Spirulina mikrolevä ja sen uudenaikainen kasvatusmetodi | Kokeilunpaikka.fi
2

Ketterä kokeilu

-

  • Rahoitusta

Kokeilun teemat

Kiertotalous

509 katselukertaa

Kokeilu on luotu 15.06.2021

Spirulina mikrolevä ja sen uudenaikainen kasvatusmetodi

Spirulina mikrolevän kasvatus Suomessa

Miksi tämä kokeilu on tarpeellinen?

Mikrolevää kasvatetaan pääosin ns. racewaypondeissa jotka ovat ovaaleja, n. 30 senttiä syviä altaita. Sitä syvemmät altaat eivät ole mahdollisia, koska valo ei tunkeudu tarpeeksi syvälle kasvunesteeseen eli yläpuolella oleva levä varjostaa alapuolella olevaa levää. Vastaavasti on olemassa myös PBR-mallisia, suljettuja putkia joissa neste kiertää. Näiden ongelma on kuitenkin kalliit kustannukset ja mm. kaasujen vaihdon ongelma eivätkä ne ole yleistyneet. Raceway-altaissa nestettä kierrätetään siipirattaalla, jotta siihen kertynyt happi haihtuisi. Happea kertyy nesteeseen kun levä yhteyttää ja se on vapautettava nesteestä, koska muutoin liiallinen happi alkaa haittaamaan levän aineenvaihduntaa ja luo yhdisteitä nesteessä, kuten vetyperoksidi. Siipiratasta ei voida kuitenkaan pyörittää kovin kovaa, neste voi virrata vain n. 30cm/sekunnissa, koska muutoin pitkulainen levä rikkoontuu. Kuitenkaan hapen haihtumisen kannalta tuollainen vauhti ei ole riittävä. Toinen keino haihduttaa happea on ilmastaa nestettä. Tämä kuitenkin myös rikkoo levää ja mitä pienempi kuplan koko on, niin sitä enemmän on kuplan räjähdysvoima kun se saavuttaa nesteen pinnan. Kuitenkin pienemmät kuplat tehostavat kaasujen vaihduntaa, ilmastuksella nesteeseen myös saadaan levän tarvitsemaa hiilidioksidia. Suurten kuplakokojen käyttäminen on välttämätöntä vaikka ne eivät niin tehokkaasti vaihdakaan kaasuja. Teollisesti kasvatetulle levälle tarjoillaan paineistettua hiilidioksidia. Tutkimusten mukaan kuitenkin se ei imeydy nesteeseen kovin hyvin vaan jopa 80% pumpatusta hiilidioksidista haihtuu ilmakehään. Kehittelemässäni menetelmässä systeemi on suljettu ja hiilidioksidin tuottaa kompostimassa. Tällöin voidaan luopua ympäristölle ja kukkarolle kalliista paineistetun hiilidioksidin käytöstä. Spirulina tarvitsee n. 100 kertaa enemmän hiilidioksidia, mitä ilmakehässä on optimaaliseen kasvuunsa. Myös muiden parametrien tulee olla kunnossa, jotta levä voisi kasvaa tehokkaasti. Allaskasvatuksessa levä kasvaa huonosti ja tehokkaimmatkin PBR-mallit ova toimineet vain pienissä laboratoriomittakaavoissaan. Niiden skaalaaminen isommaksi on osoittautunut joko liian hankalaksi tai liian kalliiksi. Lämpötilan tulee olla n. 30 astetta, kuitenkin aina yli 20 astetta eikä koskaan ylitse 40 astetta. Talvisin lämmitys tulisi muutoin kalliiksi, mutta aerobinen kompostointi on eksoterminen eli se tuottaa huomattavasti lämpöä joka voidaan ohjata levälle. Kesällä ylimääräisestä lämmöstä voidaan tuottaa sähköä peltier-elementeillä. Elementti on ohut levy johon johdetaan sähköä niin toinen puoli kuumenee ja toinen viilenee. Vastaavasti jos levyn toista puolta lämmitetään ja toista viilennetään, niin se tuottaa sähköä. Tällaisten levyjen muodostama moduuli toimii systeemin lämmönsäätelijänä ja voi toisaalta tuottaa ylimääräisestä lämmöstä sähköä. Lisäksi levä tarvitsee ravinteita. Ravinteet muodostavat leijonaosan kasvatuksen kustannuksista: synteettinen lannoite on pysynyt samana 60-luvulta asti eli Zarrouk-ravinne jonka kehitti NASA. Vastaavasti taas luomulevän kasvatus mädätetyssä ulosteessa vaikuttaa makuun ja lisäksi on epähygienistä. Aerobisen eli lahottamisen mikrobiologisen turvallisuuden ylivertaisuus mädättämiseen verrattuna on osoitettu monessa Suomenkin tutkimuksessa. Kompostissa voidaan kompostoida myös kasviainesta. Suomessa on paljon kesantopeltoja, jotka voitaisiin niittää ja kompostoida leväksi. Tällöin ei tarvitsisi käyttää eläinperäisiä ulosteita kompostissa, koska monet kulttuurallisista syistä eivät halua syödä ulosteessa kasvatettua levää vaikka uloste oltaisiinkin kompostoitu huolella ennen sitä. Kompostireaktorissa kiintoaines erotellaan nesteestä ja kompostoinnin loputtua neste annetaan levälle. Jäljelle jäänyt kiintoaines on hyvää maanparannusainetta pelloille tai se voidaan myydä kuluttajille puutarhoihin. Neste on levän NPK-ravinne mutta tarvitaan myös mineraaleja, eritoten rautaa. Prosessissa mineraalit erotellaan luonnollisesti kivistä etikan avulla. Kun mustia kiviä, jotka siis sisältävät eniten rautaa, liotetaan etikassa muutaman viikon niin etikka muuttuu punaiseksi siihen liuenneen raudan vuoksi. Tätä etikkaliuosta annetaan levälle n. 10 ml/10 litraa ja testieni mukaan levä kasvaa sillä paremmin kuin synteettisellä vastineellaan. Lisäksi levä tarvitsee korkean pH:n n. 10-11. Emäksisyyden aikaansaamiseksi käytetään ruokasoodaa, joka on iso osa ravinnekustannuksista koska sitä käytetään runsaasti: jopa kymmeniä grammoja per litra. Ruokasooda ei kuitenkaan riitä optimaalisen pH saavuttamiseen ja sillä saadaan vain n. 9 arvo nesteeseen joka ei ole vielä levän optimi ja alhainen pH sallii myös muiden mikrobien kasvun nesteessä. Ruokasooda eli natriumbikarbonaatti toimii myös hiilen välittäjänä levälle. Bikarbonaatti on siis orgaanista hiiltä, jota levä voi käyttää hiilidioksidin sijasta. Ruokasooda tuotetaan synteettisesti tehtaissa eikä se ole siten kestävän kehityksen mukaista. Menetelmässäni pH saadaan optimitasolle tuhkan avulla. Kun tuhkaa ja vettä sekoitetaan saadaan aikaiseksi lipeää, jonka pH on jopa 14. Lipeää laimennetaan vedellä kunnes saadaan n. 10-11 pH. Lisäksi lipeä sisältää mineraaleja, typpeä, kaliumia ja fosforia jonkin verran. Lisäksi korkea pH desinfioi nestettä. Oletettavasti tuhkan raskasmetallit eivät liukene nesteeseen vaan ne saostuvat tuhkan kanssa pohjalle. Tämä pitää kuitenkin varmistaa laboratoriotestein, koska levä sitoo tehokkaasti raskasmetalleja eivätkä ne saa joutua lopputuotteeseen. Jäljellejäänyt tuhka on betoniteollisuudelle raaka-ainetta betoninvalmistuksessa. Lisäksi kasvunesteeseen lisätään suolaa. Pieni n. 1g/litra suolannos itseasiassa hyödyttää levän kasvua. Sen lisäksi se desinfioi nestettä estäen muiden mikrobien kasvua. Levä kestää jopa 4% suolaliuosta ennenkuin sen aineenvaihdunta vähenee totaalisesti. Kehittelemäni PBR-malli ”vesiputous” ei pidä nestettä putkien sisällä, vaan neste juoksutetaan ohuena n. 0.5-1 cm kalvona kourujen pinnalla. Kourut ovat päällekkäin ja alas valunut neste pumpataan taas kourun yläpuolelle. Tämä ratkaisee kaasujen vaihtamisen ongelman ja lisäksi valo jakaantuu tehokkaasti kokoajan levälle, koska levänesteen syvyys on niin pieni. Vesiputouksessa tulee käyttää kalvopumppua, joka ei riko levää. Isommassa mittakaavassa käytetään kalanpoikasten istutukseen tarkoitettua kalvopumppua. Ongelma kasvatuksessa on myös fotoinhibitio eli valon aiheuttama stressi solulle. Kansanomaisesti selitettynä, kun klorofylli tai muu yhteyttämispigmentti vastaanottaa valon fotonin: se on pienen hetken poissa käytöstä osallistuessaan solun elektroninsiirtoketjuun. Tuona aikana klorofylliä pommittavat fotonit menevät hukkaan ja aiheuttavat vahinkoa solulle. Ongelma on ratkaistu siten, että LED valoja välkytetään korkealla, n. 5-10 kHz taajuudella. Tällöin fotoinhibitiota saadaan vähennettyä: säästyy sähköä ja lisäksi tuotetaan enemmän biomassaa. Lisäksi kun LED valot eivät ole kuumia, niin niiden elinikä kasvaa huomattavasti. Ei myöskään tarvita edes passiivista jäähdytystä, joka on LED valojen kustannuserä muutoin. Välkytyksen dutycycle eli pimeän ja valoisan ajan suhde tulee olla n. 20. Tällöin siis yhden välkähdyksen aikana LED on päällä 20% ja pimeänä 80%. Näiden uudistusten lisäksi aion alkaa tuottamaan maailman ensimmäistä ”multibioottista” valmistetta. Tämä johtuu siitä, että spirulina on prebiootti eli se hyödyttää probioottien vaikutusta suolistossa. Maitohappobakteerien kanssa tulisi siis aina nauttia esim. spirulinaa, jotta ne olisivat tehokkaita. Tutkimusten mukaan spirulinan aineenvaihduntatuotteet hyödyttävät maitohappobakteereja ja maitohappobakteerin aineenvaihduntatuotteet spirulinaa: jopa tuplaten kasvun. Spirulinan eräs ongelma on sen kuivaaminen. Varsinkin Aasiassa tuotetut spirulinvalmisteet kuviataan jopa 120 asteessa. Kuitenkin euroopan avaruusjärjestön tekemän tutkimuksen mukaan spirulinan proteiineja alkaa tuhoutumaan jo 40 asteessa. Ennenkuin levä kuivataan teollisessa tuotannossa, se vielä pestään vedellä muutaman kerran, jotta kemialliset lannoitteet eivät pääse kuluttajaan asti. Tämä lisää kustannuksia huomattavasti, siis kuivaus ja vedellä pesu. Kun levä on pesty, se altistuu muiden mikrobien kasvulle koska suojaava korkea pH on poissa: juuri kuivaamisen jälkeen on mitattu korkeimmat mikrobikasvustot levässä ja nykyinen kuivaamistekniikka on siis mikrobiologinen riski. Nämä voidaan ohittaa kun levä kasvatetaan kasviaineksesta tehdyssä kompostinesteessä: tällöin levää ei tarvitse pestä. Eläinten ulosteessa kasvatettua levää voi taas antaa eläimille. Kun spirulina kerätään, niin se on tahnamaista mössöä. Spirulina kykenee elämään puolikuivissa olosuhteissa ja pystyy ylläpitämään aineenvaihduntaansa myös pimeässä. Itseasiassa pimeässä kasvatettu levä kasvaa nopeammin kuin valoisassa, mikäli vain sille on tarjolla sokeria. Kun levä on kerätty niin siihen lisätään hieman sokeria, maitohappobakteereja ja b. subtilista. Tämä massa annetaan olla ja se kasvaa pimeässä: vaikka pH ei ole enää korkea, niin b. subtilis ja maitohappobakteerit estävät muiden mikrobien kasvua luonnollisilla puolustusmekanismeillaan. Toinen vaihe levän kasvua siis tapahtuu tällä tavoin. Kun levä, maitohappobakteerit ovat käyttäneet aineenvaihduntatuotteensa loppuun ja kasvu alkaa hidastumaan niin tällöin levä voidaan turvallisesti kuivata 35 asteessa. Lisäksi heinän pinnalla kasvaa luonnollisesti mm. b. subitilista. Labrassa tulisi testata paljonko kompostineste sisältää luonnostaan tätä mikrobia. Japanilainen perinneruoka Natto tuotetaan juurikin tämän mikrobin avulla. Mikrobi on hyödyllinen ihmiselle ja se sisältää mm. C-vitamiinia ja K-vitamiinia. Suomessa ei ole saatavilla b. subtilis valmisteita, muutakuin Naton muodossa. Koko maailmassa ei ole olemassa valmistetta, joka sisältäisi spirulinaa, maitohappobakteereja ja b. subtilista. Tällainen tuote olisi siis myös ulkomaankaupan kannalta järkevä. Myöskään nämä muut esittelemäni uudistuksen eivät ole käytössä maailmalla. Suomessa voimme siis perustaa maailman nykyaikaisimman spirulinalaitoksen. Uudenaikaisilla metodeilla levänkasvatus saadaan ympäristöystävälliseksi, edulliseksi ja tehokkaaksi. Näiden menetelmien jatkotutkimusta ennen varsinaista pilottilaitosta tarvitaan. Aloitin levän tutkimisen n. 7 vuotta sitten ja kasvatuskokeet n. 5 vuotta sitten. Kustannukset on mitattuina tonneissa olleet tähän mennessä – seuraavan vaiheen kustannukset ovat kymppitonneja esim. darkfield mikroskooppi hyvällä kameralla on jo 5 tonnia budjetista.

Miten kokeilu toteutetaan?

Empiirisillä testeillä

Kuka tai ketkä kokeilun toteuttavat?

Minä

Mikä on kokeilun budjetti?

n. 5 tuhatta euroa

Millaista osaamista ja rahoitusta kokeilulla on käytettävissään?

N. 5 vuoden kokemus mikrolevän kasvatuksesta