TRIVSEL I BIOGASREAKTORN BIOGASPRODUKTION OCH FORSKNING

Transkript

1 TRIVSEL I BIOGASREAKTORN FÖRUTSÄTTNING TTNING FÖR F R OPTIMAL BIOGASPRODUKTION OCH FORSKNING Landsbygdsseminarium. Tema: Biogas i Östergötlandtland 24 april 2012 Bo Svensson Institutionen för f r Tematiska studier, Vatten och Miljö (Tema vatten) Linköpings universitet

2 TRE TVÄRVETENSKAPLIGA OMRÅDEN I FOKUS FÖR F R FORSKNINGEN Föroreningar orsaker, konsekvenser, politik och åtgärder Uppehälle, livsstilar och långsiktiga l leveranser av mat, vatten och energi Klimatförändringar konsekvenser, politik, strategier och åtgärder

3 TEMA VATTEN I NATUR OCH SAMHÄLLE CLIMATE POLICY RESARCH CENTER MILJÖVETARPROGRAMMET GEOGRAFI TEMATISK NATURVETENSKAP BIOGASKURS

4 BIOGAS FORSKNINGEN VID TEMA V - HISTORIK SLU JTI H 2 FYSIK TEKNISKA VERKEN I LINKÖPING AB FORMAS ENERGIMYNDIGHETEN OPTIMERING AV PROCESSER - SPÅREEMENT FORMAS VINNOVA SCANDINAVIAN BIOGAS AB VISKOSITET VÄRMEFORSK PAPPERSBRUK SLAMRÖTNING ENERGIMYNDIGHETEN - PAPPERSPBRUK INTEGRATION AV BIOGASPROCESSEN INOM PAPPER OCH MASSAINDUSTRIN

5 BIOGASFORSKNING VID LiU GASRENINGSTEKNIK: MEMBRANER, ENZYMER ASSIST. PROF. NATHANAEL ROBINSSON PROF. UNO CARLSSON ENZYMER I ANAEROBIC RENING ASSIST. PROF. MARTIN KARLSSON PROF. BENGT-HARALD JOHNSSON ENERGISYNERGIER GENOM KOMBINATION AV BIOGAS- PROCESSEN I BIOENERGISYSTEM PROF. MATS EKLUND OPTIMIMERING OCH SUBSTRATUTNYTTJANDE PROF. BO SVENSSON

6 TRIVSEL I BIOGASREAKTORN FÖRUTSÄTTNING FÖR OPTIMAL BIOGASPRODUKTION OCH FORSKNING

7 BIOGASPRODUKTION

8 BIOGASPRODUKTION ORGANISKA POLYMERER (proteiner, polysackarider, fett etc..) MONO & OLIGOMERER (aminosyror, socker, peptider,fettsyror etc.) FERMENTATIONSPRODUKTER (Org. syror, alkcoholer etc.) H 2 + CO 2 ACETAT CH 4 + CO 2

9 BIOGASPRODUKTION SUBSTRATTILLGÄNG- LIGHET SUBSTRATSAMMAN- SÄTTNING TEMPERATUR ph UPPEHÅLLSTID BELASTNING

10 BIOGASPRODUKTION ORGANISKA POLYMERER (proteiner, polysackarider, fett etc..) MONO & OLIGOMERER (aminosyror, socker, peptider,fettsyror etc.) FERMENTATIONSPRODUKTER (Org. syror, alkcoholer etc.) H 2 + CO 2 ACETAT CH 4 + CO 2

11 MIKROBIELL BIOMASSA FUNKTION

12 BIOGASPRODUKTION SUBSTRATTILLGÄNGLIGHET SUBSTRATSAMMAN- SÄTTNING TEMPERATUR ph UPPEHÅLLSTID BELASTNING

13 TRIVSEL I REAKTORN???

14 BALANSERAD KOST

15

16 TILLVÄXT Fe Co COMPLEX POLYMERS (proteins, polysacharides, fat etc..) Ni Se Wo Mono- & oligomerer (amino acids, sugars & peptides etc.) Fermentation products Org. acids, alcoholes etc.) H 2 + CO 2 Acetate CH 4 + CO 2

17 SPÅRÄMNESTILLG MNESTILLGÄNGLIGHETNGLIGHET SUBSTRATSAMMANSÄTTNING TTNING ORGANISKA OCH OORGANISKA KOMPLEX ph JONSTYRKA

18 SPÅRÄMNESTILLG MNESTILLGÄNGLIGHETNGLIGHET SUBSTRATSAMMANSÄTTNING TTNING ORGANISKA OCH OORGANISKA KOMPLEX ph SULFIDER FRÅN N NEDBRYTNING AV T EX PROTEINER I SUBSTRTET SULFAT I SUSBSTRATET T EX I DRANK KELATISKT AKTIVA ORGANISKA FÖRENINGARF JONSTYRKA

19 Zn, Cu, Al, Se, Wo, B, Mo, Co, Ni, Mn.

20 Zn, Cu, Al, Se, Wo, B, Mo, Co, Ni, Mn. + S 2- = LÅG TILLGÄNGLIG HET

21 Zn, Cu, Al, Se, Wo, B, Mo, Co, Ni, Mn. + S 2- = LÅG TILLGÄNGLIGHET SVÄLT

22 TILLVÄXT Fe Co COMPLEX POLYMERS (proteins, polysacharides, fat etc..) Ni Se Wo Mono- & oligomerer (amino acids, sugars & peptides etc.) Fermentation products Org. acids, alcoholes etc.) H 2 + CO 2 Acetate CH 4 + CO 2

23 LÅG G AKTIVITET HOS METANBILDARNA MATCHAR INTE STEGEN FÖREF ANSAMLING AV FERMENTATIONSPRODUKTER ALKOHOLER FETTSYROR (bl( a VFA) AROMATER SÄNKNING AV ph ENSILERING,, REAKTORN GÅR G R SUR

24 Zn, Cu, Al, Se, Wo, B, Mo, Co, Ni, Mn. + S 2- = LÅG TILLGÄNGLIGHET SVÄLT PRODUKTION AV ORGANISKA KOMPLEX

25 V Zn, Cu, Al, Se, Wo, B, Mo, Co, Ni, Mn. +S 2- = lower availability I S K O SVÄLT PRODUKTION AV ORGANISKA KOMPLEX S I T E T

26 VISKOSITETSÄNDRING ANNAN RHEOLOGI MEDFÖR: ATT OMRÖRNINGS RNINGS- OCH PUMPNINGSFÖRUTS RUTSÄTTNINGARNA TTNINGARNA ÄNDRAS RISK FÖR F R SEDIMANTATION MINDRE ARBETSVOLYM SKUMNING

27 ÖKA TRIVSELN I REAKTORN: OPTIMERA

28 OPTIMERING AV BIOGASPROCESSER MER METAN PER REAKTORVOLYM OCH TID STABILA PROCESSER BÄTTRE EKONOMI

29 OPTIMERING AV BIOGASPROCESSER MER METAN PER REAKTORVOLYM OCH TID STABILA PROCESSER ÖKA MIKROORGANISMERNAS TILLVÄXT OCH DÄRMED METANBILDNING FÖR SPECIFIKT SUBSTRAT FÖRBÄTTRA KEMISKA OCH FYSIKALISKA FÖRUTSÄTTNINGARNA

30 OPTIMERING AV BIOGASPROCESSER ÖKA DEN MIKROBIELLA TILLVÄXTEN OCH DÄRMED D DEN SPECIFIKA METANPRODUKTIONEN FRÅN N ETT SUBSTRAT FÖRBEHANDLING AV SUBSTRAT FYSIKALISKA, KEMISKA OCH BIOLOGISKA METODER ÖKAD TILLGÄNGLIGHET AV DET ORGANISKA MATERIALET

31 OPTIMERING AV BIOGASPROCESSER VID TEMA VATTEN TILLFÖRSEL AV SPÅRÄMNEN INTERAKTIONER MELLAN SPÅRÄMNEN RESPONS HOS MIKROORGANISMER KOMPLEXBINDNING AV SPÅRELEMENT FR A MED SULFIDER TOXISKA NIVÅER MIKROFLORANS SAMMANSÄTTNING I SVENSKA BIOGASREATORER

32 BLANDADE ERFARENHETER Co ger oftast ökad biogasproduktion Ni varierar från n att ge positiv effekt till hämning Kombinationer kan ge positiva och negativa effekter

33 OPTIMERINGSFÖRSÖK VARIERANDE HALTER AV SPÅRELEMENT I OLIKA KOMBINATIONER OCH MÄNGDERM BASERAT PÅ P MIKROORGANISMERNAS BEHOV 1X, 10X & 100X 18 REAKTORER I EN FAKTORIELL DESIGN RÖTNINGSTID 6 UPPEHÅLLSTIDER CA 120 d BELASTNING 2,5 g 4,5 VS L -1 d -1

34 METODIK CH4 (ml/g VS red) Reaktor nr ph 8,3 8,2 8,1 8 7,9 7, Time (Days) Prop. (mmol/day) Time (days)

35 Wo + Se

36 Membranlipider PLFA - Organisk analysmetodik DNA-tekniker 16S ribosomer - Primrar för r bakterier och archea - Kloning

37 Uncult. Firmicutes Family Clostridaceae TEM1: B, Mo, Ni

38 Methanoculleus bourgensis TEM1: B, Mo, Ni TEM2: Se, W Methanosarcina siciliae

39 METANBILDARE FLER ÄN N I ORGINALREAKTORN DOMINANS AV Methanoculleus ÖVERTAS AV Methanosarcina ACETATMETABOLISMEN ÄNDRAS FRÅN N SYNTROF ACETATOXIDATION (2 I TANGON) TILL ACETATKLYVNING (ENSAMDANSARE) FÖREKOMSTEN KORRELERAD TILL SPÅRÄMNESNIV MNESNIVÅ

40 RÖTNING AV SULFATRIKT SUBSTRAT SULFATREDUKTION TILL SULFID PÅVERKAN PÅ P SPÅRÄMNESTILLG MNESTILLGÅNGEN? NGEN?

41 RÖTNING AV DRANK START: 2-4 g VS L -1 DAY -1.

42 RÖTNING AV DRANK START: 2-4 g VS L -1 DAY -1 PERIOD (DAGAR) Fe Co Ni (g) (mg) (mg)

43 RÖTNING AV DRANK START: 2-4 g VS L -1 DAY -1 PERIOD (DAGAR) Fe Co Ni (g) (mg) (mg) FRAKTION J2-Fe (mg J2-Co (µg J2-Ni (µg J4-Fe (mg J4-Co (µg J4-Ni (µg gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) VÄTSKEFAS 0.1± ±0.1 n.d. 0.1± ±0.1 n.d. UTBYTBAR 0.1± ± n.d. 0.0± ± n.d. KARBONAT 0.5± ± n.d. 0.4± ± n.d.. ORG. MTR. SULF.ID 7.6±1.2 13± ± ± ± ±0.1 REST 1.4± ± n.d. 3.3± ± n.d.

44 RÖTNING AV DRANK START: 4-5 g VS L -1 DAY -1 PERIOD (DAGAR) Fe Co Ni FRAKTION J2-Fe (mg J2-Co (µg J2-Ni (µg J4-Fe (mg J4-Co (µg J4-Ni (µg gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) gts -1 ) VÄTSKEFAS 0.1± ±0.1 n.d. 0.1± ±0.1 n.d. UTBYTBAR 0.1± ± n.d. 0.0± ± n.d. KARBONAT 0.5± ± n.d. 0.4± ± n.d.. ORG. MTR. SULF.ID 7.6±1.2 13± ± ± ± ±0.1 REST 1.4± ± n.d. 3.3± ± n.d.

45 SLUTSATSER Co & Ni NÖDVN DVÄNDIGA FÖR F R ATT PROCESSEN SKALL FUNGERA Co FÖREKOMMER F I LÖST L FAS DVS ÄR R ATT BETRAKTA SOM LÄTTILLGL TTILLGÄNGLIG FÖR F MIKROOORGANISMERNA Ni FÖRELIGGER F I FAST FAS OCH BETRAKTAS DÄRFÖR R SOM ICKE TILLGÄNGLIG MO KOMMER ÄNDÅ ÅT T Ni!

46 SPÅRÄMNEN SLUTSATS FN VARIERANDE EFFEKT PÅ P METANBILDNINGEN BEROENDE PÅ P SAMMANSÄTTNING AV ÄMNEN SUBSTRAT MED SULFAT BEHÖVER TILLSATS STARKA EFFEKTER PÅ P MIKROORGANISMERNA I BIOGASREAKTORER KOMLEXKEMIN VIKTIG FÖR F R ATT TOLKA EFFEKTERNA

47 MIKROORGANISMSAMHÄLLEN I SVENSKA BIOGASANLÄGGNINGAR GGNINGAR BAKGRUND FÖR F R DE FÖRÄNDRINGAR F VI SER I VÅRA V FÖRSF RSÖK LÄNKA PROCESSPARAMETRAR TILL MIKROORGANISMERNA DYNAMIK

48 METODIK PROVTAGNING AV 23 REAKTORER VID 14 ANLÄGGNINGAR TÄCKER DE FLESTA SUBSTRATBLANDNINGAR OCH REAKTORKONFIGURATIONER TVÅ TILLFÄLLEN LLEN

49 METODIK MOLEKYLÄRBIOLOGISK KARAKTÄRISERING RISERING AV MIKROORGANISMERNA BAKTERIER OCH METANBILDARE BESTÄMNING AV NÄRINGSSTATUSN MAKRO OCH MIKRONÄRINGS RINGSÄMNEN OMSÄTTNINGSKAPACITET AV INTERMEDIÄRER RER DRIFTDATA TE X FÖREKOMST F AV INTERMEDIÄRER RER STATISTISK ANALYS

50 % of population SS1as SS1bs SS3a SS3b SS4ap SS5 SS2T CD2T CD3T CD8Tap CD9T CD1 CD4ap CD4bp CD5ap CD5bp CD7a CD7b CD10 CD11ap CD11bp Other unclassified Clostridia Erysipelotrichi Bacilli Verrucomicrobiae Spirochaetes Deferribacteres Anaerolineae Betaproteobacteria Gammaproteobacteria Alphaproteobacteria Deltaproteobacteria Acidobacteria Thermotogae Fusobacteria Mollicutes Bacteroidetes Sphingobacteria Flavobacteria Actinobacteria

51 Verrucomicrobiae Bacteroidetes SS5 Fusobacteria Flavobacteria Mollicutes PC % SS1as Spirochaetes Deltaproteobacteria Deferribacteres 0 Anaerolineae SS1bs SS4ap Gammaproteobacteria Acidobacteria Alphaproteobacteria Betaproteobacteria SS2T SS3b Group 1 Sewage sludge SS3a Actinobacteria CD7a Erysipelotrichi Group 2 Temophilic co-digestors CD1 CD4bp CD11bp Bacilli CD7b CD5bp CD4ap CD10 CD3T CD11ap CD5ap CD2T CD9T Thermotogae CD8Tap Group 3+4 Mesophilic co-digestors Sphingobacteria Clostridia PC %

52 Archaeapopulation för samtliga reaktorer % of population Other Methanobrevibacter Methanobacterium Methanosphaera Methanothermobacter Methanogenium Methanofollis Methanoculleus Methanosaeta 20 0 SS1as SS1bs SS3a SS3b SS4ap SS5 SS2T CD2T CD3T CD8Tap CD9T CD1 CD4ap CD4bp CD5ap CD5bp CD7a CD7b CD10 CD11ap CD11bp

53 BIOGASPROCESSEN Fe Co Komplexa polymerer (proteiner, polysackarider, fetter mm.) Ni Se Wo Mono- & oligomerer (aminosyror, socker & peptider mm.) Fettsyror & alkoholer (smörsyra, propionsyra & etanol mm.) H 2 + CO 2 Acetat CH 4 + CO 2

54 0.6 Methanobrevibacter 0.4 Group 4 Mesophilic co-digestors with manure PC % Group 1 Sewage sludge SS3a Methanosaeta SS1bs Methanofollis SS1as Methanosphaera SS4apMethanogenium SS3b SS2T SS5 CD3T CD5bp CD4ap CD4bpCD7a CD5ap Group 3 Mesophilic co-digestors without manure CD10 CD11ap CD11bp Methanoculleus CD8Tap -0.4 Group 2 Termophilic co-digestors CD2T -0.6 Methanothermobacter Methanobacterium CD9T PC %

55 SLUTSATSER STOR VARIATION MELLAN ANLÄGGNINGAR OCH REAKTORER MED AVSEENDE PÅ P FUNKTION KLAR KOPPLING MELLAN SPÅRELEMENTF RELEMENTFÖREKOMST REKOMST OCH FUNKTION NEDBRYTNINGSKAPPACITETEN SKILJER SIG BEROENDE PÅ P SUBSTRAT OCH TEMP. CH 4 PRODUCERAS VIA OLIKA VÄGAR V I RENINGSVERKSREAKTORER RESP. REAKTORER FÖR F R ANDRA SUBSTRAT POPULATIONERNA AV BACTERIER OCH METANBILDARE VARIERAR I RELATION TILL SUBSTRAT OCH TEMP.

56 FORTSÄTTNING TTNING FÖLJERF STABILA REAKTORER ÖVER TID ANDRA PROVTAGNING MED BESTÄMNING AV DE SOM ÄR R AKTIVA SVAVELFÖREKOMST LÖST ORGANISKT MATERIAL VISKOSITETSBESTÄMNING

57 TRIVSEL I REAKTORN!??

58 TACK TILL DE SOM GORDE JOBBET, Anna Karlsson Carina Sundberg Erik Alm Jenny Gustavsson Xinmej Feng Madeleine Larsson Sören SörensenS Sepehr Yekta Jörgen Ejlertsson Waleed Abu Al- Soud

59 SPONSORERNA ENERGIMYNDIGHETEN FORMAS VETENSKAPSRÅDET SCANDINAVIAN BIOGAS FUELS AB LiU PERSONAL VID ANLÄGGNINGAR I SVERIGE

60 OCH INTE MINST TILL ER SOM LYSSNAT IDAG!