschillende typen productiesystemen beschreven. Modulaire productiesystemen beschrijven algenproductiesystemen van lage complexiteit waarbij op grotere schaal meer reactoren van hetzelfde volume worden toegepast. Dit type systeem is gebaseerd op de veelgebruikte bellenkolommen uit de aquaculture. Buizenreactoren zijn gebruikt als basis voor de berekeningen voor schaalbare productiesystemen. Op grotere schaal wordt bij dit soort productiesystemen een grotere reactor gebruikt in plaats van meerdere kleine reactoren.

In de Nederlandse broedhuizen wordt over het algemeen gebruikgemaakt van algenproductiesystemen met een algenproductiecapaciteit van ongeveer 125 kg droge stof algen (kgDW) per jaar. Op deze schaal is de kostprijs van de modulaire systemen het hoogst. De algen geproduceerd in de modulaire systemen hebben een kostprijs van €587 kgDW-1 indien gebruikgemaakt wordt van kunstlicht. De kostprijs van algen geproduceerd in modulaire systemen geplaatst in een kas waarbij er gebruikgemaakt wordt van zonlicht is €573 kgDW-1. De algen geproduceerd in schaalbare reactoren hebben een kostprijs van €290 kgDW-1 bij gebruik van kunstlicht en €329 kgDW-1 wanneer zonlicht wordt gebruikt.

Er zijn drie belangrijke strategieën voor het verminderen van de productiekosten: 1) verhogen van de biomassa-opbrengst op licht, 2) toepassen van meer kunstlicht en 3) verminderen van de benodigde arbeid. De kostprijs kan gereduceerd worden tot € 96 kgDW-1 als deze kostenbesparende strategieën gecombineerd worden op dezelfde productieschaal van 20 m2. Dit is de kostprijs voor het gebruik van schaalbare productiesystemen die gebruikmaken van kunstlicht. De productie van biomassa in een grotere productiefaciliteit met een oppervlak van 1500 m2 kan de kostprijs laten dalen naar €23,47 kgDW-1 indien er gebruikgemaakt wordt van schaalbare reactorsystemen en de kostenbesparende strategieën worden toegepast. De biomassaproductiecapaciteit van dit scenario is 6892 kgDW jaar-1. Het toepassen van schaalbare reactorsystemen is een belangrijke stap om tot kostenefficiënte micro-algenproductie te komen in de aquacultuur. Het gebruik van de modulaire systemen zal in alle scenario’s leiden tot een hogere kostprijs voor de geproduceerde biomassa.

Effect van licht en temperatuur op Rhodomonas sp.

In hoofdstuk 3 van deze thesis wordt de continue productie van Rhodomonas sp. op laboratoriumschaal beschreven. Dit is de eerste studie beschikbaar in de literatuur waarin continue productie van Rhodomonas sp. beschreven wordt. De invloed van zowel de lichtintensiteit als de watertemperatuur op Rhodomonas sp. is onderzocht. De groeisnelheid, de biomassa-opbrengst op licht en de vetzuurconcentratie en vetzuursamenstelling in de biomassa zijn onderzocht. Een ruime reeks aan temperatuurcondities (15-30 °C) en lichtintensiteiten (60-600 µmol m-2 s-1) is getest onder verschillende combinaties. De resultaten laten zien dat Rhodomonas sp. groeit met groeisnelheden tot boven de 1.0 d-1. Er zijn biomassaproductiewaardes hoger dan 1.5 g l-1 d-1 gemeten. De hoogst behaalde biomassa-opbrengst op licht was 0.87 g mol-1 en werd behaald bij een temperatuur van 22-24 °C en lichtintensiteit van 110-220 µmol m-2 s-1. De vetzuurconcentraties in de biomassa fluctueren tussen de 8-10% van het drooggewicht. De EPA+DHA concentraties wisselen tussen de 14-25% van de totale vetzuurconcentratie. Zowel de vetzuurconcentratie als de EPA+DHA concentratie in de biomassa werden beïnvloed door de temperatuur, maar niet door de lichtintensiteit. De hoogste EPA+DHA concentraties ontstaan in biomassa gegroeid bij lagere temperaturen.

Vetzuurconcentraties in Rhodomonas sp. onder dag:nacht ritmes voor temperatuur en licht

In hoofdstuk 4 worden experimenten beschreven waarin het effect van dagelijks fluctuerende licht- en temperatuurcondities op de biomassa-opbrengst op licht en de vetzuurconcentratie en de vetzuursamenstelling wordt bestudeerd. Gesynchroniseerde cellen van Rhodomonas sp. werden bestudeerd onder dag:nacht fluctuaties voor temperatuur en licht. Indien een dag:nacht ritme werd toegepast bij groeicondities waarbij een maximale biomassa-opbrengst op licht bereikt werd, zoals beschreven in hoofdstuk 3, werd geen verhoging van deze biomassa-opbrengst op licht gevonden ten opzichte van continu licht. Bij hogere lichtintensiteit (600 µmol m-2 s-1) werd de biomassa-opbrengst op licht verhoogd met 22% onder dag:nacht ritmes ten opzichte van continu licht. De vetzuurconcentratie en de vetzuursamenstelling fluctueerden dagelijks met een dag:nacht ritme. De vetzuurconcentratie in de biomassa is het hoogst in de eerste uren na zonsopkomst (91 ± 4 mg gDW-1). De hoogste EPA+DHA concentratie (16 ± 1 mg gDW-1) is aanwezig aan het einde van de donkerperiode waarbij de temperatuur laag was.

Productie van Rhodomonas sp. met zonlicht

In hoofdstuk 5 worden experimenten beschreven waarin Rhodomonas sp. op piloot-schaal geproduceerd is in drie buizenreactoren. Deze reactoren zijn in een kas geplaatst en maken gebruik van zonlicht. In dit experiment wordt het effect van grootschalige productie op zonlicht op de opbrengst van biomassa op licht bestudeerd. Dit is de eerste studie in de literatuur die succesvolle productie van Rhodomonas sp. op zonlicht beschrijft. Rhodomonas sp. is geproduceerd in drie buizenreactoren met een volume van 200 liter per stuk gedurende een periode van 6 maanden. De groeiexperimenten vonden plaats van februari tot en met juli en vertegenwoordigen daarmee bijna alle mogelijke zonlichtcondities die voorkomen in het Nederlandse klimaat. Uit de resultaten blijkt de potentie van Rhodomonas sp. als productie-alg voor de aquacultuurindustrie. De behaalde maximum biomassaproductiviteit was 0.25 g l-1 d-1. De gemiddelde biomassa-opbrengst op licht was 0.29 ± 0.16 g mol-1. Deze waardes zijn lager dan de waardes die in laboratoriumexperimenten zijn gevonden. In laboratoriumexperimenten was de maximale biomassaproductiviteit 1.5 g l-1 d-1 en de biomassa-opbrengst op licht 0.89 g mol-1. De laboratoriumresultaten laten zien dat verdere optimalisatie van Rhodomonas sp. op piloot-schaal mogelijk is. Nieuwe laboratoriumexperimenten onder hoge lichtintensiteit kunnen de potentiële hogere biomassaproductiviteit onder zonlichtcondities aantonen.

Algemene discussie

In de algemene discussie, zoals beschreven in hoofdstuk 6, wordt de combinatie van het techno-economisch model met de experimentele data uit hoofdstukken 3, 4 en 5 beschreven. De combinatie van het techno-economische model (hoofdstuk 2) met experimentele data (hoofdstuk 3) maakt het mogelijk om een realistisch toekomstbeeld te geven over de kostenverlaging voor algenproductie in de aquacultuur. De combinatie van deze gegevens laat zien dat het optimaliseren van de groeicondities tot een grote kostenverlaging kan leiden. De kosten voor algenproductie zijn niet het laagst wanneer de groeicondities voor een maximale biomassa-opbrengst op licht worden gebruikt. Ook groeicondities die leiden tot een maximale biomassaproductiviteit leiden niet tot de laagste kostprijs voor algenproductie. Kostenefficiënte biomassaproductie voor Rhodomonas sp. in schaalbare reactoren met kunstlicht op een schaal van 100 m2 wordt bereikt bij een temperatuur van 23-25 °C en een lichtintensiteit van 400-500 µmol m-2 s-1. Hoofdstuk 3 is de eerste studie in de literatuur die Rhodomonas sp. productie onder deze groeicondities beschrijft. Het gebruik van een dag:nacht ritme met kunstlicht zorgt niet voor een kostenverlaging wanneer dit wordt toegepast op de schaal gangbaar voor algenproductie in broedhuizen in de aquacultuur. Bij een productieschaal boven de 250 m2 met schaalbare reactoren kan een kostenbesparing van ongeveer 10% worden bereikt met een dag:nacht ritme op kunstlicht. In modulaire systemen resulteert een dag:nacht ritme nooit in een kostenverlaging van de algenproductie.

De combinatie van alle experimentele data met het techno-economische model laat zien dat productie van algen voor broedhuizen in de aquacultuur gebruik moet maken van gecontroleerde groeiomstandigheden. De laagste productiekosten worden bereikt bij gebruik van schaalbare reactoren met kunstlicht. Bij gecentraliseerde productie van algen voor de aquacultuur kan de kostprijs van algenbiomassa sterk verlaagd worden ten opzichte van individuele productie waarbij gebruikgemaakt wordt van modulaire systemen. Een totale kostenbesparing van 80% kan behaald worden als de benodigde biomassahoeveelheid voor ongeveer tien broedhuizen geproduceerd zou worden in een gespecialiseerde algenproductiefaciliteit.

De combinatie van het techno-economisch model met de experimentele data is een krachtige methode voor de optimalisatie van algenproductie gericht op kostenefficiënte productie. Deze methode kan gebruikt worden voor alle algensoorten waarvan gedetailleerde gegevens bekend zijn van het effect van de groeicondities op de biomassa-opbrengst op licht en voor ieder productiescenario in de aquacultuur waarin modulaire of schaalbare algenproductiesystemen gebruikt worden.

Nomenclature