←     Till sajten

Ben II – Vad händer med matavfallet

Ben II handlar om vad som händer i biogasanläggningen: hur matavfallet bearbetas och vad som sker när biogasen bildas, vad som krävs för att mikroorganismerna ska trivas i rötningstanken etc.

Metan, syre, svavel, kväve och pH-värde nämns här. Ett ämne som kan utvecklas i undervisningen i anslutning till ben II är hur organismer anpassar sig till nya förhållanden. Om de metanproducerande mikroorganismerna, metanogenerna, dör på grund av temperaturförändringar i tanken avstannar biogasprocessen, troligtvis bara tillfälligt, tills nya mikroorganismer som trivs under de nya förhållandena bildas. Processen är densamma överallt i naturen, djur och växter anpassar sig när villkoren för dem ändras.
I ben II sägs också att biogas är ett av de miljövänligaste fordonsbränslena. Biogas är bättre än bensin, diesel, naturgas och förnybara bränslen som kräver att nya grödor odlas. Ett bränsle som är renare än biogas är el – om den tas fram med sol- eller vindkraft.
Om du vill du ha mer kött på benen vad gäller ben II kan du läsa den utökade sajtversionen, under rubriken Lärarversionen ben II, nedan.

Vill du som lärare konstruera en biogasanläggning i klassrummet hänvisar vi till mikrobiologen Anna Schnürers övning Biogasreaktor i miniformat.
Övningen visar att biogas kan produceras av olika sorters organiskt avfall och fungerar även som underlag för diskussion kring bioenergi och kretsloppsfrågor.

Skriften Basdata om biogas, från Svenskt gastekniskt center är en sammanfattning på 20 sidor över biogasproduktionen i Sverige, dess användning och klimateffekter, som rekommenderas för den som vill fördjupa sig mer i detta.

I ben II beskrivs även resultatet av matavfallssorteringen: gödsel, fordonsgas, el och värme.
Här finns två uppdrag som är experiment. Det ena handlar om vad som är nedbrytbart och det andra har utformats av utvecklingsingenjören och författaren till rapporten Substratshandbok för biogasproduktion, My Carlsson. Det är ett experiment som visar hur forskarna själva jobbar för att ta reda på vilken mat som ger mest biogas. Fett och mat med lite vatten, ger mest energi. Se mer om detta under rubriken Mer om uppdrag 2 ben II, nedan. Tredje uppdraget handlar om att visa hur biogas bildas och vad mikroorganismerna gillar.

Fakta och siffror i Ben II och ben III kommer till stor del från Tore Sigurdsson på Kristianstads biogasanläggning och Kjell Christensson på Biogas Syd. Annika Sällvik, verksamhetsutvecklare för miljö- och djurskydd på Lantbrukarnas Riksförbund, har tillsammans med Kjell Christensson hjälpt till att ta fram en räknemodell för hur många bullar man kan baka med vete som fått näring av ett kilo gödsel. Hur siffrorna tagits fram kan du läsa mer om under fliken Källor och rubriken Årtal, siffror och beräkningar.

Siffrorna på hur mycket mat som slängs i Sverige kommer från rapporten Minska matsvinnet i kommunen – fakta och goda exempel, från Livsmedelsverket och Naturvårdsverket, 2013, av Lina Haglund.

Beräkningarna på hur mycket el och värme som produceras av de bruna papperspåsarna, kartong och felsorterat avfall i matavfallet baseras på uppgifter från Sysav som förbehandlar det matavfall som sorteras i Malmö och Burlöv. Sysav har även bidragit med information kring förbehandlingen av matavfallet.

Mikrobiologen Anna Schnürer har faktagranskat texten i ben II.


Lärarversionen ben II

I naturen bildar mikroorganismer biogas i sjöar, våtmarker och risfält. Går du förbi ett träsk som bubblar är det biogas du ser. Den brukar även kallas sumpgas. Biogas bildas även i komagen hos kor och andra idisslande djur. Processen är helt naturlig. Men det är inte bra att metan läcker ut till atmosfären eftersom den är 20 gånger starkare än koldioxid.*

Syrehalten avgör om det är kompost eller rötning. Vid rötning bryter mikroorganismerna ner avfallet utan syre. I en kompost har bakterierna tillgång till syre och då bildas värme samtidigt. Den energi som går ut i form av värme i komposten blir istället biogas vid rötning. Det är alltså smart och effektivt att ta till vara energin som bildas när mikroorganismerna jobbar – äter, bajsar, rapar och fiser.
Vid kompostering omvandlas kolet i komposten till koldioxid. Under rötning blir det istället koldioxid och metan.

Mikroorganismerna behöver en allsidig och näringsrik kost precis som vi människor. För att kunna växa måste de bland annat få i sig kol, kväve, fosfor, salter, vitaminer och spårämnen. Mikroorganismerna som bryter ner avfallet har olika favoritmat. Metanogenerna som bildar biogas älskar exempelvis ättiskssyra, vätgas och koldioxid. Utan något av de ämnena blir det lite biogas.

Anna Schnürer skriver i Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar: ”De viktigaste byggstenarna är kol, som mikroorganismen består av till cirka 50 %, syre, kväve och väte. Andra viktiga byggstenar är svavel, fosfor, natrium, kalium, magnesium, kalcium och klor. När energikällan är organisk är det vanligt att denna också används som källa för byggstenar. När energikällan är oorganisk är koldioxid (CO2) den vanligaste kolkällan och ammoniak (NH3) den vanligaste kvävekällan. För att bygga nya celler används energin som bildas vid oxidationen av energikällan. Vid konstruktion av syntetiska näringslösningar för tillväxt av mikroorganismer utgår man ofta ifrån cellens sammansättning. Cellens sammansättning kan också användas som riktlinje för hur den ungefärliga sammansättningen av ett optimalt substrat ser ut.” Energikälla och substrat i denna text är detsamma som matavfallet i rötningsprocessen.

För att mikroorganismerna ska trivas och för att det ska bildas mycket gas är det bra att blanda olika sorters rester. Forskarna har kommit på att till exempel potatis och betblast är en bra blandning liksom godisrester och kogödsel. De ger mycket biogas. Matavfallet från Malmö och Burlöv blandas med avfall från livsmedelsindustrin och med gödsel från jordbruket. 
Hur mycket gas som bildas beror på hur mycket vatten avfallet innehåller och på sammansättningen av fett, protein och kolhydrater. Ju mindre vatten och mer fett – desto mer gas. Men bara fett eller socker är inte bra. Även mikroorganismer kan må dåligt av en ensidig kost. Blandat käk är bra käk, precis som för oss människor. Något från hela kostcirkeln ska finnas i rötningstanken.

Enligt My Carlssons och Martina Uldals rapport SGC 200 Substrathandbok för Biogasproduktion från 2009 kan man i teorin tillverka 410 kubik fordonsgas per ton kolhydrater, det vill säga ren cellulosa eller socker, 530 kubik per ton protein och 990 kubik per ton fett.

Om man bara har matavfall i anläggningen måste man tillföra mikroorganismer för att få igång rötningen ordentligt. Det gör man genom tillsätta rötrest från en annan anläggning eller genom att tillföra gödsel. För att mikroorganismerna ska trivas måste även temperaturen i rötningstanken vara jämn, annars dör de. Det bildas i och för sig nya mikroorganismer som trivs i den nya, högre eller lägre temperaturen, men det tar då längre tid för biogasen att bildas. Därför försöker man hålla jämn värme i biogasanläggningen. En sorts mikroorganismer som producerar biogas gillar när det är cirka 37-38 grader varmt, en annan sort gillar när det är cirka 55-60 grader varmt.**
Det finns olika sorters rötningsprocesser, psykrofil rötning, 4-25°C, mesofil rötning, 25-45 °C och termofil rötning 50-60 °C.

Ju varmare det är i rötningstanken desto snabbare förökar mikroorganismerna sig. Risken att mikroorganismerna dör är dock större vid högre temperaturer eftersom bland annat ammoniakhalten då ökar och den kan vara giftig för mikroorganismerna. Det finns även fler sorters mikroorganismer som överlever i temperaturer på 37-38 grader än i högre temperaturer. Rötningsprocessen är alltså stabilare vid lägre temperatur men går snabbare vid högre temperaturer.

Om någon mikroorganism skulle må dåligt på grund av värme eller något ämne i matavfallet som de inte tål, så hoppar i regel en annan mikroorganism in och gör jobbet, men ju bättre förhållandena är och ju bättre näring mikroorganismerna får desto säkrare blir biogastillverkningen.
Mikroorganismerna tycker inte om när det blir för surt i tanken heller. De trivs bäst när pH-värdet ligger på 7-8.

Ett helt samhälle av olika mikroorganismer hjälps åt att bryta ner avfallet, i fyra olika steg. ”Förstaätarna” tar hand om protein, socker och fett och omvandlar dessa till aminosyror, enkla sockerarter, glycerol och långa fettsyror. I nästa steg sker olika så kallade fermentationsreaktioner och här omvandlas produkterna från det första steget till olika syror och även till viss del alkoholer. En del ättiksyra och vätgas bildas också. Dessa processer liknar de som sker vid exempelvis tillverkning av öl eller vid ensilering av gräs. I näst sista steget omvandlas syrorna och alkoholerna till ättiksyra, vätgas och koldioxid. De flesta av metanogenerna som tillverkar metan älskar de ämnena och behöver något av dem för att kunna tillverka metan, vilket sker i det sista steget.

Mikroorganismerna bildar alltså mat åt varandra i en lång kedja där de som gör metan börjar jobba sist. Som i en näringskedja. Metanogenerna är lite kinkiga eftersom de inte är bakterier utan arkéer och de är känsliga både för temperaturförändringar och en rad olika ämnen. De är ofta också rätt slöa. Det kan ta alltifrån en till tolv dagar för dem att föröka sig till dubbla mängden, vid 37 graders värme. Något som de snabbaste mikroorganismerna kan fixa på mindre än en timme. Metanogenerna som livnär sig på ättikssyra är inte så snabba eftersom deras mat inte innehåller lika mycket energi som till exempel socker och fett. Metanogenerna som äter koldioxid och vätgas förökar sig lite snabbare. De kan också vara mindre känsliga än ättikssyreätarna.

Nu bubblar och jäser det i rötningstanken. Metan, men även koldioxid och vätgas bildas. Biogas = Metan (CH4) + koldioxid (CO2) + vatten (H2O) samt mycket små mängder svavelväte och ammoniak.

När mikroorganismerna käkat klart och matavfallet brutits ner, efter 25-40 dagar i en mesofil anläggning, är biogasen klar. Det som är kvar är rötrest, gödsel i flytande form, som innehåller lika mycket näring som matavfallet hade från början. Skillnaden är att kvävet i matavfallet har förändrats och efter rötningen blivit lättare för växterna att ta upp.
Näringsämnena är också mer jämnt fördelade i flytgödsel än i vanligt stallgödsel. Risken för läckage av kväve till våra sjöar och hav är större när man använder stallgödsel eftersom stallgödslet kommer i stora klumpar och näringen kanske letar sig ut i jorden när växterna inte behöver den som mest. Då hamnar näringen i våra hav och sjöar istället för i växterna. Det är inte bra och ökar övergödningen av våra vatten vilket är ett stort miljöproblem.
Bönderna sprider stallgödsel ett par gånger om året medan flytgödsel kan spridas ut på åkrarna flera gånger om året och just när växterna behöver näringen som mest, precis när de utvecklat sina blad, till exempel.

 

* (Naturvårdsverkets rapport 6518, Åsa Jarvis, Jarvis Biowrite, 2012). Värt att notera är att när biogas tillverkas av gödsel minskar både jordbrukets (läckage av växthusgaser vid gödselhantering) och bilens miljöeffekter. (Att köra bil på biogas – med erfarenhet från skånska referenschaufförer, 2012, Biogas Syd.) När bensin eller diesel byts ut mot biogas som producerats från gödsel minskar koldioxidutsläppen med 180 procent. De första 100 procenten sker när det fossila bränslet byts ut mot det förnyelsebara. Resterande 80 procent är minskningen av metanutsläpp vid gödselhanteringen. (Nytt gasfält. Gårdsbaserad biogasproduktion – ett bidrag till bärkraftigt lantbruk, Biogas Syd samt Biogas av gödsel ger många miljöfördelar, 2008, Biogas Syd). När man gör biogas av gödsel luktar biogödslet mindre och innehåller en mindre groende ogräsfrön efter biogasprocessen. (Biogas av gödsel ger många miljöfördelar, 2008, Biogas Syd)

** Metanbildning kan ske vid höga temperaturer som 110 °C men även vid väldigt låga temperaturer, strax över nollan. Processen är dock väldigt långsam då.
Utdrag ur Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar av Anna Schnürer:
”En biogasprocess innehåller många olika organismer och dessa skiljer sig till viss del i hur de förhåller sig till temperaturen. Många organismer följer kurvorna ovan och vanligtvis drivs biogasprocesser därför i ett temperaturområde kring 30-40 eller 50-60°C. Biogasproduktion vid psykrofil temperatur fungerar också men kan ge en lägre metanproduktionshastighet beroende på typ av process. När det gäller höga temperaturer finns det exempel på metanbildande organismer som klarar 110°C men stabila biogasprocesser tycks inte gå att driva över 60-70°C. Vid temperaturer över 60°C minskar aktiviteten hos metanbildarna i högre grad än hos de syrabildande organismerna, något som ofta leder till ansamling av fettsyror i biogasprocessen.”


Mer om uppdrag 2 ben II

Forskarna testar hur mycket biogas man kan få ut av olika livsmedel genom att kontrollera sammansättningen, det vill säga hur mycket vatten de innehåller och hur mycket som är organiskt material. Ju mindre vatten maten innehåller desto mer biogas kan det bli av den. Fett ger dubbelt så mycket energi per viktenhet än kolhydrater. Det här uppdraget är steg ett i utvärderingen av metanpotential, så kallad torrsubstansbestämning. Nästa steg är att undersöka hur stor andel av torrsubstansen som är organisk. Detta gör man genom att elda upp det och väga askan. Slutligen görs ett biologiskt test för att kolla metanpotentialen, men dessa tester är inte lämpliga för skolbarn. För att genomföra detta krävs en ugn som kan bli 550 °C.

OBS! Grönsaker som innehåller mycket vatten ska läggas i matavfallspåsen trots att metanpotentialen inte är så hög eftersom optimal biogasproduktion kräver en allsidig kost och vätska. 

När vi genomförde experimentet använde vi aluminiumformar som vägde 7 gram. Alla formar med innehåll vägde totalt 13 gram innan de ställdes in i ugnen. Chips, ost, äpple, gurka och sockerärtor i skida användes. Efter tre timmar i ugn på lite drygt 100 °C vägde chipsformen 12 gram och ostformen 11 gram, formen med äpple och ärtor 8 gram, och den med gurka minst, 7 gram.

Äpple och ärtor har minskat från 6 till 1 gram vilket stämmer bra enligt forskarnas resultat som visar att de till 85 procent består av vatten. Gurkan har i princip försvunnit helt. Chipsen har minskat i vikt från 6 till 5 gram, 16 procent, osten från 6 till 4 gram, 33 procent. 

Kommentar från My Carlsson författare till flera rapporter om metanpotential: Resultatet verkar rimligt med TS-halterna 83% (chips), 67% (ost), 17 % (äpple och ärtor) och någon enstaka procent i gurka, vilket är för lite för att mätas med vanlig våg. Det verkar som att tiden räckt till för att mäta TS-halt. För att få ut den organiska halten måste proverna brännas vid 550°C, men det är inte nödvändigt i så här rena prover. Det är väldigt lågt oorganiskt innehåll, i princip salthalten, så det kan man bortse ifrån här. Det enda skulle väl vara benbitar i köttrester.