Gas composition in acidic fermentation process

Abstract

Utilization of organic biomass in industrial microbial processes can provide many opportunities to produce important products such as biofuels and chemicals in a sustainable way. A widely employed example is anaerobic digestion (AD), which is a complex process used to produce biogas, consisting of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2). The CO2 is separated when biogas is upgraded to biomethane, and CO2 is underutilized as a resource, although it could be applied to various industrial processes.

The main objective of this study was to shift the conventional AD process to produce the intermediates, volatile fatty acids (VFAs) and a gas mixture of CO2-H2. Other targets were examination of the impact of pH, organic loading rate (OLR) and other process parameters on gas generation (composition and volume of gases).

The research experiment was done with two continuous-stirred tank reactors (CSTR) in mesophilic conditions. The used substrate was organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), and the inoculum was digestate from an industrial biowaste-treating reactor. Measurements and analyses included gas volume and composition, pH, VFAs, biochemical methane potential (BMP), volatile solids (VS) and total solids (TS). The experiment was done in 2 phases, 5 weeks per phase, with different process settings.

In this experiment, the CH4 production was not sufficiently prevented, which is why the VFA and H2 production were low. The average CH4 concentration (37-40%) was still lower than in general biogas (50-70%). The average CO2 concentration (58-63%) was overall higher than in biogas (30-50%) and aligns with previously reported (40-70%) from methane-arrested processes. In phase 2, H2 concentration was increased (up to 11%). The hydrogen sulfide (H2S) concentration in the produced gas was significant (even up to 3%), so H2S should be minimized or removed, similarly as in conventional AD before utilization of the gas.

Overall, the formation of intermediates indicates that the selected pH and OLR and other process settings were able to partially disturb the CH4 generation and shift the production more towards process intermediates. In future, inhibition of the methanogenesis stage should be more efficient, for example by utilizing a higher OLR throughout the experiment, after which the applications of the gas mixture could be better evaluated.

Orgaanisen biomassan käyttö teollisissa mikrobiprosesseissa voi tarjota monia mahdollisuuksia tuottaa tärkeitä tuotteita kuten biopolttoaineita ja kemikaaleja kestävällä tavalla. Laajasti käytössä oleva esimerkki on anaerobinen mädätys (AD), joka on monimutkainen tuotantoprosessi biokaasulle, mikä koostuu metaanista (CH4) ja hiilidioksidista (CO2). Biokaasun jalostusprosessissa CO2 erotetaan metaanista ja on alihyödynnetty resurssi, vaikka sitä voisi soveltaa moniin teollisuuden prosesseihin.

Tämän tutkimuksen päätavoite oli muuttaa tavallinen AD-prosessi tuottamaan välituotteita, haihtuvia rasvahappoja (VFA) ja CO2-H2-kaasuseosta. Muihin työn tavoitteisiin kuului tutkia pH:n, orgaanisen kuormituksen (OLR) ja muiden prosessiparametrien vaikutusta kaasun tuottoon (kaasun koostumus ja tilavuus).

Tutkimuskoe tehtiin kahdella jatkuvatoimisella reaktorilla (CSTR) mesofiilisissä olosuhteissa. Käytetty substraatti oli yhdyskuntasekajätteen mekaanisesti erotettu bioalite ja ymppinä oli mädäte teollisesta biojätettä käsittelevästä reaktorista. Mittauksiin ja analyyseihin kuului kaasun koostumus ja tilavuus, pH, VFA, orgaaninen kuiva-ainepitoisuus (VS) ja kokonaiskuiva-ainepitoisuus (TS). Koe suoritettiin kahdessa vaiheessa, 5 viikkoa per vaihe, käyttäen erilaisia prosessiasetuksia.

Tässä kokeessa CH4:n tuottoa ei saatu riittävästi estettyä, minkä vuoksi VFA:n ja H2:n tuotanto jäi alhaiseksi. Keskimääräinen CH4 pitoisuus (37–40 %) oli kuitenkin matalampi kuin tavallisesti biokaasussa (50–70 %). Keskimääräinen CO2 -pitoisuus (58–63 %) oli kaiken kaikkiaan korkeampi kuin biokaasussa (30–50 %) ja linjassa aiemmin raportoitujen pitoisuuksien (40–70 %) kanssa metaanintuottoa estäneissä prosesseissa. H2-konsentraatio kasvoi (11 % asti) vaiheessa 2. Divetysulfidin (H2S) pitoisuus tuotetussa kaasussa oli merkittävä (jopa 3 %), minkä vuoksi H2S pitäisi minimoida tai poistaa, samalla tavalla kuin tavallisessakin AD-prosessissa ennen kaasun käyttöä.

Yleisesti ottaen välituotteiden muodostuminen viittaa siihen, että valittu pH ja OLR ja muut prosessiasetukset pystyivät osittain häiritsemään CH4:n tuotantoa ja muuttamaan tuotantoa enemmän kohti prosessin välituotteita. Jatkossa metanogeneesivaihe tulisi estää tehokkaammin, esimerkiksi käyttämällä korkeaa OLR:ää koko kokeen ajan, minkä jälkeen kaasuseoksen jatkokäyttöä voidaan arvioida paremmin.