Hyperthermophilic fermentation as pre-treatment step in Biogas plants

HYPERFERMENTAN er gjennomført av partnerne Hyperthermics AS(prosjekteier), Hyperthermics Regensburg GmbH, NIBIO og NMBU. Parallelt med prosjektet har prosjekteier installert og satt i drift et fullskala pilotanlegg med årlig kapasitet på 10.000 tonn. De to parallelle prosjektene er del i en overordnet strategi for å kommersialisere hypertermofil fermentering som en effektiv forbehandling av biomasse for økt og lønnsom biogass produksjon. Hypertermofil forbehandling i en biogass prosess har potensial til: 1. Høyere energiytelser fra biomasse (avfall) 2. Redusert ekstern termisk energi på grunn av intern generert fri energi 3. Reduserte driftskostnader på grunn av redusert volum av rest biomasse og høyere tørrstoffkonsentrasjon i biogassreaktor 4. Mindre investeringskostnader for anlegg som følge av høyere lastekapasitet eller lavere anleggs fotavtrykk. HYPERFERMETAN har, i tillegg til de direkte prosjektresultatene, bidratt til etablering av laboratorier og ekspertise for hyperthermofile prosesser ved biogass laboratoriet ved NIBIO/NMBU, samarbeid med Hyperthermics laboratoriet i Regensburg/Universitetet i Regensburg samt kompetanseoverføring. Prosjektpartnerne vil benytte den etablerte infrastruktur og kompetanse i videre prosjekter. Prosjektet har identifisert de beste egnede hypertermofile organismer og optimale forhold i en bioreaktor. Det er etablert et kontinuerlig bioreaktor system bestående av en hyperthetmofil reaktor og en biogassreaktor samt bygget opp en teoretisk modell av Hyperthermics prosessen inkludert kinetikk, støkiometri og kalorimetri. Prosjektet har vist at press væske fra kildesortert matavfall fungerer godt som substrat for hypertermofil fermentering i kontinuerlig single cell kultur. Prosjektet har hatt utfordringer med å etablere kontinuerlig fermentering i liten skala på grunn av inhomogenitet og partikler i matavfall. En del av arbeidet i laboratoriene er derfor utført på substrat som kan nyttes i liten skala. Sammen med data fra pilotanlegget er det vist at Hyperthermics prosessen er robust og har god kapasitet i å omdanne og optimalisere matavfall til et lett tilgjengelig substrat for omdanning i et etterfølgende biogass. Vi har erfart at etablert bakteriekultur reagerer umiddelbart på tilførsel av matavfall i til dels høye konsentrasjoner (typisk 10 % tørrstoff). Laboratorieforsøkene har vist stabil drift av kontinuerlige kulturer av utvalgte stammer med Thermotoga på medier basert på glukose, stivelse eller myse. Gass mengder, gass kvalitet og anslag over celle tettheter er analysert. HT organismenes korte generasjonstider er demonstrert og underbygger hypotesen om å utnytte tette bakteriekulturer til å generere exoterm varme. Optimalisering av substrat design gjennom kombinasjoner av avfallsstrømmer eller tilførsel av eksterne billige karbohydrat kilder muliggjør økt økonomi og bærekraft gjennom lavere behov for tilført varme eller høyere hydrogen og gass utbytter. Hydrogen fra prosessen kan utnyttes for å foredle biogass i favør av høyere metanandel. Potensialet i substrat design er viktig siden energirike avfallsfraksjoner som matavfall er ustabile og går fort i gjæring. Dette reduserer direkte mengden karbohydrater og protein tilgjengelig for gassproduksjon.

HYPERFERMENTAN aims to demonstrate, in lab scale, secure hygienisation and substantial improvement of biogas yields through a hyperthermophilic (HT) fermentation step as an alternative to existing pasteurization, thermal hydrolyzing process (THP), or complicated operating regimes at thermophilic conditions. The integration of a hyperthermophilic pre-treatment revolutions the biogas industry by: 1. Higher energy yields from the chosen substrate (waste stream), 2. Less demands for external thermal energy input due to the generation of internal free energy from HT fermentations, 3. Less operational costs due to less surplus biosolid to handle, reduction in energy input, operating with higher dry solids concentration in the biogas reactor (DS), 4. Less investment costs due to higher loading capacities or lower foot prints, and 5. upgrading of biogas through exploitation of internal hydrogen production. The project will screen for best suitable hyperthermophilic strains, optimize the culture conditions for highest turnover rates, establish a continuous bioreactor system consisting of an HT and a biogas reactor, and build up a theoretical model of the HT process including kinetic, stoichiometric, and calorimetric aspects.