Murskaaminen parantaa kasvibiomassojen ominaisuuksia biokaasutuotannossa

Tuotannon sivuvirtoina tai jätteenä syntyviä biomassoja voidaan hyödyntää energiantuotannossa ja kierrätyslannoitteiden raaka-aineina, mutta ensin niiden ominaisuuksia täytyy työstää. Kasvibiomassoille sopiva esikäsittelytekniikka on murskaaminen, jota päästiin kokeilemaan, kun kasvihuoneella syntyvän kasvijätteen soveltuvuutta biokaasutuotantoon tutkittiin tekemällä materiaalista biokaasuanalyyseja LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratoriossa.

Kirjoittaja: Raisa Pajarinen

Monia sivuvirtoina syntyviä biomassoja voidaan jatkojalostaa ja käyttää hyödyksi. Tuotantoeläinten lannat, maatalouden hyödyntämättömät ylijäämänurmet sekä yhdyskuntien ja teollisuuden lietteet, jätteet ja sivuvirrat ovat oivallisia biomassoja, sillä niitä syntyy suuria määriä ja ne sisältävät runsaasti ravinteita. Ne sopivatkin hyvin kierrätyslannoitteiden raaka-aineiksi. (Tampio ym. 2018, 11.) Kasvintuotannon sivutuotteina tai jätteinä muodostuu lisäksi kasvibiomassoja, joita voidaan niitäkin hyödyntää lannoitekäytön lisäksi energiantuotannossa biokaasulaitoksissa (Hämeen ammattikorkeakoulu 2015, 37).

Biomassat täytyy prosessoida ennen kuin ne soveltuvat lannoitevalmisteena käytettäväksi. Prosessointi parantaa biomassan sisältämien ravinteiden kuljetettavuutta ja käyttökelpoisuutta ja vähentää haitta-aineiden määrää ja hygieniariskejä. Biomassojen mädättäminen biokaasuksi toimii yhtenä näistä prosessointitekniikoista, sillä mädätyksen lopputuote voidaan hyödyntää vielä lannoitteena. Materiaalista ja sen ominaisuuksista riippuen materiaali voidaan esikäsitellä esimerkiksi seulomalla tai murskaamalla prosessointiin soveltuvaksi. Murskaamalla saadaan muokattua materiaalin partikkelikokoa ja kokojakaumaa. Biologiset reaktiot, kuten mädätys ja kompostointi, tehostuvat, sillä murskaaminen lisää materiaalin pinta-alaa. (Tampio ym. 2018, 15.) Biokaasutuotannossa hyödynnettävän kasvibiomassan murskaamisella tai silppuamisella pyritään varmistamaan myös laitoksen tekninen toimivuus, jolloin kasvimassa liikkuu toivotusti, pysyy biokaasureaktorin nestemassan sisällä eikä kietoudu sekoittimiin (Hämeen ammattikorkeakoulu 2015, 48).

Kasvihuonejätteen esikäsittely biokaasulaboratoriossa

LAB-ammattikorkeakoulun ja LUT-yliopiston Siirtymä uusiutuvan energian ja resurssitehokkuuden hiilineutraaleihin ekosysteemeihin -hanke edistää muun muassa jo tunnistettuja Päijät-Hämeen alueellisia biokaasuekosysteemejä tuottamalla tarvittavat pohjatiedot ja kannattavuustarkastelut investointien pohjaksi ja kehittää tarkasteltujen ekosysteemien monistettavuutta muihin sijainteihin (LAB 2023). Hanke on hyödyntänyt muun muassa LAB-ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratoriossa sijaitsevan biokaasulaboratorion panostoimista mittauslaitteistoa biokaasutuotantoon soveltuvien biomassojen metaanintuottopotentiaalin määrittämiseen.

Tomaattiköynnöksen lehtiä lehtiruoteineen jätesäkissä laboratoriossa — Kuva 1. Tomaatin kasvustoa ennen esikäsittelyä (Kuva: Raisa Pajarinen)

Panostoiminen metaanintuottopotentiaalin mittauslaitteisto koostuu käytännössä kolmesta yksiköstä. Ensimmäinen yksikkö on vesihaude, joka pitää 15 näytepulloa tasaisessa lämpötilassa. Näytepullojen tilavuus on 500 millilitraa, mutta mädätysprosessiin osallistuvia mikrobeja sisältävää ymppiä ja näytemateriaalia mitataan näytepulloihin yhteensä 400 millilitraa. Näytepulloissa on hitaasti pyörivä sekoitin, jonka sekoitusaika ja -tahti voidaan määritellä toiveiden mukaiseksi. Seuraavassa yksikössä on 15 emäksistä liuosta sisältävää pulloa, joihin happamat kaasut, kuten hiilidioksidi ja rikkivety, imeytyvät. Viimeisenä on mittausyksikkö, johon puhdas metaani lopulta kulkeutuu. Mittausyksikkö tallentaa sekä muodostuneen kaasun tilavuuden kumulatiivisesti että kaasun päiväkohtaisen virtauksen. (BPC Instruments AB 2022.)

Kurkkuköynnöksen lehtiä lehtiruoteineen osittain jätesäkissä ja osittain ämpärissä laboratoriossa.] — Kuva 2. Kurkun kasvustoa ennen esikäsittelyä (Kuva: Raisa Pajarinen)

Siirtymä-hankkeessa on tarkasteltu muun muassa kasvihuoneella syntyvien kasvibiomassojen hyödyntämistä biokaasutuotannossa. Kiertotalouslaboratorioon haettiin pohjatietojen tuottamista varten paikalliselta kasvihuoneelta tomaatin, kurkun, jäävuorisalaatin sekä sekalaisten yrttien kasvatuksessa syntyviä jätevirtoja eli kasvustoista tuotannon aikana karsittavia lehtiä lehtiruoteineen, pudonneita ja huonolaatuisia tomaatteja ja kurkkuja sekä hävikiksi päätyneitä jäävuorisalaatteja ja yrttejä. Kurkkujen varsia kasvihuoneessa tukeva juuttilanka otettiin mukaan tarkasteluun, sillä se päätyisi biokaasulaitokselle todenmukaisessakin prosessissa, kun kurkun kasvustot leikataan alas. Yrttien turvepaakut poistettiin ennen esikäsittelyä. Panostoimisen metaanintuottopotentiaalin mittauslaitteiston näytepullon koon ja sekoittajan toiminnan varmistamisen vuoksi kasvihuonejäte esikäsiteltiin partikkelikooltaan mahdollisimman pieneksi. Esikäsittely tehtiin biokaasulaboratoriossa tavanomaista hieman tehokkaammalla tehosekoittimella, jotta materiaali saatiin murskattua tasaiseksi massaksi, joka ei rikkoisi sekoittajien moottoreita sotkeentuessaan sekoittajien varsiin.

Jäävuorisalaatin lehtiä jätesäkissä — Kuva 3. Jäävuorisalaatin kasvustoa ennen esikäsittelyä (Kuva: Raisa Pajarinen)

Tomaatin kasvuston murskaaminen tehosekoittimessa oli haastavaa, sillä lehtiruodit olivat puisevia ja pitkiä (Kuva 1). Materiaalin pilkkominen saksilla ennen murskaamista auttoi hieman. Prosessi helpottui myös jonkin verran, kun massaan saatiin kosteutta murskaamalla sekaan hävikkitomaatteja. Kurkun biomassa murskaantui tehosekoittimessa hieman vaivattomammin, sillä lehdet ja lehtiruodit olivat pehmeämpiä (Kuva 2) ja hävikkikurkut toivat kosteutta massaan nopeasti. Kurkun kasvustoa täytyi silti myös leikata saksilla pienemmäksi ennen murskausta. Jäävuorisalaatin hävikkikasvustoja (Kuva 3) murskatessa aloitus oli hankalinta, sillä salaatti ei kulkeutunut helposti tehosekoittimen teriin, vaikka massaa painettiin siihen tarkoitetulla työkalulla. Murskaus helpottui, kun riittävästi kosteaa, murskattua massaa oli kertynyt tehosekoittimen kulhoon. Yrttien varret (Kuva 4) kietoutuivat tehosekoittimen teriin ja kerääntyivät painavaksi massaksi, jota tehosekoitin ei jaksanut pyörittää optimaalisesti. Tähänkin ongelmaan auttoi kasvuston leikkaaminen saksilla lyhyemmäksi. Kaikki analysoitavat kasvibiomassat saatiin lopulta murskattua ja punnittua panostoimisen metaanintuottopotentiaalin mittauslaitteiston näytepulloihin biokaasuanalyyseja varten.

Muutamia erilaisia yrttikasveja turvepaakkuineen laboratorion ritiläkaivon päällä — Kuva 4. Erilaisia yrttejä ennen esikäsittelyä (Kuva: Raisa Pajarinen)

Lähteet

BPC Instruments AB. 2022. AMPTS II & AMPTS II Light Automatic Methane Potential Test System Operation and Maintenance Manual. Viitattu 31.10.2023. Saatavissa https://bpcinstruments.com/wp-content/uploads/2022/02/2022_AMPTS-II-and-AMPTS-II-Light-Manual.pdf

Hämeen ammattikorkeakoulu. 2015. Biokaasuteknologia. Raaka-aineet, prosessointi ja lopputuotteiden hyödyntäminen. Viitattu 31.10.2023. Saatavissa https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-784-771-1

LAB. 2023. Siirtymä uusiutuvan energian ja resurssitehokkuuden hiilineutraaleihin ekosysteemeihin. Viitattu 13.11.2023. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/siirtyma

Tampio, E., Vainio, M., Virkkunen, E., Rahtola, M. & Heinonen, S. 2018. Luonnonvarakeskus. Opas kierrätyslannoitevalmisteiden tuottajille. Luonnonvara- ja biotalouden tutkimus -julkaisusarja, osa 37/2018. Viitattu 31.10.2023. Saatavissa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-326-606-3