De bedoeling van mestvergisting is het verkrijgen van een energie rijk gas (biogas )via een microbiologisch proces. Het kan gebruikt worden voor het opwekken van energie (electra en (of) warmte )
Fossiele brandstoffen leveren een milieu belastend effect omdat bij verbranding CO2 wordt geproduceerd dat niet in evenwicht is met de atmosferische .Tengevolge daarvan neemt het broeikas effect toe .De CO2 verkregen bij verbranding van biogas (biobrandstof ) bezit dat wel, omdat de grondstoffen voor biologische omzetting (mest en afvalresten van plantaardige producten) worden aangeduid als biomassa .Biomassa is organische stof dat langs biologische wijze is gevormd met behulp van het fotosynthese proces in planten respectievelijk het biochemische proces in mens en dier . Dit microbiologisch proces is niet beperkt tot omzetting van de organische stof in mest maar is toepasbaar op practisch alle organische verbindingen Zo zou met name de organische stof fractie van huisvuil en groenten - en tuinafval zich zeer geschikt lenen. In verband daarmee is de naam “mestvergisting “ verwarrend omdat vergisting in verband kan worden gebracht met de microbiologische omzetting van suikers onder vorming van alcohol De naam geeft tegenwoordig zelfs aanleiding tot discussies of een en ander niet als stimulans zou werken voor intensieve veehouderij Tengevolge daarvan betwijfelt men zelfs de duurzaamheid van de met behulp van dit proces opgewekte energie . Al met al zou het misschien beter zijn te spreken van anaerobe organische stof fermentatie . .
Bij de microbiologische omzetting van mest -in zijn algemeenheid een mineralisatie proces -is sprake van twee soorten organismen nl facultatief anaerobe bacteriën en strikte anaerobe bacteriën .Facultatieve bacteriën – het woord zegt het reeds hebben –al of geen zuurstof nodig .Dit in tegenstelling met strikte anaerobe bacteriën die geen zuurstof kunnen verdragen .Voorbeelden van de eerst genoemde zijn oa melkzuur bacterien ,boterzuur bacteriën en diverse soorten Clostridia (denk aan clostridium botulinum de botulisme veroorzaker ),Bacterien die het zonder zuurstof stellen zijn methaan bacteriën en oa ook bepaalde soorten zwavelbacteriën . Anaerobe omzetting van organische stoffen met optimale winning van gas is slechts mogelijk indien sprake is van een omzetting evenwicht tussen facultatieve anaerobe bacteriën en strikte anaerobe bacteriën .
De facultatieve bacteriën voeren twee taken uit ze hydrolyseren dwz splitsen grote moleculen bijv zetmeel of cellulose in kleinere moleculen waarbij in deze gevallen onder opname van water glucose ontstaat .Glucose evenals overige organische verbindingen worden geoxydeerd ,waarbij oa veel organische zuren ontstaan zoals boterzuur ,melkzuur en vooral veel azijnzuur . Dat oxyderen vindt plaats omdat zuurstof houdende organische verbindingen indirect zuurstof ter beschikking stellen (ze worden “”gereduceerd”” )Dat proces vindt plaats ,onder invloed van meerdere enzymen . Enzymen zijn organische verbindingen -veelal eiwitten - die dat proces realiseren evenwel zonder zelf te worden omgezet .In principe levert de geoxydeerde verbinding electronen aan de te reducerende verbinding Atomen zuurstof accepteren de ter beschikking gestelde electronen ( onder vorming van O2- ionen )
Tengevolge van dit alles valt de zuurstofhoudende organische verbinding uiteen . Tijdens genoemde phase (acidogenese genoemd )ontstaan ook gassen Voornamelijk waterstof en koolzuurgas .Het omzetting resultaat bestaat uit een zodanige samenstelling dat gelijktijdig (!!) andere bacteriën zgn –acetogenen -in zeer hechte verbondenheid met methaan bacteriën -daaruit methaan gas en koolzuurgas vormen. In deze phase –de methanogenese-wordt niet alleen azijnzuur (CH3-COOH) omgezet in CH4 maar ook CO2 De CO2 is nl opnieuw “”grondstof”” want met behulp van de waterstof uit de verzurende phase kan het gehydrogeneerd worden Daarbij ontstaat opnieuw CH4 en ook water Afhankelijk van de voeding en bedrijfsvoering ontstaat er ca 66 % methaangas (CH4) en 33% koolzuurgas (CO2)
Gemiddeld wordt 500 liter gas per kg ingebrachte organische stof verkregen De calorische waarde van het verkregen gas varieert al naar gelang het CH4 volume percentaqe in het gas. Het bedraagt gemiddeld 5000-6000 kcal per normaal kubieke meter (gemiddeld 23 MJ ).Met voordeel kan het na zuivering worden gebruikt voor verwarming en energie opwekking met behulp van een gasmotor .Voor het opwekken van 1 KWH is gemiddeld 465 liter gas benodigd terwijl de warmte in “”retour koelwater”” tbv van motorblok en afvoer rookgas voor het grootste deel kunnen worden teruggewonnen.
In tegenstelling met de verzuring is de reactie snelheid van de methaangas vorming langzaam ook al omdat een en ander onder strikte anaerobe omstandigheden plaats vindt .
Gezien de vele werkzame enzymen is de factor temperatuur heel belangrijk Het proces mag ook bij 27 gr worden uitgevoerd maar dan is de hoeveelheid gas geringer) Maar.....gekozen is gekozen .Kleine temperatuur schommelingen leveren reeds minder gas. Bovendien veroorzaken de snelle organische stof omzetters dat -zijn bovengenoemde facultatieven -extra verzuring en bovendien vormt zich meer CO2 in het geproduceerde gas . Ook het zwavelwaterstof gehalte neemt toe omdat sulfaat verbindingen voor een deel de electronen acceptatie rol zijn gaan vervullen ! Het zelfde effect vindt plaats als de belasting toeneemt bijv meer voeding wordt gedoseerd als in de omzetting evenwicht voorwaarde toelaatbaar is .De voeding moet ook niet eenzijdig zijn dwz koolhydraat/eiwit/vet in een bepaalde verhouding De voeding moet bovendien een bepaalde koolstof /stikstof verhouding bezitten Een verhouding gelijk aan 30 hooguit 25 is het gunstigst .Is de stikstof factor hoog dwz de uitkomst van de verhouding C/N klein dan stopt de vergisting vanwege te veel ammoniak . Dat gevaar is erg groot als gevoed wordt met kippenmest of wat nu actueel aan het worden is met algen drogestof . Algen bevatten veel proteïnen en naar verhouding weinig cellulose (C/N =ca 12 ) Er moeten in dat geval stikstof vrije organische verbindingen worden bij gedoseerd Organische afvalstoffen zoals papier pulp riool slijk ,vetresten ,suikerbieten pulp of kuilgras zijn zeer geschikt .
Doseren van snijmais als covergister zien we niet zo zitten want dit product is geen afvalstof .
Het gezamenlijk vergisten dient niet alleen om de C/N verhouding van de fermenterende massa naar een aanvaardbare waarde te brengen maar vooral om eenzijdigheid van de voeding te voorkomen (zie boven ). De hoeveelheid mest in de tank wordt niet vergroot maar daalt in procenten . Daarentegen neemt het fermentatie residu wel toe. Na opslag gedurende een maand of twee kan het met voordeel worden gebruikt als “zwarte grond”(potgrond ) .
De toevoer van de voeding droge stof mag niet te hoog zijn . Een drogestof percentage tussen 8- 10 is het mooiste . (is goed verpompbaar bijv met behulp van een plunjerpomp)
Al met al zijn er bij de bedrijfsvoering van de fermentatie veel adders onder het gras ! Chemische controle is beslist nodig . Toepassing van een chromatografische techniek zoals bijv HPLC verdient aanbeveling oa ter verkrijging van inzicht in de organische zuur samenstelling van de tankinhoud . Een en ander is van belang ter controle van vetzuren met een oneven aantal koolstof atomen zoals propionzuur Toename is een waarschuwing dat de tankinhoud aan het verzuren is .
In de huidige literatuur over mestvergisting gaat men eraan voorbij dat dit proces reeds in de dertiger jaren van de vorige eeuw is beschreven in publicaties over rioolwater zuivering .Zelfs in de zeventiger jaren zijn er Wageningse proefschrifen verschenen met als onderwerp mestvergisting . Ook varianten werden beschreven bijv een gescheiden tank methodiek ,waarbij men de voeding eerst laat verzuren bij 30 graden waarna in een tweede tank deze zuren worden omgezet in methaan .Een dergelijke uitvoering verdient naar onze mening aanbeveling tav proces stabiliteit .
Immers boven werd reeds opgemerkt dat er een groot verschil bestaat in groeisnelheid tussen de werkzame kolonies . De facultatieven groeien bijv minstens tien keer sneller dan de strikte anaeroben .Dat houdt in dat de zuurconcentratie van de massa gemakkelijk toeneemt en dat gebeurt zeker als het bufferend vermogen van de tankinhoud te wensen overlaat
(extra zuur wordt opgevangen door aanwezigheid van zuurbindende stoffen)
Er is ook een groot verschil in voeding zout behoefte Facultatief anaeroben vragen een atoom verhouding in de voeding gelijk aan 1C:6N:0,2P terwijl de strikte anaeroben tevreden zijn met 1C: 0,2N: 0,05P .Uit de N/P verhouding van beide nl 30 tov 4 is te zien dat er ook een groot verschil bestaat in celsamenstelling . Een en ander betekent (zie boven ) dat de toegevoerde voeding specifiek moet zijn samengesteld dat het als het ware een compromis moet zijn ten aanzien van de bacterieele behoeftes . Een voeding bestaande uit 35 % koolhydraat,30 % eiwit en rest vet is bijv z’on compromis Vanwege de ingewikkeldheid van de vergisting kan men concluderen dat niet zo maar mest anaeroob kan worden omgezet . Hoewel er altijd gas wordt verkregen zal een gas samenstelling met een zo hoog mogelijk percentage CH4 een grondige proces kennis van de bedrijfsvoerder vragen Helaas gaat men bij huidige publicaties daaraan vaak voorbij .
Gevolg van dit alles zal zijn dat teleurstellingen niet uitblijven .De uitvoering zou dan ook niet moeten plaatsvinden op het boeren erf maar cooperatief .Tot nu toe hebben we nog niet gesproken over een aan te houden zuurgraad (lees pH ) Een pH=7- 7.5 is strikte voorwaarde voor een goede afloop van de de vele enzymatische reacties (pathways !). Als de gistings tank "zuur" wordt daalt de pH langzaam naar 5.5 dwz de optimale pH van de aanwezige facultatieven .Het beste is om in die situatie geen voeding te doseren want het probleem herstelt zich na ca 14 dagen Herstel wordt versneld als een hoeveelheid bodemproduct uit de tank wordt terug gepompt (ca 12 % goed gefermenteerde massa terugpompen verdient trouwens steeds aanbeveling )
Voor proces controle wordt aangeraden de zgn reductie oxydatie potentiaal van de gistende massa te bepalen (rH) Bij 200 (min) -350 (min) millivolt is de inhoud "gezond" dwz de reductie processen verlopen optimaal .Wisselend roeren is ook nodig oa door middel van rondpompen via een warmtewisselaar Verder moet er sprake van een drijflaag breker waarbij sprake is van een wisselde draairichting .Opvallend is dat men nimmer voorbeelden geeft hoe het gas moet worden ontzwaveld. We hebben reeds opgemerkt dat afhankelijk van de bedrijfsvoering het gas aanmerkelijke hoeveelheden van het zeer giftige naar rotte eieren ruikende zwavelwaterstof kan bevatten (soms wel tot 80 ppm). (80 mg per ltr gas )
Zwavelwaterstof is schadelijk ,want een aan het gassysteem gekoppelde gasmotor ,heeft dan een geringe levensduur vanwege intensieve corrosie.Bij de verbranding vormt zich voornamelijk zwaveldioxyde (SO2) dat met aanwezige waterdamp zwaveligzuur (H2SO3 )vormt .
Zwavelwaterstof kan worden verwijderd door het gas te voeren in een gaszuiverings kist die voorzien is van horren waarop zich dunne lagen ijzeroer bevinden Chemische reactie : Fe2O3+3 H2S-----Fe2S3 +3 H2O .
Regeneratie is mogelijk door lucht te voeren in tegengestelde stroomrichting van het gas Een en ander is te realiseren mbv een compressor
Chemische reactie tijdens luchttoevoer :
2 Fe2S3 +9 O2---2 Fe2O3 +6SO2
De reactie verloopt onder sterke warmte ontwikkeling (er kan zelfs sprake zijn van vuurverschijnselen als te veel lucht wordt gedoseerd ).
Zwavelwaterstof is aan te tonen met behulp van loodacetaat papier (wordt zwart) Bij genoemde regeneratie is voorzichtigheid geboden .Het gas is uiterst explosief dus vooraf zorgen dat de kist volkomen gas vrij is.
Bovenstaande beschouwingen samengevat, maken duidelijk dat het proces alleen dan “”gladjes”” verloopt als :
A ) sprake is van voldoende verblijftijd van de voeding (minimaal 15 dagen
sprake is van de juiste voeding verhouding waarbij N niet te hoog mag zijn) C/N hooguit 25C) sprake is van een varieerend meng patroon waarbij de roer snelheid zodanig is ,dat geen "vlokbeschadiging "" plaats vindt (denk aan bacterie clusters !)
D) Sprake is van een constante temperatuur (30-35 gr )
E) sprake is van een optimale pH (ca 7-7,5)
F) sprake is van een goede buffer in de gistende reactie vloeistof (als de toegenomen zuurgraad bijv wordt weggenomen door vorming van verminderde splitsing in H+ van aanwezige organische zuren )
G) dat tijdens de beschikking (= voeding toevoer ) wordt geent met goed uitgegiste voeding (dosering :iets meer dan 12 % van de invoer )
H) het ontwijkende gas naar de gashouder geen weerstand ondervindt (dus aanwezigheid van een periodiek roterende drijflaag breker )
I) sprake is van dagelijkse bedrijfscontrole (buffer controle (titratie curve als functie van de pH ),bepaling van stikstof (Kjeldahl) ,phosphaat droge stof en de gloeirest ( as) Het verschil (drogestof- gloeirest ) wordt aangeduid als gloeiverlies ( = benaderd organische stof gehalte )
Tenslotte mag een qualitatieve controle op het H2S gehalte in het gas (Loodacetaat papier )nooit ontbreken .
Update 18-02-2008
