Biometanoinnissa käytettyjen puhdasviljelmien metaanintuottokyky

Abstract

Maakaasu on fossiilinen luonnonvara, eikä sen saatavuus ole turvattua. Maakaasua voidaan korvata biokaasulla ja biometaanilla. Biokaasua valmistetaan anaerobisella mädätyksellä, jonka jälkeen sitä voidaan jalostaa edelleen biometaaniksi. Toisaalta biometaania voidaan tuottaa myös mikrobiologisesti biologisella metanoinnilla, eli biometanoinnilla. Biometanointi perustuu metanogeenien, eli metaania tuottavien arkeonien aineenvaihduntaan. Metanogeenit muuntavat hiilidioksidia ja vetyä metaaniksi metanogeneesin avulla. Biometanoinnissa metanogeenit tuottavat metaania bioreaktorissa, minne syötetään vetyä ja hiilidioksidia. Prosessissa tarvittavaa vetyä voidaan tuottaa veden elektrolyysillä uusiutuvaa energiaa hyödyntäen. Biometanointi mahdollistaa biometaanin lähes hiilineutraalin tuotannon, mutta toistaiseksi ongelmana on prosessin heikko metaanin tuotanto.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tarkastella kirjallisuuskatsauksen avulla biometanoinnissa käytettyjä metanogeenien puhdasviljelmiä, ja vertailla niiden metaanintuottokykyä sekä tutkimuksissa käytettyjä prosessiolosuhteita. Tarkastelu rajataan ex situ -biometanointiin, eli anaerobisesta mädätyksestä erilliseen biometanointiprosessiin. Työssä käsitellään myös yleisesti biometanointiprosessin toimintaperiaatteita.

Biometanaatio on anaerobisen mädätyksen viimeinen vaihe, jota metanogeenit katalysoivat. In situ -biometanoinnissa anaerobisen mädätyksen metaanin tuotantoa voidaan tehostaa syöttämällä prosessiin ylimääräistä vetyä. Ex situ -biometanointi on anaerobisesta mädätyksestä erillinen prosessi, jonka avulla voidaan joko jalostaa anaerobisessa mädätyksessä syntynyttä biokaasua biometaaniksi, eli biometanoida vetyä ja biokaasun sisältämää hiilidioksidia, tai biometanoida erillisiä hiilidioksidi- ja vetyvirtoja. Toisin kuin in situ -biometanoinnissa, ex situ -biometanoinnissa voidaan käyttää yksittäisen metanogeenikannan puhdasviljelmää. Ex situ -biometanoinnissa on käytetty bioreaktoreina esimerkiksi jatkuvatoimista sekoitussäiliöreaktoria sekä kantoaine- ja kuplakolonnireaktoreita.

Biometanoinnissa puhdasviljelmää käyttäessä metanogeenien ei tarvitse kilpailla vedystä muiden mikrobien kanssa. Myös prosessiolosuhteet voidaan optimoida tehokkaammin käytetylle kannalle sopiviksi. Metanointiin vaikuttavia prosessiparametreja ovat esimerkiksi lämpötila, paine, pH ja H2/CO2-kaasuseoksen viipymäaika. Biometanointiprosessin lämpötila riippuu metanogeenin optimikasvulämpötilasta, ollen tyypillisesti noin 45–65°C. Biometanointiprosessin paine riippuu käytetystä bioreaktorista, ja tutkimuksia on tehty niin normaalissa ilmanpaineessa kuin korkeassa, jopa 13,5 barin paineessa. Biometanoinnissa pH pyritään pitämään lähes neutraalina.

Biometanoinnissa käytettyjä puhdasviljelmiä ovat Methanococcus maripaludis DSM 2067, Methanothermobacter marburgensis DSM 2133, Methanothermobacter thermoautotrophicus DSM 3590 ja IM5 sekä Methanothermococcus okinawensis DSM 14208. Vertailluissa tutkimuksissa M. marburgensis DSM 2133 -puhdasviljelmä on saavuttanut korkeimpia metaanin muodostumisnopeuksia, eli MER-arvoja (moolia per reaktorin tilavuus suhteessa aikaan). M. marburgensis DSM 2133 -kannan korkein MER-arvo yhdistettynä korkeaan poistokaasun metaanipitoisuuteen (95 %) oli 285,86 mmol / (L * h). M. marburgensis DSM 2133 saavutti korkeimmillaan jopa 476,5 mmol / (L * h) MER-arvon, mutta poistokaasun metaanipitoisuus oli tällöin vain 13,5 %. Toisaalta M. maripaludis DSM 2067 saavutti poistokaasun metaanipitoisuuden 97,4 %, MER-arvon ollessa vain 0,456 mmol / (L * h). Biometanoinnissa tavoitteena on saavuttaa korkean MER-arvon lisäksi tyypillisesti vähintään 95 % metaanipitoisuus.