Agrigas - Utveckling av teknik för att utnyttja biogaspotentialen i restprodukter med höga torrhalter. Lägesrapport 2002

Agrigas - Utveckling av teknik för att utnyttja biogaspotentialen i restprodukter med höga torrhalter. Lägesrapport 2002 Förord...1 1. Inledning...1 2. Biogasproduktion i gårdsskala i södra Sverige slutsatser...3 2.1 Förutsättningar för biogasproduktion på gårdsnivå...3 2.2 Hur kan biogasen användas?...3 2.3 Teknikutveckling ett räkneexempel...3 2.4 Framtidsmöjligheter för gårdsbaserad biogas i södra Sverige...4 3. Försöksstation Anneberg...5 3.1 Uppförande av försöksanläggning...5 3.2 Råvarulager...6 3.3 Drift av försöksanläggning...6 3.4 Inmatningsteknik...7 4. Karakterisering av råvaror...7 4.1 Energiinnehåll...7 4.2 Kväveinnehåll...8 4.3 Lagringsförsök...9 5. Utvärdering av processteknik...9 5.1 Konventionell slurryrötning...9 5.2 Fastfassrötning i ett steg...10 5.3 Fastfassrötning i två steg...11 5.4 Fastfassrötning i ett steg i stratifierad bädd...12 5.5 Jämförelse av processtekniker...13 6. Övriga forskningsresultat...14 6.1 Karakterisering av nedbrytningsprodukter...14 6.2 Processövervakning...15 6.3 Biogasprocessens temperaturberoende...16 6.4 Förbättrad hydrolys av fasta substrat...16 6.5 Ökade kunskaper om anaerob mikrobiologi...17 7. Samarbetsprojekt...17 8. Referenser...18

Förord Forskningen inom projekt Agrigas syftar till att skapa förutsättningar för att genom biogasproduktion utnyttja den energipotential på cirka 11 TWh som finns i restprodukter från jordbrukets växtodling. Arbetet bedrivs dels i laboratorierna vid avdelningen för Bioteknik vid Lunds universitet, dels på Försöksstation Anneberg. Försöksstationen, som är unik i sitt slag, är utrustad med tio biogasanläggningar i storlek 1 350 m 3 vilket möjliggör omsättning av forskningsresultat till mer realistiska förhållanden på gårdsnivå. Denna rapport beskriver verksamheten inom projekt Agrigas mellan 2000-2002. Ett övergripande mål i projektet är att utveckla mer effektiva, pålitliga och ekonomiskt gångbara processer. En metod som studeras är att genomföra biogasprocesserna vid hög torrhalt, och således endast handha mindre vätskevolymer. Ett parallellt forskningsspår är försöken med rötning vid lägre temperatur (10-25 C) än den brukliga kring 37 C. En tredje angreppsvinkel är utökad processövervakning för att ligga så nära den maximala kapaciteten som möjligt, utan att för den skull riskera att den biologiska processen slås ut. Projektet har visat att växtrester från en 100 ha gård kan ge mellan 30-50 m 3 oljeekvivalenter i form av biogas om biomassan (som annars plöjs ner) först rötas. Förutom energin från biogasen erhålls en rötrest som utgör ett utmärkt gödselmedel, biogödsel. Rötreståterföring är ett mer kontrollerat sätt att utnyttja det i växtresterna befintliga kvävet. Inom ekologisk odling är denna kväveåterföring speciellt gynnsam, eftersom gödsel godkänt för ekologisk odling är en bristvara och kan vara relativt kostsam. Även konventionella odlare drar förstås fördel av en sådan återföring, liksom samhället i stort, där stora ansträngningar görs för att minska kvävebelastningen i sjöar och vattendrag. I ett samarbetsprojekt med SLU-Alnarp undersöks hur återföring av biogödsel påverkar odling, främst ekologisk. Vid byggandet av Försöksstation Anneberg har huvudsakligen lokala entreprenörer och företag anlitats. Tack vare stort engagemang och stor flexibilitet från alla inblandade entreprenörer har arbetet genomförts friktionsfritt och med hög effektivitet. Projekt Agrigas är alltså inte bara ett forskningsprojekt, utan också basen för ett kontaktnät mellan företag och lantbrukare som direkt eller indirekt arbetar med växtodling i södra Sverige. Projektets styrka ligger i denna bredd och koppling mellan grundforskning och praktisk tillämpning. Försöksstation Anneberg är en öppen demonstrationsanläggning som alla intresserade är välkomna att besöka, se www.agrigas.se för närmare information. Projektet fortsätter, med målet att sprida kunskapen om hur man bäst rötar växtrester i gårdsskala genom forskning med fokus på praktisk tillämpning. 1. Inledning Riksdagen har beslutat att Sveriges energisystem ska ställas om. Målet är ett ekologiskt uthålligt samhälle där staten verkar för en säker, effektiv och miljövänlig tillförsel och användning av energi. Detta görs bland annat genom att stödja forskning om förnybara energikällor. Biogas är en av de förnybara energikällor som utnyttjas i Sverige och energibidraget är idag 1,4 TWh per år. Av detta används cirka 10 % för elgenerering och 2-3 % som fordonsbränsle vilket gör att vi årligen kan ersätta 3,5 miljoner liter bensin med ett förnybart drivmedel. Resterande biogas används för värmegenerering. Beräkningar visar att vi genom att samla in och röta organiska restprodukter skulle kunna utöka biogasanvändningen till cirka 17 TWh/år inom en 10-års period. Detta motsvarar ungefär den årliga energiproduktionen i fyra kärnkraftsreaktorer. En del av det som skulle utnyttjas är hushållssopor och industriavfall, men den stora potentialen finns inom jordbruket (Tabell 1). 1

Tabell 1. Restprodukter som potentiellt kan användas för utökad biogasproduktion i Sverige Källa Utvinningsbar energimängd i form av biogas Källsorterat hushållsavfall 0,7 TWh Industriavfall 0,8 TWh Slam från reningsverk 1 TWh Jordbruksrestprodukter 14 TWh - av detta gödsel - 2,8 TWh - av detta halm, blast, vallgrödor - 11,2 TWh Det är tydligt att det är på lantbrukssidan vi måste satsa om biogas ska kunna bidra i större utsträckning till energiförsörjningen i Sverige. I jordbruksintensiva södra Sverige hittar vi en tredjedel av den lantbruksrelaterade biogaspotentialen, eller cirka 4,4 TWh. Projekt Agrigas utgör en satsning på att utveckla, demonstrera och synliggöra biogasteknologi speciellt anpassad för det sydsvenska jordbrukets restprodukter. Biogas bildas då mikroorganismer bryter ner organiska föreningar anaerobt, det vill säga utan närvaro av syre. Processen kallas ibland rötning, och den huvudsakliga nedbrytningsprodukten är metan, som också är den molekyl som gör biogasen så energirik. Biogasen kan användas till exempel som bränsle för uppvärmning, i kraftvärmeverk, i bränsleceller eller som fordonsbränsle. Förutom energipotentialen tillkommer rötrestens gödselvärde. Detta är högt, eftersom rötningen frigör och omvandlar organiskt bundet kväve till ammoniumkväve. Genom att utnyttja denna så kallade biogödsel återförs stora delar av det i växterna upptagna kvävet på ett mer kontrollerat sätt jämfört med om restprodukterna hade plöjts ner på hösten. Den ekologiska växtodlaren, som inte alltid har så lätt att hitta godkänd kvävegödsel till ett rimligt pris, skulle med detta förfarande kunna förbättra sin kvävebalans betydligt, eftersom kvävet utnyttjas mer effektivt jämfört med nuvarande hantering. Konventionella odlare drar förstås också fördel av en sådan återföring av kvävet, om än de ekonomiska fördelarna inte är lika stora som för den ekologiska odlaren. Men varför använder vi inte biogasprocessens fulla potential redan idag? En av orsakerna är att en mikrobiologisk process är svår att tämja. Den mikrobiella nedbrytningen sker i flera delsteg med hjälp av olika grupper av mikroorganismer. De anaeroba bakterierna växer mycket långsamt och är känsliga för störningar. Detta gör att processen kan vara instabil vid höga belastningar, och många biogasanläggningar drivs idag långt under sin maximala kapacitet som skydd mot överbelastning. Detta ger stora anläggningar med höga investeringskostnader. En annan orsak är att konventionell biogasteknik av idag är avsedd för produkter med hög vattenhalt, och avfallen processas i en omrörd tank i slurryfas. För växtrestprodukter med låg vattenhalt behövs en bättre anpassad teknik. Om biogasprocessen ska få ökad genomslagskraft måste tekniken dessutom vara ekonomiskt lönsam i en högre utsträckning än vad den är idag, framför allt i den mindre skalan. Arbetet inom Agrigasprojektet syftar till att lösa befintliga problem samt öka den basala förståelsen för biogasprocessen. Praktik och forskning samarbetar genom att bygga upp en kunskapsbas som spänner från grundforskning i laboratorieskala till erfarenheter från en försöksanläggning i gårdsskala, speciellt anpassad för behandling av fasta material, såsom växtrester från jordbruket. Projektets framsteg och nuvarande position presenteras här inledningsvis som en fallstudie av biogasproduktion i gårdsskala i södra Sverige, med slutsatser och framtidsvisioner grundade på projektets resultat. Därefter följer en översiktlig genomgång av den försöks- och demonstrationsanläggning (Försöksstation Anneberg) som byggts upp, samt forskningsresultaten, ordnade från mer praktiska till mer grundläggande. Vill du veta mer kan du läsa de publikationer som listas i avsnitt 8. Vissa av artiklarna kan laddas ner från vår hemsida, www.agrigas.se. 2

2. Biogasproduktion i gårdsskala i södra Sverige slutsatser 2.1 Förutsättningar för biogasproduktion på gårdsnivå En gårdsbiogasanläggning i Sverige byggd med dagens teknik och med nuvarande energipriser och brist på ekonomiska incitament från myndigheternas sida kan vara svår att få ekonomiskt lönsam. Rötning av lantbrukets organiska restprodukter innebär mycket stora miljöfördelar såsom ökad tillgång på inhemskt, förnybart bränsle, minskade kväveförluster från åkermarken och minskade utsläpp till atmosfären av metan och ammoniumkväve. Dessvärre omsätts dessa miljöfördelar idag inte till någon form av ekonomisk stimulans för den som driver en biogasanläggning. Trots detta finns det idag ett stort intresse från lantbrukets sida att etablera gårdsbiogasanläggningar, men mycket få byggnationer genomförs. Intresset riktas framförallt mot rötningsanläggningar för flytande gödsel, där etablerad teknik finns. Ett viktigt mervärde vid just gödselrötning är att rötad gödsel luktar betydligt mindre än orötad. Det är dock på växtodlingssidan som de stora energipotentialerna finns, och ett ökande intresse finns för ny teknik som kan möjliggöra rötning av torra restprodukter som skörderester med mera. Det senare intresset finns inte minst hos ekologiska växtodlare utan djur, där en sådan rötningsteknik närmast betraktas som en nyckelfråga för utvecklingen av den ekologiska växtodlingen. En växtodlingsgård om 100 ha i södra Sverige, med sockerbetor i växtföljden, har en biogaspotential enbart i skörderesterna motsvarande 3 500 MWh, (eller 30 50 m 3 eldningsolja), och en rötning av dessa skulle avsevärt minska kväveförlusterna från åkermarken. 2.2 Hur kan biogasen användas? Det för närvarande mest näraliggande användningsområdet för den producerade biogasen är uppvärmning genom förbränning i en gaspanna. De så kallade gröna certifikat som nu diskuteras i Sverige öppnar förhoppningsvis möjligheter till förbättrad lönsamhet för småskalig elproduktion från biogasanläggningar. I Tyskland, där myndigheter och lantbrukare under en följd av år framgångsrikt satsat på gårdsbiogasanläggningar, är det elproduktion som är huvudnumret, och där har myndigheterna garanterat en rimligt hög ersättning för sådan produktion. Producenterna av biogasbaserad el får ett garanterat elpris under 20 år som ligger på drygt det dubbla av vad el kan säljas för i Sverige idag. Biogas för fordonsbränsle är ett mycket lovande område, som dock kräver teknikutveckling för att med bibehållen ekonomi kunna konvertera biogasen på gårdsnivå till sådan kvalitet som motorfabrikanterna idag kräver. Positivt är att biogas framtaget från växtrester oftast innehåller låga halter av problemgasen vätesulfid. Koldioxiden tas bort för att öka energiinnehållet per volymenhet, varefter den sålunda renade metanen torkas och komprimeras. Elproduktion i bränsleceller är ett intressant område där ytterligare forskningsinsatser krävs. Forskarna i Agrigasprojektet deltar i ett EU-nätverk för biogasanvändning i bränsleceller. 2.3 Teknikutveckling ett räkneexempel De typer av processteknik som undersökts i pilotskala har alla fungerat bra biotekniskt sett, och har sinsemellan olika för- och nackdelar. Urvalet av processtyp för en gårdsskaleprocess grundar sig i detta exempel istället på den ekonomiska avkastning man kan förväntas ha från processen, det vill säga vilket investeringsutrymme som finns. De råvaror, restprodukter från växtodlingen, som används i projektet är något mera arbetskrävande än exempelvis flytgödsel, vilket gör att kraven på enkelhet och driftsäkerhet vid rötning är högre ställda. 3

En konventionell gårdsbiogasanläggning för flytgödsel, avsedd för en flytgödselmängd om cirka 10 m 3 /dygn (cirka 2500 slaktsvin) kan producera en biogasmängd om cirka 4 500 MWh/år. En sådan anläggning skulle enligt uppgift kosta cirka 2 milj SEK. Med en beräknad ersättning för energin om 600 kr/mwh blir totalintäkten för energi cirka 260 kkr/år. En sådan anläggning kan med nöd och näppe gå ihop ekonomiskt om realräntan är 6 % och avskrivningstiden är 10 år. I ovanstående överslagsberäkning ingår ingen värdering av rötrestens gödselvärde. Ej heller har värdet av minskade luktolägenheter medräknats. För att producera motsvarande mängd biogas från en anläggning avsedd för restprodukter från växtodlingen behövs, enligt våra försök, en anläggning som kan belastas med 360 kg torrsubstans (TS)/dygn, eller cirka 120 ton TS/år. För detta krävs exempelvis storleksordningen 35-50 ha sockerbetsblast och/eller vall, beroende på jordart och årsmån. Kostnaden för en rationell insamling av växtbiomassa har tidigare beräknats till 3-400 kr/ton TS (VEGOMIL-projektet 1996). En del biomassa måste lagras för att försörja anläggningen med råvara vintertid. Råvaruhanteringen kan, överslagsmässigt, beräknas kosta 4-800 kr/ton TS, eller totalt 50-100 kkr. Jämfört med bruttointäkten i föregående exempel, minskar den del av intäkten som ska täcka övrigt arbete och kapitalkostnader med motsvarande summa till mellan 160-210 kkr. Denna överslagsberäkning ger vid handen att investeringsutrymmet för denna anläggning minskar till 1-1,5 milj kr med en realränta på 6 % och avskrivningstid på 10 år. I ingen av de två beräkningarna ingår en ekonomisk värdering av rötresten som gödselprodukt, inte heller har de andra miljöfördelar som biogasrötning medför värderats. I den konventionella växtodlingen kan de minskade kväveförlusterna till luft och vatten (totalt 30-50 kg kväve/ha och år) innebära en besparing om mellan 7-20 kkr för en 100 ha gård medan motsvarande besparing i ekologisk växtodling kan uppskattas till 30-70 kkr. Ett forskningssamarbete med SLU-Alnarp pågår för att ta fram underlag för säkrare beräkningar på rötrestens värde som gödsel. Det positiva bidraget från en sådan värdering till en gårdsbiogasanläggnings totalekonomi skulle antagligen inte vara obetydligt, framför allt för ekologiska odlare. En översättning av pilotskaleresultaten från försöken med stratifierad bädd (se avsnitt 5.4) ger att en process med 100 m 2 bottenyta (cirka 350 m 3 volym) skulle klara en belastning av 6 ton vått (14 %TS) I eller 840 kg TS/dygn. Metanutbytet blir 180 m 3 /dygn, motsvarande en teoretisk effekt på 80 kw. Med en verkningsgrad på 70% så skulle det ge cirka 450 MWh/år vid optimal, kontinuerlig drift, med driftsavbrott för underhåll inräknat. Utifrån hittills vunna erfarenheter av reaktorkonstruktioner inom Agrigas är det fullt rimligt att tänka sig en biogasanläggning enligt ovanstånde koncept inom de givna kostnadsramarna, 1-1,5 milj kr. Inom projektet pågår praktiska försök med en gårdsskaleanläggning på 350 m 3 enligt denna princip för att undersöka hur bra beräkningarna håller. 2.4 Framtidsmöjligheter för gårdsbaserad biogas i södra Sverige I Tyskland har det garanterade priset på försäljning av biogasbaserad el givit en närmast explosionsartad ökning av antalet gårdsbiogasanläggningar. I mitten av 2002 fanns 1900 gårdsbiogasanläggningar med en installerad effekt på 250 MW el, vilket innebär en eleffekt på i snitt 130 kw. En motsvarande positiv utveckling med ett fullt utnyttjande av biogaspotentialen i södra Sverige skulle innebära en total installerad effekt på 500 MW. En antagen elverkningsgrad på 0,3 skulle ge 150 MW installerad eleffekt. Med en anläggningsstorlek som den i exemplet ovan, där endast restprodukterna från en 100 ha gård behandlas, skulle det innebära att drygt 10 000 biogasanläggningar skulle byggas i södra Sverige. En viktig faktor som talar för en relativt småskalig biogasproduktion är kvalitetskontrollen av rötresten/biogödseln. Biogödseln är ett värdefullt gödselmedel, men livsmedelsindustrin ställer stora krav på dess kvalitet. Ett lokalt, slutet kretslopp av råvaror/biogödsel underlättar i hög grad kvalitetskontrollen, och därmed möjligheten att använda rötresten som gödselmedel. På en gård med ekologisk växtodling, där biogasrötning av och återföring av näringsämnena i skörderesterna närmast 4

kan betraktas som en förutsättning för odlingen, är det av allra största vikt att ha absolut kontroll över ingående råvaror till biogasanläggningen. Ett nyligen framtaget framtidsscenario för lantbruket i Skåne (Länsstyrelsen i Skåne län) pekar på att ett relativt litet antal jordbruk i framtiden kommer att svara för en mycket stor del av lantbruksproduktionen i länet. På stora lantbruksföretag drivs varje enskild produktionsgren i relativt stor skala. En eventuell satsning på energi/biogasproduktion på dessa företag kan därför förväntas ske i relativt stor gårdsskala. Man bör kunna räkna med att det på marknaden kommer att finnas utrymme för mindre, mera nischade, lantbruksföretag, vars produkter riktar sig till ett speciellt kundsegment. Ekologisk odling är exempel på sådan produktion, och här kan biogasproduktion från gårdens restprodukter utgöra en viktig extraintäkt, och ofta till och med utgöra en förutsättning för en uthållig växtnäringsbalans på gården. 3. Försöksstation Anneberg En stor och viktig del av projektet har varit uppförandet av en försöks- och demonstrationsanläggning, Försöksstation Anneberg. Den har uppförts i direkt anslutning till en växtodlingsgård, med nära koppling till tänkta användare. 3.1 Uppförande av försöksanläggning Projektet inleddes med en detaljprojektering av försöksanläggningen. En översiktlig beskrivning av försöksanläggningen visas i Figur 1. Anläggningen handlades upp och byggdes med start i december 2000. I oktober 2001 invigdes anläggningen. Pilothallen, där alla de mindre reaktorerna (1-3 m 3 ) finns inrymda, visas i Figur 2. De större reaktorerna och övriga installationer finns utanför, se Figur 1. Full scale plant Gas line Storage of gas and digested residue 1 2 3 Silage of crop residues Storage of liquid substrate Gas boiler 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Pilot hall Office, laboratory, analysis facilities, conference room storage experiments Figur 1. Försöksstation Anneberg. Laboratorier, kontor och mötesrum har byggts i ett befintligt före detta svinstall. Pilotanläggningar i 1 3 m 3 skala ligger i ett avskiljt gasklassat utrymme. Större anläggningar (10-350 m 3 ) ligger på gårdsplanen. Alla anläggningar förbinds med ett gasuppsamlingsnät kopplat till en värmepanna där bildad biogas idag används för uppvärmning. 5

Figur 2. Pilothall, Försöksstation Anneberg. 3.2 Råvarulager Odlingsrester lagras in vid skördetid varje höst och tre plansilor á 120 m 3 har byggts för detta ändamål, se Figur 3. Materialet lagras in på det sätt som har visat sig minimera förluster i kväve- och energipotential, se avsnitt 4.3. Figur 3. 120 m 3 Plansilor för lagring av växtrester fram till användande. Bilden visar silorna under inlastning av 2002 års skörd av betblast. Efter kompaktering täcks blasten över, varvid ensileringsprocessen sätter igång spontant. I silon längst till höger ligger inplastade balar med ensilerad vall. 3.3 Drift av försöksanläggning Totalt är tio försök idag igång i pilotskala. Tillförsel av de olika typerna av växtmaterial pågår under hela driftsäsongen, från höst till sen vår. Den bildade biogasen används för att värma försök och lokaler. För redovisning av resultat från teknikutveckling och andra delprojekt, se kapitel 5-6. Mätvärden från pilotanläggningarna samlas in genom ett helautomatiserat processövervakningssystem, och följs on-line via ett grafiskt gränssnitt. I ett forskningsprojekt är det nödvändigt att kunna följa utvecklingen i realtid, något som inte kommer att bli lika nödvändigt på en gårdsskaleanläggning. Parametrar som kan 6

övervakas on-line i pilotanläggningarna är till exempel gasproduktion, metanhalt, temperatur, ph och tillförd energi i form av uppvärmning och pumpning. Analyser görs också off-line, det vill säga genom att ta prover som analyseras för hand på laboratoriet. Se avsnitt 6.2, Tabell 10, för fler exempel. 3.4 Inmatningsteknik Inmatning av de fasta restprodukterna i biogasanläggningarna sker på två sätt: Inlastning med lastmaskin direkt i anläggningen. Gäller när processen lastas satsvis och lastning inte måste ske under syrefria förhållande. I detta projekt har lastmaskin använts för att lasta pilotanläggningarna för satsvis rötning i fast bädd, se avsnitt 5.2-5.3. Sönderdelning och utspädning med uttagen processvätska för pumpning in i anläggningen. Gäller kontinuerliga processer med så kallad slurryrötning (avsnitt 5.1) och för den stratifierade bädden (avsnitt 5.4). Inlastning med lastmaskin kräver vanligen stora öppningar i anläggningen, vilket i sin tur ställer stor krav på konstruktionen så att man vid förslutningen kan få anläggningen gastät. Lastning med lastmaskin kräver realtivt stor personalinsats. I denna försöksanläggning har dock varje skopa med material som lastats in noga vägts, något som kan ske på annat sätt i en fullskaleanläggning. Sönderdelning och efterföljande utspädning av materialet till en pumpbar slurry kräver speciell utrustning. Metoden är intressant eftersom den kan vara mer eller mindre permanent ansluten till anläggningen utan att äventyra dess täthet. Teknik för att sönderdela och blanda växtrester är väl etablerad inom grovfodersektorn, och i projektet har vi utgått från dessa erfarenheter och befintlig, inom lantbruket väletablerad, utrustning. 4. Karakterisering av råvaror En utvärdering av de tillgängliga odlingsresterna på en genomsnittlig 100 ha sydsvensk växtodlingsgård gav mängder enligt Tabell 2. Endast en del av växtresterna beräknas kunna samlas upp och utnyttjas för biogasproduktion. I tabellen är halmen till stor del utesluten på grund av sin svårnedbrytbarhet och låga metanpotential. I våra försök har halmen huvudsakligen använts på grund av sina goda egenskaper som strukturgivare och biofilmbärare vid fastfasrötning. I slurryrötning bildar halmen lätt ett svämtäcke, vilket hämmar nedbrytningen. Både svämtäckesbildningen och den biologiska svårnedbrytbarheten skulle dock kunna reduceras genom finfördelning av halmen, och malningsteknik för att åstadkomma detta finns. Studier av användning av mald halm har ännu inte gjorts inom projektets ram. Givetvis finns stora variationer i odlingsmönster, och många andra odlingsrester finns tillgängliga i betydande mängder. Tidigt beslutades dock att avgränsa projektet genom att inledningsvis fokusera endast på råvarorna i Tabell 2. Tabell 2. Genomsnittliga mängder västrester från en 100 ha sydsvensk gård. Areal (ha) Total mängd i ton Användbar mängd i ton Betblast 25 800 600 Vall 25 400 135 Halm 50 200 40 4.1 Energiinnehåll För halm, betblast och vall har metanproduktionspotentialen bestämts genom provrötningar i allt mellan laboratorie- och pilotskala. Vid studier av nedbrytningsgrad och biogaspotential för olika 7

råvaror spelar metodiken stor roll för resultaten. Parametrar som är viktiga är till exempel temperatur, skala (laboratorie/pilot), masstransport (omrörning/urlakning), processteknik och rötningstid. När växtmaterial används spelar dessutom skördetid och växtsammansättning in. Siffror på metanpotential i litteraturen är ofta erhållna i laboratorieskaleförsök vid 37 C under optimala betingelser. Med denna metod kan resultaten bli överskattade jämfört med vad man sedan erhåller i storskaliga försök då processförhållandena inte är optimala. Tabell 3 anger inom vilka ramar resultaten varierat. Som synes ligger resultaten från laboratorieskaletester generellt högre än metanutbytet vid studier i pilotskala. Dessa mer realistiska resultat från studier i pilotskala är mycket viktiga för beräkningar av metanutbyten och ekonomiska ramar för en fullskaleprocess. Rötningstemperaturen är dock den enskilt viktigaste faktorn för metanutbytet och de lägre metanutbytena har erhållits vid temperaturer ner till 8 C. Mer detaljerade presentationer av metanutbyten vid olika processförhållanden kan hittas i avsnitt 5, Tabell 5 till 9. Tabell 3. Metanutbyten för de växtrester som använts i denna studie. Resultaten för olika processtekniker och temperaturer har slagits samman. VS står för volatile solids och är ett mått på mängden organiska beståndsdelar i ett material. Metanutbyte (m 3 /kg VS) Laboratorieskala Pilotskala Betblast 0,01-0,37 0,14-0,33 Vall 0,23-0,32 0,16 Halm 0,15-0,20 0,08 80-90 % betblast / 20-10 % halm 0,26 0,06-0,36 4.2 Kväveinnehåll Sockerbetor är, inte minst ur kvävehushållningssynpunkt, en intressant gröda. De har ett djupgående rotsystem och en lång växtperiod och tömmer därför effektivt jordprofilen på det i marken bundna kväve som mineraliseras, och därmed görs växttillgängligt, under vegetationsperioden. Den behandling som sockerbetsblasten normalt får efter skörden gör emellertid att en stor del av detta kväve går förlorat. Blasten får ofta ligga i flera dagar i väntan på att bli nerplöjd, och mycket av kvävet avgår som ammoniumkväve under de första dagarna. Det kväve som är kvar i blasten vid plöjningen, brukas ner och ingår därefter i den bank av organiskt bundet kväve som finns i marken och som mineraliseras okontrollerat, det vill säga naturligt och oberoende av om det finns en gröda som fångar upp det eller ej, med risk för urlakning som följd. För ekonomin för en gårdsskaleanläggning kan insamling, kontrollerad nedbrytning och återföring av den kväverika betblasten bli en viktig faktor. Detta både på grund av den besparing i kvävegödningsmedel som kan göras och på grund av att kväveläckage från obeväxt åkermark reduceras avsevärt, något som kommit mer och mer i fokus på grund av jordbrukets stora bidrag till övergödningen av hav och vattendrag. Kväveinnehållet i några material anges nedan. Sammanlagt innehåller växtresterna från en 100 ha gård 5-10 ton kväve som bättre skulle kunna återvinnas vid införandet av rötningsanläggningar på gårdsnivå. Tabell 4. Kväveinnehåll för färskt material, totalkväve bestämt enligt Kjeldahlmetoden. TS [%] VS [%] %N(av TS) %N(av våtvikt) Betblast 14,0 11,3 5,00 0,70 Gräsvall 35,6 33,5 2,33 0,83 Vetehalm 91,6 86,1 0,33 0,30 8

4.3 Lagringsförsök En viktig faktor vid rötning av en restprodukt som bara finns tillgänglig under en del av året är hur materialet ska lagras fram till rötning med minimala förluster i energi- och kväveinnehåll. Lagringsförsök har utförts i både 1 m 3 (Figur 4) och 120 m 3 silor samt i konventionella ensilagebalar. De växtmaterial som har undersökts är betblast och vall separat samt i olika kombinationer med vetehalm. Den princip som undersöktes i lagringsförsöken var att låta så mycket som möjligt av det gröna växtmaterialets pressvatten sugas upp i ett lager med hackad halm i olika blandningskonfigurationer. På så vis undviks dubbla hanteringssystem, så att endast ett för fast material behövs. Energiinnehållet ansågs bevarat om det mesta av pressvattnet sögs upp, och ensileringen av det gröna växtmaterialet var lyckad. Lyckad ensilering visas genom att ph sjunkar till cirka 4, att den mikrobiella aktiviteten upphör, och att pressvattenproduktion och kväveurlakning avstannar. Den mest lyckade konfigurationen var att lägga all halmen som ett lager i botten, eventuellt med en vall vid öppningen i plansilofallet. Denna inlagringsteknik har använts med framgång i stor skala under två växtsäsonger för att ensilera betblast, som lämpar sig bäst för plansilolagring på detta sätt. Figur 4. Lagringsförsök i pilotskala (1 m 3 ). 5. Utvärdering av processteknik En stor del av forskningsinsatserna inom projektet har lagts på olika rötningstekniker för fasta material. Konventionell biogasprocessteknik innebär att materialet behandlas i en omrörd tank som en pumpbar slurry. I fallet med växtrester skulle detta innebära att materialet får blandas upp med stora mängder vatten. Detta innebär i sin tur att större reaktorvolymer krävs, större lagringstankar krävs och större volymer ska värmas upp och blandas om. Om rötningen kan göras utan tillsats av extra processvatten har det många fördelar. I projektet används den konventionella slurrytekniken som referens, och hittills har tre varianter av fastfasrötning testats och utvärderats i relation till denna referens. 5.1 Konventionell slurryrötning En viktig orsak till ökade driftskostnader vid slurryrötning i gårdsskala är det ökade uppvärmningsbehovet. Dessutom ger det större vatteninnehållet i rötresten större lagrings- och transportkostnader och kvävekoncentrationen minskar. Fördelarna med slurryrötning är att det är en väletablerad teknik som ger god massöverföring och därmed snabb rötning och hög nedbrytningsgrad. 9

Syftet med försöken med slurryrötning är dels att jämföra gasutbytet med övriga reaktorteknikers utbyte (avsnitt 5.2-5.4), dels att utvärdera effekten av temperaturer lägre än den optimala, vid 37 C. Lägre temperatur ger lägre metanutbyte, men kan ändå vara positivt för den totala processekonomin eftersom uppvärmningskostnaden minskas avsevärt. Några av resultaten från försöken med slurryrötning visas i Tabell 5. Tabell 5: Gasutbyte vid olika temperaturer för pilotskalereaktorer Pilotskala - Reaktor 1 Pilotskala - Reaktor 2 temperatur medelmetanutbyte temperatur medelmetanutbyte C m 3 CH 4 /kgvs C m 3 CH 4 /kgvs 11 0.08 20 0.20 14 0.14 24 0.23 17 0.18 28 0.29 20 0.19 30 0.34 Maximalt metanutbyte uppnås vid 30 C i pilotskaleförsöket. Gasutbytet minskar vid minskad temperatur, men variationen inom varje temperatur är hög. Tabell 6 visar energiförbrukningen för pilotskaleförsöken vid uppvärmning till olika temperaturer när den omgivande temperaturen är runt 15 C och energiproduktionen är 80 % av den teoretiskt maximala gasproduktionen. Vid temperaturer högre än 20 C överstiger energiförbrukningen energiproduktionen. Detta är dock resultat uppnådda med mikoroorganismer från en köldanpassad miljö. Dessutom har resultaten uppnåtts med en reaktor på bara 1,8 m 3 och energiförbrukningen är därför orealistiskt hög, men det är ändå en indikation på att energibalansen kan förbättras om processen körs vid låg temperatur förutsatt att mikroorganismerna är köldanpassade. Tabell 6: Energibalans för rötning i 1,8m 3 slurrytank när omgivande temperautr är 15 C. Energiproduktionen är beräknad som 80% av maximal metanproduktion. Processtemperatur 15 C 20 C 30 C 35 C Energiförbrukning (kwh/dygn) 0 4 10 12 Energiproduktion (kwh/dygn) 2.8 4.4 5.7 7.9 5.2 Fastfassrötning i ett steg Enklast möjliga teknik för rötning av fast material är att som i till exempel en deponi för hushållsavfall lägga materialet på hög och översila med en recirkulerad ström av den lakvätska som rinner av (Figur 5). Denna teknik har utvärderats i pilotskala i en 10 m 3 container. Figur 5. Skiss över processdesign för fastfasrötning i ett steg. 10

Inga referenser till denna typ av processteknik för växtmaterial har hittats i litteraturen, så ingen möjlighet finns att utvärdera resultaten mot resultat från andra anläggningar eller forskargrupper. Processtekniken har utvärderats mot övriga resultat framtagna inom Agrigas (Tabell 8). Förväntningen var att gasutbytet skulle vara relativt lågt, men att detta skulle kompenseras av låg investerings- och driftskostnad. Metanutbytet var relativt lågt (70 % av utbytet i laboratorieskala) för svårnedbrytbara material som halm och hö, men processen gav mycket goda resultat för betblastensilage. En förutsättning var dock att ensilaget tillfördes en ymp med hög densitet av metanbildande mikroorganismer. Ensilerad betblast har lågt ph, under 5, och halten av metanbildande organismer är antingen mycket låg eller är befintliga metanogener, som har ett ph-optimum runt 7, svårt inhiberade. I försök där bara betblastensilage tillsattes tog det 30-40 dygn innan befintliga metanbildare hade växt till och/eller anpassats så att metanbildningen satte igång. Det tydliga sambandet mellan processens ph och gasproduktionen visas i Figur 6. Detta ger ojämn metanproduktion och orimligt lång nedbrytningstid. I försök där en rest av gammal, färdignedbrutet material lämnades i botten av containern kom dock metanbildningen igång direkt. Långa nedbrytningstider krävdes dock fortfarande, materialet nådde inte rimlig nedbrytningsgrad förrän efter 2 månader vilket är teknikens huvudsakliga nackdel. 160 8 140 acc. gas production (m 3 ) 120 7 100 80 60 6 40 acc.gas production 20 ph 0 5 0 20 40 60 80 time (days) ph Figur 6. Samband mellan ph och gasproduktion för fastbäddsrötning i ett steg utan tillsats av ymp. 5.3 Fastfassrötning i två steg Tvåstegsrötning är en inte helt obeprövad teknik som ibland används för nedbrytning av källsorterat hushållsavfall. Processen delas då upp i två steg, i det första sker hydrolys och syrabildning, i det andra sker metanbildning, Figur 7. 10 % av Europas biogasproduktion sker med denna teknik. För just fasta jordbruksrester är tekniken dock mindre välkänd, men några fall har hittats där ett fast växtmaterial har överstrilats med processvätska för att fånga upp lösta organiska föreningar och denna vätska sedan överförs till ett separat metansteg. Avsikten med denna teknik är att skydda de känsliga metanbildande mikroorganismerna från de höga koncentrationer fettsyror med lågt ph som bildas i nedbrytningens första steg. Figur 7. Skiss över fastfasrötning i två steg med separerat hydrolys- och metansteg. 11

I tekniken som beskrevs i föregående avsnitt visade sig det låga ph-värdet vara inhiberande för metanbildningen. Här slussas vätskan istället över i kontrollerade mängder till metansteget när den initialt har höga halter av fettsyror och lågt ph. I metansteget växer mikroorganismerna skyddade på någon typ av bärare. Försöken gjordes med en 10 m 3 container som första steg, följt av ett metansteg på 2,5 m 3. En kostnadseffektiv bärare som utvärderats mot konventionella bärarmaterial är halm. Laboratorieförsök visade att mikroorganismer som växer på halm i en packad bädd tål mer än dubbelt så hög belastning som de som växer på andra kommersiellt tillgängliga bärare. Denna utvärdering har även gjorts i pilotskala där halm har utvärderats mot en plastbärare. Här är inte skillnaden lika tydlig, men halmbäraren är ett bra alternativ för en mer kostnadseffektiv gårdsskaleprocess. En nackdel med en tvåstegsprocess är att en del av metanpotentialen går förlorad i det första steget då istället koldioxid och vätgas avges. Processen är också mer komplicerad i sitt utförande och kräver god processkontroll eller mycket god kännedom om processen. Resultat från en- och tvåstegsprocesserna jämförs i Tabell 7. Enstegsprocessen ger högre metanutbyte, men endast om processen initialt buffras genom tillsats av redan rötat material. Tvåstegsrötning är alltså en mer stabil och pålitlig process men ger som mest 75 % av metanutbytet i enstegsprocessen. Maximalt utbyte och stabilitet måste här vägas mot varandra. Processtemperaturen, som endast utvärderades för tvåstegsrötningen, visade sig ha mycket stor betydelse för resultatet och temperaturer under 35 C är här inte att rekommendera. Tabell 7: Jämförelse mellan metanutbyten i 1- och 2-stegsprocessen vid rötning av en blandning av betblast (93%) och halm 7 (%). Processtyp Metanutbyte (m 3 / kg VS) 1-steg fast bädd 34 C* 0,36 1-steg fast bädd 34 C 0,23 2-steg fast bädd 20 C 0,15 2-steg fast bädd 31 C 0,19 2-steg fast bädd 35 C 0,27 * ymp kvarlämnat för att hjälpa igång och buffra processen. 5.4 Fastfassrötning i ett steg i stratifierad bädd Användning av halm som bärarmaterial för mikroorganismerna har visat sig fungera mycket bra i metanfilter i tvåstegs reaktorsystem, se avsnitt 5.3 ovan. En kombination av en- och tvåstegsprocessen, men i ett enklare och därför mer ekonomiskt gynnsamt utförande, skulle vara att låta det första stegets hydrolys äga rum på toppen av halmbädden (Figur 9). En rumslig uppdelning (stratifiering) åstadkoms på så sätt, i ett enstegs reaktorsystem. Den inledande nedbrytningen och syrabildningen äger till största delen rum i toppen av reaktorn, i det senast pålagda växtmaterialet, medan metanbildningen sker längre Figur 9. Skiss över fastfasrötning i stratifierad bädd. ner, i halmbädden och i den utrötade delen av växtmaterialet. Syrornas transport genom bädden 12

underlättas genom att recirkulera lakvattnet. Det går att använda de flesta växtmaterial som bärare, men rigida och svårnedbrytbara skörderester som halm är att föredra för att erhålla en mer stabil och genomsläpplig bädd. Fördelarna med systemet är dess enkelhet, som drastiskt sänker investeringskostnaderna, och det låga arbetsbehovet. Dessutom gör halmbärarens stabiliserande inverkan att gasproduktionen kommer igång snabbare vid uppstart, på samma sätt som vid tvåstegsrötning. Den stratifierade bädden har givit goda metanutbyten i jämförelse med andra tekniker som undersökts (Tabell 9). Systemet har hittills prövats i kolonnreaktorer i pilotskala och laboratorieskala, och resultaten är mycket lovande, se Tabell 8. Till skillnad från de andra två fastbäddssystem som undersökts i denna studie är den stratifierade bädden ett kontinuerligt system och belastningen (mängden grönmassa som matas in per dag) är ännu en parameter som kan optimeras. När denna rapport skrivs har ännu inte systemets övre belastningsgräns nåtts och ännu bättre resultat förväntas. Högre belastning innebär mindre reaktorvolym och därmed lägre investerings- och uppvärmningskostnader. Utifrån de resultat som finns idag har dock en omräkning och uppskalning gjorts med avseende på en anläggning som årligen skulle kunna behandla växtresterna från en 100 ha gård. (Avsnitt 4, Tabell 2). Metanutbyte och teoretisk anläggningseffekt (verkningsgrad 100%) anges i Tabell 8. Tabell 8. Resultat från lab- och pilotskala, som sedan använts som beräkningsunderlag för en gårdsskaleanläggning. Metanutbytet i gårdsskala är baserat på växtresterna från en 100 ha gård, se Tabell 2, avsnitt 4. Spec. belastning [kg VS/m 3 *dag] Belastning [kg VS/dag] Utbyte [m 3 CH 4 /kg VS] Gasproduktion [m 3 CH 4 /dag] Anläggningseffekt, teor. [kw] Lab.-skala 2,1 9,9*10-3 0,33 3,3*10-3 - Pilotskala 2,2 0,86 0,30 0,26 - Gårdsskala 1.9 680 0,27 180 80 5.5 Jämförelse av processtekniker I Tabell 9 är de högsta metanutbytena från de studerade rötningsteknikerna sammanfattade (vilket i alla fallen är försöken utförda vid högst temperatur). Här kan man jämföra rötning i slurry med de rötningstekniker som utvecklats med tanke på att de ska fungera i gårdsskala, det vill säga arbetsbehovet ska vara lågt och processdesignen enkel. Det är tydligt att metanutbytet vid 1-stegs fastbäddsrötning och stratifierad bädd är jämförbart med gasutbytet vid slurryrötning. I slurryrötning är dock 30 C den högsta temperatur som undersökts med substrat från samma skörd som de övriga forsöken. Metanutbytet för 2-stegsprocessen är lite lägre. Denna teknik har i gengäld en något snabbare nedbrytningstid. Fastfasrötning i ett och två steg är de som har lägst arbetsbehov då man inte förbehandlar substratet. Rötning i stratifierad bädd ger dock möjligheten att köra processen kontinuerligt. Alla undersökta tekniker har visat sig fungera väl och är möjliga att utnyttja i gårdsskala. För- och nackdelar med varje teknik listas i Tabell 9. 13

Tabell 9: Metanutbyte vid rötning av 93% betablast / 7% halm respektive ren betblast*, och de viktigaste för- och nackdelarna med de olika processteknikerna. Processtyp Temperatur, C Metanutbyte, m 3 /kg VS Fördelar Nackdelar Slurryrötning 30 0,34 Väletablerad teknik Inte anpassad för rötning av substrat med hög torrhalt Enstegs fast bädd Tvåstegs fast bädd Enstegs stratifierad bädd 37 0,35 Lågt arbetsbehov, enkel utformning 35 0,27 Stabilt system, ger snabb rötning 35 0,33* Stabilt system, möjlighet för kontinuerlig drift Få erfarenheter Metanpotiential förloras, mer avancerad processteknik Få erfarenheter 6. Övriga forskningsresultat 6.1 Karakterisering av nedbrytningsprodukter Vid en perfekt process ska halten av mellanprodukter i en biogasprocess vara mycket låg, nedbrytningen ska resultera i slutprodukterna metan och koldioxid. Om processen blir obalanserad på grund av till exempel överbelastning, låg temperatur eller inhibering av toxiska ämnen, kan mellanprodukter ackumuleras. Att följa och bestämma dessa mellanprodukter ger tydliga indikationer på hur väl processen fungerar, och kan även indikera vilket delsteg i processen som är inhiberat. Detta i sin tur ger vägledning om hur processen skulle kunna förändras för att fungera bättre. En god instrumentering med möjlighet att följa mellanprodukterna är alltså avgörande för ett forskningsprojekt. Exempel på detta är försöken med den stratifierade bädden i pilotskala som dagligen fylls på med ensilerad betblast. Ensilage innehåller mjölksyra, vilket bildas under ensileringsprocessen, och detta kan uppmätas i reaktorn just efter matning. Detta försvinner snabbt och istället stiger halten ättiksyra och propionsyra vilket visar att fermentationen/syrabildningen, den första delen av biogasprocessen, har kommit igång. Dessa syror försvinner dock också mycket snabbt och omvandlas till metan och koldioxid vilket visar att metanbildarna är välfungerande. En istället fortsatt ackumulering av syror skulle vara en säker indikator på att processens metanogener är överbelastade och att inmatningstakten är för hög. Ett annat exempel på vad nedbrytningsprodukterna kan visa är resultaten från en omrörd laboratorieskalereaktor där temperaturen ändrades snabbt. I processen var hydrolys eller fermentationssteget begränsande tills dess temperaturen var sänkt till 16 C, då istället ättiksyra och propionsyra började ackumuleras. Ytterligare sänkning av temperaturen ökade ackumuleringen och först när temperaturen var höjd till 18 C bröts syrorna ned. Detta visar att i detta fall hydrolys eller fermentation är hastighetsbestämmande vid temperaturer över 16 C och metanbildning begränsande vid temperaturer under 16 C. Denna viktiga information visar för vilket av processens delsteg ytterligare förbättringar måste göras vid sänkt temperatur. 14

6.2 Processövervakning För verksamheten vid försöksstationen och i laboratorieskaleförsöken används en mängd utrustning för processövervakning. God processövervakning är viktigt för att kunna utnyttja en process optimalt. Eftersom bra metoder har saknats är det istället alltför vanligt att mycket av det som sker i en biologisk process är okänt, och processen drivs långt under maximal kapacitet. För en optimalt kostnadseffektiv process är dock processövervakning en viktig del, så även i detta projekt. En del av den teknik som används är kommersiellt tillgänglig, annat är utrustning som under 1998-2002 utvecklats på avdelningen för bioteknik inom det av Energimyndigheten finansierade biogasprojektet Energi från avfall. Inom Agrigas ges nya möjligheter att ytterligare undersöka dessa metoders för- och nackdelar. Tabell 10 visar en kort sammanfattning av de parametrar som kan mätas, i vilken processtyp de hittills testats och respektive metods för- och nackdelar. Tabell 10. Processövervakningsparametrar, i vilken processtyp de testats och respektive metods för- och nackdelar. Mätparameter Mätt i processtyp: Fördelar Nackdelar Slurry Fast 1-steg Fast 2-steg Fast stratif. ph X X X X Enkel, väletablerad metod. Kan visa om fettsyror ackumuleras i processen vilket tyder på instabilitet. Lätt att registrera on-line. Visar bara processtörning om processen är lågbuffrad. Fungerar ej om kväverika material blandas in. Kräver frekvent kalibering. Kort Metanhalt X X X X Enkel, väletablerad metod. Bra för att beräkna gasutbyte effekt eller liknande Total gasvolym X X X X Enkel, väletablerad metod. Lätt att registrera on-line. Så gott som underhållsfri. VFA (flyktiga fettsyror, mellanprodukt i nedbrytningen) Halt löst organiskt material (BOD, biochemical oxygen demand) X X X X Mycket bra för att indikera processtörningar, snabb respons. Ger viktig information om systemet. X X Ett alternativ till VFAmätning. Ger viktig info. om processtillståndet. Online metod har utvecklats i gruppen. Off-line metod används rutinmässigt i alla försök Löst vätgas X X Goda resultat i laboratorieskala. Visar ännu tidigare än VFA om processen är instabil eller överbelastad. On-line metod har utvecklats i gruppen. Alkalinitet (processens buffrande förmåga) X X Ännu ett alternativ till VFA mätning. Ger tydligare resultat än ph-mätningar. On-line metod har utvecklats i gruppen. livslängd på elektroder. Ger för långsam respons för att kunna registrera processstörningar. Gasvolymsmätningar av låga flöden så som i pilotskala är svårare än att mäta högre flöden. Tidskrävande analys, on-line metoder har utvecklats men finns inte kommersiellt tillgängliga. Ännu ej kommersiellt tilgänglig, dock patensökt. Metoden kräver dagligt underhåll. Svår att skala upp på grund av processens tryckkänslighet. Utvecklingen fortsätter, dock ännu långt från kommersialisering. On-line metoden kräver dagligt underhåll. Off-line är metoden enkel och kan genomföras rutinmässigt. 15

6.3 Biogasprocessens temperaturberoende För att testa om val av ymp kan ha betydelse för rötningens effektivitet vid lägre temperaturer, testades anaeroba kulturer från olika källor med hänsyn till aktivitet vid olika temperaturer. Målet var en ymp som var anpassad till låga temperaturer, så därför valdes olika sjösediment ut, samt en kultur från en anaerob, ouppvärmd kogödseltank. Som referens användes en kultur från en mesofil (37 C) välfungerande storskalig biogasanläggning (Eslövs reningsverk). Som substrat testades stärkelse eller betblast. För kulturen från reningsverket ökades metanproduktionshastigheten exponentiellt med temperaturen när betblast användes som substrat. Vid användning av en ymp från en ouppvärmd gödseltank var sambandet mellan metanproduktionshastighet och temperatur linjärt (Bohn et al 2001). Vid användning av stärkelse som substrat var sambandet mellan metanproduktionshastighet och temperatur linjärt för både slam från reningsverk och sjösediment. Slammet från reningsverket hade dock högre aktivitet. (Figur 10). Vid försök över längre tid visade kulturerna en förmåga att anpassa sig till temperaturen, så att aktiviteten vid samma temperatur ökade med tiden. Denna anpassning kan delvis bero på ökad densitet av mikroorganismer i försöket, men också på ändringar i sammansättningen av mikroorganismer i kulturen. Det finns alltså en möjlighet att anpassa biogaskulturen till den befintliga temperaturen och då kan det bli möjligt att köra processen vid låg temperatur. Har man däremot en kultur där den metanbildande aktiviteten är exponentiellt beroende av temperaturen är det lönsammare att värma processen och få optimal gasproduktion. 25.000 Aktivitet lch 4 /h*m 3 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 0 10 20 30 40 Temperatur i grader Celcius Figur 10: Metanproduktionshastighet för slam från reningsverk med betblast som substrat (, ), kogödsel (, ) med betblast som substrat och sjösediment med stärkelse som substrat (x) och slam från reningsverk med stärkelse som substrat (ο). 6.4 Förbättrad hydrolys av fasta substrat I nedbrytning av sorterade hushållssopor, som är fasta och cellulosa- och ligninrika, är ofta det initiala nedbrytningssteget hydrolysen hastighetsbestämmande. Det har visat sig att så också ofta är fallet för de växtrestprodukter som studerats i detta projekt. En temperaturstudie visade att ner till 16 C är hydrolysen hastighetsbestämmande, därunder är det metanbildningen som begränsar nedbrytningshastigheten. Hydrolysen sker utanför cellerna, med hjälp av enzymer som utsöndras fritt i lösningen eller sitter på cellens yta. Att kunna öka den enzymatiska aktiviteten skulle öka den totala processeffektiviteten. I ett delprojekt inom Agrigas har de enzymproducerande mikroorganismerna studerats speciellt. Kulturer från biogasanläggningar i Lund och Helsingborg samt från komage har studerats. Anledningen till att komagens bakteriella sammansättning är intressant är att det inte finns 16

något annat mikrobiellt system med samma höga hydrolytiska effektivitet. Nya mikroorganismer från dessa miljöer har isolerats och identifierats. Inom detta projekt har också ett samarbete startats med Department of Parasitology and Microbiology på Queensland University i Australien. Här är man bland de världsledande på att utveckla genetiska prober för mikroorganismer, vilket tillämpas för att identifiera och kvantifiera hydrolytiska mikroorganismer vid rötning av hushållssopor. Denna metodik tillsammans med enzymaktivitetsbestämningar har använts inom Agrigas för att utvärdera och optimera förhållandena för hydrolytiska organismerna i våra biogasprocesser. Här har de nya molekylära metoderna kommit till stor nytta (Se avsnitt 6.5). 6.5 Ökade kunskaper om anaerob mikrobiologi Kunskapen om mikrobiologin i anaeroba processer har länge varit begränsad. Detta beror till stor del på att den enda teknik som har varit tillgänglig har varit att odla och isolera organismerna för att kunna studera dem i detalj, en metod med många begränsningar. Idag kan man i den moderna molekylärbiologin genom att bestämma gensekvensen för en organsim få en exakt bestämning av vilken organism man har och vilka som är dess närmsta släktingar i evolutionen. Detta har lett till en revolution inom mikrobiologin, framförallt på den anaeroba sidan. I detta projekt används en del av mikroorganismernas ribosomala DNA, så kallat 16S-rRNA. Korta genprober som komplementerar och binder in till specifika sekvenser i 16S-rRNA har designats och används i så kallad Fluorescence in situ Hybridisation (FISH). Det betyder att gensekvensen märks med en fluorescent markör, tränger in i cellen och får den att lysa upp i en speciell färg. Genom denna teknik kan man art- och mängdbestämma organismer i en blandkultur, något som tidigare har varit mycket svårt. Agrigas har med stor framgång utvecklat och implementerat FISH-prober i olika typer av anaeroba miljöer. I projektet har ett bildbehandlingsprogram tagits fram där man automatiskt räknar celler i en mängd mikroskopbilder av samma prov och får fram andelen celler av olika typer. Denna kvantifiering är viktig för ökad förståelse för hur mikrobiella populationer ändras vid olika processförhållanden. 7. Samarbetsprojekt Agrigas har legat till grund för nya samarbetsprojekt både nationellt och internationellt. De grupper avdelningen för Bioteknik samarbetar med inom biogasområdet, och de projekt som bedrivs, beskrivs kort nedan. Sveriges lantbruksuniversitet (SLU): Det har visat sig vara intressant att värdera biogasrötningens effekter i ett ekologiskt växtodlingssystem, både ur energisynpunkt och ur näringsbalanssynpunkt. Detta görs i samarbete med SLU. Projektet leds av professor Ulla Gertsson och professor Gunnar Svensson. Agronom Anita Gunnarsson ansvarar för projektets genomförande. Tre studenter från SLU har också utfört projektarbeten på biogasförsöksstationen. Avdelningen för Miljö & energisystem, Lunds tekniska högskola (LTH): Ett projekt som kombinerar våra nya kunskaper om biogasprocessen med en omfattande systemanalys kring gårdsbaserad biogasproduktion från odlingsrester har initierats tillsammans med Pål Börjesson, universitetslektor på Miljö & energisystem, LTH. Avdelningen för Limnologi, Lunds universitet: Forskningen om köldanpassade metanogener har lett in på limnologispåret där stor erfarenhet finns om dessa frågor. Ett gemensamt projekt har utarbetats och utförs under handledning av forskare från avdelningen för Bioteknik tillsammans med Lars Leonardson, universitetslektor i limnologi. 17

Dansk Teknisk Universitet (DTU), Köpenhamn: I ett samarbete mellan DTU, LTH, Energikontoret Skåne med flera utarbetas för närvarande en ansökan till Interreg III Öresundsområdet. Syftet är att bilda Biogasforum Öresund för överföring av kunskap mellan organisationerna, för uppbyggnad av ny kunskap samt för spridning av densamma. University of Jyväskylä, Finland: I Finland pågår också ett forskningsprogram där erfarenheter av biogasproduktion från växtodlingsprodukter undersöks. Samarbete har etablerats och under 2003 kommer en doktorand från Department of Biological and Environmental Sciences att tillbringa ett år i Lund. Projekt Agrigas och pilotanläggningen är unika och kommer att ge henne många goda erfarenheter för fortsatt forskning. För oss är det intressant att ta del av deras erfarenheter gällande odling av energigrödor specifikt för biogasproduktion, något som också diskuterats i Sverige. EUs 6e ramprogram: Inom EUs 6e ramprogram har en internationell arbetsgrupp satts ihop och en ansökan har skickats in för ett omfattande forskningsprogram som heter Zero emission energy supply. Avdelningen för Bioteknik leder en av projektgrupperna i detta program som omfattar allt från framställning av biomassa, biogasteknik och omvandling av biogas till energi i bränsleceller. University of Daar es Salam, Tanzania: I Tanzania finns stora problem med lokal energiförsörjning, och den forskning som utförs om gårdsbaserad biogas i Sverige är till stora delar tillämplig även på tanzaniska förhållanden. SIDA stödjer idag en biogasdoktorand på avdelningen för Bioteknik och ett nära samarbete är etablerat. Anslag har sökts för att utvidga detta samarbete och i framtiden använda pilotanläggningen för undervisning. Queensland University, Australien: Arbete med molekylärbiologi har gjorts i nära samarbete med Queensland University i Australien. Et forskarutbyte på postdoc-nivå gjordes under 2001 och under 2002 har ytteligare en postdoc därifrån arbetat i Lund. Den unika kombinationen av avancerad molekylärbiologi och storskaliga pilotanläggningar som finns inom projekt Agrigas lockar. University of Harare, Zimbabwe: En doktorand från Zimbabwe arbetar med tvåstegrötning av stärkelserika växtrester. Många paralleller kan dras till övriga projekt inom Agrigas. Projektet stöds av SIDA på grund av de nära kopplingar som finns mellan utveckling av enkel teknik för rötning i gårdsskala och behovet av biogasteknik i utvecklingsländer. 8. Referenser Publicerade artiklar inom biogasområdet från 2000 och framåt. Tidskriftsartiklar Andersson, J. and Björnsson, L. (2002) Evaluation of straw as a biofilm carrier in the methanogenic stage of two-stage anaerobic digestion of crop residues. Bioresource Technology. 85: 51-56. Björnsson, L., Hugenholtz, P., Tyson, G. And Blackall, L.L. (2002) Filamentous Chloroflexi are abundant in wastewater treatment processes with biological nutrient removal. Microbiology 148:2309-2318. Björnsson, L., Hörnsten, G. E. and Mattiasson, B. (2001) Utilisation of a Pd-MOS sensor for on-line monitoring of dissolved hydrogen in anaerobic digestion. Biotechnology and Bioengineering 73: 35-43 Björnsson, L., Murto, M., Jantsch, T. G. and Mattiasson, B. (2001) Evaluation of new methods for the monitoring of alkalinity, dissolved hydrogen and the microbial community in anaerobic digestion. Water Research 35 (12): 2833-2844 Björnsson, L., Murto, M. and Mattiasson, B. (2001) Evaluation of parameters for monitoring an anaerobic co-digestion process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 54: 844-849. Jantsch, T. G. and Mattiasson, B. (2003) A simple spectrophotometric method based on ph-indicators for monitoring partial and total alkalinity in anaerobic processes. Environmental Technology, (in press). Liu, J., Olsson, G. and Mattiasson, B. (2003) Monitoring of two-stage anaerobic biodegradation using 18

a BOD biosensor. Journal of Biotechnology, 100(3), 261-265. Liu, J. and Mattiasson, B. (2002) Microbial BOD sensors for wastewater analysis. Water Research, 35(15), 3786-3802. Liu, J., Björnsson, L. and Mattiasson, B. (2000) Immobilised activated sludge based biosensor for biochemical oxygen demand measurement. Biosensors and Bioelectronics 14: 883-893. Murto, M., Dissing, U. and Mattiasson, B. (2002) Characterisation of anaerobic mixed cultures by partitioning in an aqueous two-phase system. Biotechnology Letters, 24: 335-341. -------------------------------- Crocetti, G., Murto, M. and Björnsson, L. Updating and optimisation of molecular probes for Fluorescence In Situ Hybridisation (FISH) of methanogenic Archaea (Submitted) Jantsch, T. G. and Mattiasson, B. An automated spectrophotometric system for monitoring buffer capacity. (Submitted) Liu, J., Olsson, G. and Mattiasson, B. On-line monitoring of a two-stage anaerobic digestion process using a BOD-analyzer. (Submitted) Murto, M. Björnsson, L. and Mattiasson, B. Impact of food industrial waste on anaerobic co-digestion of sewage sludge and pig manure. (Submitted). Konferensartiklar Björnsson L., Batstone D., Christensson K. and Mattiasson B. (2001) Agrigas Biogas production from crop residues. Proc. of the IWA Ninth Int. Conf. on Anaerobic Digestion, Anaerobic conversion for sustainability, Antwerpen, Sep 2001, W. Verstraete and L. Van Velsen (eds). 1: 561-567. Björnsson, L., Hörnsten, G. and Mattiasson, B. (2000) Evaluation of a new device for dissolved hydrogen monitoring in anaerobic digestion. Proc. 4 th Int. Symposium Environmental Biotechnology. 10-12 April, Nordwijkerhout, The Netherlands. 398-400. Bohn, I., Batstone, D. J., Björnsson, L. and Mattiasson, B. (2002) Enhancing acetoclastic methanogenesis at low temperature: Microbial ecology from a technological perspective. Proc. of the 7 th FAO Workshop, Moscow, May 2002. Bohn, I., Siversson, B., Batstone, D., Björnsson, L. and Mattiasson, B. (2001) Anaerobic digestion of agricultural residues under psychrophilic conditions. Proc. of the IWA Ninth Int. Conf. on Anaerobic Digestion, Anaerobic Conversion for Sustainability Antwerpen, Sep 2001, W. Verstraete and L. Van Velsen (eds) 2: 545-547. Jantsch, T. G. and Mattiasson B. (2001) A spectophotometric method for monitoring alkalinity in anaerobic processes. Proc. IWA 9th Int. Conf. on Anaerobic Digestion, Antwerpen. Sept 3-6, W. Verstraete and L. Van Velsen (eds), 2:465-467. Jantsch, T. G. and Mattiasson B. (2000) A Simple Spectrophotometric Method for Monitoring Partial and Total Alkalinity in Anaerobic Processes based on ph-indicators. Proc. 4th Int. Symposium on Environmental Biotechnology, 10-12 April, Nordwijkerhout, The Netherlands. p 231-234. Liu, J., Olsson, G. and Mattiasson, B. (2002) Use of a BOD-analyzer for monitoring of a two-stage anaerobic digestion process. Proceedings of 3rd International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Wastes 2002, Munich/Garching, Germany. Liu, J., Olsson, G. and Mattiasson, B (2002) An integrated flow injection analysis system for BODst estimation. 5th Workshop on Biosensors and Biological Techniques in Environmental Analysis, Cornell University, Ithaca, NY, USA (31 May-4 June, 2002) Liu, J. and Mattiasson, B. (2001) Monitoring two-stage anaerobic digestion process with a BOD biosensor Proc. of the IWA Ninth Int. Conf. on Anaerobic Digestion, Anaerobic Conversion for Sustainability Antwerpen, Sep 2001, W. Verstraete and L. Van Velsen (eds) 2: 513-515. Liu, J. and Mattiasson, B. (2000) Monitoring semi-anaerobic hydrolysis of water hyacinth biomass with a BOD biosensor. Proc. 4th Int. Symposium on Environmental Biotechnology, 10-12 April, Noordwijkerhout, the Netherlands, 487-490. Murto, M. and Mattiasson, B. (2001) Fingerprinting of anaerobic mixed cultures by partitioning in an aqueous two-phase system. Proc. IWA 9th Int. Conf. on Anaerobic Digestion, Antwerpen. 19