Department of Biotechnology Lund University The biogas group: Prof. Bo Mattiasson Dr Lovisa Björnsson Kjell Christensson Prof. Linda Blackall 4 postdocs 7 PhD-students 2 master students

Kyoto protocol: Greenhouse gasses down with 5% by 2010 EU-directive: 6% of petroleum based vehicle fuels replaced by renewable fuels by 2010

Biogasproduktion Sverige 2001: Produktionstyp Antal Energiproduktion (TWh/år) Avloppsreningsverk 134 0,81 Deponier/rötceller 56 0,43 Industriella avlopp 8 0,09 Samrötningsanläggningar 10 0,03 Lantbruk 6 0,01 Pilotanläggningar 5 0,01 Totalt 219 1,38 (1 W = 1 J/s 1.4 TWh = 5 PJ)

Household waste 4.2 milj. tons household waste (2002) 134 digesters -31% recycled -40% incinerated -20% landfilled -9% biological treatment 134 digesters Average load 1.4 kg VS/m3,d Increase to 2.5 kg VS/m3,d

Improved efficiency in existing digesters Sensor development and implementation Monitoring and control strategies Residue – not suitable as fertiliser Gas – electricity and heat heat and CO2 natural gas grid vehicle fuel

Gastankställen i Sverige klara under 2004 Uppsala Västerås Arlanda Skövde Stockholm (4) + 1 Trollhättan Eskilstuna Lilla Edet Katrineholm Lerum Nyköping Stenungsund* Norrköping (1) Kungälv* Linköping (4) Partille Göteborg (6) Mjölby Mölndal Jönköping Gislaved Falkenberg Gnosjö Halmstad Kalmar Laholm Helsingborg (2) Lund Kristianstad +1 Malmö (2) +2 Eslöv Rött = stationer som byggs under 2004 *) ej beslutad

Intensified biological degradation of municipal waste No landfilling of biologically degradable waste after 2005 Tax of 250 kr/ton from 2000

Målsättning: Korta behandlingstiderna, nå något som utan tvekan kan kallas aktiv biologisk behandling – inte deponi.

Fördelar: Ekonomiskt rimlig, endast metanproduktionen är reaktorbaserad. De känsliga metanbildande organismerna är skyddade från de höga fettsyrahalter och låga pH som kan bildas i biocellen Metanhalten från metansteget i en tvåstegsprocess är högre, runt 70%, jämfört med 50% från en vanlig biocell. Den huvudsakliga metanbildningen sker i det välkontrollerade andrasteget, biofiltret, vilket gör att metanläckaget som normalt uppstår i deponier/bioceller bör minska. Hydrolyssteget kan optimeras separat Nyckel är förbättrad hydrolys av cellulosa.

Syrefri nedbrytning av organiskt material Enzymatisk nedbrytning ORGANISKT MATERIAL EXTRACELLULÄR HYDROLYS LÖSLIGA ORGANISKA MONOMERER Mikrobiell nedbrytning SYRABILDNING KORTA FETTSYROR ÄTTIKSYRABILDNING VÄTGAS ÄTTIKSYRA KOLDIOXID Generaliserad bild av mikrobiell anerob nedbrytning. Första steget, extracellulär hydrolys, hastighetsbestämmande. Sker utanför cellerna – för stora molekyler för cellupptag. Komplicerad process som ofta är hastighetsbegränsande vid nedbrytning av växtmaterial. Utsöndrande av enzymer kan dock stimuleras på olka sätt, mo som utsödnrar önskade enzymer kan också tillsättas. (bioaugmentering). 3. De olika organismgrupperna som sköter nedbrytningen kan studeras något vi kallar mikrobiell populationsanalys. METANBILDNING METANBILDNING METAN KOLDIOXID BIOGAS

Microbiology PLFA Phospholipid fatty acids FISH Fluoresence in situ hybridsation Isolation /characterisation

Fluorescence in situ hybridisation (FISH) using DNA probes Cell membrane DNA 16S gene Fluorescence in situ hybridisation (FISH) using DNA probes T A GC TG G C U Probe (≈ 20 bases) fluorescein 16S rRNA *

Försöksstation Anneberg Köpenhamn DTU Lunds Universitet SLU Alnarp

Crop residues from a 100 ha farm Betblast 25 ha 800 ton 600 ton Vall 25 ha 400 ton 135 ton Vetehalm 50 ha 200 ton 40 ton Inventory has been made of the crpo residues in the area. identified the average crop residues from a 100 ha crop farm Dry digestion 10% in SB 90% in straw If we don’t want to add water we have to work with dry digestion. Decided 4 different reactor technologies to work with, at least initially...

Crop residues from a 100 ha farm Nitrogen Energy Betblast 25 ha 5.4 ton 300 MWh Vall 25 ha 1.1 ton 80 MWh Vetehalm 50 ha 0.1 ton 50 MWh Inventory has been made of the crpo residues in the area. identified the average crop residues from a 100 ha crop farm Dry digestion 10% in SB 90% in straw If we don’t want to add water we have to work with dry digestion. Decided 4 different reactor technologies to work with, at least initially... 6.6 ton 430 MWh

BIOGAS PRODUCTION -AN IMPORTANT TOOL IN ENVIRONMENTAL PROTECTION

Målsättning: minska utsläppen av växthusgaser med 60% till 2050 Kyotoprotokollet: 5% till 2010 Metanproduktion från odlingsrester får dubbel effekt: Ersätt 11 TWh fossila bränslen: 3,2 Mton CO2 (6%) Förhindra läckage av metan: 1,3-3,7 Mton (2-8%)

What is lacking to make biogas an attractive alternative? Research Simple, cost efficient digesters Economy The biogas producer should get paid for the environmental benifits Education A strategy for education of future entrepreneurs

ANTHONY MSHANDETE - Anaerobic digestion of agroindustrial waste and technology transfer to developing countries. JIM ANDREASSON - collaborative project with NSR on intensified hydrolysis of municipal waste.   DORES CIRNE - lipid degradation, lipase producing isolates, microbial dynamics in hydrolysis/methanogenesis MATTIAS SVENSSON - single stage digestion of dry crop residues IRENE BOHN – FISH quantification and low temperature digestion WILSON PARAWIRA – high rate digestion of agroindustrial residues ANNI LEHTOMÄKI – anaerobic digestion of energy crops SANKAR MARICHAMY – isolation and characterisation of cultures for hydrolysis, solvent production and enzyme production.  JING LIU - instrumentation and control, development of sensors and improved control algorithms MARIKA MURTO – FISH, surfactants and UASB, biogas upgrading LOVISA BJÖRNSSON – microbiology, hydrogen sensor technology