SE0901154A1 - Produktionssystem för framställande av biomassa för gasproduktion - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning hänför sig till en metod att framställa biomassa för att användas som substrat förframställning av biogas eller gödsel. Metoden som används går ut på att odla vattenlevande organismer, därsjöpungen Ciona íntestínalis, beskrivs som modellorganism vilken skall odlas och skördas med industriella ochvedertagna odlingstekniker. Vidare innefattar uppfinningen en metod att odla makroalger tillsammans medsjöpungarna då en stor del av den näring som inte djuren använder släpps ut igen som lättillgängligt näringsämneför makroalgerna vilket gynnar deras tillväxt.

Description

förklaringen därav skall inte tolkas som en begränsning av föreliggande uppfinning. Omfånget av föreliggande uppfinning definieras av de bifogade kraven. 1. MARiN ßlomAssA - SJöPuNGAR Sjöpungar, Ascid/'acea, är en klass manteldjur med ca 2300 arter i världen, varav ca 50 vid svenska västkusten. De är fastsittande, solitära eller kolonibildande filtrerare. Kroppen är säckliknande och helt omgiven av manteln. Som exempel nämns sjöpungen Ciona intestinalis L. vilken kan förekomma i mycket höga antal och har rapporterats i tätheter på över 5000 individer per m2. Vikten av biomassa har i norska vatten uppmätts till '“7kg TS/mz samt i kanadensiska vatten till 200 kg våtvikt/mz. Använder man sig av en torrsubstanshalt på 4% motsvarar detta värde 8kg TS/mz. De lever av att filtrera plankton ur vattnet och har en mycket snabb tillväxt jämfört med många andra djur. De kan ha en daglig längdtillväxt på 2~3% och en dubbleringstid i vikt på 10 dagar. Ciona íntestina/is förökar sig i boreala vatten två gånger per år och i varmare vatten tre gånger, möjligtvis fyra. Tillväxthastigheten hos Ciona intestina/is har även uppmätts i havet av sökande och befanns vara 8,5cm (n=350, sd. = 3,2cm) på 93 dagar samt en tillväxt i biomassa, mätt som våtvikt per m2, på 33kg under samma tid (plats: Lysekil, Sverige, tid maj 2009 till augusti 2009, djup 1-2 meter på lodrätt betongfundament, ungefärlig salinitet 20-34 psu, ungefärlig temperatur 10» 2o°).

Andra lösningar med syfte att utvinna biomassa ur havet har endast diskuterat makroalger, erhållna genom odling eller skörd samt makroalger vilka har spolats iland på stränderna. Även rötning av mikroalger tagna från algblomningarna i Östersjön har framförts som idé samt rötning av blåmusslor vilka odlas i Östersjön. Även en idé som går ut på att odla mikro- eller makroalger i näringsrikt avloppsvatten från reningsverk har presenterats. Bland inlämnade patentansökningar kan nämnas flera ansökningar vilka hävdar rätten att använda biomassa baserad på mikro- eller makroalger samt deras extrakt (US2008/0050800, CNlO1418316, US2009081744, EP2014759, CN101285075, CN10125S075, UA24106, DE102007007131, WO2007014717, WO9851814, PT100012, DE3607864, CN101418315). l släktet Ciona finns följande arter Cíona edwardsí, Cíonafascícularís, Cíona gelatínosa, C íona írnperffècta, C iona intestínalis, Cíona mollis och (Iiona savignyi vilka al la är lämpliga att använda på samma sätt som Ciona intestínalís. lVlARlN BIOMASSA _ ÖVRIGA ARTER SAMT KORALLER OCH SVAMPAR Likväl som att odla den art vi har valt som exempel, Ciona intestinalis, vilken är lämplig att odla i svenska vatten, kan även andra arter av släktet Ciona, andra sjöpungar odlas där betingelserna så kräver eller om Cionu intestinu/is inte finns naturligt. Se tabell 1 för en fylogenetisk översikt av sjöpungsklassen (Ascidiacea Nielsen 1995). lPhylum: l Chordata lSubphylum: llTunicata lKingdom: l gl l l lClass: llAscidiacea lOrder: llEnterogona l llSuborder Aglousobranchiall Family Clavelinidae l Family Didemnidae l ll Family Poiyciioridae ll Family Poiyciiniaae llSuborder Phlebobranchia Family Agnesiidae ll Family Ascidiidae ll Famiiy@ggg ll Family pjaflgufi || Family Hygobythiidae ll l Family Peroghoridae ll l Genus Didemnum l_L_____L__t__;______; l l l l l l Family coreiiidae l l l l l Order Pleurogona Suborder Stolidobranchia Family Pyuridae Family Styelidae Genus Eusynstyela Genus Size/a Family Botyllidae Genus Botryl/oides Genus Botry//us Även andra snabbväxande arter av både koralldjur samt svampdjur kan odlas i havet, eller i sjöar, med samma metodik som är nämnt ovan, med syfte att producera biomassa för rötning eller framställande av bioetanol. Vissa av dessa djur kan vara lämpliga att odla på större djup längre ute till havs. För att vidga exemplet med tänkbara organismer pekar vi på den höga förekomsten och produktiviteten av djur kring så kallade "thermal vents" (heta undervattensvulkaner) där många livsformer utnyttjar kemotrofa bakterier som primärproducenter. Vi har valt att även i fortsättningen av texten beskriva sjöpungar men att detta även inkluderar svampdjur och koralldjur vilka heller aldrig har odlats industriellt för att producera biomassa. 2. EFFEKT soivi RöTNiNGssuBsTRAT Bakgrunden till uppfinningen att sjöpungar kan användas som biomassa i rötningsprocesser finns i det faktum att svenska biogasindustrier använder avfallsmaterial från fiskberedningsindustrin, i form av inläggningslake samt fiskrester, och på så sätt kan öka sin produktion av biogas, både i mängd producerad gas per år samt gas produktion av biogas med högre innehåll av metan. . Avfall från fiskberedningsindustrin anses som ett mycket bra biomassekomplement i samrötning med avloppsslam, en möjlig förklaring till detta är att sådant avfall är mycket rik på kväve vilket gynnar den allmänna rötningsprocessen om övrig biomassa har ett högre kolinnehåll. l rötningsprocessen gäller generellt att kvoten mellan kol och kväve (molarförhåliande) skall vara mellan 30:1 och :1 (CN). Sjöpungar har en kol-kväve kvot på 4:1 vilket är för lågt för optimal rötning med bara sjöpungar som biomassa. Dock är det mycket lämpligt att samröta med mer kolrika biomassor. Avfallet från fiskberedningsindustrin har en kol-kväve kvot på 5:1 vilket är ett argument för att den låga kol-kväve kvoten hos sjöpungar inte är ett problem i industriella rötningsprocesser. Det finns även indikationer på att salt i mindre mängder stimulerar biogasproduktionen.

Saliniteten hos biomassa från nyskördade sjöpungar är mer eller mindre samma som det omgivande vattnet. Detta beror till största delen av att sjöpungarna när de skördas sluter sina in- och utströmningsöppningar och stänger inne en vattenmängd. l sjöpungar från vattnet utanför Lysekil, Sverige, vilka vi har använt i rötningsförsök har salthalten varit mellan 20 och 30%» men kan i dessa vattenområden variera mellan 10 och 35%@. Avfallet från fiskberedningsindustrin har en salinitet på 60-70%° och denna salinitet har inte visat sig ge negativ påverkan på rötningsprocessen förutsatt att rötningsreaktorn kan anpassa sig till mängden salt biomassa. Att en rötningsprocess klarar måttliga salthalter är känt. Generellt gäller att bakteriesamhället klarar ett stort spann av biomassatyper bara de får tid att anpassa sig. Metanproducerande bakterier kommer evolutionärt från havet men förekommer både i djurmagar, i landjordar samt i marina och bräckta vattenmiljöer.

Sökanden har genomfört egna rötningstester där biogasproduktionen efter 10dygn var 600ml CHÅ/gr TS per dygn med biomassa från sjöpungar blandat med 30% (vikt TS) kolrik biomassa.

Den odlade biomassan kan efter skörd, förutom att användas som substrat för biogasproduktion, även användas som gödsel, både som färsk biomassa eller som avvattnad och avsaltad. Avsaltat och torkad biomassa kan användas som gödsel i jordbruks-, trädgårds- eller hobbyodling. Bakgrunden till detta är att makroalger historiskt sett har används som ett kväverikt gödsel på åkrarna på svenska västkusten. Makroalgerna ströddes över planteringarna efter det att regnvatten på ett naturligt sätt hade avsaltat makroalgerna. Då skall sjöpungar, koralldjur eller svampdjur även kunna användas som gödsel då de är rika på både kväve- och fosfornäringsämnen samt spårämnen. 3. OouNG Av oRGArusMER | VATTEN Generellt för system att odla fastittande organismer i vatten, vare sig det är i havet eller sjöar är att det består av någon form av yta som sänks ned i vattnet där organismerna antingen fångas upp som larver från det omgivande vattnet eller att man även ombesörjer att det fastnar larver eller sporer på dessa ytor redan på land i vattentankar genom att manipulera föräldragenerationen. Vid skörd tas i allmänhet ytorna, i form av rep, linor, pålar, nät, etc., upp ur vattnet så att organismerna kan skördas över till en båt eller till land. Det förekommer även odling av organismer på naturliga bottnar vilket givetvis även det är en möjlighet för produktion av biomassa Att odla sjöpungar, koralldjur eller svampdjur kräver egentligen inte mer än en sådan generell odlingsmetod där ytan som sänks ned skall vara av lämplig beskaffenhet och möjliggöra att djuren kan fästa sig, tillväxa och inte lossna. Tidpunkten när ytorna sänks i vattnet är viktigt med avseende på vattnets temperatur, salthalt eller övriga fysikaliska parametrar för att säkerställa att djuren tillväxer bra. Tidpunkten när ytorna sänks är också viktig för att tillse att frisimmande larver finns i vattnet beroende på deras livscykel. Nedan anges ett antal exempel på odlingsmetoder som kan användas för att odla sjöpungar men vilka även fungerar som lämpliga metoder för odling av korall- och svampdjur. Många av dessa metoder beskrivs i facklitteraturen för mussel- och algodling.

Long-Lines metoden är den metod som används mest vid odling av musslor i Sverige och vilket vi ser som den, i Svenska vatten, för tillfället mest lämpliga metoden. Detta då metoden används industriellt för odling och skörd av ca 3000 ton blåmusslor årligen och metoden därför är tillförlitlig. All utrustning finns att köpa och skördebåt finns att hyra tillsammans med erfaren skördebesättning. Long-lines metoden består av 5 cm polyprolyen band vilka sänks ned i vattnet i en lång obruten sträcka. l en svensk long-lines odling med storlek 20*100 meter uppgår den totala längden odlingsband till ca 24km. Banden fästs med jämna mellanrum i bärlinor vilka hålls flytande med hjälp av flöten. l ändarna är bärlinorna förankrade för att hålla odlingen utsträckt. Metoden kallas även "one-dragon method” i Kina. Genom att ha odlingsbanden hängande ovanför botten undviker man effektivt att bottenlevande djur kan ta sig upp på banden och äta av det man odlar, för odling av Ciona intestinalis gäller det att undvika t.ex.

Asterias rubens som betar på arten. Övriga metoder som kan användas för att effektivt odla och skörda marin biomassa kan nämnas (här används deras engelska benämningad: Rack culture, hanging method, bitin culture, tulus culture, stake culture, tray culture, wig- wam culture, rope-web culture, bouchout culture, raft culture, long-line culture. 4. SAmootimc-s Ett specifikt förfarande av metoden att odla sjöpungar i havet med syfte att producera biomassa för rötning är att samodla sjöpungarna med makroalger. Olika tekniker att odla makroalger är väl kända och beskrivs väl i facklitteraturen. Det är också känt att makroalger har en högre tillväxthastighet då vattnet innehåller högre halter av näringsämnen, främst kväve och fosforföreningar. Det är också känt att djur utsöndrar näringsämnen som biprodukt av metabolismen i form av tex urin, urea eller ämnen med liknande funktion att avlägsna organismens restmetaboliter. Dessa ämnen är rika på lättillgängliga kväveämnen, jämför t.ex. jordbrukets användning av gödsel.

Med denna bakgrundskunskap ser vi att det är en förbättrande effekt i att samodla sjöpungarna, eller de organismer man väljer att odla för framställandet av biomassa för rötning, med makroalger. Sjöpungarna utsöndrar helt enkelt näringsämnen som gör att makroalgerna växer fortare vilket industriella producenter eftersträvar. Sett ur ett miljöperspektiv förbättrar detta även hela odlingens förmåga att ta upp närsalter ur vattnet vilket är bra då man vill sälja utsläppsrätter för den de facto mängd kväve och fosfor man tar ur havet.

Praktiskt sker samodlingen på olika sätt: 1. Att sjöpungar och makroalger odlas på olika rep/band inom samma odlingsenhet. Fördelen med detta sätt är att makroalgerna kommer nära utsläppet av näringsämnen från sjöpungarna samt att sjöpungarna inte konkurrerar lika kraftigt om tillgänglig planktonföda ur havet 2. Att sjöpungar och makroalger odlas på separata med intilliggande odlingsenheter. Det maximala avståndet mellan odlingsenheterna avgörs av deras storlek och biomassa samt vattenområdets strömmar och hydrografi så att makroalgerna kan tillgodogöra sig näringsämnena som sjöpungarna släpper ifrån sig. . lVlEDIERAD SETTLlNG Ciona intestinalis förökar sig i temperaturer mellan 8° och 23° och släpper i svenska och norska vatten larver mellan maj och september med högsta larvproduktionen underjuni.

Metoden med medierad settling används idag för odling av makroalger bland annat för Porphyra arter där bland annat den populära japanska Nori algen för sushimatlagning ingår. Medierad settling innebär att man genom ett visst tekniskt förfarande, såsom manipulering med odlingsljusets mängd och kvalitet samt dess temperatur kan reglera makroalgernas livscykel till att producera förökningskroppar (sporer). För en person kunnig inom fältet är det möjligt att praktisera metoden.

Dock har ingen använt det för att få en säkerställd settling på odlingsytor i havet för sjöpungar. Man har kunskapen om vattenbetingelserna som krävs för att sjöpungar skall släppa sina ägg och spermier i laboratorium. Denna kunskap har där använts för att hela tiden kunna få fram nya individer av sjöpungar för forskningsändamål. Men då ingen har tänkt tanken att odla sjöpungar i stor skala till havs har även ingen tänkt tanken att förbättra den odlingstekniken med medierad settling.

Förfarandet sker genom att förvara könsmogna individer av sjöpungar i vattenkärl där vattentemperaturen hålls under 8°C, vilket är den temperatur där sjöpungar blir könsmogna om temperaturen överstigs. I dessa kärl nedläggs de odlingsband, odlingsrep eller andra odlingsytor på vilka sjöpungarna är tänkta att slå sig ned på som en ny generation larver. Därefter höjs temperaturen i vattenkärlet över 8°C och de könsmogna individerna av sjöpungarna släpper efter en viss tid sina ägg och spermier vilka förenas till larver. Larverna kommer därefter att fästa på de nedsänkta odlingsbanden, odlingsrepen eller andra odlingsytorna.

Sjöpungarna kan förvaras i samma kärl odlingsbanden eller förvaras i ett intilliggande kärl med kommunicerande vattenförbindelse.

Efter det att larver har settlat på de nedsänkta banden får dessa tillväxa en lämpligt avgränsad tid så att de har tillväxt lämpligt mycket för att tåla att placeras ut i en ny vattenmiljö där de är tänkta att odlas till lämplig storlek innan skörd.

DEHNmoNER TS: Förkortning för torrsubstans vilket är den vattenfria vikt organismerna har efter torkning (^'80°, 1 dygn).

Våtvikt: Vikt av biomassan in blött tillstånd vilket vägs inom 1 timme från skörd där biomassan ligger minst halva den tiden förvarad i ett durkslag.

Marin/marin miljö: Definieras som den vattenmiljö som inte är rent sjövatten eller består av färskvatten. Dvs allt vattenmiljö som innehåller en salthalt överstigande 0,5 %a NaCl.

Hav: Samma definition som marin miljö.

Organism: Definieras som alla levande organismer av grupperna Eukaryota, Arkea samt Prokaryota.

Djur: En grupp av organismertillhörande gruppen Animalia Sjöpung/sjöpungar: Djur tillhörande gruppen Ascidia Medierad settling: En av människan kontrollerad produktion av ägg och spermier hos organismer vars zygoter (det befruktade ägget) utvecklar sig till larver vilka sätter sig på hårda ytor i vatten innan de tillväxer till vuxna djur.

Vatten: All miljö som består av H20 vilket innefattar både marin miljö samt sjöar, båda miljöerna inkluderar både naturliga miljöer såväl som konstgjorda miljöer, t. ex. dammar och andra vattenanläggningar.

Plankton: Alla organismer som lever svävande i vattnet är den vetenskapligt korrekta definitionen som vi även använder här. Plankton kan även delas in i, och omfattas av, djurplankton, Växtplankton samt bakterieplankton beroende på vilka organismer som avses.

Settla: är en försvenskning av den engelska termen sett/e vilket översätts till svenskans b/ifast, sätta sig. Termen sett/a (infinitiv - att sett/a) används av svenska marinbiologer.

Ascidia: Organismgruppen benämns sjöpungar på svenska. Ascidia är synonymt med Ascidiacea och Defineras enligt Tree-of-life och referenserna däri.

Antozoa: Organismgruppen benämns koraller på svenska. Defineras enligt Tree-of-life och referenserna däri.

Porifera: Organismgruppen benämns svampdjur på svenska. Defineras enligt Tree-of-life och referenserna däri.

Makroalger: Synliga alger. En samlingsbeteckning för organismgrupperna rödalger (rhodophyta), grönalger (chlorophyta) samt brunalger (phaeophyta).

Mikroalger: Encelliga organismer vilka ej är synliga för blotta ögat vilka lever svävande i havet.. Är inte släkt med makroalgerna utan tillhör många olika organismgrupper såsom dinoflagellater, kiselalger m. fl.

Claims (1)

1. 0. 11. PATENTKRAV Ett förfarande vilket kännetecknas av att odla vattenlevande organismer, vilka tillhör djurgruppen ascidier, vilka efter skörd används som ett substrat för biogasproduktion. Förfarandet i enlighet med patentkrav 1, vilket kännetecknas av att djurgruppen ascidier användas som ett substrat för att framställa ett gödsel. Förfarande i enlighet med patentkraven 1 och 2, vilka kännetecknas av att djurgruppen ascidier används som ett substrat för att framställa ett antal utsläppsrätter för kväve, fosfor och koldioxid. Förfarandet i enlighet med patentkraven 1 - 3, vilka kännetecknas av att organismerna är ett antal filtrerande djur vilka tillhör grupperna anthozoa eller porifera. Förfarandet i enlighet med patentkraven 1 - 4 vilka kännetecknas av att odlingen sker genom att utnyttja ett antal ytor vilka är nedsänkta i vatten, på vilka nämnda ytor organismerna skall odlas och att tillväxa på innan de tas upp för skörd. Förfarande i enlighet med patentkrav 5, kännetecknat av att odlingen sker med följande benämnda metoder; rack culture, hanging method, bitin culture, tulus culture, stake culture, tray culture, wig-wam culture, rope-web culture, bouchout culture, raft culture och long-line culture. Ett förfarande vilket kännetecknad av att vattenlevande organismer, vilka tillhör djurgruppen ascidier, odlas tillsammans med makroalger vilka tillhör grupperna rhodophyta, chlorophyta eller phaeophyta så att makroalgerna på så sätt får högre tillväxthastighet genom de vattenlösliga näringsämnen som ascidierna släpper ut från sin metabolism. Förfarande i enlighet med patentkrav 7 kännetecknat av att makroalgerna används som ett substrat för biogasproduktion Förfarande i enlighet med patentkrav 7 kännetecknat av att makroalgerna används som ett substrat för att framställa gödsel. Förfarande l enlighet med patentkrav 7 kännetecknat av att makroalgerna används som ett substrat för att framställa ett antal utsläppsrätter för kväve, fosfor och koldioxid.. Ett förfarande för att fästa ascidier i larvstadie på ett antal odlingslinor vilket kännetecknas av att förvara de nämnda odlingslinorna nedsänkta i vattenkärl tillsammans med könsmogna individer av ascidier vilka fås att släppa sina könsprodukter genom att vattentemperaturen i kärlet regleras på sä sätt att frisläppande av larver startar och att de bildade larverna därefter sätter sig på de nedsänkta ytorna i form av rep, band eller linor, för att därefter placeras på odlingsplatsen.