21.8.2017

Bioreaktori suoltaa ilmasta ja sähköstä tuotettua proteiinia

Saadaanko tulevaisuudessa tuotettua ilmaista ruokaa ilmasta? Suomen Akatemian rahoittama tutkimushanke kehittää bioelektrokemiallisella prosessilla hiilidioksidista ja sähköstä proteiinia. Miten tämä voi oikein olla mahdollista?

YK on laskenut, että vuonna 2050 maailmassa tulisi olemaan 9,7 miljardia ihmistä. Kuinka ruoantuotanto ja proteiinin saanti pystytään turvaamaan kestävällä tavalla? Tulevaisuudessa ruokaa voidaan tehdä ilmasta, sillä Lappeenrannan teknillisen yliopiston energiatehokkuuden professori Jero Ahola ja Teknologian tutkimuskeskus VTT:n johtava tutkija Juha-Pekka Pitkänen kehittävät bioreaktoreissa tuotettua ruokaa hiilidioksidin ja sähkön avulla.

Prosessi perustuu mikrobien kasvattamiseen sähköbioreaktorissa eli käymisastiassa, jossa mikrobit työstävät pääraaka-aineita eli hiilidioksidia ja vetyä. Bioreaktoriin syötetään ilmasta kerättyä väkevöityä hiilidioksidia. ”Bioreaktoriin laitetaan tiettyjä soluja, joista tiedetään kuinka ne kasvavat näillä raaka-aineilla. Nestemäinen alusta sisältää hivenaineita ja vitamiineja”, kertoo Pitkänen. Pilkkopimeään bioreaktoriin johdetaan sähköä, jonka avulla vedestä hajotetaan vetyä ja happea. Mitä pienempiä kuplat ovat, sitä paremmin ne ovat mikrobien käytettävissä, jotka tarvitsevat vetyä kasvaakseen.

Bioreaktorista syntynyt mikrobimassa voidaan jakaa rasvajakeeseen tai proteiinijakeeseen. Rasvajakeesta voidaan tehdä polttoaineita, kuten dieseliä ja kerosiinia. Proteiinijaetta voidaan käyttää ruokana tai rehuna.

Kun syötävää tuotetaan kokonaan uusiutuvasta sähköstä vetyä ja hiilidioksidia hyödyntäen, maapinta-alaa ei tarvitse käyttää kasvien yhteyttämiseen, kun kasvibiomassa jää pois. Jäljelle jäävät vain välttämättömät ainesosat eli energia ja ravinteet, joista tuotetaan bioreaktorissa oikeilla mittasuhteilla ravintoa. ”Elintarviketutkijakollegani VTT:llä puhuvat hyönteisruoasta, niin ei tämä sen kummallisempaa ole. Vain kasvibiomassa puuttuu”, sanoo Pitkänen.

Optimoidussa kasvihuoneessakin energian hyötysuhde on helposti alle yhden prosentin. Tässä tutkimuksessa havaittu hyötysuhde voi olla samansuuruinen kuin levillä, mutta jopa kymmenkertainen verrattuna kasvireittiin. Bioreaktori on energiatehokkaampi tapa tuottaa ruokaa, kun energia ohjataan suoraan ruoantuotantoon esimerkiksi aurinkopaneeleista. Prosessissa ei synny turhaa biomassaa kuten kasvien varsia, energiaa ei mene välivaiheissa hukkaan, eikä ihmisiä tai robotteja tarvita hoitamaan kasveja.

"Ahola ja Pitkänen virittelevät sähköbioreaktoria, johon syötetty sähkö hajottaa vettä hapeksi ja vedyksi, jota mikrobit käyttävät energianlähteenään kasvaessaan hiilidioksidilla.”

Uusiutuva energia osaksi ruoantuotantoa

Hankkeessa hiilidioksidi napataan suoraan ilmasta bioreaktorin sisuksiin. Hiilidioksidia voidaan ottaa talteen ilmasta, joten proteiinia voidaan tuottaa missä tahansa, missä energiaa on käytössä. Ahola ja Pitkänen tutkivat myös millainen rooli uusiutuvalla energialla ja sähkönvarastoinnilla on osana ruoantuotantoa, kun maailma sähköistyy hurjaa vauhtia.

”Ollaan menossa kohti uusiutuvia energialähteitä, joista tuuli ja aurinko näyttävät olevan halvimpia. Verkkojen kannalta ne ovat ongelmallisia, kun verkot, kulutus ja varastot pitäisi saada joustaviksi. Ajatuksena on dekarbonoida ruokasektoria eli vähentää ruoantuotannon hiilidioksidipäästöjä”, Ahola kertoo. Kun energiaa ei käytetä kasvien yhteyttämiseen, vapautunutta maapinta-alaa voidaan käyttää esimerkiksi peltojen tai soijafarmien metsittämiseen.

Mikrobit tai älykäs tehoelektroniikka, jolla sähköbioreaktoria ohjataan, eivät katso sitä, millä sähköllä niitä pyöritetään. Tutkijat kuitenkin haluavat panostaa uusiutuviin energianlähteisiin, sillä monistettavista komponenteista koostuva bioreaktori on käytettävissä kaikkialla ja siihen käytettävät raaka-aineet ovat saatavissa käytännössä ilmasta ja itse raaka-aine on ilmainen. Näin bioreaktorissa pystytään valmistamaan mikrobiproteiinia suoraan esimerkiksi aurinkopaneellilla tuotetusta sähköstä. Tutkijoita kiinnostavat bioreaktorin mahdollisuudet joustavana sähkökuormana.

”Auringonvalo on se mistä sitä energiaa maapallolle tulee ja sitten on hiilidioksidi, joka pitäisi saada hyödynnettyä”, Pitkänen sanoo. Vaikka nykyisellä teknologialla hiilidioksidi pystytään ottamaan talteen mistä tahansa, tutkijat pohtivat tuotteen hyväksyttävyyttä. Tuotteen lopputulokseen ja kuluttajien suhtautumiseen saattaa vaikuttaa, otetaanko hiilidioksidi talteen piippujen savukaasuista vai tuotetaanko ruoka keskiyön auringon alla, Lapin puhtaassa luonnossa.

Tutkijoita kiinnostaa myös, miten hiilidioksidin saatavuus tulee tulevaisuudessa kehittymään, jos ylipäänsä poltetaan mitään muuta kuin jätteitä. ”Käytännössä voimantuotanto perustuu tulevaisuudessa uusiutuvaan energiaan, jos ilmastoasiat aiotaan hoitaa hyvin”, Ahola kuvailee.

Ympäristöystävällistä pötyä pöytään

Pitkänen ei tiedä kenenkään tutkijan vielä maistaneen tuotettua proteiinia, mutta kuvailee sen olevan hiivan kaltaista ainetta, samankaltaista kuin brittien hiivapohjainen Marmite-tahna. Bioreaktorista syntyvä solumassa on 60 prosenttia proteiinia, noin 20 prosenttia hiilihydraatteja, kymmenisen prosenttia hivenaineita ja toiset kymmenen prosenttia nukleiinihappoja. Kun mikrobiproteiineja syntyy tarpeeksi, sitä aletaan jalostaa rehu- tai ruokakäyttöön. ”Rehu voisi ensin olla luonnollisempi tuote. Myös lainsäädäntö vaikuttaa asiaan paljon. Tarkoitus olisi, ettei tarvittaisi tuontirehua, kuten soijaa. Jos kemiallisista analyyseista ei löydy mitään hälyttävää ja tuote on maistuva, niin kohde-eläimiä voidaan ruokkia tällä tuotteella osana muuta ruokintaa”, Pitkänen kertoo.

”Tällä hetkellä toimitaan kahvikuppiskaalassa ja tätä mekanismia pyritään kehittämään tarpeeksi nopeaksi. Kemiallisella katalyysilla pystytään tekemään erilaisia kemikaalituotteita hiilidioksidista, mutta mikrobeille selkeä etu on ominaisuus tehdä proteiinia”, sanoo Pitkänen. Bioreaktorissa tuotettu proteiini kasvaa 300 tunnissa eli parin viikon aikana solutiheydeltään neljään grammaan litrassa.

Vielä ennen kaupallistamista tutkijat keskittyvät bioteknisen prosessin tehostamiseen, jotta tavaraa pystytään tuottaman enemmän ja nopeammin. Tieteellisesti tutkijoita kiinnostaa myös, kuinka mikrobit toimivat ja miten mikrobien aineenvaihduntareiteillä voidaan pohjustaa myös muita kuin ruokatuotteita.

Pitkänen arvioi, että jos rahoitus, tahto ja lainsäädäntö pelaavat yhteen, vuosikymmenen päästä bioreaktoreiden avulla mikrobiproteiineja voidaan tuottaa missä päin tahansa. ”Toiminnallisuus muuttuu, kun mikrobikantaa vaihdetaan ja saadaan tuotettua mitä halutaan. Jossain vaiheessa voi tilata 3D-tulostimeen sopivat mikrobit, aromit ja värit ja tulostaa menun siitä”, Ahola visioi.

 

Teksti ja kuvat: Joonas Aitonurmi

 



Viimeksi muokattu 21.8.2017

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi