Biopaja – kiertotalouden ratkaisuja

Biopajan tutkimusalustalla Jokioisissa tutkitaan ja testa­taan ratkaisuja erilaisten biomassojen ravinteiden ja orgaanisen aineksen kierrättämiseksi. Luke te­kee yhteistyötä ja palvelee yrityksiä kierrätyslan­noitevalmisteiden, uusiutuvan energian ja muiden korkean jalostusasteen tuotteiden kehittämisessä ja niiden käyttöönotossa.

Hyödyt asiakkaalle

Biopajassa voidaan pilotoida biomassojen jalostamista uusiksi arvotuotteiksi biokaasuteknologioiden, pyrolyysin ja ravinteiden talteenoton tekniikoiden avulla.

Biopaja mahdollistaa monipuolisten prosessiketjujen tutkimuksen ja useiden tuotteiden valmistamisen erilaisista biomassoista ja sivuvirroista. Ketjuttamalla prosessointiteknologioita voimme tehostaa biomassojen käyttöä siten, että niistä otetaan kaikki hyöty irti. Testaaminen laboratorio- ja pilottimittakaavassa varmistaa prosessien toimivuuden ja vähentää investointiriskejä.

Palvelut

Biopajan palvelukokonaisuudet muokataan asiakkaan tarpeen mukaan. Esimerkkejä palveluistamme:

• Biokaasutuotannon tutkimus
• Lannoitevalmisteiden valmistus- ja käyttökokeet
• Pyrolyysikokeet ja pyrolyysituotteiden tutkimus
• Biomassapotentiaalien tutkimus ja selvitykset
• Laboratorioanalytiikka
• Tuottavuus- ja kustannusvertailut

Teemme tilaustutkimuksia ja konsultointia asiakkaan tarpeiden mukaisesti. Toteutamme tutkimus- ja kehittämisprojekteja yhteistyössä yliopistojen, tutkimuslaitosten ja yritysten kanssa.

Biopajan laitteistot ja osaaminen mahdollistavat kokonaisvaltaisen biokaasutuotannon tutkimuksen ja kehittämisen. Esimerkiksi käsittelyolosuhteiden, uusien syötevaihtoehtojen ja syöttösuhteiden vaikutuksia voidaan tutkia metaanintuottopotentiaalin määrityksestä aina pilotointiin ja maatilakokoluokan biokaasutuotantoon asti.

Tuotantomittakaavan biokaasuprosesseja pystytään simuloimaan pitkäkestoisilla kokeilla, joissa voidaan tutkia prosessin käyttäytymistä. Laboratoriomittakaavassa mahdolliset häiriöt ja ongelmat voidaan havaita nopeasti, mikä mahdollistaa esimerkiksi uusien syötteiden tai käsittelyolosuhteiden testaamisen kustannustehokkaasti ja turvallisesti

Biokaasutuotannon lisäksi laitteistoja voidaan hyödyntää orgaanisten happojen ja vedyn tuotannon tutkimukseen ja kehitykseen. Laitekanta mahdollistaa myös kaksivaiheisen prosessoinnin, jolloin ensimmäinen vaihe voi toimia joko esikäsittelynä tai orgaanisten happojen/vihreän vedyn tuotannossa ja toinen vaihe perinteisessä biokaasutuotannossa.

Laitteisto

• Biometaanipotentiaalin mittauslaitteisto, jolla voidaan mitata yhtäaikaisesti jopa 40 näytteen kaasuntuottoa
• Jatkuvatoimiset ja -sekoitteiset reaktorit (6-10 litraa, 7kpl), joita voidaan syöttää kiinteillä tai nestemäisillä syötteillä kuiva-ainepitoisuuden reaktorissa jäädessä alle 15 %:n
• Tulppavirtareaktori, jolla voidaan tarkastella prosessin etenemistä eri vaiheissa
• Suotopetireaktori, joka sopii kuiville näytteille, kuten nurmi, olki tai kuivalanta (tai niiden seos). Käytössä on sekä laboratorio- että pilottimittakaavan reaktoreita.

Biopajan ravinteiden kierrätyksen koelaitteisto tarjoaa monia mahdollisuuksia lannoitevalmisteiden kehittämiseen. Erilaisille massoille on useita käsittelyteknologioita.

Korkean kosteuspitoisuuden ravinnejakeista voidaan kuivajakeen erotuksen jälkeen väkevöidä nestemäisiä lannoitevalmisteita. Kuivemmista biomassoista on mahdollista kehittää (lannoite)levittimiin soveltuvia lannoitevalmisteita rakeistus- ja pelletöintilaitteistoilla.

Lannoitevalmisteiden ravinnepitoisuuksia ja fysikaalisia ominaisuuksia voidaan räätälöidä säätämällä prosessiparametreja tai lisäämällä orgaanisia tai mineraalisia lannoitekomponentteja osaksi tuotteen raaka-aineseosta.

Biomassasta ja tuotetuista lannoitevalmisteista voidaan määrittää mm.

• Pää- ja hivenravinnepitoisuudet
• Tuhka- ja hiilipitoisuus
• Irto- ja tilavuuspaino
• Rakeisten lannoitteiden lujuus, kokojakauma, juoksevuus, pölyävyys sekä varastointikestävyys

Tarjoamme mahdollisuuden verrata tuloksia kansallisilla ja kansainvälisillä markkinoilla olevista lannoitevalmisteista kerättyyn vertailuaineistoon.

Lannoitteen kehitystyön lisäksi teemme eri kokoluokan lannoituskokeita ja -demonstraatiota lannoitteiden sato- ja ympäristövaikutusten sekä levitettävyyden todentamiseksi.

Pyrolyysiprosessin avulla biomassa voidaan jakeistaa kaasuksi, nesteeksi ja kiinteäksi biohiileksi.  

Luken koelaitteiston avulla on mahdollista testata erilaisten biomassojen soveltuvuutta pyrolyysiprosessiin. Lisäksi tutkimme pyrolyysituotteiden laatua ja soveltuvuutta erilaisiin loppukäyttökohteisiin. Asiantuntijuutemme kattaa kaikkien pyrolyysissä syntyneiden lopputuotteiden hyödyntämisen.

Esimerkkejä selvityksistä

• Pyrolyysituotteiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet
• Hiilen pysyvyyden selvitys biohiilen maanparannuskäytössä
• Erilaisten biohiilien soveltuvuus kasvualustoihin ja maanparannuskäyttöön (esim. Vedenpidätysominaisuudet, laboratorio-, kasvihuone- ja kenttäkokeet)
• Biohiilen tekninen käyttö ja uudet sovelluskohteet 

Lukella on vankka kokemus erilaisten biomassojen saatavuuden, potentiaalin ja ravinnehyödyntämisen tutkimuksesta. Olemme tehneet erilaisia sekä maatalouden että yhdyskuntien ja teollisuuden biomassoihin liittyviä saatavuustarkasteluja liittyen eritoten biokaasun tuotantoon. 

Esimerkkejä selvityksistä

• Syötemateriaalien saatavuus- ja logistiikkatutkimuksia mm. biokaasu- ja lannoitevalmisteita tuottaville laitoksille
• Kierrätyslannoitevalmisteiden kuljetus- ja levityspotentiaalin tarkasteluja peltojen ominaisuudet huomioiden

Hyödynnämme Lukessa kehitettyjä työkaluja (Biomassa-atlas, Ravinnelaskuri), laskentajärjestelmiä sekä biomassojen ominaisuustietokantaa, josta biomassoille voidaan johtaa esimerkiksi fosfori- ja typpipitoisuudet sekä metaanintuottopotentiaalit.

Teknis-taloudellisissa tarkasteluissa ydinprosessin ympärille rakennetaan arvoketju, jolle tarkastelu tehdään. Vaikka prosessointi itsessään on lisäkustannus, voidaan sen avulla säästää merkittävästi esim. logistiikkakustannuksissa tai sitten lopputuotteesta voidaan saada parempi hinta.

Teknis-taloudellinen tarkastelu tehdään vaihe vaiheelta jokaiselle arvoketjun vaiheelle, joita ovat tyypillisesti raaka-aineen hankinta, varastointi, kuljetus, prosessointi, jakelu ja käyttö. Lähtötietoja kerätään yhdessä asiakkaan kanssa. Seuraavaksi katsotaan, mitä tuotteita markkinoille voidaan saada ja mihin hintaan. Tämän jälkeen valitaan prosessipolut, joissa on mahdollista käyttää kyseessä olevaa raaka-ainetta niin, että prosessointi kulkee samaan suuntaan ja tuottaa koko ajan lisäarvoa välituotteilleen.

Toiminnan taloudellista kannattavuutta arvioidaan laskemalla investointi- ja käyttökustannukset ja tuotot sekä näiden perusteella investoinnin takaisinmaksuaika sekä vuosittainen tulos (liikevoitto/tappio).

Biokaasutuotannon kannattavuuden arviointiin Luke on kehittänyt Biokaasulaskurin, joka on netissä avoimesti käytettävissä. Lisäksi asiakastöinä tehdään tarkempia kannattavuusarviointeja biokaasuinvestoinneille.

Kokonaan uuden tyyppisille tuotteille on myös mahdollista tehdä markkinapotentiaalikartoituksia esimerkiksi kyselytutkimuksena.

Biopajassa tehtävää työtä tukee Luken laboratorioiden kattavat analyysimenetelmät ja laaja kokemus analytiikasta.

Kemiallisia analyysejä voidaan toteuttaa mm. erilaisille biohajoaville näytematriiseille, biokaasuprosessin seurantanäytteille sekä kaasumaisille näytteille esimerkiksi biokaasulaitoksilta. Myös mikrobiologiset määritykset kuuluvat Luken osaamiseen.

Lannoitevalmisteisiin liittyvä analytiikka kattaa lannoitevalmisteen (mm. mädätteet, kompostit, jalostetut tuotteet) ravinneanalyysit, rakeisten ja pelletöityjen tuotteiden ominaisuudet sekä lannoitusvaikutustutkimukset. Analyysipaketteja voidaan räätälöidä asiakaan toiveiden mukaan.

Luke Jokioisiin valmistui maatilakokoluokan biokaasulaitos vuonna 2023. Laitos sijaitsee Jokioisten tutkimusnavetan yhteydessä. Yhdessä Luken Biopajan tutkimusalustan kanssa uusi biokaasulaitos mahdollistaa monipuoliset tutkimus-, kehittämis- ja asiakasprojektit.

Laitoksen syötteenä on tutkimusnavetan lypsykarjan lietelanta sekä jonkin verran kasvibiomassoja ja kuivikelantaa. Biokaasua voidaan hyödyntää joko 50 kW CHP-laitteella tai 150 kW lämpökattilalla. Tuotettu energia (noin 1150 MWh/v) hyödynnetään lämpönä ja sähkönä Jokioisten kotieläintuotannon tutkimusinfran alueverkossa.

Laitoksella muodostuva mädäte voidaan separoida ruuviseparaattorilla tai dekantterilingolla neste- ja kuivajakeeksi. Kuivajaetta hyödynnetään joko navetassa kuivikkeena tai lannoitteena. Nestejae käytetään lannoitteena Luken tutkimuspelloilla.

Biokaasulaitos on instrumentoitu tutkimuskäyttöön tarjoten mahdollisuudet esimerkiksi erilaisten syötemateriaalien ja mädätteen käsittelyn vaikutusten tutkimiseen.