Straw based feedstock in biogasification plant

Tässä työssä tarkastellaan oljen hyödyntämistä biokaasulaitoksen raaka-aineena. Suomessa kasvaa vuosittain laskelmien mukaan, noin miljoona tonnia taloudellisesti hyödynnettävissä olevaa olkibiomassaa. Olkibiomassa koostuu pääosin lignoselluloosasta, joka on rakenteellisesti kestävää ja vaatii esikäsittelyä jotta se on teknis-taloudellisesti hyödynnettävissä. Anaerobisessa hajoamisessa esikäsitellystä olkibiomassasta voidaan tuottaa biokaasua, jota puhdistamisen jälkeen voidaan käyttää yhdistettyyn lämmön- ja sähköntuotantoon kaasuturbiinien avulla, paineistaa ja syöttää maakaasuverkkoon tai käyttää liikennepolttoaineena. Viljan tuotannon sivutuotteena syntyvä olkibiomassa on haasteellinen raaka-aine, johtuen sen biokemiallisesta kestävyydestä sekä alhaisesta tiheydestä. Puitu olki on kuivattava, paalattava, kuljetettava ja varastoitava ennen sen käyttöä biokaasun tuotantolaitoksella. Paalattu olki on revittävä pieneksi, jotta sitä voidaan tehokkaasti esikäsitellä. Esikäsittelyn tarkoituksena on hajottaa lignoselluloosan rakenne ja tehdä siitä mikrobeille soveltuvaa ravintoa. Eri esikäsittelymenetelmät tuottavat erilaisen hajoamistuloksen. Oleellisinta on saada ligniini irtoamaan hemiselluloosasta ja selluloosasta, jonka jälkeen edellä mainitut voivat hydrolysoitua. Anaerobinen hajoaminen koostuu neljästä päävaiheesta, entsymaattisesta hydrolyysistä, hapon muodostuksesta, asetaatin muodostuksesta ja metaanin tuottovaiheesta. Niiden vaatimat olosuhteet poikkeavat toisistaan. Optimoimalla olosuhteet jokaiselle soveltuvaksi saadaan aikaan tehokas anaerobinen hajoaminen. Tässä työssä optimaaliset olosuhteet luotiin hajottamalla olkibiomassaa kaksivaiheisilla yhdistelmäreaktoreilla. Lietepatjareaktoreissa (LBR) tapahtui entsymaattinen hydrolyysi ja hapon muodostus, jonka jälkeen effluentti johdettiin pystyvirtaus lietepatjareaktoreihin (UASB) asetaatinmuodostukseen ja metaanintuottoon. Kokeellisessa osiossa selvitettiin esikäsittelemättömän ohran oljen käyttöä raaka-aineena biokaasuntuotannossa. Koska raaka-aine on uusi ja vähän tutkittu, päädyttiin tutkimaan raaka-aineen käyttäytymistä bioreaktorissa. Kokeessa saatiin poistettua noin 15 % liukoisesta COD sekä noin 20 % raaka-aineen VS:stä. Metaanintuotoksi saatiin 0,27 Ndm3 CH4/g VS käsittelemättömästä oljesta ja liuotetusta oljesta 0,29 Ndm3 CH4/g VS. Tulokset ovat samankaltaisia kuin kirjallisuuslähteissä. Oljen liottaminen vedessä ennen kokeen aloittamista nopeutti metaanintuottoa puolella verrattuna liottamattomaan olkeen. Olkibiomassa on potentiaalinen biokaasun raaka-aine, koska sitä on saatavissa kohtuullisin kustannuksin ja se ei kilpaile ravinnontuotannon kanssa. Toisen sukupolven biokaasulaitokset, jotka hyödyntävät lignoselluloosapohjaista raaka-ainetta, teke-vät tuloaan maailmalla.In this thesis suitability of straw biomass as a feedstock for biogas production was studied. It has been estimated that about annually about one million ton of straw biomass could be economically utilized In Finland. Straw biomass consists mainly of lignocellulose, which is structurally durable and requires pre-processing so that it could be technically and economically exploitable. Pretreated straw biomass can be used as a feedstock in anaerobic digester for production of biogas. Treated biogas is suitable fuel for CHP-plant and it can be injected in natural gas grid or used as a fuel for transportation. Straw is a side product of grain harvesting. It is a complicated raw material, because it is biochemically durable and it´s density is low. Harvested straw have to be dried, baled, transported and storaged before it can be used in biogas plant. Bale of straw have to break down, so that pretreatment could be effective. Pretreatment is needed for degradation of the structure of lignocellulose and to increase bioavailability for microbes. Degradation is depended on pretreatment technics that is used. The key point of suitable pretreatment is degradation of lignin, so that hemicellulose and cellulose could be hydrolyzed. There are four main phases in anaerobic digestion; enzymatic hydrolysis, asidogenesis, asetogenesis and methanogenesis. Requirements of conditions were different in each phases. Efficient anaerobic digestion can be achieved by optimizing reaction conditions during different phases. In this study it was used two-phase combination reactors to achieve optimal reaction conditions for different phases. In leach bed reactor (LBR) occurred enzymatic hydrolysis and asidogenesis. From LBR effluent was transferred to the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), where asetogenesis and methanogenesis occurred. In this thesis it was studied biogas production from barley straw, without pretreatment. Barley straw is a new feedstock and less studied, so that the behavior of the barley straw in the process were decided to keep on focus. 15 % of suspended COD and approximately 20 % of volatile solids (VS) were removed. Methane production of barley straw without pretreatment was 0.27 Ndm3 CH4/g VS and as soaked it was 0.29 Ndm3 CH4/g VS. The results were in the line with literature. Straw were soaking in water before anaerobic digestion, in which case there was two times faster methane production than unsoaked straw. Straw biomass is suitable feedstock for biogas production. Straw is economically obtainable and it doesn´t compete with food production. 2nd generation biogas plants that are able to utilize lignocellulosic feedstock, are on their way