Fra biogas til proteiner - et fremtidsperspektiv

I et afsluttet MUDPprojekt er det demonstreret, at ressourcer fra spildevand i fremtiden kan udnyttes til foder til husdyr og derved bidrage til at reducere klimaaftrykket fra foderproduktion samt beskyttelse af verdens skove. Projektet hedder FUBAF, og herunder kan du læse mere om vejen fra biogas til protein.

TEKST: JACOB KRAGH ANDERSEN OG JEANETTE AGERTVED MADSEN, ENVIDAN A/S FOTO: PANAGIOTIS TSAPEKOS, DTU KEMITEKNIK OG JACOB KRAGH ANDERSEN, ENVIDAN A/S

Den globale foderproduktion til animalske fødevarer har store klima og miljømæssige omkostninger, og den lægger samtidig beslag på verdens knappe arealer. Import af soja fra blandt andet Sydamerika har en ødelæggende effekt på verdens skove, og den danske regering har derfor en klar vision om, at Danmarks import af soja (og palmeolie) skal være afskovningsfri i 2025.

Indtil nu har produktion af foderproteiner fra metanoxiderende bakterier (MOB) været demonstreret i fuldskala ved anvendelse af naturgas og syntetisk udvundne næringsstoffer. Dette kaldes 1. generation SCPproduktion. Foderproteinet kaldes Single Cell Proteins (SCP), og de består af metanoxiderende bakterier. Blandt andet har den danske virksomhed, Unibio bygget et fuldskala kommercielt metantilprotein anlæg med deres innovative teknologi, ULoop. FUBAF har til formål at erstatte naturgas og syntetiske medier med restprodukter, som genvindes fra renseanlæg og/eller biogasanlæg. FUBAFkonceptet er et 2. generations SCPkoncept, da der anvendes biogas og næringsstoffer udvundet fra restprodukter, og det er potentielt set mere bæredygtigt end førnævnte 1. generationskoncepter.

Udviklingsprojektet FUBAF og partnere

Udviklingsprojektet FUBAF, som er en forkortelse af «Fra Urbant Bioaffald til Animalsk Foder», repræsenterer et alternativ til den konventionelle foderimport. Det er produktion af foderproteiner fra biogas og næringsstoffer produceret på basis af restprodukter såsom spildevandsslam og bioaffald. Projektet blev støttet økonomisk af MUDPfonden og er netop afsluttet efter 2½ års undersøgelser (udgivelse ved Miljøstyrelsen forventes i år). EnviDan varetog projektledelsen, og de øvrige projektpartnere var: BIOFOS, DTU Miljø, Unibio, LiqTech, Aarhus Vand, VandCenter Syd og ARC. FUBAFkonceptet er vist i Figur 1. Figuren indeholder både de teknologier, som blev afprøvet i laboratorie og pilotskala samt de omkringliggende sektorer, der påvirkes af konceptet.

Produktion af foderproteiner foregår ved hjælp af fire trin, som beskrives i de følgende afsnit:

Trin 1: Produktion af biogas fra restprodukter

Det første trin i produktionen af foderproteiner er anaerob omsætning af de organiske restprodukter med biogasproduktion til følge. Dette er en velafprøvet teknologi. Biogas består af kuldioxid (CO2) og metan (CH4), og en general reaktionsligning for biogasprocessen er eksemplificeret med glukoseomsætning herunde:. C6H12O6  3 CO2 + 3 CH4 (Anaerobe mikroorganismer)

Biogasproduktionen blev foretaget i pilotskala på BIOFOS’ Renseanlæg Avedøre. Pilotanlægget blev drevet i mere end 200 dage med Kildesorteret Organisk Dagrenovation (KOD) som substrat. Der blev opnået relativt stabil drift og en gennemsnitlig biogasproduktion på ~370 Nm3 CH4/t VSin, hvilket er i overenstemmelse med den teoretiske forventning.

Grundet et relativt højt indhold af kvælstof i KOD, kan der opstå hæmning ved anaerob omsætning af KOD, hvilket dog ikke blev konstateret under denne relativt lange forsøgperiode.

Trin 2: Biologisk opgradering af biogas

Den producerede biogas blev derefter biologisk opgraderet i en proces med tilsætning af brint (H2), hvorved metanindholdet øges fra ca. 65% til ca. 95%. Denne proces kaldes også for metanisering. Den generelle reaktionsligning for biologisk opgradering med tilsætning af H2 er: CO2 + 4 H2  CH4 + 2 H2O (Archaea) Den biologiske opgradering blev i første omgang foretaget i laboratoriet på DTU Miljø, hvor forskellige reaktordesigns og pakkematerialer blev testet inklusiv

Figur 1. Skematisk oversigt over FUBAFkonceptet (www.projekt-varga.dk/fubaf).

keramiske membraner til sikring af effektiv overførsel af brint fra gas til vandfasen fra den danske virksomhed LiqTech. Erfaringerne fra laboratorieforsøgene dannede grundlaget for design af en pilotreaktor, som efterfølgende blev installeret i pilotcontaineren sammen med biogasreaktoren (Figur 2). Pilotreaktoren blev drevet i mere end 100 dage med positive resultater (Figur 3). Metanindholdet i den opgraderede biogas var større end 90%, primært ved de høje gasopholdstider. Processen var relativt stabil, og opstartstiden efter en længere standby periode var hurtigere end forventet. Forsøgene bekræftede, at biologisk opgradering af biogas med brint er mulig, og der blev peget på optimeringsmuligheder af processen – for eksempel optimeret reaktordesign og reduktion af gasopholdstiden.

Figur 2. Anlæg til biologisk opgradering af biogas på pilotpladsen på BIOFOS’ Renseanlæg Avedøre.

Figur 3. Biologisk opgradering i pilotskala på Renseanlæg Avedøre. De røde linjer viser indholdet af CH4 i den opgraderede biogas ved forskellige gasopholdstider (GRT: Gas retention time = gasopholdstid).

Trin 3: Mikrobiel elektrokemisk genvinding af næringsstoffer

Til produktion af foderproteiner kræves udover kulstofkilden fra den opgraderede biogas også en række næringsstoffer, herunder kvælstof. Kvælstof er blandt andet tilgængelig i det udrådnede KOD eller fra rejektvand fra afvanding af udrådnet slam på renseanlæg. I projektet blev begge dele anvendt til forsøg i laboratorieskala på DTU Miljø med en nyudviklet teknologi et mikrobielt elektrokemisk system. I en elektrokemisk celle anvendes elektricitet til at separere ionerne (eksempelvis NH4 +) via membraner. Det specifikke system med en mikrobiel brændselscelle er patenteret af DTU og bliver på nuværende tidspunkt optimeret og opskaleret. Reaktoren og det anvendte anode/katodemateriale kan ses i Figur 4.

Der blev opnået kvælstofgenvinding på 4042% i et ettrins system. Ved anvendelse af et totrins system med to mikrobielle brændselsceller i serie blev kvælstofgenvindingen øget til 61% (rejektvand) og 54% (udrådnet KOD). Dermed blev processen

Figur 4. Mikrobielt elektrokemisk system til udvinding af kvælstof fra udrådnet slam og udrådnet KOD. Systemet blev drevet som en mikrobiel brændselscelle (højre) med en kulstofbørste som katode (venstre) og et vævet net i rustfri stål som anode (midten).

Figur 5. Proteinproduktion i laboratorieskala på DTU (venstre) og billede af produceret foderprotein (højre).

demonstreret, men det kræver optimering og opskalering.

Trin 4: Produktion af foder-proteiner

Med den producerede kulstof og kvælstofkilde fra Trin 1, 2 og 3, kunne produktionen af foderprotein igangsættes. En overordnet reaktionsligning med en generisk formel for protein kan ses her: CH4 + O2 + mineraler  RCH(NH2)COOH (protein) (MOB)

Der blev udført en lang række laboratorieforsøg herunder forsøg med forskellige kulstof og kvælstofkilder inklusiv ren metan og syntetisk fremstillet kvælstof. Forsøgsopstilling samt det producerede protein kan ses i Figur 5.

Den højeste produktion af foderproteiner blev opnået med opgraderet biogas samt elektrokemisk udvundet kvælstof. Det viser, at disse alternative ressourcer fra restprodukter potentielt set kan erstatte de mere traditionelle råvarer. Der blev opnået et proteinindhold i den producerede biomasse på ca. 50% (tørvægt).

Vurdering af miljømæssig og økonomisk bæredygtighed

Den miljømæssige og økonomiske bæredygtighed af hele FUBAFkonceptet blev vurderet efter, at alle laboratorie og pilotskala tests var foretaget. Tre scenarier blev vurderet: 0) Baseline (WWTP): Almindelig renseanlægsdrift af BIOFOS’ Renseanlæg

Avedøre i 2030 1) Scenarie 1: Baseline + produktion af foderprotein ved hjælp af centrifugering, filtrering og pasteurisering af rejektvand (kvælstofkilde) og opgraderet biogas (kulstofkilde) i 2030 2) Scenarie 2: Baseline + produktion af foderprotein ved hjælp af mikrobiel elektrokemisk behandling af rejektvand og udrådnet KOD (kvælstofkilde) og opgraderet biogas (kulstofkilde) i 2030

Miljøvurderingen blev foretaget ved hjælp af livscyklusvurdering (LCA) i LCAværktøjet SimaPro v. 9.1. ReCiPe2016metodikken blev anvendt, hvori 18 påvirkningskategorier og tre overordnede beskyttelsesområder (areas of protection) indgik. Disse var ”Menneskets sundhed” (human health), ”Økosystemets kvalitet” (Ecosystem quality) og ”Ressource knaphed” (Ressource scarcity).

Det overordnede resultat præsenteres i Figur 6. Heraf ses det, at Scenarie 2 med mikrobielt elektrokemisk kvælstof udvinding og opgraderet biogas har en god profil på alle tre beskyttelsesområder.

Den økonomiske vurdering viste, at ingen af scenarierne var økonomiske rentable under de anvendte antagelser og opnåede resultater. Dog findes der en række optimeringsog forbedringstiltag. Hvis de miljømæssige omkostninger inddrages i en økonomisk vurdering, vil billedet se anderledes ud. For eksempel kan en CO2 afgift på op mod 1500 DKK/t CO2 i 2030, som Klimarådet har anbefalet, være en driver for et 2. generationskoncept såsom FUABFkonceptet.

Fremtidsperspektiv

Produktion af foderproteiner fra kommunale og industrielle restprodukter, som demonstreret i FUBAFprojektet, vurderes at have et kæmpe potentiale i blandt andet Danmark, som i forvejen har et udbygget biogasnet og en stigende biogasproduktion se tekstboks for detaljer om potentialet. Det skal nævnes, at der kan være en række lovgivningsmæssige udfordringer med at få godkendt proteiner, som er produceret på for eksempel kvælstof fra restprodukter.

Potentialet for proteiner fra biogas:

Biogasproduktion i DK (2020): 25 PJ = 689 mio. Nm3 CH4 (= 1,06 mia. Nm3 biogas).

Hvis hele mængden af biogas i 2020 blev anvendt til produktion af foderproteiner (SCP), ville der kunne produceres 260.000 t protein per år. Dette svarer til 18% af den totale import af soya til landbrugssektoren i Danmark.

Der er forskellige fremskrivninger af biogasproduktionen i 2030, blandt andet forventer Energistyrelsen en fordobling af produktionen til 51 PJ med et fuldt potentiale i nærheden af 100 PJ. Anvendes disse biogasmængder til proteinproduktion, ville det kunne erstatte henholdsvis 43% og 69% af den totale import af soya.

Dette er teoretiske beregninger, og biogassen kan naturligvis ikke både anvendes til at ersatte naturgas (til blandt andet industri, varme, transportformål) og til produktion af foderproteiner. Men mængderne i denne beregning giver en størrelsesorden af potentialet og viser, at det ikke er uvæsentligt.

Soya som importeres til den danske landbrugssektor (årligt 1,71,8 mio. t soja) kommer primært fra Sydamerika, hvor produktionen kan være forbundet med afskovning samt stor CO2 belastning.

Referencer:

Biogas Danmark: Biogasoutlook 2021 Fødevareministeriet: Regeringens handlingsplan om afskovning Panagiotis Tsapekos, DTU Kemiteknik

Figur 6. Sammenligning af de udviklede scenarier i de tre påvirkningskategorier: Ecosystem quality, Human health, og Resource scarcity. Enheden er % relativt til scenariet med den dårligst/bedste ydeevne (sat til 100 %).