Industriell produksjon av marine mikroalger som råvare for EPA og DHA i fôr til laksefisk: Grunnlag, kunnskapsstatus og muligheter

Utfordringen med den globale nedgangen i fiskeressurser til produksjon av fiskefôr
ProAlgae-prosjektet ble initiert av FHF på bakgrunn av den globale nedgangen i fiskeressurser til produksjon av fiskefôr. Noe av fiskeoljen og melet erstattes med raps, soya o.l., men samtidig har innholdet av essensielle flerumettede omega-3 fettsyrer (EPA og DHA) i laksen gått ned. Regulering av anchoveta-fisket har gitt en stabilisering av bestandene, og økende bruk av hele fiskeråstoffet (i stedet for å prosessere frem mel og olje) kan sørge for at tilgangen ikke blir ytterligere redusert i de nærmeste årene. Fiskeolje med høyt omega-3 innhold selges i dag for 3000 USD/t i Peru, og en 25 % økning i prisen er forventet. Det er også økende konkurranse fra andre markeder som helsekost og næringsmidler, og disse markedene kan kjøpe råstoffet til en høyere pris. Analyser viser at behovet for fiskeolje vil være betydelig større enn de 1 000 000 tonn per år som er tilgjengelige i dag, og man ser derfor etter alternative kilder til EPA/DHA. Landplanter, zooplankton, genmodifiserte sopp eller bakterier har vært vurdert, og nå rettes fokus mot mikroalger, som er produsenter av omega-3-fettsyrer og et naturlig råstoff å ta i bruk til produksjon av fiskefôr.

Hvordan kan mikroalger bli en ressurs?
Mikroalger er en organismegruppe med stor diversitet (og omfatter også thraustochytrider og blågrønnbakterier i mange sammenhenger), og de fleste algene er fototrofe og bruker sol- eller lysenergi til å omdanne CO2 til kjemisk organiske karbonforbindelser. Noen alger er heterotrofe og kan dyrkes uten tilførsel av lysenergi, og de tar opp enkle karbonforbindelser som sukker o.l. Mikroalgene kan syntetisere langkjedete fettsyrer med høy grad av umettethet, og innholdet av EPA/DHA varierer fra art til art. Det er også variasjoner i veksthastighet, biomasseproduktivitet og utbytte av fettsyrer i forhold til ressurstilgang og dyrkingsmetoder.

En viktig oppgave er å finne de rette mikroalgene for industriell produksjon, og optimalisere den biologiske produktiviteten av biomasse/fettsyrer ved hjelp av kunnskap om metabolske prosesser og moderne verktøy som genteknologi. En annen utfordring er å produsere nok biomasse til å utvinne betydelige mengder EPA/DHA, og for tiden jobbes det mye både med forskning og teknologiutvikling for å løse utfordringene med å produsere mikroalger i stor skala. Autotrofe mikroalger dyrkes i åpne dam-systemer eller i lukkede fotobioreaktor-systemer, og formålet med utforming/plassering er maksimal utnyttelse av innstrålt lysenergi. Lys som ressurs er ikke uproblematisk, for det kan bli begrensende for biomasseproduksjon både fordi cellene skygger for hverandre eller hvis det er for sterkt lys fordi cellene setter i verk beskyttelsesmekanismer som reduserer utnyttelsen av lyset. Åpne systemer er rimelige, men det er stor risiko for kontaminering og vanskelig å kontrollere temperatur o.l. I tillegg er biomasseproduktiviteten ofte lav (< 0.2 g tørrvekt/l). I lukkede systemer har man bedre kontroll og oppnår ofte høyere produktivitet (2–4 g tørrvekt/l), men de er mer kostbare i etablering og drift. Teknoøkonomiske analyser favoriserer åpne systemer, men i praksis er det oftest nødvendig å etablere et lukket system for å kunne produsere mikroalger med høyt innhold av EPA/DHA. De teknologiske utfordringene omhandler valg av rimelige materialer og reaktordesign for optimal lysenergiutnyttelse, og reduksjon av energiforbruk til omrøring og pumping av medium.

Heterotrofe organismer dyrkes i lukkede systemer kalt fermentorer, og det finnes allerede en etablert storskala industri på dette området. I heterotrof produksjon representerer imidlertid karbonkilden (ofte glukose eller sukrose) en kostnad, og det fokuseres på å finne rimelige råmaterialer. De produksjonssystemene som finnes er allerede optimalisert for biomasseproduksjon, men man jobber med å øke lipidutbyttet i biomassen. Det rapporteres om biomasseproduksjon på > 160 g/l med 70 % lipider, og dersom man kan optimalisere DHA-innholdet i lipidene så kan heterotrof produksjon av DHA gi betydelige mengder råstoff til fiskefôrproduksjonen.

Høsting og prosesseringskostnader
Høsting og prosesseringskostnader er andre viktige elementer i teknoøkonomisk analyse av mikroalgeproduksjon. Produksjon av ren EPA/DHA-olje krever høy grad av prosessering og medfører høye kostnader. Rent teknologisk kan man benytte allerede etablerte høstingsmestoder som sedimentering, flokkulering (kjemisk eller biologisk), membranfiltrering eller sentrifugering, eller prosessteknologier som fordampning, oppvarming og ekstrahering (mekanisk eller kjemisk). En utfordring i mikroalgeproduksjon i industriell skala er fjerning av vann, først store mengder dyrkingsmedium (som kan resirkuleres for bedre utnyttelse av næringsstoffer o.l.) og deretter avvanning for å fjerne vann knyttet til biomassen (rundt og inne i cellene). Frossent materiale med restvann kan ikke oppbevares særlig lenge før kvaliteten forringes, og fjerne resten av vannet fra cellene ved hjelp av tørking (frysetørking eller varmetørking) er energikrevende og kostbart. Hvis man skal ekstrahere oljer er det også nødvendig å fjerne mest mulig vann, for å minimere kjemikaliebruken. Det foregår imidlertid utvikling av prosesseringsteknologier for å øke effektiviteten og redusere kostnadene.

En måte å redusere kostnadene ved bruk av mikroalger i fiskefôr er å minimere prosesseringsgraden. Mikroalger består i hovedsak av proteiner, karbohydrater og lipider, i tillegg til mineraler, vitaminer og andre sporstoffer, og det er i utgangspunktet ingenting i veien for å benytte hele biomassen som en råvare. Det er imidlertid artsspesifikke forskjeller i oppbygging av cellevegg og lokalisering av karbohydrater/lipider, men forskning har vist at visse alger fordøyes godt av fisken og man kan bruke mikroalgebiomassen direkte i fôret. Forskningsutfordringer vil være å finne ernæringsmessig gunstige alger som kan produseres i stor skala, og deretter vurdere i hvilken grad fôrproduksjonen påvirkes og fôrkvaliteten beholdes ved tilsetting av algebiomasse direkte.

Produksjonsteknologi
Dagens mikroalgeindustri er i stor grad rettet mot høykostmarkeder som kosmetikk, helsekost eller andre næringsmidler, eller råvaremarkeder som biodrivstoff (der man trenger store mengder råvarer til lavere pris). Det brukes både åpne damsystemer og lukkede reaktorer, og produksjon foregår i solrike områder over hele verden. Fermentorteknologien finnes allerede, og teknologiutviklingen når det gjelder lysstyrt produksjon drives fremover i forbindelse med produksjon av biodrivstoff. Denne teknologien vil være den samme for produksjon av mikroalger til fôr o.l., uten behov for tilpasninger. Lukkede dyrkingssystemer plasseres ofte i veksthus for bedre regulering av lys og temperatur, og man ser klare synergieffekter i områder der man har utviklet veksthusteknologien eller har etablert infrastrukturen. Man kan også utnytte overskuddsenergi som spillvarme/restvarme, CO2-overskudd fra andre prosesser, for dermed å redusere noen av kostnadene. Det er også en trend mot “joint venture”-aktiviteter, der algeprodusenter innlemmes i et stort selskap med sterk markedsprofil og dermed kan basere seg på mer investeringsmidler og et apparat for videre håndtering/markedsføring. Produksjonsteknologien varierer ikke særlig fra høykost- til råvareproduksjon, men råvarer som produseres for menneskelig konsum er underlagt strenge regler for kontroll og produksjon i lukkede systemer kan være nødvendig. Dersom det åpnes for bruk av GM-alger så vil det også fremme bruken av lukkede systemer fremfor åpne dammer (og dermed øke kostnadene).

Industriell produksjon av mikroalger foregår over hele verden, spesielt i solrike områder, og det er hovedsakelig to markeder for biomassen: biodrivstoff (karakterisert ved store volum/lav pris) eller “høy-kost-markeder” som helsekost/kosmetikk (men mindre volumer). Den teknologiske utviklingen drives i stor grad av biodrivstoff-aktiviteter, og det forventes at det man oppnår der kan overføres til produksjon av mikroalger for andre formål, inkl. fôr. De ledende produsentene av Spirulina (Earthrise) og heterotroft produsert DHA (DSM- Martek) finnes i USA, og det er også i USA man finner de største selskapene som driver med fotoautotrof produksjon(f.eks. Sapphire Energy). På forskningssiden er det flere store EU-prosjekter som fokuserer på mikroalger og biomasseproduksjon, og AlgaePARC i Wageningen hvor ulike kostnadseffektive dyrkingssystemer sammenlignes – med mål om å produsere algebiomasse til 0.5 USD/kg i løpet av de neste 5 år.

Teknoøkonomiske analyser
Rapporten omfatter også en tekno-økonomisk analyse av ulike scenarioer rundt algedyrking, med fokus på hva som er de største kostnadsfaktorene og hvordan de kan utvikles i tiden fremover. I analysen er det tatt utgangspunkt i to lokaliteter, en solrik lokalitet i sør-Spania og en moderat solrik lokalitet i Holland. Det er tatt utgangspunkt i de biologiske parametere en kjenner til per i dag, med fotosyntetisk effektivitet som er relevant for store produksjonssystemer (og en eventuell økning av denne med ca. 60 %) og dobling av EPA/DHA-innhold i biomassen (noe som er realistisk med dagens kjennskap til valg av arter og genmodifisering o.l.). Videre er det lagt inn mulighet for innsparing ved f.eks. tilgang på CO2 eller næringssalter uten kostnader (gjenbruk av husdyrgjødsel o.l.), el reduksjon av energiforbruk ved å nedsette omrøringshastigheten i dyrkingssystemene. Analysen inkluderer også etablerings-, lønns- og driftskostnader, og tar høyde for at algedyrking investeringsmessig er høyrisiko-aktivitet. Med dette som ramme peker analysen på en positiv prisutvikling, der prisen på fremstilt EPA/DHA reduseres fra 39,8 USD/kg ned mot 14,8 USD/kg og videre ned mot 11,88 USD/kg.

Den største kostnadsreduksjonen fremkommer i scenarioet der produksjonen foregår i et solrikt område, ved bruk av panelreaktorer med mikroalger med som har 12 % andel EPA/DHA/tørrvekt biomasse (en dobling av “base case”), gratis CO2 og næringssalter/medium og redusert omrøringshastighet (og dermed lavere energiforbruk). En noe lavere prisreduksjon fremkommer dersom man oppnår en 60 % økning i fotosyntetisk effektivitet, mens biomassen bare inneholder halvparten så mye EPA/DHA (6 % av tørrvekt biomasse). De biologiske faktorene har stor betydning for prisestimatet, i tillegg til energikostnadene.

Risikoanalyse (SWOT) av temaet “industriell dyrking av mikroalger” peker på fortrinn som at mikroalger er en naturlig kilde til EPA/DHA i den marine næringskjeden, de har høy produktivitet og produksjonen er bærekraftig fordi det er et av de laveste trinnene i den trofiske pyramiden. Det er imidlertid utfordringer i forhold til høye investeringskostnader og behov for teknologisk utvikling på prosesseringssiden. Teknologisk utvikling er forventet og vil bidra til at kostnadene reduseres ytterligere. Det vil kunne være svingninger i biomasseproduksjon (artsbestemte forskjeller, dyrkingsbestemte forskjeller, eller årstidsvariasjoner for å nevne noen) men forskning fokusert mot dette vil kunne bidra til å optimalisere biomasseproduksjonen over hele produksjonen. Det finnes også mange arter av mikroalger og bare noen svært få utnyttes kommersielt i dag. Det ligger dermed et potensiale i å lete etter flere arter som har høyt innhold av EPA/DHA, eller ta i bruk moderne verktøy som genteknologi for å øke biomasseproduktivitet og/eller utbyttet av EPA/DHA. Man ser klare synergier fra integrering av ulike prosesser: drivhusteknologi, resirkulering av avløpsvann eller bruk av CO2 som stammer fra andre produksjoner. Mikroalgene inneholder også andre forbindelser som vitaminer, mineraler, antioksidanter som kan benyttes, og dersom man ekstraherer EPA/DHA vil restråstoffet være protein/karbohydratrikt. Utsiktene til å benytte mikroalger for å produsere EPA/DHA vil påvirkes av fall i fiskeoljeprisen, konkurranse fra transgene landplanter, gjær eller bakterier, eller mangel på strategiske forskningsmidler og/eller investeringsmidler.

Sluttrapporten viser status når det gjelder kunnskap om mikroalgedyrking (fototrof og heterotrof) og eksempler på industriell utnyttelse av algebiomasse. Rapporter om global tilgang på fiskeolje/mel viser en tydelig nedgang (som forventes å vare) i tilgang, sammen med en klar prisøkning. Per i dag er prisen på EPA/DHA-rik fiskeolje steget til 2300 USD/tonn, mens heterotroft produsert olje (DHA) har en pris på 1800-2200 USD/tonn. En teknoøkonomisk analyse gjort her viser at man – ved gitte betingelser – kan produsere EPA/DHA-rik olje fra mikroalger til en pris av 11.9 USD/kg (i løpet av de neste 5 år). Noen av de viktigste oppgavene for å nå dette målet er å sette i gang strategiske forskningsprosjekter for å løse utfordringer knyttet til biologi og prosessering, og etablere pilotskala-anlegg der man kan teste nye løsninger i realistisk skala. Det er også viktig å utnytte erfaringer fra biodrivstoff-bransjen, i tillegg til eventuelle synergier med for eksempel overskuddsvarme/vann fra andre prosesser, CO2-overskudd, resirkulering av næringsstoffer og lignende tiltak som kan redusere kostnadene i mikroalgeproduksjonen.