Mikrobien näkymätön yhteistyö – näin biokaasua syntyy maatilan sivuvirroista

Biokaasun tuotanto tarjoaa maatiloille keinon hyödyntää lanta ja kasvibiomassa energiaksi, mutta kuinka tämä luonnollinen prosessi oikeastaan toimii? Avainasemassa ovat saumattomassa yhteistyössä toimivat mikrobit, jotka hajottavat tilan syötteiden orgaanisen aineksen vaihe vaiheelta ja tuottavat biokaasua – edellyttäen, että olosuhteet pysyvät tasapainossa.

Biokaasu on uusiutuva ja ympäristöystävällinen energianlähde, jonka tuotanto perustuu mikrobitoimintaan. Prosessissa esimerkiksi maatilan eloperäiset sivuvirrat, kuten lanta ja kasvimassat, hajoavat hapettomissa olosuhteissa mikrobien aineenvaihdunnan seurauksena muodostaen metaania sekä hiilidioksidia. Vaikka itse ilmiö on luonnollinen, sen hyödyntäminen energiantuotannossa edellyttää järjestelmällistä prosessinhallintaa ja erityisesti mikrobeille suotuisien olosuhteiden tuntemusta.

Tämän kirjoituksen taustalla on hyödynnetty teosta Biokaasuteknologia (Kymäläinen & Pakarinen, 2015), joka tarjoaa syvällistä tietoa biokaasuprosessien mikrobitoiminnasta ja prosessinhallinnasta.

Biokaasua maatiloilla

Biokaasureaktori on elävä biologinen järjestelmä, jonka toiminta perustuu mikro-organismien tasapainoon. Reaktoriin ei voi syöttää mitä tahansa biomassaa, vaan syötteen koostumus ja pH-arvo vaikuttavat suoraan prosessin toimivuuteen ja kaasun tuotantoon. Biokaasulaitoksen operointi vaatiikin jonkin verran ymmärrystä mikrobien toiminnasta ja prosessin herkkyydestä.

Maatiloilla usein hyödynnetty biokaasulaitosten syöte on lanta, jonka tasainen ja ympärivuotinen muodostuminen tekee siitä varsin helpon ja käyttökelpoisen biokaasun lähteen. Lisäksi lannan metaanintuotto alkaa spontaanisti, koska siinä on valmiina metaania muodostavia mikrobeja. Märehtijöiden ruuansulatus hyödyntää tehokkaasti kasvimassan sisältämän energian, ja lantaan jäljelle jää ainoastaan heikommin hajoava aines. Tämän vuoksi naudanlanta itsessään ei ole yhtä energiapitoinen syötemateriaali biokaasulaitoksille kuin vaikkapa ruokajäte.

Kasvibiomassat, kuten nurmirehu, viljan olki ja erilaiset vihannesjätteet, täydentävät usein maatilalaitoksilla lantapohjaisia syötteitä. Kuitupitoisten kasvijakeiden murskaaminen ennen bioreaktoriin syöttämistä edistää prosessin tehokkuutta. Tämä ei ainoastaan nopeuta mikrobien pääsyä käsiksi eloperäiseen ainekseen, vaan myös helpottaa biomassan liikettä bioreaktorissa ja ehkäisee mekaanisia ongelmia, kuten tukoksia tai sekoituslaitteistoon kietoutumista. Näin ollen esikäsittelyllä voidaan vaikuttaa merkittävästi kaasun muodostumisen tehokkuuteen. Kuitupitoiset kasvijakeet vaativat riittävän pitkän hajoamisajan bioreaktorissa, jotta mikrobit ehtivät muodostaa niistä biokaasua. Näitä jakeita voidaan kuitenkin varastoida ja hyödyntää myöhemmin, toisin kuin nopeasti pilaantuvat perunajätteet, jotka on syötettävä bioreaktoriin pikaisesti.

Mikrobien työ alkaa heti, kun eloperäinen aines syntyy, myös ilman ihmisen väliintuloa. Tämä tarkoittaa, että jos lantaa tai muita biomassajakeita ei johdeta biokaasuprosessiin riittävän nopeasti, syntyy metaanipäästöjä ympäristöön ja arvokas energia menee hukkaan. Siksi erityisesti maatilakohtaisissa laitoksissa on edullista syöttää lanta tuoreeltaan bioreaktoriin. Jos taas lantaa kuljetetaan esimerkiksi yhteiskäyttölaitokseen, kuljetukset tulisi tehdä tiheästi, jotta kaasut ja ravinteet saadaan tehokkaasti talteen. 

Nelivaiheinen mikrobien yhteistyön ketju

Biokaasuprosessi on monivaiheinen biologinen reaktio, jossa mikrobit toimivat sarjassa, jolloin kukin vaihe valmistelee seuraavaa vaihetta. Tämä ketjureaktio edellyttää, että kaikki mikrobiryhmät ovat elinvoimaisia ja toimivat tasapainossa. Tässä prosessissa ei ole varaa katkoksille tai suurille muutoksille, sillä herkkä tasapaino voi järkkyä ja koko kaasuntuotanto kärsiä. Olosuhteiden, erityisesti lämpötilan ja pH:n, on oltava juuri sopivat jokaiselle mikrobiryhmälle. Yleisimmin bioreaktorin lämpötila pidetään mesofiilisella alueella eli 32–42 °C:ssa ja pH-arvo neutraalilla tasolla (Motiva Oy, 2013).

Ensimmäinen vaihe on hydrolyysi, jossa suuret orgaaniset molekyylit, kuten hiilihydraatit, proteiinit ja rasvat, pilkkoutuvat pienemmiksi molekyyleiksi. Tällaisinaan nämä makromolekyylit ovat liian suuria mikrobien ravinnoksi. Mikrobit tuottavat ja välittävät itsensä ulkopuolelle entsyymejä, kuten amylaaseja, proteaaseja ja lipaaseja, jotka hajottavat makromolekyylejä. Esimerkiksi amylaasit pilkkovat tärkkelyksen sokereiksi, proteaasit hajottavat proteiineja aminohapoiksi ja lipaasit muuttavat rasvat rasvahapoiksi ja glyseroliksi. Tätä prosessin vaihetta suorittavat niin sanotut hydrolyyttiset bakteerit.

Välituotteiden kautta kohti biokaasua

Toinen vaihe on asidogeneesi eli fermentaatio, jossa aiemmin pilkotut yhdisteet toimivat ravintona seuraavalle mikrobiryhmälle. Näiden mikrobien aineenvaihdunnassa syntyy erilaisia orgaanisia happoja kuten etikka-, voi- ja propionihappoa, joita kutsutaan haihtuviksi rasvahapoiksi (volatile fatty acids, VFA). Samalla muodostuu myös alkoholeja, vetyä, hiilidioksidia ja ammoniakkia.

Jos reaktorissa syntyy rasvahappoja nopeammin kuin seuraavat mikrobivaiheet ehtivät niitä hyödyntää, happoja alkaa kertyä liikaa. Tämä laskee reaktorin mädätteen pH-arvoa, jolloin metaania tuottavat mikrobit eivät enää toimi kunnolla ja prosessi menee niin sanotusti hapoille. Laboratoriotesteillä voidaan mitata rasvahappojen määrää ja arvioida mädätteen puskurikykyä eli alkaliteettia, eli mädätteen kykyä pitää pH tasaisena happojen muodostuessa. Jokaiselle reaktorille muodostuu ajan mittaan sille ominainen tasapaino rasvahappojen ja alkaliteetin välillä. Jos happoja kertyy liikaa, se kertoo usein siitä, että reaktori on ylikuormittunut eli syötettä on annettu liikaa tai liian nopeasti verrattuna siihen, miten nopeasti mikrobit ehtivät sitä hajottaa.

Kolmannessa vaiheessa, asetogeneesissä, aiemmin muodostuneet hapot muunnetaan pääosin asetaatiksi, vedyksi ja hiilidioksidiksi. Tätä suorittavat asetogeeniset mikrobit, jotka toimivat tiiviissä yhteistyössä seuraavan vaiheen metanogeenien eli metaania tuottavien mikrobien kanssa. Tasapaino on tässäkin keskeistä eli seuraavan vaiheen metanogeenien täytyy käyttää näitä hajoamistuotteita suunnilleen samalla nopeudella kuin sitä syntyy, jotta prosessi ei mene epätasapainoon.

Arkeonit vastaavat biokaasun muodostuksesta

Neljäs vaihe on metanogeneesi eli itse biokaasun muodostuminen, jolloin arkeoneihin kuuluvat metanogeeni-mikrobit viimein muodostavat biokaasua. Biokaasu on seos, jossa on yli puolet metaania ja loput suurelta osin hiilidioksidia sekä vähäisiä määriä muita kaasuja. Biokaasuprosessin viimeisessä vaiheessa metaania syntyy kahden eri metanogeeniryhmän avulla. Toiset tekevät metaania vedystä ja hiilidioksidista, ja toiset suoraan edellisen vaiheen asetaatista. Vedystä metaania tuottavat metanogeenit toimivat nopeammin ja reagoivat herkästi muutoksiin, kun taas asetaattia käyttävät metanogeenit työskentelevät hitaammin, mutta tasaisemmin. Viimeksi mainittujen lisääntyminen on huomattavasti hitaampaa kuin muiden prosessivaiheiden mikrobien, minkä vuoksi syötteiden riittävän pitkä viipymisaika reaktorissa on tärkeää. Liian nopea läpivirtaus voi huuhtoa ulos metaania tuottavia mikrobeja ja heikentää kaasuntuottoa. Jokaiselle laitokselle määritelläänkin sopiva viipymäaika, jonka puitteissa mikrobit ehtivät toimia tehokkaasti ja eloperäinen aines tulee hyödynnettyä tehokkaasti. Käytännössä jokaisessa biokaasureaktorissa muodostuu ajan myötä omanlaisensa mikrobikanta, joka on tottunut juuri kyseisessä prosessissa käytettyihin syötteisiin. Tämän vuoksi suuria muutoksia syötteiden laadussa tai koostumuksessa ei voida tehdä äkillisesti, vaan ne tulee toteuttaa vähitellen, jotta mikrobien välinen tasapaino säilyy. Jos jokin mikrobiryhmä kärsii muutoksista, koko prosessi voi hidastua tai jopa pysähtyä. Kun ymmärretään ja hallitaan näitä mikrobien välisiä suhteita sekä tarjoamalla niille sopivat olosuhteet, voidaan maatilojen sivuvirtoja hyödyntää tehokkaasti ja ympäristöystävällisesti.

Kirjoittaja