Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die anaerobe Vergärung ist ein biologischer Prozess, bei dem Biokraftstoff (d. h. Methan) aus organischen Abfällen gewonnen wird. Ziel unseres Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines Vorbehandlungsprotokolls für landwirtschaftliche Fasersubstrate, insbesondere Gülle, durch Hydrolyse mit organischen Säuren, um die Methanproduktion zu maximieren. Diese Säuren stammen aus den Abwässern der Agrarindustrie, insbesondere von kleinen Käseherstellern, und werden mit einer milden Zerkleinerung und einer thermischen Hydrolyse mit der überschüssigen Wärme des Blockheizkraftwerks kombiniert. Das ausgearbeitete Protokoll könnte auch dazu beitragen, den Energieverbrauch im Faulbehälter zu senken, indem die rheologischen Eigenschaften des Schlamms verbessert werden. Wenn es erfolgreich ist, wird dieses Vorbehandlungsprotokoll in einem nachfolgenden P+D-Projekt verwendet, das auf den Bau einer Pilotanlage abzielt, um es unter realen landwirtschaftlichen Bedingungen zu testen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Anaerobic digestion is a biological process that produces biofuel (i.e. methane) from organic waste. Our research project aims to develop a pre-treatment protocol of agricultural fibrous substrates, in particular manure, by hydrolysis with organic acids to maximise methane production. These acids will come from the effluents of agro-industrial activities, in particular from small cheese producers.This acidic pre-treatment will be combined with mild grinding and thermal hydrolysis with the surplus heat from the cogeneration unit. This pre-treatments combination will be tested in reactors of differ-ent sizes.The elaborated protocol could also help to reduce energy consumption in the digester by improving the rheological properties of the sludge.If successful, this pre-treatment protocol will be used in a subsequent P+D project, aiming at buil-ing a pilot plant and test it under real agricultural conditions.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La digestion anaérobie est un processus biologique qui produit du biocarburant (méthane) à partir de déchets organiques. Notre projet de recherche vise à développer un prétraitement des substrats fi-breux agricoles, notamment du fumier, par hydrolyse avec des acides organiques pour maximiser la production de méthane. Ces acides proviendront d’effluents d’activités agro-industrielles (sous-pro-duits), et en particulier de petit-lait de fromageries artisanales.Ce prétraitement acide sera combiné à un broyage doux et à une hydrolyse thermique avec la chaleur en surplus des unités de cogénération. La combinaison des prétraitements sera testée dans des ré-acteurs de différentes tailles.Ce protocole de prétraitement pourrait aussi contribuer à diminuer la consommation d'énergie dans le digesteur en améliorant les propriétés rhéologiques des boues. En cas de succès, ce protocole de prétraitement sera utilisé pour la construction d’un prototype afin d’en évaluer les performances en fonctionnement en conditions agricoles, dans le cadre d’un projet P+D.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Lignozellulosehaltige Abfälle sind in allen organischen Abfällen in unterschiedlichen Anteilen enthalten und bilden manchmal die Hauptfraktion. Die Widerspenstigkeit von lignozellulosehaltiger Biomasse (LCB) macht sie resistent gegen mikrobielle Hydrolyse, was die Effizienz der biologischen Umwandlung von organischem Material in Biogas verringert. Jüngste Forschungstrends deuten darauf hin, dass es keine einheitliche Strategie zur Verbesserung der anaeroben biologischen Abbaubarkeit von lignozellulosehaltigen Abfällen gibt, sondern dass Vorbehandlungen und Co-Vergärung in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielen. Das MIMAGAS-Forschungsprojekt zielte auf die Entwicklung eines milden Hydrolyse-Vorbehandlungsprotokolls für Kuhmist ab, das eine Kombination aus mechanischer Einwirkung, verdünnter organischer Säure und milder Wärmeeinwirkung darstellt. Für dieses Projekt wurde ein in der Schweiz weit verbreitetes (und manchmal problematisches) Lebensmittelabwasser, die Käsemolke, als Säuremittel verwendet. Dieser innovative Ansatz konnte allen Anforderungen gerecht werden, da er sowohl Vorbehandlung als auch Co-Vergärung kombiniert. Zunächst wurde eine Sondierungsanalyse auf der Grundlage eines aus der Taguchi-Methode abgeleiteten Versuchsplans durchgeführt, um die günstigste Kombination von Vorbehandlungen zu ermitteln, d. h. diejenige, die den löslichen chemischen Sauerstoffbedarf und den Methanertrag maximiert. Vorbehandlungen unter milden Bedingungen (d.h. Säuregehalt, Temperatur und Druck) sollen die Bildung von toxischen oder hemmenden Verbindungen verringern. Trotz des geringen Schweregrads der in diesem Projekt verwendeten Vorbehandlungen begünstigte die Hydrolyse von Gülle in Gegenwart von Molke, einem Substrat, das reich an leicht hydrolysierbaren Kohlenhydraten ist, wahrscheinlich die Bildung von Sekundärprodukten, die aus parasitären Reaktionen zwischen Zuckern (Karamellisierung) oder zwischen Proteinen und Zuckern (Maillard-Reaktion) resultieren, deren Vorhandensein die Ergebnisse verfälscht und die Schlussfolgerungen dieser Studie beeinflusst haben könnte. In Versuchen im mittleren Maßstab gefährdeten diese Nebenprodukte, die Hemmstoffe der anaeroben Vergärung sind, ernsthaft die Stabilität des mit hydrolysiertem Substrat beschickten Fermenters, zumal die Versuche in der trockenen Konfiguration durchgeführt wurden, die die Anhäufung von Hemmstoffen begünstigt. Neben der Bildung von Inhibitoren steht die in diesem Projekt entwickelte Kombination von Vorbehandlungen im Verdacht, die Dehydratisierungskapazität der hydrolysierten Substrate zu erhöhen und damit die Auswirkungen des Wassermangels zu verstärken. Die Umstellung auf ein halbtrockenes Verfahren unter Zugabe von Wasser ermöglichte die Stabilisierung des mit hydrolysierten Substraten beschickten Fermenters, und die wirtschaftliche Analyse zeigte, dass trotz mäßig günstiger Bedingungen erhebliche Gewinne erzielt werden konnten (+16 % bei den jährlichen Einnahmen). Die in diesem Projekt entwickelte Kombination von Vorbehandlungen könnte daher in flüssiger Form wirksamer sein. Unabhängig von der geplanten Konfiguration erfordert ihre großtechnische Umsetzung die Entwicklung eines Hydrolysereaktors, der ein hohes Maß an Homogenität und Bedingungen (Temperatur/Hydrolysezeit) gewährleisten kann, die den Verlust von Zuckern begrenzen. Was die mechanische Vorbehandlung betrifft, so existiert der von uns verwendete Fleischwolf bereits in einer Größe und Kapazität, die für die Verarbeitung der Dungmenge aus der Agrogaz-Anlage geeignet ist, doch müssen mehrere technische Fragen geklärt werden, bevor diese Art von Maschine in großem Maßstab für die Vorbehandlung von Dung eingesetzt werden kann. Das Hauptproblem ist der Umgang mit Steinen und Fremdobjekten, die manchmal im Dung enthalten sind und die Messer des Häckslers ernsthaft beschädigen können.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Lignocellulosic waste is present in all organic waste, in varying proportions, and sometimes constitutes the main fraction. The recalcitrance of lignocellulosic biomass (LCB) makes it resistant to microbial hydrolysis, which reduces the bioconversion efficiency of organic matter into biogas. Recent trends in research indicate that there is no unique strategy to improve the anaerobic biodegradability of lignocellulosic wastes, but pretreatments and co-digestion both have an important role on this issue. The MIMAGAS research project aimed at developing a mild hydrolysis pre-treatment protocol on cow manure that by combining mechanical action, diluted organic acid impact and mild thermal action. For this project an abundant food effluent (and sometimes-problematic effluent) that is widespread in Switzerland, the cheese whey, was used as the acid agent. This innovative approach could match all requirements as it combines both pretreatments and co-digestion. First, an exploratory analysis based on an experimental design derived from Taguchi's method was used to identify the most favorable combination of pretreatments, i.e. the one maximizing soluble chemical oxygen demand and methane yield. Pre-treatments under mild conditions (i.e., acidity, temperature, and pressure) are said to reduce the formation of toxic or inhibiting compounds. However, despite the low severity of the pretreatments used in this project, the hydrolysis of manure in the presence of whey, a substrate rich in easily hydrolyzable carbohydrates, probably favored the formation of secondary products, resulting from parasitic reactions between sugars (caramelization) or between proteins and sugars (Maillard reaction), whose presence may have biased the results and influenced the conclusions of this study.
In intermediate-scale tests, these by-products, which are inhibitors of anaerobic digestion, seriously jeopardized the stability of the digester fed with hydrolyzed substrate, especially as the tests were carried out in the dry configuration, which favors the accumulation of inhibitors. In addition to the formation of inhibitors, the combination of pretreatments developed in this project is suspected of enhancing the dehydration capacity of hydrolyzed substrates, thus reinforcing the effects of water shortage. The switch to a semi-dry process, with the addition of water, allowed the stabilization of the digester fed with hydrolyzed substrates and economic analysis showed that despite moderately favorable conditions, substantial gains could be achieved (+16% in annual revenues). The combination of pretreatments developed in this project could therefore be more effective in liquid configuration, and whatever the configuration envisaged, its large-scale implementation will require the development of a hydrolysis reactor capable of ensuring a high degree of homogeneity and conditions (temperature/hydrolysis time) limiting the loss of sugars. As for mechanical pretreatment, the meat grinder we used already exists in appropriate size and capacity to handle the amount of manure from the Agrogaz plant but several technical issues need to be addressed before this type of machine can be implemented on a large scale for manure pre-treatment. The main being the management of rocks and pebbles, sometimes present in the manure, which can seriously damage the grinder knives.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les déchets lignocellulosiques sont présents dans tous les déchets organiques, dans des proportions variables, et constituent parfois la fraction principale. La récalcitrance de la biomasse lignocellulosique (LCB) la rend résistante à l'hydrolyse microbienne, ce qui réduit l'efficacité de la bioconversion de la matière organique en biogaz. Les tendances récentes de la recherche indiquent qu'il n'existe pas de stratégie unique pour améliorer la biodégradabilité anaérobie des déchets lignocellulosiques, mais les prétraitements et la codigestion ont tous deux un rôle important à jouer dans ce domaine.
Le projet de recherche MIMAGAS visait à développer un protocole de prétraitement par hydrolyse douce sur le fumier de vache en combinant une action mécanique, un acide organique dilué et une action thermique douce. Pour ce projet, un effluent alimentaire abondant (et parfois problématique) très répandu en Suisse, le lactosérum de fromage, a été utilisé comme agent acide. Cette approche innovante pourrait répondre à toutes les exigences car elle combine à la fois les prétraitements et la codigestion. Dans un premier temps, une analyse exploratoire basée sur un plan expérimental issu de la méthode de Taguchi, a permis d’identifier la combinaison de prétraitements la plus favorable c’est-à-dire celle permettant de maximiser la demande chimique en oxygène soluble et le rendement en méthane. Les prétraitements dans des conditions douces (acidité, température et pression) sont censés réduire la formation de composés toxiques ou inhibiteurs. Cependant, malgré la faible sévérité des prétraitements utilisés dans ce projet, l’hydrolyse du fumier en présence de petit lait, un substrat riche en carbohydrates facilement hydrolysables, a vraisemblablement favorisé la formation de produits secondaires, issus de réactions parasites entre sucres (caramélisation) ou entre protéines et sucres (réaction de Maillard), dont la présence a pu biaiser les résultats et influencé les conclusions de cette étude. Lors des tests à l’échelle intermédiaire, ces sous-produits, inhibiteurs de la digestion anaérobie, ont fortement mis en péril la stabilité du digesteur nourri avec le substrat hydrolysé et ce d’autant plus que les tests ont été réalisés en voie sèche, une configuration qui favorise l’accumulation d’inhibiteurs. Outre la formation de ces inhibiteurs, la combinaison de prétraitements mis au point dans ce projet est suspectée de favoriser la capacité de déshydratation des substrats hydrolysés renforçant ainsi les effets dus au manque d'eau. Le passage en voie semi-sèche, avec l'ajout d'eau, a permis de stabiliser le digesteur alimenté en substrats hydrolysés et l'analyse économique a montré que malgré des conditions modérément favorables, des gains substantiels pouvaient être réalisés (+16% de revenus annuels). La combinaison de prétraitements développée dans ce projet pourrait ainsi être plus efficace en configuration liquide et, quelle que soit la configuration envisagée, son implémentation à grande échelle nécessitera de développer un réacteur d’hydrolyse capable d’assurer un haut degré d’homogénéité et des conditions (température/temps d’hydrolyse) limitant la perte en sucres. En ce qui concerne le prétraitement mécanique, le hachoir à viande que nous avons utilisé existe déjà dans une taille et une capacité appropriée pour traiter la quantité de fumier provenant de l'installation Agrogaz, mais plusieurs questions techniques doivent être abordées avant que ce type de machine puisse être mis en oeuvre à grande échelle pour le prétraitement du fumier. Le principal problème est la gestion des roches et des cailloux, parfois présents dans le fumier, qui peuvent sérieusement endommager les couteaux du broyeur.
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