Spireaux

LESACTIVITEIT 7
LESCYCLUS GROEN INNOVEREN MET SPIRULINA

DE MAKERS

Naam startup: Spireaux – Drs. ir. Tim van Koolwijk; info@spireaux.com
Naam school: IJsselcollege – dr. ir. Kees Stam

ALLEEN VOOR GEBRUIK DOOR BETA STEUNPUNT EN SCHOOL DIE LESACTIVITEIT HEEFT GERESERVEERD:

PowerPoint presentatie

Groen innoveren met Spirulina

OMSCHRIJVING LESACTIVITEIT

Geschikt voor klas(sen): Havo en VWO bovenbouw biologie, maar ook eventueel in lessen scheikunde en natuurkunde. Bijzonder geschikt voor het maken van een profielwerkstuk.

Duur van de les activiteit: Lessencyclus van 4 lessen. Dit kunnen eventueel meer lessen worden.

Inhoud les activiteit

Het doel van deze lessenserie is tweeledig: ten eerste de leerling kennis op laten doen over duurzame vormen van voedselproductie en ten tweede leerlingen en docenten de mogelijkheid bieden onderzoek te doen. Experimenteel onderzoek is lastig uitvoerbaar op het voortgezet onderwijs. Het optimaliseren van het productieproces van Spirulina geeft de mogelijkheid, eventueel met een multidisciplinaire aanpak, alle aspecten van onderzoek uit te voeren.
Bij het productieproces leren leerlingen wat cyanobacteriën zijn, hoe een fotobioreactor in elkaar zit, welke factoren de groei van cyanobacteriën beïnvloedt, hoe allerlei metingen moeten worden verricht en hoe Spirulina uiteindelijk wordt geoogst. Er kan worden nagedacht over hoe bepaalde stappen kunnen worden geautomatiseerd.
Waarnaar gestreefd wordt is dat een leerling gaat nadenken over problemen die tijdens het productieproces optreden en hoe het kweekproces kan worden verbeterd. Vervolgens moet worden geleerd om een goede onderzoeksvraag te formuleren en hoe een wetenschappelijk experiment moet worden opgezet en uitgevoerd. Na analyse van de resultaten wordt dit in een wetenschappelijk verslag vastgelegd.
In de lessenserie van 4 lessen wordt informatie gegeven over de circulaire economie en duurzame productie van voedsel en wordt uitgelegd hoe met behulp van de fotobioreactor Spirulina kan worden gekweekt en geoogst. Bij het productieproces moeten allerlei factoren die dit proces
beïnvloeden worden gemeten. Bij de kweek spelen bijvoorbeeld licht, temperatuur, zuurstof en kooldioxide concentratie, beweging van de vloeistof, pH, en vloeistofsamenstelling een rol. Ook zal de kwantiteit en kwaliteit van de opbrengst moeten worden bepaald. Gekoppeld aan de lessen zijn een aantal vragen/problemen waar de leerlingen over na moeten denken.
Het is uiteindelijk de bedoeling dat scholen zelf lessen gaan ontwikkelen, waarin beschreven wordt hoe een bepaald onderzoek wordt gedaan. Op de website van Spireaux zal ruimte worden gemaakt voor een open forum. Op dit forum kunnen scholen discussiëren over resultaten en problemen waar ze tegen aan lopen. Goed uitgewerkte lessen kunnen op de website worden geplaatst. Dit zijn open source lesprogramma’s en zijn dus gratis beschikbaar. Elk jaar zal het beste onderzoek worden beloond met een prijs.

Les 1
Theoretische achtergrond.
In de eerste les wordt informatie gegeven over de circulaire economie en duurzame voedselproductie. De les kan worden ingebed in bestaande lessen van biologie, scheikunde, economie of maatschappijleer. Bij het vak biologie kan het gekoppeld worden met de volgende examendomeinen: A12 – Ecologisch denken/A14 – Systeem denken/A16 – Contexten/B8 – Regulatie ecosystemen/C3 – Zelfregulatie van ecosystemen/D5 – Interactie in ecosystemen/F3 – Biodiversiteit. Deze domeinen worden besproken in het boek Nectar in hoofdstuk 2 Soorten en populaties (4VWO), hoofdstuk 3 Ecosystemen (4VWO), hoofdstuk 17 Stedelijke ecosystemen (6VWO), hoofdstuk 18 Wereldwijde kringlopen (6VWO) en hoofdstuk 21 Planten (6VWO). In het boek Biologie voor Jou zijn deze domeinen terug te vinden in hoofdstuk 6 Ecologie (4VWO) en in hoofdstuk 9 Mens & milieu (5VWO) en hoofdstuk 10 Planten (5VWO).
De circulaire economie is een economisch systeem dat bedoeld is om herbruikbaarheid van producten en grondstoffen te maximaliseren en waardenvernietiging te minimaliseren. Anders dan in het huidige lineaire systeem, waarin grondstoffen worden omgezet in producten die aan het einde van hun levensduur worden vernietigd.
Er zal in de les aandacht worden besteed aan voor- en nadelen van hedendaagse voedselproductie-methoden. De waardenketens van de huidige voedingsindustrie zijn complex lang en inherent inefficiënt. Overal rond de evenaar worden bossen gekapt om soja te kunnen produceren, dat weer wordt gebruikt om vee aan de andere kant van onze planeet te voeden. Dit maakt de moderne landbouw de grootste broeikasgassenemitter ter wereld en verantwoordelijk voor 75% van de wereldwijde ontbossing. Nieuwe productieprocessen kunnen deze ketens drastisch verkorten door voedsel veel efficiënter te produceren en binnen stadscentra dicht bij de consument. In de les wordt ingegaan op het feit dat veel landbouwmethoden gebruik maken van veel meststoffen en bestrijdingsmiddelen, waardoor ze nog minder duurzaam zijn. Alternatieve methoden zullen de revue passeren: zoals hydrocultuur, aquaponics en vertical farming. De cyanobacterie Spirulina zal worden aangekondigd en de productie hiervan wordt in les 2 besproken.

Les 2
Spirulina en de fotobioreactor.
In deze les zal worden uitgelegd dat Spirulina een cyanobacterie is. Een bacterie die door fotosynthese zijn eigen voedingsstoffen kan maken. Spirulina kan worden opgekweekt in een fotobioreactor. Na afloop van het kweekproces kan de bacterie worden geoogst. De pasta die overblijft bevat een rijkdom aan zeer voedzame ingrediënten, variërend van antioxidanten, voedingsvezels, meervoudig onverzadigde vetzuren, caroteen, vitaminen, hoge omega vetzuren en zeven keer zoveel verteerbare eiwitten in vergelijking met bijvoorbeeld tofu.
Spirulina is een duurzame bron van eiwitten. Het kan worden gecultiveerd voor slechts een fractie van de ecologische kosten van traditionele gewassen en andere eiwitbronnen zoals vlees en zuivel.
De bioreactor zal uit elkaar worden gehaald en vervolgens weer in elkaar gezet om de leerlingen in detail het productieproces uit te kunnen leggen. Na het bespreken van de samenstelling van het medium kan worden begonnen met het maken van het kweekmedium en kan de reactor worden gevuld met medium en Spirulina en worden opgestart. De concentratie meststoffen en de dichtheid van de Spirulina wordt als startwaarden gemeten. De groei van Spirulina zal de komende periode tot aan de oogst goed in kaart worden gebracht.

Les 3
Meten
Tijdens de kweek moet het productieproces goed worden gemonitord. Dit om het proces op tijd bij te kunnen sturen. Ook is het belangrijk dat als er problemen optreden er nagegaan kan worden waar iets mis is gegaan. Er zullen dus allerlei variabelen, zoals temperatuur, hoeveelheid licht, concentratie zuurstof en koolstofdioxide en de dichtheid, moeten worden gemeten en vastgelegd. Hiervoor zijn soms goede meetinstrumenten beschikbaar, zoals een pH meter en sensoren om temperatuur en gasconcentraties te meten. Het meetproces kan eventueel zelfs worden geautomatiseerd (Coach?).
Het is belangrijk dat de dichtheid van de suspensie goed in de gaten wordt gehouden, omdat dit iets zegt over de vitaliteit van de cultuur. De dichtheid kan worden bepaald door monsters te nemen en de cellen met een telraam onder de microscoop te tellen. Met de microscoop kan ook een indruk worden gekregen of de bacteriën er nog goed uit zien. Het is nodig om ook tussen de lessen door metingen te verrichten.
Er zijn ook andere methoden om de dichtheid te meten. Dit zou bijvoorbeeld kunnen door licht door een monster te laten schijnen en te kijken hoeveel licht er wordt doorgelaten. Hoe dichter de cultuur hoe minder licht zal worden opgevangen. Voor een relatie tussen het aantal cellen Spirulina en de doorlaatbaarheid van licht moet eerst een ijklijn worden gemaakt. Dit is een goede oefening voor leerlingen. Ook kan de dichtheid worden bepaald door een monster te nemen, deze in te drogen en het gewicht van deze gedroogde sample te meten.

Les 4
Oogsten.
Indien de dichtheid hoog genoeg is kan worden begonnen met oogsten. Er kan worden besloten alle Spirulina in een keer te oogsten of meerdere keren een kleinere hoeveelheid. Voor het oogsten wordt een soort kaasdoek gebruikt waar de vloeistof door heen gaat en de Spirulina op achter blijft. De Spirulina moet gespoeld worden met water en vervolgens van het doek af worden geschraapt en in een buis opgevangen.
Om inzicht te krijgen in de opbrengst zal de kwantiteit (het drooggewicht) en de kwaliteit (het eiwitgehalte) moeten worden bepaald.

Vragen/opdrachten
● Tijdens het productieproces zal de pH langzaam oplopen. Wat kan worden gedaan om dit tegen te gaan? Is dit te automatiseren?
● Om iets over de kwantiteit van het productieproces te zeggen moet het drooggewicht worden bepaald. Denk na over hoe dit moet worden uitgevoerd.
● De kwaliteit van de pasta is onder andere gerelateerd aan het eiwitgehalte. Hoe meet je de hoeveelheid eiwit? Zijn er ook andere indicatoren voor de kwaliteit te meten? En hoe?

● Welke stappen van het productieproces kunnen worden geoptimaliseerd? Formuleer je onderzoeksvraag. Hoe pak je dat aan?
● Je zult voor het optimaliseren waarschijnlijk eerst op kleinere schaal willen werken. Wat wordt je proefopzet? Wat voor materiaal gebruik je?
● Zijn er processen met behulp van Coach of Arduino te automatiseren?

BENODIGDHEDEN LESACTIVITEIT

Fotobioreactor (te huur bij Spireaux), chemicaliën, labmateriaal.

KOSTEN LESACTIVITEIT

De kosten voor dit project zullen 80 euro per maand zijn. Hiervoor ontvangt de school:
– Een foto-bioreactor van 17 liter met bijbehorende leds, aansturing, warmteelement, pid controller
– Een voorraad van de benodigde meststoffen. Genoeg om honderd liter medium te mixen.
– Een startercultuur Arthrospira platensis.
– Toegang tot een digitaal forum waarop tips, lessen en lesmateriaal kunnen worden uitgewisseld.

Optioneel:
– Een digitale pH controller
– Een Solenoid ventiel, Drukregelaar en CO2 tank.

De minimale leaseperiode zal een half jaar zijn en na deze periode is de huur maandelijks opzegbaar.