SMART: Strategije Metana: Anaerobna Razgradnja in Trajnostna uporaba lignocelulozne biomase in digestata

Sodelavci:	Marko Blagojevič, Gašper Rak, Blaž Stres
Trajanje:	24 mesecev 1.10.2024-30.9.2026
Šifra:	V4-24026
Vodilni partner:	UL FGG
Vodja projekta:	Sabina Kolbl Repinc
Ostale partnerske organizacije:	Kemijski inštitut
Finančni vir:	ARIS,     MOPE
Ključne besede:	lignocelulozni material, bioplin, metan, metanski potencial, anaerobna presnova, optimizacija, predobdelave, digestat, vplivi na okolje, nadaljnjauporaba digestata

Opis:

Projekt se osredotoča na testiranje metanskega izplena lignoceluloznih materialov za pridobivanje bioplina na laboratorijskem modelnem merilu. Proizvodnja bioplina s pomočjo anaerobne presnove predstavlja prilagodljiv in trajnosten obnovljiv vir energije. Anaerobna presnova je biokemijski proces, kjer mikroorganizmi razgradijo organsko razgradljive snovi brez prisotnosti kisika, pri čemer nastane bioplin, sestavljen predvsem iz ogljikovega dioksida (CO2) in metana (CH4). Za učinkovito anaerobno presnovo lignoceluloznih substratov, kot je les, je potreben dušikom bogat kosubstrat, da se optimizira razmerje med ogljikom in dušikom (C/N), ki naj bi bilo med 15 in 30. Anaerobno presnovo je treba skrbno spremljati in vzdrževati optimalne pogoje, kot so temperatura, pH, organska obremenitev, hidravlični zadrževalni čas in vsebnost hlapnih maščobnih kislin. Lignoceluloza, glavna sestavina lesne biomase, je sestavljena iz celuloze, hemiceluloze in lignina. Celuloza in hemiceluloza se lahko razgradita anaerobno, medtem ko je za razgradnjo lignina potreben kisik. Zaradi tega so potrebne predobdelave lignoceluloznih substratov, ki vključujejo fizikalne, kemične in biološke metode. Različne predobdelave lahko izboljšajo razgradnjo lignoceluloze in s tem povečajo proizvodnjo metana, vendar je prenos laboratorijskih rezultatov na industrijsko merilo zahteven. Potrebna je uporaba realnega inokuluma in prilagoditev realnim pogojem v bioplinskih elektrarnah. Optimizacija proizvodnje bioplina lahko poteka tudi s kodigestijo različnih substratov za katero se uporabljajo matematični modeli za določanje optimalnih mešanic. Lesna industrija proizvaja velike količine lesne biomase, ki bi lahko služila kot surovina za proizvodnjo bioplina. Izkoriščanje digestata kot pomembnega vira surovin v krožnem gospodarstvu omogoča uporabo koristnih snovi, kot so dušik, fosfor, kalij in mikrohranila, kot alternativo sintetičnim gnojilom, kar pripomore k izboljšanju fizikalnih lastnosti tal, zmanjšanju potrebe po kemičnih gnojilih ter emisij toplogrednih plinov, hkrati pa odpira potenciale za proizvodnjo energije, kompostiranje, proizvodnjo bioplastike in gradbenih materialov ter pridobivanje ligninov in drugih aromatov za nadaljnjo uporabo. Poleg tega bomo identificirali možne negativne vplive na okolje in podali predloge zanjihovo zmanjšanje, kar bo omogočilo trajnostno in varno uporabo digestata v različnih aplikacijah.

Ključni cilji:

Z raziskovalnim projektom želimo preučiti možnosti koriščenja lignoceluloznih materialov za proizvodnjo bioplina v laboratorijskih pogojih obupoštevanju potenciala v Sloveniji. Za anaerobno presnovo in posledično pridobivanje bioplina so primerni organski in v anaerobnih pogojihrazgradljivi substrati. Eden glavnih izzivov pri pridobivanju bioplina iz lignoceluloznih materialovje njihova visoka variabilnost v količini in kemični sestavi. Različne vrste lesa, ostanki pridelave poljščin in drugi lignocelulozni viri imajo različnekemijske sestave in fizikalne lastnosti, so različno sezonsko porazdeljeni skozi leto, kar pomembno vpliva na učinkovitost anaerobne razgradnjeskozi čas. Posledično je tako proizvodnja bioplina lahko manjša od realno dosegljivega, to je na industrijski skali izkoristljivega potenciala, hkrati pa prihaja do časovno razporejenih a različnih inhibitornih učinkov posameznega substrata ob njegovem ponovnem uvajanju, kar vodi do zakisljevanjain neprijetnih vonjav, zmanjševanja učinkovitosti procesa zaradi nastajanja inhibitornih aromatskih spojin iz lignina, podaljševanja hidravličnihzadrževalnih časov, zmanjšanja porabe substratov na časovno enoto. Zato je prvi izmed ciljev tega projekta določevanje biometanskih potencialov različnih lignoceluloznih materialov v laboratoriju, za omogočanjeboljšega vpogleda v anaerobno razgradnjo lignoceluloznih materialov in kinetiko ter količino proizvodnje metana. Urejanju teh podatkov v obliki novihzapisov v Metanski podatkovni bazi (http://methane.fe.uni-lj.si/) bo sledila optimizacija proizvodnje bioplina in metana iz lesne biomase z različnimipredobdelavami, omejenim številom kombinacij komplementarnih kosubstratov, ter modeliranje. Pristop bo predvideval optimizacijo, ki temelji naoptimizaciji mešanic (angl. mixture design), z uporabo matematičnega modela. Ta model nam bo omogočal pridobiti optimalno razmerje med lesnobiomaso in z dušikom ter mikroelementi bogatimi substrati. Za potrebe izračuna bomo izmerili metanske potenciale različnim mešanicam, ki bodovsebovale različne deleže lesne biomase, ter napovedali optimalno kombinacijo za maksimalno produkcijo metana, ki jo lahko tudi eksperimentalnopreverimo in s tem model potrdimo. Pri tem bomo upoštevali fizikalno kemijske lastnosti posameznih substratov. Na podlagi dobljenih rezultatov na laboratorijskem modelnem merilu bomo podali načrt za prenos pridobljenih rezultatov v laboratorijskih pogojih navečje modelno merilo. Na podlagi dobljenih rezultatov na laboratorijskem modelnem merilu bomo podali načrt za prenos pridobljenih rezultatov v laboratorijskih pogojih navečje modelno merilo. Izhodišče bo prestavljala metodologija naših uspešnih predhodnih raziskav na realnih velikostih delcev tako inokuluma kotsubstrata, ter realnih razmerjih v mešanicah, ki bo omogočila, da bomo z meritvami bližje realnejšim vrednostim metanskih donosov, primeljivim na realnih bioplinskih napravah. Digestat je stranski produkt anaerobne razgradnje lignoceluloznih substratov, ki vključujejo lesno biomaso, rastlinske ostanke, kmetijske odpadke indruge organske materiale, bogate s celulozo, hemicelulozo in ligninom. Uporaba digestata je ključnega pomena za krožno gospodarstvo, sajomogoča ponovno uporabo hranil in organske snovi v kmetijstvu. Vendar pa digestat iz lignoceluloznih substratov zahteva posebne obravnave zaradisvoje specifične sestave in lastnosti. Zato je cilj tega raziskovalnega projekta preučiti možnosti nadaljnje uporabe digestata. To bo zajemalopreučitev možnosti digestata kot (i) gnojila za kmetijska zemljišča; (ii) kot dodatka h kompostiranju; (iii) dodatka za izboljšanje lastnostibiokompozitov z uporabo lignoceluloznih vlaken; (iv) vira kompleksne mešanice bogate z lignini in aromatskimi spojinami, primernimi za ekstrakcijos biorazgradljivimi in ciklično uporabnimi topili.

Delovni sklopi:

DELOVNI SKLOP 1 (DS1): Pregled ustrezna domače in mednarodne literature ter meritve biometanski potencialov lignocelulozne biomase vlaboratorijskem merilu in prenos na večje merilo. V okviru DS1 bo izveden pregled ustrezne domače in tuje znanstvene in strokovne literature s področja predlaganega projekta. Kot izhodišče bomouporabili naše izkušnje dela na realni bioplinski napravi (Kolbl, 2014) ter literaturo, ki je omenjena v okviru točke 15, in reference, ki so navedene v tehokvirih. Pregled literature bomo nadgradili ter pridobljene izkušnje, znanje in dobre prakse uporabili v laboratorijskih eksperimentih, kjer bomo izvedlimeritve biometanskih potencialov lignoceluloznih substratov in predhodno obdelanih substratov.

DELOVNI SKLOP 2 (DS1): Določitev optimalnih pogoje razgradnje lesne biomase za pridobivanje bioplina Delovna točka 2.1 (DT2.1): Pregled ustrezne domače in mednarodne literature glede optimizacije pridobivanja biplina in anaerobne kodigestije Pregledali bomo podatke dostopne v sklopu PubMed, uporabili novejša orodja za strojno kondenzacijo informacij (ChatGPT), preverili javnodostopne evidence patentnih uradov, smernice EU komisije, interesnih združenj Skandinavije in Nemčije. kompozitih

DELOVNI SKLOP 2 (DS3): V okviru DS3 bo izveden pregled ustrezne domače in tuje znanstvene in strokovne literature s področja predlaganega projekta. Uporaba lignoceluloznega digestata iz bioplinarn ima številne potencialne prednosti in aplikacije, zlasti na področju kmetijstva, krožnegagospodarstva in okoljskega upravljanja. Digestat, ki je stranski produkt anaerobne digestije pri proizvodnji bioplina, je bogat z organskimi snovmi inhranili, ki so koristni za rast rastlin, kot tudi vlakni, ki spo industrijsko zanimiva, ter kemičnim ispojinami, ki jih z novimi tehnikami lahko pridobimo inuporabimo za nadaljnje modifikacije (lignin in drugi aromatski derivati za nadaljnje kemično modificiranje).

DELOVNI SKLOP 4 (DS4): Identificiranje možnih negativnih vplivov na okolje s predlogi za njihovo zmanjšanje