Sustainability of protein production by bioreactor processes using wind and solar power as energy sources

Food production account for significant share of global environmental impacts. Impacts are global warming, fresh water use, land use and some non-renewable substance consumption like phosphorous fertilizers. Because of non-sustainable food production, the world is heading to different crises. Both food- and freshwater crises and also land area and phosphorous fertilizer shortages are one of many challenges to overcome in near future. The major protein sources production amounts, their impacts on environment and uses are show in this thesis. In this thesis, a more sustainable than conventional way of biomass production for food use is introduced. These alternative production methods are photobioreactor process and syngas-based bioreactor process. The processes’ energy consumption and major inputs are viewed. Their environmental impacts are estimated. These estimations are the compared to conventional protein production’s impacts. The outcome of the research is that, the alternative methods can be more sustainable solutions for food production than conventional production. However, more research is needed to verify the exact impacts. Photobioreactor is more sustainable process than syngas-based bioreactor process, but it is more location depended and uses more land area than syngas-based process. In addition, the technology behind syngas-based application is still developing and it can be more efficient in the future.

Ruuantuotanto kattaa merkittävän osan globaaleista ympäristövaikutuksista. Vaikutuksia ovat ilmastonmuutos, puhtaan makean veden käyttö, maankäyttö sekä joidenkin uusiutumattomien aineiden kulutus kuten fosforipitoiset lannoitteet. Kestämättömän ruuantuotannon takia, maailma on matkalla eri kriiseihin. Sekä ruoka- ja puhtaan veden kriisit että maa-alue ja fosforilannoitteiden pula ovat eräitä monista ratkaistavissa olevista tulevaisuuden haasteista. Suurimmat proteiinilähteiden tuotannon määrät, niiden vaikutus ympäristöön sekä niiden käyttötarkoitus on esitetty tässä työssä. Tässä työssä esitetään kestävämpiä ratkaisuja proteiinintuotantoon kuin perinteinen tuotanto. Nämä vaihtoehtoiset tuotantomenetelmät ovat fotobioreaktoriprosessi sekä synteettiseen kaasuun perustuva bioreaktoriprosessi. Prosessien energiakulutus sekä suurimmat syötteet tarkastellaan. Niiden ympäristövaikutukset arvioidaan. Näitä arviointeja verrataan perinteisen tuotantotavan vaikutuksiin. Työn lopputulos on, että nämä vaihtoehtoiset menetelmät ovat kestävämpiä ratkaisuja ruuantuotannossa kuin perinteinen tuotanto. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan todistamaan tarkat ympäristövaikutukset. fotobioreaktoriprosessi on ympäristöystävällisempi prosessi verrattuna synteesikaasuprosessiin, mutta se on enemmän tiettyyn paikkaan sidottu sekä vaatii suurempaa maa-alaa toimiakseen kuin synteesikaasuprosessi. Lisäksi synteesikaasuun perustuvan sovelluksen teknologia on kehittyvä ja siten se voi olla tehokkaampi tulevaisuudessa.