Prosjektnummer
901936
Næringsstoffer fra ensilasje kategori 2 for bruk i bioraffineringsapplikasjoner (Fish2Bio)
Akvakulturindustrien er en stor bidragsyter til bruttonasjonalproduktet og en viktig eksportnæring for Norge. Norge er en av de verdensledende nasjonene innenfor havbruk, og en pioner innen innovasjon på dette feltet. Med en oppdrettsnæring i vekst, er det viktig å sette inn tiltak for å utnytte fisk som dør under produksjon. Lakselus og andre sykdommer forårsaker en dødelighet på 10–27 % i oppdrettsnæringen, med et estimert årlig tap på 100 000 tonn lakse- og ørretbiomasse.
Høy dødelighet gir næringen store økonomiske tap og gjør havbruksnæringen mindre bærekraftig. Fisken som dør under produksjon (kategori 2-fisk) er en rik kilde til proteiner og oljer. Disse kan bli en verdifull ressurs hvis den behandles riktig. Enzymatisk proteinhydrolyse er en mild bioteknologisk metode som gjøre det mulig å fraksjonere ulike næringsstoffer som lipider og proteiner.
Ensilasje er en svært vanlig behandling som brukes til kategori 2-fiskeavfall i Norge. Det gjøres vanligvis ved å surgjøre biomassen fra hel fisk til en pH under 4 ved tilsats av maursyre og i noen tilfeller antioksidanter. Dette stopper mikrobiell vekst og gir mulighet for lagring av fisk ved omgivelsestemperatur. Under disse forholdene blir proteinene delvis hydrolysert med native enzymer fra fiskens innvoller. Oljefraksjon kan gjenvinnes, men bein og mineraler løses delvis opp og blir dermed ekstrahert sammen med proteiner. Mer målrettet fraksjonering av materialet vil derfor gi fordeler for en rekke bioteknologiske anvendelser.
Høy dødelighet gir næringen store økonomiske tap og gjør havbruksnæringen mindre bærekraftig. Fisken som dør under produksjon (kategori 2-fisk) er en rik kilde til proteiner og oljer. Disse kan bli en verdifull ressurs hvis den behandles riktig. Enzymatisk proteinhydrolyse er en mild bioteknologisk metode som gjøre det mulig å fraksjonere ulike næringsstoffer som lipider og proteiner.
Ensilasje er en svært vanlig behandling som brukes til kategori 2-fiskeavfall i Norge. Det gjøres vanligvis ved å surgjøre biomassen fra hel fisk til en pH under 4 ved tilsats av maursyre og i noen tilfeller antioksidanter. Dette stopper mikrobiell vekst og gir mulighet for lagring av fisk ved omgivelsestemperatur. Under disse forholdene blir proteinene delvis hydrolysert med native enzymer fra fiskens innvoller. Oljefraksjon kan gjenvinnes, men bein og mineraler løses delvis opp og blir dermed ekstrahert sammen med proteiner. Mer målrettet fraksjonering av materialet vil derfor gi fordeler for en rekke bioteknologiske anvendelser.
• Å utforske metoder for utvinning av verdifulle ressurser (som proteiner og olje) fra kategori 2-laks.
• Å teste anvendelsen av hydrolyseproduktene og restråstoffene:
◦ fermentering rettet mot produksjon av lipider til epoksybaserte coatings og bærekraftig flydrivstoff, kitosanbiopolymerer og organiske syrer.
◦ proteinhydrolysater til bruk som gjødsel.
Testene vil bli utført med matkvalitetslaks og med delvis hydrolysert ensilasjefisk produsert fra kategori 2-laks.
• Å teste anvendelsen av hydrolyseproduktene og restråstoffene:
◦ fermentering rettet mot produksjon av lipider til epoksybaserte coatings og bærekraftig flydrivstoff, kitosanbiopolymerer og organiske syrer.
◦ proteinhydrolysater til bruk som gjødsel.
Testene vil bli utført med matkvalitetslaks og med delvis hydrolysert ensilasjefisk produsert fra kategori 2-laks.
Prosjektet vil føre den teknologiske utviklingen knyttet til hydrolyse- og fermenteringsprosesser over på anvendelse mot biomasse fra akvakulturavfall. Målet er å øke anvendelsen og verdien av tilgjengelig biomasse på en bærekraftig måte gjennom å produsere høyverdige produkter. Protein- og oljefraksjonene er verdifulle ressurser som kan utnyttes mer effektivt dersom separasjonen er optimalisert. I tillegg, dersom resultatene viser at restfraksjonen fra hydrolyse kan brukes som gjødsel, vil det bety at hele biomassen kan utnyttes.
Prosjektet skal utforske fremtidig verdiskaping i norsk industri, ved å knytte akvakulturnæringen sammen med bioteknologi-, biodrivstoff-, bioraffinerinæringer, og stimulere til vekst av forretningsinnovasjon for norsk industri.
Prosjektdeltakerne ser både kort- og langsiktig nytteverdi for næringen. I et kortsiktig perspektiv kan prosjektet stimulere til etableringen av alternative bruksområder for kategori 2-biprodukter, som i dag er av svært begrenset verdi. Dette gjelder de to tilnærmingene:
Prosjektet skal utforske fremtidig verdiskaping i norsk industri, ved å knytte akvakulturnæringen sammen med bioteknologi-, biodrivstoff-, bioraffinerinæringer, og stimulere til vekst av forretningsinnovasjon for norsk industri.
Prosjektdeltakerne ser både kort- og langsiktig nytteverdi for næringen. I et kortsiktig perspektiv kan prosjektet stimulere til etableringen av alternative bruksområder for kategori 2-biprodukter, som i dag er av svært begrenset verdi. Dette gjelder de to tilnærmingene:
1. å lage kjemikalier fra mikrobiell biomassenedbrytning, og
2. å lage ny gjødsel fra hydrolyserester.
2. å lage ny gjødsel fra hydrolyserester.
På lang sikt vil prosjektet bidra med kunnskap om eventuelle farer ved alternativ utnyttelse av kategori 2-laks når det gjelder kjemiske og biologiske parametere, og dermed legge grunnlag for bedre anvendelse av biomassen i fremtiden.
Prosjektet er delt inn i fem arbeidspakker (AP-er) med tihørende oppgaver (T-er), hvor AP1–AP2 omhandler forskning knyttet til prosessutvikling/optimalisering og karakterisering av ulike fraksjoner hentet fra hydrolyse og AP3 vil se nærmere på anvendelsen av disse fraksjonene. AP4 vil undersøke de regulatoriske aspektene ved utnyttelse av kategori 2-fisk, mens AP5 skal ta hånd om administrative oppgaver og formidling av resultatene.
AP1: Produksjon – enzymatisk proteinhydrolyse av fiskebiomasse
Leder: Runar Gjerp Solstad (Nofima)
Målet med arbeidspakken er å studere optimale hydrolysebetingelser for utvinning av næringsstoffer fra kategori 2-fisk.
T 1.1 Anskaffelse av fiskebiomasse
AP1: Produksjon – enzymatisk proteinhydrolyse av fiskebiomasse
Leder: Runar Gjerp Solstad (Nofima)
Målet med arbeidspakken er å studere optimale hydrolysebetingelser for utvinning av næringsstoffer fra kategori 2-fisk.
T 1.1 Anskaffelse av fiskebiomasse
Den tiltenkte biomassen (kategori 2-fisk) er vanskelig å skaffe på grunn av svært strenge regler. Av den grunn tar prosjektet sikte på å utnytte ferskfanget laks i den innledende fasen av prosjektet hvor analyse- og enzym-parametere skal etableres. Samtidig vil det være et initiativ som ser på mulige løsninger for å levere kategori 2-laks til Nofima for videre bearbeiding, analyser og sammenligning.
T 1.2 Testing av forbehandling av fiskebiomasse
Tilgjengeligheten for proteolytiske enzymer vil endres ved mekanisk prosessering av biomassen før hydrolyse. Her vil
prosessparametere i forbehandlingen av biomassen før hydrolysen vurderes, med tanke på utbytte og kvalitet på sluttproduktet.
Fraksjonering av den opprinnelige biomassen i f.eks. skinn, innvoller og muskler vil også vurderes.
T 1.3 Produksjon av hydrolysefraksjoner
Ulike proteolytiske enzymer vil ha ulik spesifisitet mot substratet, som i tillegg vil bli modifisert ved å endre prosessbetingelsene (f.eks., temperatur). Graden av hydrolyse kan påvirkes av hydrolysetiden og av proteasekonsentrasjonen. I tillegg inneholder biomassen sannsynligvis endogene proteolytiske enzymer som også kan utnyttes i hydrolyseprosessen, noe som kan gjøre prosessen mer lønnsom. Ved å bruke forskjellige sett med lett utskiftbare parametere, slik som hydrolysetid, temperatur, type eller konsentrasjon av proteasen, vil det produseres produkter (proteinfraksjon, olje og sedimenter) med ulike egenskaper.
AP2: Karakterisering – bestemmelse av kjemisk sammensetning av hydrolysater, oljer og sedimenter
Leder: Josipa Matic (Nofima)
T 2.1 Karakterisering av proteinhydrolysater
Det første målet med denne oppgaven er å definere hvordan de ulike hydrolyseforholdene påvirker den kjemiske sammensetningen av hydrolysatproduktet. Hydrolysater vil bli karakterisert med størrelsesfordelingskromatografi (SEC), kjernemagnetisk resonans (NMR) og Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR). Ved å forstå dette forholdet vil det være mulig å designe prosesser for å produsere hydrolysater med gunstige egenskaper knyttet til en spesifikk applikasjon. I tillegg vil det bli utført mer detaljerte kjemiske analyser for å bestemme blant annet aminosyresammensetning. Det andre målet med denne oppgaven er å forstå hvilke hydrolysategenskaper som er fordelaktige for den tiltenkte applikasjonen – bioraffineri eller gjødsel, og dette er kunnskap som vil bli hentet ut fra de samme kjemiske dataene.
T 2.2 Karakterisering av oljer
Oljen som produseres ved forskjellige hydrolyseprosesser vil bli karakterisert ved gasskromatografi. Avhengig av livsstadium og fôrsammensetning, inneholder oppdrettslaks 10–20 % lipider, med innhold av flerumettede fettsyrer (PUFA) innenfor 30–45 %. PUFA-lipider er blant annet egnet for produksjon av epoksy coatings.
T 2.3. Karakterisering av hydrolyserester
Kjemisk sammensetning av hydrolyserester og mengden av viktige komponenter for gjødsel, som fosfor og nitrogen, vil bli undersøkt.
T 2.4. Kostnad/nytte-analyse av hydrolyseprosess
En kostnad/nytte-analyse vil bli utført ved hjelp av overflateresponsmetodikk, som vil sammenligne effektiviteten til forskjellige enzymer basert på deres pris og ønskede egenskaper, som utbytte, næringsverdi som fermenteringssubstrat eller gjødsel.
AP3: Anvendelse – testing av hydrolyseprodukter for fermentering og bruk som gjødsel
Leder: Volha Shapaval (NMBU)
T 3.1. Formulering av fermenteringssubstrat
Hydrolyseproduktene som oppnås i AP1–AP2 forventes å være rike på nitrogen og oljer, mens de vil mangle en sukkerbasert karbonkilde. Derfor vil NMBU jobbe med å formulere fermenteringssubstrater ved å kombinere de oppnådde hydrolyseproduktene og andre sukkerrike restmaterialebaserte hydrolysater som tidligere har vært vellykket brukt til fermentering. Spesielt vil man bruke glukoserike hydrolysater fra Borregaard ASA, og sukkerrike grønnsakshydrolysater fra Greentech Innovators AS. Formuleringen av fermenteringssubstratene vil være basert på den kjemiske sammensetningen av de oppnådde hydrolysatene analysert i AP2.
T 3.2. Overvåking av næringsstoffer i fermenteringsprosessen
NMBU vil gjennomføre fermenteringsscreening av Mucoromycota soppstammer for samproduksjon av “single cell oils” (SCO) og aminopolysakkarider. I tillegg skal Aspergillus niger og Actinobacillus succinogenes testes for produksjon av henholdsvis sitronsyre og ravsyre. For screening og optimalisering av fermentering vil en “high-throughput” screeningmetode benyttes. Systemet gjør det mulig å utføre dyrking med høy gjennomstrømning, estimering av veksthastighet og biomassekarakterisering av hundrevis av forskjellige substrater og mikrobielle stammer parallelt. Systemet gjør det mulig å utføre ikke-invasiv og presis estimering av lipid-, polysakkarid- og pigmentinnhold med høy gjennomstrømning. Sammensetning av SCO-er vil bli vurdert for produksjon av epoksybaserte coatings og bærekraftig luftfartsdrivstoff. Sammensetningen av biopolymerer vil bli vurdert for produksjon av funksjonaliserte aminopolysakkarider for tekstilapplikasjoner. Produksjonsutbyttet av sitron- og ravsyrer vil bli evaluert med hensyn til industrielle utbytter. Prøver vil bli tatt under gjæringsprosessen, og analysert av SEC, FTIR og Raman spektroskopi, for å undersøke forbruket av materiale. Denne analysen vil gi et innblikk i en biotilgjengelighet av ulike næringsstoffer og deres potensiale som bioraffinerisubstrater.
T 3.3. Evaluering av gjødselpotensial
Protein/peptidfraksjonen og sediment fra den enzymatiske hydrolysen i AP1 vil bli testet for sitt potensiale som gjødsel. Kandidatfraksjoner vil bli valgt i henhold til de kjemiske sammensetningene analysert i AP2. Protein/peptidfraksjoner er rike på organisk nitrogen, som vil mineraliseres og fungere som en viktig nitrogenkilde, tilgjengelig for planter. Sammensetningen av sedimentet antas derimot å være rik på fosfor og mineraler som kalsium. Den relative andelen av ulike makro- og mikronæringsstoffer er viktig for balansert plantenæring. Imidlertid kan uønskede elementer som tungmetaller også introduseres til jorda med hydrolysenes fraksjoner. Utvalgte fraksjoner vil bli testet i et potteforsøk med fôrgress (f.eks. raigras) i veksthus under kontrollerte forhold. Forsøket vil sammenligne gjødseleffekten til fraksjonene med passende kontroller. På slutten av forsøket vil plantebiomassen måles, og plantematerialet analyseres for nærings- og tungmetallinnhold.
AP4: Regulatorisk ramme
Leder: Robert Wolff (SINTEF)
T 4.1: Det nyeste og mest avanserte (“state of the art”) av kategori 2-fiskehåndtering
Dagens håndtering av dødfisk er ikke justert for fremtidig foredling og utnyttelse. Nye teknologiske bruksområder må utredes for å gjøre biomassen klar for videre verdiskapning.
T 4.2: Kartlegging av dagens reguleringslandskap
I denne oppgaven vil gjeldende tilstand i reguleringsforholdene for kategori 2-fisk bli undersøkt gjennom en gjennomgang av regelverk. Mattilsynet gir detaljerte retningslinjer for håndtering av død fisk, inkludert overvåking av dødelighet, daglig fjerning av død fisk, kategorisering og transport. Prosjektet vil ta sikte på å se på mulighetene for å endre dagens kategorisering. I tillegg vil den etablerte praksisen med innsamling, håndtering og transport av død fisk i de aktuelle næringene (oppdrettsanlegg og oppsamlere av ensilasje) utredes ved å kontakte aktuelle aktører. Prosjektet vil også ta hensyn til direktiver og forskrifter som direkte og indirekte påvirker videre utnyttelse, slik som regelverk om fôr, organisk gjødsel, jordforbedring og bearbeidingsmetoder av animalske biprodukter. Denne oppgaven vil føre til et veikart for mulige nye produkter.
Resultatene fra prosjektet vil bli publisert i de etablerte kommunikasjonskanalene til Nofima, som Nofimas nettsider, nyhetsbrev og sosiale medier, og spres også gjennom relevante medier i den spesifikke bransjen. Funn fra prosjektet vil også bli publisert i vitenskapelige tidsskrifter med fagfellevurdering og presenteres på konferanser. I tillegg til åpent tilgjengelige prosjektrapporter vil resultatene deles gjennom kommunikasjonskanalene til Nofima, NMBU og SINTEF (nettsider og LinkedIn®).