Substratkunskap. Upplägg. Energinnehåll i olika substrat och gasutbyten. Olika substratkomponenter och deras egenheter

Transkript

1 Substratkunskap Anna Schnürer Inst. för Mikrobiologi, SLU, Uppsala Upplägg Energinnehåll i olika substrat och gasutbyten Metanpotential vad visar den? Olika substratkomponenter och deras egenheter C/N kvoter och samrötning 1

2 Jordbruksprodukter ü Potatis ü Spannmål ü Majs ü Vall, Gräs ü Sockerbetor ü Frukt Exempel på Råvaror Restprodukter ü Industriavfall ü Returfiber ü Hushållsavfall ü Slakteriavfall ü Gödsel ü Halm, växtrester Framtiden? Skogsprodukter ü Avverkningsrester ü Såg/Kutterspån ü Gallringsvirke ü Energiskog ü Bark Gasutbyten från olika råvaror Substrat Metan (L/g VS) Metan (L/Kg) Gödsel Spannmål Halm Gräs Sockerbetor Matavfall Slakteriavfall ~ OBS Sammansättningen på biogasen varierar mellan olika substrat. Samma total gasmängd kan vara kan motsvara olika mängd metan Metan CH 4 :CO 2 (L/kg) (%) Kolhydrat :50 Fetter :30 Protein :40 Energiinnehållet på vikt kan variera stort 2

3 Varför är det skillnad i gasproduktion mellan teori och praktik? Vad är gaspotential och vad säger den? Potentialen bestäms ofta i satsvisa försök där råvaran tillsätts vid ett tillfälle och där sedan gasutvecklingen följs över tid. gaspotential Metan (ml/g VS) Dagar Värdet anger det maximala potentiella metanutbyte och ej det utbyte som senare erhålls i en kontinuerlig biogasanläggning Satsvisa försök visar ofta inte ev begränsningar med ett visst material, t.ex näringsbegränsning eller hämmade ämnen 3

4 Varför är det viktigt att känna till gaspotentialen på ett visst material? Olika substrat bryts ner med olika hastighet.. 1. Kolhydrat Cellulosa Glukos Långsam Hemicellulosa Pentoser Långsam Stärkelse Glukos Snabb Lignin Ingen 2. Protein Aminosyror Snabb 3. Fett Glycerol Varierar Fettsyror Kommentarer Lignin Ej nedbrytbart, kan hindra annan nedbrytning Stärkelse och protein snabb nedbrytning Cellulosa och hemicellulosa - hastighetsbestämmande 4

5 Råvarornas struktur styr nedbrytningshastigheten! 600 Hastigheten avgör hur stor gasutbytet blir vid en viss uppehållstid 500 ml CH 4 /g VS L Dagar Kurvorna ovan visar nedbrytning av halm och vete Gissa vilken som är vilken? halm vete Exempel på råvaror och deras egenheter 5

6 Rötning av proteinrikt material Energirikt med låg C/N kvot Gödsel (svin, höns) Slakteriavfall Drank/Drav NH 3 Bättre växtnäringsinnehåll i rötresten Hämning av metanogener (> 2-3 g NH 4+ -N/L). (eller ca mg/l NH 3 ) OBS Mikroorganismsamhället kan anpassa sig till högre ammoniumhalter HUR?? Ammoniakhalten är avgörande för graden hämning påverkas av temperatur och ph o C Ammoniak (%) o C 30 o C ph NH 4 + NH 3 + H + Detta innebär att två anläggningar som har samma ammoniumhalt kan ha olika grad av hämning pga av olika processtemperatur och/eller ph 6

7 Temperaturens betydelse för ammoniakhalten 0,9" 0,8" 0,7" 0,6" 0,5" 0,4" 0,3" Free$ammonia$[g$l -1 ]$ 0,2" 0,1" 55" 53" 51" 49" 47" 45" Temperature$[ C]$ Ett exempel: 3gNH 4+ -N/L, ph 7.5 och 37 o C motsvarar 117 mg NH 3 /L 3gNH 4+ -N/L, ph 8.0 och 37 o C motsvarar 280 mg NH 3 /L 3gNH 4+ -N/L, ph 7.5 och 52 o C motsvarar 300 mg NH 3 /L 3gNH 4+ -N/L, ph 8.0 och 52 o C motsvarar 740 mg NH 3 /L 43" 41" 39" 37" 0" 35" Rötning av Kolhydrater Olika material har olika sammansättning av kolhydrater Nedbrytningshastigheten av olika kolhydrater varierar kraftigt Material med samma C/N kvot kan vara olika avseende nedbrytningshastighet Två olika exempel Frukt, betor enkla sockerarter Halm cellulosa, hemicellulosa lignin Snabb nedbrytning Långsam nedbrytning Fettsyror lignin Fettsyror Långsam nedbrytning Långsam nedbrytning Biogas ph sänkning Biogas 7

8 Cellulosa en mycket komplex förening Cellulosafiber Uppspjälkning av strukturen Makrofibrill Mikrofibrill Ökad tillgänglighet Bättre nedbrytningseffektivitet Cellulosakedjor Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet *Mekanisk *Enzymatisk *Termisk *Ultrasonikering *Elektroporation Ökning av metanutbyte (%) En förbehandling som minskar partikelstorleken och ökar partikelytan kan förbättra gasutbytet 25 Hampa Partikelstorlek (mm) OBS Viktigt att ta hänsyn till energiåtgång och ställa detta i relation till en ökad biogasproduktion Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet 8

9 Biogasproduktion från växtmaterial Utbytet påverkas också av ü Förbehandling /finfördelning ü Lagringsmetod och 7d ü Växtsort Gasutbyte från olika sorters betor 30% skillnad i gasutbyte Gasutbyte (ml/gvs) SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 Betsorter 9

10 Biogas utbytet från olika salixkloner 350" Metanutbyte ml/gvs 300" 250" 200" 150" 100" 50" 0" 0" 20" 40" 60" 80" 100" Dagar 78183""""1" 781"95""""2" Björn"""""3" Jon""""""""4" Olof"""""""5" Tora"""""""6" Cellulosa" Rötning av fettrikt material Ø Energirikt, Låg C/N kvot, ej vattenlösliga Ø Anaerob nedbrytning av fett ger bildning av långa fettsyror (LCFA), t.ex. oleat och stearinsyra. Ø LCFA verkar hämmande på metanbildarna Ex. slakteriavfall, fettavskiljarslam, kycklinggödsel etc. Ø Flera LCFA är ytaktiva och orsakar skumning Fungerar bäst i låga doser och jämn inmatning Uppvärmning kan bidra till högre löslighet och bättre nedbrytning 10

11 1+1 > 2 Samrötning ger bäst effekt varför!!!!! Samrötning ger ofta en mer optimerad sammansättning av näringsämnen inklusive C/N kvot Substrat C/N kvot Gödsel 3-20 Spannmål Halm Gräs Sockerbetor Potatis C/N kvoter mellan är ofta optimalt (men källan till kolet är också mycket viktig) Många växtmaterial har brist på spårelement, buffrande ämnen och ibland fosfor Betblad x (%) Potatisavfall x (%) C/N kvot 3 Metanutbyte ( m 3 /kgvs och dag) C/N kvot - Viktigt att ta hänsyn till vilken form kolet befinner sig, dvs om snabba eller långsamma kolhydrater. Hög C/N kvot mer problematisk med snabba kolhydrater. - Även formen av N är av betydelse. Anges ibland som Tot C / Tot N och ibland som Tot C/ NH 4+ -N. Vilken ska användas? Tot N = organisk N + NH 4+ -N + NH 3 Tot N OrgN NH NH 3 + org N NH NH 3 11

12 Ett samrötningexempel - drank och gödsel Processen havererar OLR förlängs i ej försök aj rädda processen. Processen körs under 120 dagar med enbart drank, dvs 3 HRT vid full belastning. Allt ser bra ut! Hög gasprodukbon och Ingen VFA Gödsel (15% VS) BllsäJs i ej försök aj rädda processen. Sveriges Lantbruks Universitet Vilka material lämpar sig att samröta? Material som 1. ger en blandad sammansättning av näringsämnen 2. tillgodoser mikroorganismernas behov av spårelement 3. har en bra buffrande förmåga (hög alkalinitet) Bra samrötningsmaterial till växtbaserade råvaror är t.ex. gödsel eller olika typer av livsmedelsvavfall Andra anledningar (än gasutbytet) till samrötning Ökad stabilitet Bättre utnyttjande av reaktorvolym Ökad flexibilitet Minskad risk för problem (hämning, skumning, svämm- täcken etc) kopplade till enskilda material 12

13 Hur säkerställs stabil drift med en jämn gasproduktion? ü Blandat och finfördelat material med lämplig näringssammansättning ü Lagom belastning ü Jämn matningsfrevkens ü Övervakning Temperatur Biogasens sammansättning Ammoniak Mängd biogas ph Alkalinitet Fettsyror Tack för uppmärksamheten! Frågor? 13