Substratkunskap Upplägg

(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

(2)

Exempel på Råvaror

Restprodukter ü Industriavfall ü Returfiber ü Hushållsavfall ü Slakteriavfall ü Gödsel

ü Halm, växtrester Jordbruksprodukter

ü Potatis ü Spannmål ü Majs ü Vall, Gräs ü Sockerbetor ü Frukt

Skogsprodukter ü Avverkningsrester ü Såg/Kutterspån ü Gallringsvirke ü Energiskog ü Bark

Framtiden?

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet

Gasutbyten från olika råvaror

OBS

Sammansättningen på biogasen varierar mellan olika substrat.

Samma total gasmängd kan vara kan motsvara olika mängd metan Energiinnehållet på vikt kan variera stort

Substrat Metan (L/g VS) Metan (L/Kg)

Gödsel 100-300 14-18

Spannmål 300-400 300

Halm 100-320 100-300

Gräs 200-400 95

Sockerbetor 300-800 30-90

Matavfall 400-600 60-130

Slakteriavfall ~700 50-190

Metan CH₄:CO₂

(L/kg) (%)

Kolhydrat 380 50:50

Fetter 1000 70:30

Protein 530 60:40

(3)

Varför är det skillnad i gasproduktion mellan teori och praktik?

Potentialen bestäms ofta i satsvisa försök där råvaran tillsätts vid ett tillfälle och där sedan gasutvecklingen följs över tid.

Vad är gaspotential och vad säger den?

Dagar

Metan (ml/g VS)

gaspotential

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

(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

(5)

Råvarornas struktur styr nedbrytningshastigheten!

Kurvorna ovan visar nedbrytning av halm och vete Gissa vilken som är vilken?

0 100 200 300 400 500 600

0 5 10 15 20 25 30 35 40

halm vete Dagar

ml CH4/g VS L

Hastigheten avgör hur stor gasutbytet blir vid en viss uppehållstid

Exempel på råvaror och deras egenheter

(6)

Bättre växtnäringsinnehåll i rötresten

Rötning av proteinrikt material

Hämning av metanogener (> 2-3 g NH₄⁺-N/L).

(eller ca 150-300 mg/L NH₃)

NH

₃

Gödsel (svin, höns) Slakteriavfall Drank/Drav

Energirikt med låg C/N kvot

OBS Mikroorganismsamhället kan anpassa sig till högre ammoniumhalter HUR??

Ammoniakhalten är avgörande för graden hämning – påverkas av temperatur och pH

0 20 40 60 80 100

5 6 7 8 9 10 11 12

pH

Ammoniak (%)

55^oC

38^oC

30^oC

NH₄⁺ NH₃ + H⁺ Detta innebär att två anläggningar som har samma ammoniumhalt kan ha olika grad av hämning pga av olika processtemperatur och/eller pH

(7)

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet 0"

0,1"

0,2"

0,3"

0,4"

0,5"

0,6"

0,7"

0,8"

0,9"

35"

37"

39"

41"

43"

45"

47"

49"

51"

53"

55"

Free$ammonia$[g$l-1]$

Temperature$[°C]$

Ett exempel:

3gNH₄⁺-N/L, pH 7.5 och 37ôC motsvarar 117 mg NH₃ /L 3gNH₄⁺-N/L, pH 8.0 och 37ôC motsvarar 280 mg NH₃/L 3gNH₄⁺-N/L, pH 7.5 och 52ôC motsvarar 300 mg NH₃ /L 3gNH₄⁺-N/L, pH 8.0 och 52ôC motsvarar 740 mg NH₃/L

Temperaturens betydelse för ammoniakhalten

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

Fettsyror Långsam nedbrytning

Biogas

Fettsyror

Långsam nedbrytning

Biogas

Långsam nedbrytning lignin

pH sänkning

(8)

Cellulosa – en mycket komplex förening

Cellulosafiber

Makrofibrill

Mikrofibrill

Cellulosakedjor

Uppspjälkning av strukturen

Ökad tillgänglighet

Bättre nedbrytningseffektivitet

En förbehandling som minskar partikelstorleken och ökar partikelytan kan förbättra gasutbytet

*Mekanisk

*Enzymatisk

*Termisk

*Ultrasonikering

*Elektroporation

⁰

5 10 15 20 25

2 5 10 30 50 70 100

Partikelstorlek (mm)

Ökning av metanutbyte (%)

Hampa

OBS Viktigt att ta hänsyn till energiåtgång och ställa detta i relation till en ökad biogasproduktion

(9)

Biogasproduktion från växtmaterial

ü  Förbehandling /ﬁnfördelning ü  Lagringsmetod och 7d

ü  Växtsort

Utbytet påverkas också av

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8

Gasutbyte (ml/gVS)

Betsorter

30% skillnad i gasutbyte

Gasutbyte från olika sorters betor

(10)

Biogas utbytet från olika salixkloner

0"

50"

100"

150"

200"

250"

300"

350"

0" 20" 40" 60" 80" 100"

78183""""1"

781"95""""2"

Björn"""""3"

Jon""""""""4"

Olof"""""""5"

Tora"""""""6"

Cellulosa"

Metanutbyte ml/gVS

Dagar

Rötning av fettrikt material

Ø 

Energirikt, Låg C/N kvot, ej vattenlösliga

Anaerob nedbrytning av fett ger bildning av långa fettsyror (LCFA), t.ex. oleat och stearinsyra.

LCFA verkar hämmande på metanbildarna Flera LCFA är ytaktiva och orsakar skumning Ø 

Ø 

Ex. slakteriavfall, fettavskiljarslam, kycklinggödsel etc.

Fungerar bäst i låga doser och jämn inmatning Uppvärmning kan bidra till högre löslighet och bättre nedbrytning

(11)

1+1 > 2

C/N kvoter mellan 15-25 är ofta optimalt (men källan till kolet är också mycket viktig)

Många växtmaterial har brist på spårelement, buffrande ämnen och ibland fosfor

Substrat C/N kvot

Gödsel 3-20

Spannmål 16-40

Halm 50-150

Gräs 12-26

Sockerbetor 35-45

Potatis 35-60

Samrötning ger bäst effekt – varför !!!!!

Samrötning ger ofta en mer optimerad sammansättning av näringsämnen inklusive C/N kvot

Metanutbyte ( m³/kgVS och dag)

2.1 2.5 3.9 Betblad ^x

(%)

100 - 33

Potatisavfall^x (%)

- 100

67

C/N kvot³

14 35 28

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

NH₄⁺ + NH₃

NH

₄⁺

+ NH

₃

+ org N

(12)

Sveriges Lantbruks Universitet Processen körs under 120 dagar med

enbart drank, dvs 3 HRT vid full belastning.

Allt ser bra ut! Hög gasprodukBon och Ingen VFA

OLR förlängs i eJ försök aJ rädda processen.

Gödsel (15% VS) BllsäJs i eJ försök aJ rädda processen.

Ett samrötningexempel - drank och gödsel

Processen havererar

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

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

(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

Biogasens sammansättning

Mängd biogas pH

Fettsyror

Alkalinitet Ammoniak

Temperatur

Substratkunskap Upplägg