Evaluating Swedish seaweeds for biorefinery
Doctoral thesis, 2020

A sustainable future demands a transition from oil to biomass to produce fuels, chemicals, commodities, and energy. However, to generate the predicted amount of bioenergy required by 2050, all the biomass harvested today should be utilized. One type of biomass that has received relatively little attention is seaweeds. Seaweeds have many advantages over land-based biomass in that they do not require arable land or fertilizer, and their cultivation does not generally compete with food production. Only 20 out of 10 000 species are cultivated and the content of many of them remains poorly characterized. Understanding how their chemical composition is affected by abiotic factors will help determine which biomass component is most valuable and should be maximised.

 

This thesis aims to enable future research and development of a seaweed industry in Sweden. A screening of 22 species of seaweeds concluded that the most relevant species for biorefinery applications in Europe (Saccharina latissima, and Laminaria digitata) were also among the most interesting for Sweden. In addition, a few poorly investigated species were found to have interesting properties, such as high mannitol content (Halidrys siliquosa) as well as high sugar and low ash content (Chondrus crispus and Dilsea carnosa).

 

Composition of Ulva intestinalis, which grows all around Sweden, was studied in natural populations on the west coast and southern half of the east coast. Significant effects were found on carbohydrate, fatty acid and ash content between the sites. Rhamnose and iduronic acid were higher on the east coast, but not significantly. However, an elevated sulphate content motivates further investigation of the effect of salinity (the major differential environmental factor) on the potential high-value component ulvan in Ulva intestinalis. There were large variations in yields and composition of the oil, aqueous and solid phases in hydrothermal liquefaction processing within the different sites. Generally, the yields of bio-oil were low, and the quality of the oil was poor due to high contents of S, N and Fe. Considering the low quality of the oil, hydrothermal liquefaction should probably be utilized to treat side streams from a biorefinery after extraction of more high-value compounds.

 

Finally, abiotic factors and their effect on the growth and composition of Ulva fenestrata were studied. To overcome the low profitability projection of many biorefinery concepts, the data in this thesis could help maximize the value of algal biomass and launch a successful seaweed biorefinery industry. It was found that the content of the valuable monosaccharide rhamnose and the sugar acid iduronic acid could be increased by 26 and 70% respectively at elevated temperature and irradiance. This indicated an increase in ulvan content.

hydrothermal liquefaction

macroalgae

carbohydrates

proteins

chemical composition

Ulva spp.

ulvan

salinity

Seaweed

variation

KA-salen Kemigården 4
Opponent: Senior Researcher PhD Annette Bruhn, Departement of Bioscience - Marine Ecology, Aarhus University, Denmark

Author

Joakim Olsson

Chalmers, Biology and Biological Engineering, Industrial Biotechnology

Olsson, J. Toth, G. B, Albers, E. Biochemical composition of red, green and brown seaweeds common at the Swedish west coast

Olsson, J. Raikova, S. Mayers, J. J, Chuck, C. J, Nylund, G. M, Albers, E. Environmental effects on potentially valuable components of Ulva intestinalis along the Swedish coast

Olsson, J. Toth, G. B, Oerbekke, A. Cvijetinovic, S. Harrysson, H. Wahlström, N. Kinnby, A, White, J. Edlund, U. Undeland, I. Pavia, H. Albers, E. Cultivation conditions affects the monosaccharide composition in Ulva fenestrata

Runt om i världen ser vi effekter av människans klimatpåverkan i form av stigande temperaturer, havsnivåer och ökande frekvens av extremt väder. För att stoppa eskaleringen av dessa effekter och nå FN:s hållbarhetsmål bör vi så snart som möjligt komma in i ett cirkulärt system där vi inte är beroende av fossila råmaterial. Detta betyder att sättet vi producerar mycket av det vi dagligen använder i form av material, mediciner och bränslen måste förändras. Genom att byta från ett system beroende av raffinering av olja till ett där istället biomassa används, i ett så kallat bioraffinaderi, kan detta uppnås. För att ett sådant byte skall vara hållbart kan inte sådana system i längden inkräkta på oumbärliga funktioner såsom tillgång på mat eller bevarande av naturvärden. Det är därför viktigt att nyttja flera typer av råvaror som rester från jordbruk och skogsbruk samt alger. Makroalger är flercelliga alger, där många vardagligt kallas tång, som kan odlas både i havet och i tankar på land. Detta kan göras utan att konkurrera med andra användningsområden för land och det behövs varken gödsel eller färskvatten för produktionen. Tvärtom, makroalger kan ta upp näringsämnen som bidrar till övergödningen av våra hav. Detta har potential att förbättra miljön samtidigt som en potentiellt värdefull råvara produceras. Det är dock mycket vi inte vet om makroalger. Det finns ca 10 000 arter och vi är fortfarande osäkra på vad merparten innehåller för ämnen som vi skulle kunna utvinna. Dessutom varierar kompositionen kraftigt beroende på var och under vilka förhållanden algerna växt. Därför behöver vi studera vad de innehåller samt vilka faktorer som påverkar innehållet så att en potentiell industri kan få en biomassa med så högt värde som möjligt. Detta skulle maximera chansen för en sådan industri att slå igenom.

I denna avhandling har jag analyserat vad ett flertal svenska makroalger har för övergripande komposition för att utvärdera deras potential som råvara för bioraffinering. Dessutom har jag funnit att genom förändring av tillväxtförhållanden så som temperatur, ljusstyrka och näringstillgång kan kompositionen av makroalger tillhörande släktet Ulva manipuleras. Jag har sett tecken på strukturförändringar hos vissa sockerarter i dessa alger som skulle kunna öka deras potential för tillverkning av mediciner med antikoagulativ effekt. Dessa algers komposition utvärderades också runtom södra Sveriges kust och effekter av de varierande förhållandena vad gäller främst salthalt och näringstillgång sågs på bland annat fettsyror och sockerarter. I en process för tillverkning av bio-olja, på engelska kallad hyrdrothermal liquefaction, testades hur dessa biomassors varierande komposition påverkade de bildade produkterna. Stora negativa effekter sågs på kvalitén av produkterna orsakade av förhöjt innehåll av kväve, svavel och metaller i Ulva.

Seaweed production systems with high value applications

Swedish Foundation for Strategic Research (SSF), 2015-01-01 -- 2019-12-31.

Seaweeds for a Biobased Society - farming, biorefining and energy production (SEAFARM)

Formas, 2013-01-01 -- 2017-12-31.

Driving Forces

Sustainable development

Subject Categories

Ecology

Chemical Process Engineering

Bioenergy

Areas of Advance

Energy

Life Science Engineering (2010-2018)

Roots

Basic sciences

ISBN

978-91-7905-257-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4724

Publisher

Chalmers University of Technology

KA-salen Kemigården 4

Opponent: Senior Researcher PhD Annette Bruhn, Departement of Bioscience - Marine Ecology, Aarhus University, Denmark

More information

Latest update

2/21/2020