MENETELMÄT

Hidaspyrolyysi (tunnetaan myös kuivatislauksena) on prosessointimenetelmä, jolla voidaan käsitellä orgaanisia lähtöaineita. Panostoimisessa laitteistossa raaka-ainetta kuumennetaan erä kerrallaan yhdessä tai useammassa vaiheessa ja tuotteina syntyy hiili-, neste- ja kaasujakeita. Prosessissa syntyviä kaasuja voidaan tiivistää nesteeksi sen eri vaiheista, mikä mahdollistaa reaktiotuotteiden tarkan tutkimuksen, antaa tietoa lähtöaineiden kemiasta ja biopohjaisten molekyylien tuottamisesta.

HTL (kutsutaan myös nimellä märkäpyrolyysi) on termokemiallinen prosessointimenetelmä, jossa valittua lähtöainetta ja vettä kuumennetaan paineistetussa reaktorissa erä kerrallaan. Prosessin tuotteina syntyy kaasua, nestettä ja hiiltä, joista nesteet ja hiili kerätään yhtenä fraktiona jäähdytyksen jälkeen jatkoerottelua varten. Menetelmän etu on, että se soveltuu myös kosteille lähtöaineille, eikä erillistä kuivausvaihetta tarvita.

Hidaspyrolyysilla ja HTL-tekniikalla tuotettuja jakeita hyödynnetään mm. maanparannuskokeissa ja hankkeissa kehitettävissä biotuotteissa.

Globaalisti ilmastonmuutos ja ravinnon puute ovat suuria ongelmia, joihin haetaan kiivaasti ratkaisua. Fossiilisten polttoaineiden käyttäminen lisää hiilidioksidipäästöjä ilmakehään ja näin ollen nopeuttaa ilmastonmuutosta. Vetykaasu (H₂) on lupaava energian varastointi- ja siirtoväline, jolla voi olla merkittävä rooli kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Vety on hiilineutraali energian kantaja, sillä sen palamisen lopputuotteena syntyy vain vesihöyryä ja lämpöä. Sillä on myös suuri energiasisältö, 122 kJ/g, joka on noin 2,75 kertaa suurempi kuin hiilivetypolttoaineilla, kuten bensiinillä. Suuri energiasisältö ja vähäinen tai lähes olematon päästöjen muodostuminen käytössä tekevät vedystä potentiaalisen fossiilisten polttoaineiden korvaajan.

Biosfääri-hankkeen yhtenä tavoittena on selvittää ja demonstroida Pohjois-Savossa alihyödynnettyjä sivuvirtoja biojalostusteknologialla. Kehittämiskohteena on ollut vedyn tuotanto (Power-to-X) pimeäfer-mentaatiolla biopohjaisille sivuvirroille, lähinnä elintarviketeollisuuden sivuvirroille. Pimeäfermentaaatio on otollinen tekniikka uusiutuvan biovedyn tuottamiseksi. Vedyn tuotannossa mikrobiologisesti, mikrobit hajottavat orgaanisen aineksen tuottaen lopputuotteena organisia happoja, hiilidioksidia ja vetyä.

Biokaasupanoskokeella voidaan selvittää tutkittavan materiaalin tai materiaaliseoksen metaanintuottopotentiaali. Biokaasupanoskokeella tarkoitetaan koetta, johon ei lisätä kokeen aikana uutta substraattia, vaan koe suoritetaan loppuun saakka yhdellä ”panoksella”. Kokeet toteutetaan 5L vetoisilla lasireaktoreilla mesofiilisellä lämpötila-alueella (35–38 °C) viiden viikon mittaisina koesarjoina. Kokeet käynnistettiin käyttäen bakteerisiirrosta jo toiminnasta olevasta biokaasulaitoksesta. Siirroksen vaikutus vähennettiin laskennallisesti tuloksista. Biokaasupanoskokeet tehdään menetelmän VDI 4630 (2016) mukaisesti.

Mikrobihengityskokeessa tutkittiin peltomaahan lisättyjen kuitumateriaalien vaikutusta maan mikrobiaktiivisuuteen vakiolämpötilassa ja  -kosteudessa. Kokeessa erilaisia kuituja sekoitettiin kenttäkokeelta kerättyyn maahan ja inkuboitiin ilmatiiviissä kaksi litran lasiastioissa 63 vuorokauden ajan. Astioissa mukana ollut NaOH-liuos keräsi mikrobien hengityksessä syntyvän hiilidioksidin ja keräysliuos vaihdettiin 1, 3, 7, 11, 15, 31 ja 63 päivää kokeen aloituksesta. Liuokseen kerääntyneen hiilidioksidin määrä selvitettiin titraamalla.

Typen inkubointikokeessa tutkittiin erilaisten kuitumateriaalien vaikutusta typen mineralisaatioon kenttäkoemaassa. Tutkittavat kuidut sekoitettiin kenttäkokeelta kerättyyn peltomaahan ja niitä inkubointiin vakiolämpötilassa ja -kosteudessa 60 vuorokauden ajan. Kokeessa seurattiin epäorgaanisen typen muutosta mittaamalla sen pitoisuus KCl-uutolla viisi kertaa kokeen aikana. Näin voitiin selvittää, kuinka nopeasti ja kuinka suuri osa tuotteiden sisältämästä typestä muuttui kasveille käyttökelpoiseen muotoon.

Erilaisten kuitujen ja biohiilien vaikutusta maan rakenteeseen tutkittiin laboratoriossa rakennettujen ja kenttäkokeelta otettujen lieriöiden avulla vedenpidätys- ja vedenjohtavuusmäärityksissä. Rakennetut lieriönäytteet valmistettiin imitoimalla kenttäkokeen lisäysmääriä, mutta lisäksi voitiin tehdä toinen korkeampi lisäystaso.

Kuvassa rakennetut pF-lieriöt kattilassa.

Biosfääri hankkeessa työpaketissa 2 tutkitaan teollisuuden sivuvirtojen soveltuvuutta kierrätyslannoitteiksi ja maanparannusaineiksi. Pilottituotteiden toimivuutta testataan astiamittakaavan demonstraatioissa kasvatuskokein käyttäen raiheinää viljelykasvina. Testimatriiseina käytetään teollisuuden tuhkia, biohiiliä, kompostoituja materiaaleja, elintarviketeollisuuden sivuvirtoja ja biokaasuprosessin käsittelyjäännöstä. Vertailu astiana käytetään ruukkuja, joissa on lantaa ja salpietaria, jotka vastaavat tyypillisimpiä maatalouden peltolannoitteita. Kasvatuskokeet demonstroidaan 6 L vetoisissa ruukuissa, joissa maa-ainesta on 5 kg. Kokeet toistetaan kahdella hyvin erilaisella maa-aineksella. Kylvövasteena käytetään 20 kg/ha. Demonstraatioissa tasapainotetaan optimaaliset pääravinteet ja sato kerätään noin 30 vuorokauden välein. Kokeissa tavoitellaan neljää satoa. Lopuksi sato analysoidaan ja arvioidaan sekä sadon että maa-aineksen mukaisesti.

Luken Maaningan toimipaikassa toteutettavassa kenttäkokeessa tutkitaan Fortumin ja Stora Enson kuitujen sisältämän typen lannoitusvaikutusta, kuitujen vaikutusta karkean kivennäismaan rakenteeseen sekä lisäksi tarkastellaan kuitujen hiilisyötevaikutusta. Kenttäkoe on perustettu keväällä 2020 ja ensimmäisenä koevuonna koekasvina oli puitu ohra ja toisena nurmi. Kuidut sisältävät vähän kasveille suoraan käyttökelpoista liukoista typpeä, mutta runsaasti kokonaistyppeä sekä hiiltä.