Pienen budjetin kuivamädätysreaktorien rakentaminen ja testaaminen biokaasun tuottamiseksi kuivikelannasta

Turpeen käytön vähentyessä maataloussektorille kaivataan uusia ratkaisuja eläinten kuivikemateriaaleiksi. Kupela-hankkeessa (JTF, Etelä-Savon Maakuntaliitto) kehitetään ratkaisuksi kiertoa, jossa kuivike jalostetaan biokaasuksi ja kaasuntuotossa syntyvä mädäte kiertää pelloille biolannoitteena.

Kirjoittaja: Ville Puhakka

Tarkoituksena oli kehittää tallin/navetan yhteydessä käytettävä tilakohtainen ratkaisu, jolla paikan päällä syntyvä kuivikelanta voidaan hyödyntää biokaasun tuotannossa ja prosessissa syntyvä mädäte hyödynnettäisiin lannoitteena tai hygienisoitaisiin uudelleenkäytettäväksi kuivikkeena (LAB-ammattikorkeakoulu 2024). Kuivamädätys soveltuu hyvin ratkaisuksi, sillä luonnostaan kuivaan syötteeseen ei tarvitse lisätä yhtä paljon ylimääräistä vettä. Kuivamädätysprosessin etuna on pienempi reaktorin tilavuus ja parempi kaasuntuotto tilavuutta kohti. Prosessi on kuitenkin tehottomampi sillä huonompi sekoitettavuus ja heterogeenisuus heikentävät aineensiirtoa. (Rocamora et al. 2020).

Reaktorista rakennettiin niin kutsuttu suotopetireaktori, jossa mädätysprosessissa syntyvät nesteet valutetaan panoksen läpi reaktorin pohjasta erilliseen astiaan ja kierrätetään pumpulla takaisin panoksen päälle (Wilson et al. 2016, Korazbekova & Bakhov 2014). Tällä pyrittiin korvaamaan märkäreaktoreissa käytetty sekoitus, pitämään panoksen kosteus tasaisena ja estämään hajoamistuotteiden, kuten haihtuvien rasvahappojen ja ammoniakin liiallinen kertyminen reaktoriin (Rocamora et al. 2020). Rocamora et al. (2020) mukaan suotopetireaktori on Euroopassa yleisin ratkaisu panostoimiseen kuivamädätykseen.

Kuivamädätysreaktorin rakenne

Kokeet aloitettiin rakentamalla laboratoriomittakaavan reaktoreita (5–10 L), joilla testattiin lämmityksen, nestekierron, kastelun ja mittausten toimivuutta ja kehitettiin laitteistoa useiden kokeiden perusteella. Näiden pohjalta toteutettiin 120 L pilot-reaktori, joka sijoitettiin Niipalan tilalle Hollolaan. Reaktoreissa käytettiin syötteenä lehmän ja hevosen lantaa, esikäsiteltyjä kuivikemateriaaleja kuten ohran olki, ruokohelpi, turve ja kutterin puru sekä paikallisten biokaasulaitosten mädätteitä. Tavoitteena oli pitää kokonaiskustannukset alhaisina, sillä hankkeessa ei ollut erillistä budjettia laitehankinnoille. Osaltaan pystyttiin hyödyttämään kiertotalouslaboratoriossa välineistöä. Osien valinnassa pyrittiin ottamaan huomioon erityisestä hinta, turvallisuus ja muokattavuus. Yksittäisen laboratoriomittakaavan reaktorin hinta jäi alle sadan euron. Tosin lämmitys- eikä mittauslaitteistoa ei tässä hankittu.

Näistä lähtökohdista rakennettiin edullinen pilot-mittakaavan panostoiminen kuivamädätysreaktori kuivikelannan mädättämiseksi. Reaktorilla tutkittiin eri kuivikemateriaalien ja esikäsittelyn vaikutusta biokaasun tuotantoon ja mädätteen ominaisuuksiin uudelleenkäytettävänä kuivikkeena. Mesofiilinen (panoksen lämpötila noin 38 °C) reaktori koostui kahdesta säiliöstä. Varsinaisesta reaktorisäiliöstä, jossa syötemateriaali hajoaa tuottaen biokaasua sekä sen alapuolelle sijoitetusta perkolaattisäiliöstä, joka toimii säiliönä kuivan panoksen läpi kierrätettävälle nesteelle. Perkolaattisäiliö täytettiin kokeiden alussa halutun mikrobikannan sisältävällä ympillä. Tätä nestettä pumpataan säännöllisin väliajoin reaktorisäiliöön. Reaktorissa syntyvät hajoamistuotteet valutettiin ylimääräisen nesteen mukana takaisin perkolaattisäiliöön estäen hajoamistuotteiden liiallisen kertymisen reaktoriin (Kusch et al. 2008). Sisäisellä nestekierrolla pyrittiin korvaamaan sekoituksen puutetta ja tehostamaan aineensiirtoa.

Reaktorin kanteen tehtiin kolme läpivientiä. Ensimmäisestä kiinnitettiin letku, jota pitkin prosessissa syntyvä biokaasu pääsee virtaamaan kaasupussiin. Toisesta vietiin reaktorin sisälle renkaaksi käännetty ja rei’itetty letku, jonka kautta perkolaatti pumpattiin tasaisesti reaktorin pinnalle. Kolmas läpivienti tehtiin lämpötila-anturille. Lisäksi reaktorin pohjaan tehtiin läpivienti, josta ylimäärinen neste pääsee valumaan perkolaattisäiliöön. Aukko peitettiin 1 mm silmäkoon teräsverkolla, jotta kiintoaineet pysyisivät reaktorissa, eivätkä tukkisi pumppua.

Laitteiston tiivistämiseen käytettiin kumisia tiivistysrenkaita ja tiivistemassaa. Kaikki reaktorit testattiin vesipaineella ennen panostusta. Kaasun keräys toteutettiin laboratoriomittakaavassa yksinkertaisella vesilukolla ja kaupallisilla kaasupusseilla. Kaasun kulkureitit varmistettiin vielä reaktorin panostuksen yhteydessä tapahtuvan typpikaasulla tehtävän hapenpoiston aikana. Koska prosessi on herkkä lämpötilan vaihtelulle, reaktori eristettiin käärimällä se foliolla päällystettyyn kuplamuovipeitteeseen. Kaasupusseihin kertyneen kaasun koostumus mitattiin kaasuanalysaattorilla (Biogas 5000) ja tilavuus kaasun syrjäyttämään vesimäärään perustuvalla itse tehdyllä mittalaitteella.

Laitteiston kehittäminen ja testaus

Versio 1: Sopivaksi reaktorien tilavuudeksi testeihin valittiin 5-10L. Ensimmäinen reaktori tehtiin kierrätetystä mehumaijasta. Siihen päädyttiin, koska sen rakenne seuloineen ja valutusletkuineen vastasi suunniteltua reaktorimallia. Perkolaattiastiana käytettiin muovista kanisteria. Lämmitys toteuttiin reaktorin ympärille puutarhaletkussa kiertävällä lämpimällä vedellä. Sisäinen nestekierto toteutettiin letkupumpulla neljästi vuorokaudessa. Kiertävä neste pyrittiin levittämään tasaisesti panoksen päälle rei’itetyn letkun avulla. Reaktorin pohjalle asetettiin hyönteisverkko suodattimeksi estämään panoksen karkaamista reaktorista ja pumpun tukkeutumista.

Versio 2: Vaikka mehumaija oli rakenteeltaan sopivan mallinen reaktoriksi, sen tiivistäminen ja uudelleen saumaaminen osoittautui työlääksi, etenkin kun hapettomien olosuhteiden takaamiseksi laitteiston oli oltava ilmatiivis heti sulkemishetkellä. Seuraavan reaktorin rungoksi valittiin kierrekorkilliset 5 L muoviastiat (kuva 1). Tässä lämmityksen kannalta edullisimmaksi ratkaisuksi todettiin reaktorin rungon ympärille kierrettävä lattialämmityskaapeli, jonka lämpötilaa säädettiin termostaatilla. Mutta nopeasti huomatiin, että tämä ratkaisu johti herkälle prosessille liialliseen lämpötilan sahaamiseen.

Kuva 1. Kaksi laboratoriomittakaavan kuivamädätyslaitteistoa, jotka koostuvat 5L muoviastioista. Laitteiston lämmitys on toteutettu lattialämmityskaapelilla ja nestekierto letkupumpulla. (Kuva: Ville Puhakka)

Versio 3: Lattialämmityskaapelin sijaan reaktorin ympärille käärittiin ohutseinäistä muoviletkua. Huokeampi lämmitysratkaisu löytyi keittiökoneiden osastolta: letkuissa kierrätettiin sous vide -laitteella 40 °C lämmitettyä vettä akvaariopumpun avulla. Aiemmista kokeista huomattiin, että tasaisen kastelun aikaansaamiseksi tarvitaan tehokkaampi pumppu. Letkupumppu korvattiin perkolaattisäiliöön upotettavalla pilssipumpulla.

Pilot-laitteisto: Pilotista rakennettiin versio 3:n kaltainen laitteisto isommassa mittakaavassa (Kuva 2). Viiden litran muoviastian sijaan käytettiin 120 L kannellista tynnyriä ja perkolaattioastiana toimi 25 L kanisteri. Nestekierto toteutettiin tässäkin laitteistossa pilssipumpulla, mutta lämmitykseen käytettiin vesikierron sijaan tynnyrilämmitintä. Laitteisto sijoitettiin rullakkoon, joka eristettiin lämpöhupulla. Riittävän isoa kaasupussia ei löytynyt, joten kaasu kerättiin IBC-konttiin.

Kuva 2. Niipalan tilalle sijoitettu pilot-laitteisto. Kannelliseen sadevesitynnyriin rakennuttu kuivamädätykseen perustuva biokaasureaktori, jossa syntyvä kaasu kerättiin IBC-konttiin. (Kuva: Ville Puhakka)

Johtopäätökset ja jatkokehitys

Yritysten ja erehdysten kautta saatiin rakennettua useampia edullisia ja toimivia kuivamädätysreaktoreita. Monet laitteiston teknisessä toteutuksen haasteista johtuivat pienestä mittakaavasta. Suuremman koko- ja hintaluokan laitteistoon on saatavilla jämäkämpiä ja kestävämpiä komponentteja. Esimerkiksi tasainen kastelu olisi helpoin järjestää sprinklerijärjestelmällä, mutta pienellä nestemäärällä mittaluokkaan sopivat ohuet putket tukkeutuvat helposti. Suuremmassa mittakaavassa haasteet eivät olisi niinkään rakenteiden toteutuksessa vaan tasaisten olosuhteiden saavuttamisessa koko laitteistossa. Esimerkiksi kalteva ja uritettu betonipohja valuttaisi suotonesteet tehokkaasti perkolaattisäiliöön. Kaasuntuoton käynnistämiseen tarvittiin paljon nestemäistä ymppiä, sillä kuivikemateriaalit sitovat luonnollisesti paljon vettä, mikä johtaa helposti liialliseen kuivumiseen ja nestekierron pysähtymiseen.

Reaktorien tuottoa voisi parantaa lisäämällä syötteen hiilipitoisuutta. Ympin korkean typpipitoisuuden vuoksi alhainen hiilen ja typen suhde johtaa reaktiota inhiboivan ammoniakin syntymiseen. Prosessia pystyisi todennäköisesti tehostamaan huomattavasti käyttämällä sopivampaa ymppiä mädätyksen käynnistämiseen. Kiinteä ymppi lannan kuivamädätykestä tai toisen suotopetireaktorin suotoneste olisivat ideaalisia ratkaisuja (Rocamora et al. 2020; Kusch et al. 2008). Itse rakennettu laitteisto tuottaa tälläkin hetkellä biokaasua LABin biokaasulaboratoriossa, missä se tarjoaa varmasti optimointihaasteita myös jatkossa. Esimerkiksi nestekierron syklityksen ja panoksen kokoon painumisen vaikutukset olisivat kiinnostavia tutkimusaiheita.

Lähteet

Korazbekova, K. & Bakhov, Z. 2014. Performance of Leach-bed Reactor with Immobilization of Microorganisms in Terms of Methane Production Kinetics. Journal of Biological Sciences. Vol. 14 (4), 258-266. Viitattu 27.11.2025. Saatavissa https://doi.org/10.3923/jbs.2014.258.266

Kusch, S., Oechsner, H. & Jungbluth, T. 2008. Biogas production with horse dung in solid-phase digestion systems. Bioresource technology. Vol. 99 (5), 1280–1292. Viitattu 27.11.2025. Saatavissa https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.02.008

LAB-ammattikorkeakoulu. 2024. Kuivikelantojen hyödyntäminen biokaasutuotannossa ja pelloilla biolannoitteena. Viitattu 27.11.2025. Saatavissa https://lab.fi/fi/projekti/KUPELA

Rocamora, I., Wagland, S., Villa, R., Simpson, E., Fernadez, O. & Bajon-Fernandez, Y. 2020. Dry anaerobic digestion of organic waste: a review of operational parameters and their impact on process performance. Bioresource Technolgy. Vol 299, Article 122681. Viitattu 27.11.2025. Saatavissa: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122681

Wilson, P., Sharvelle, S. & De Long, S. 2016. Enhanced anaerobic digestion performance via combined solids- and leachate-based hydrolysis reactor inoculation. Bioresource Technology. Vol. 220, 94–103. Viitattu 27.11.2025. Saatavissa https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.08.024