Hva er biogass? K. Østgaard NTNU, 12/5-09 SJEKK KLOKKA: 20 MIN?? Jo takk. KLIKK: For noen er det nå pensum, da. Som prof. i miljøbioteknologi ved Inst for bioteknologi underviser jeg det her. For andre.

1. Intro: Hvilken biogass? Barndomsminne? Deponigass? Organisk avfall? Kan det være et barndomsminne: Jeg vokste opp ved ei stor elv. Stålis på grunne viker og loner. Luftbobler? Hah! Bigass kan være helt naturlig. KLIKK: Eller dypt I gamle søppelfyllinger. Sydspania; spontanantennelse. Heggstadmoen. Biogass kan være helt uunngåelig. Kontrollert produksjon? Jfr. Åna anlegg. Melkeproduksjon fram og bak på ei ku. Verre når 1 mikrom. Og ikke bare det: Det er ikke noen enkeltorganisme. Vi må styre et økosystem: Kumøkk? → Jæren 2002; reaktor 3000 m3 Hvilken prosess? Og hvem?

2. Totalprosess Hydrolyse Syredannelse VFA Eddiksyredannelse H2+CO2 Metandannelse CH4/CO2 ≈ 50%/50% VFA Hydrolyse av bred gruppe. Ingen kan leve av det alene. Det kombineres med; Syredannelse = acidogenese. Ogås en vid gruppe anaerobe Bacteria. Utbytte kanskje 0.2. Høy vekst. VFA: Volatile fatty acids KLIKK: VEKSLE TIL NESTE / SÅ TILBAKE=VIDERE Eddiksyredannelse = acetogenesis: Ved snever gruppe Bacteria. Utbytte kanskje 0.04. Langsom vekst. Metandannelse av snever gruppe av Archaea. Utbytte kanskje 0.02. Langsom vekst. Spesielle coenzymer – se syklus senere. CO2 –innhold avhenger av substratets reduksjonsgrad. For sukkere; 50 %. 60 % metan kreves for direkte antennelse. Hva kan man gjøre? a) Tilsett lipid (redusert) substrat. b) Vask ut: CO2 er løselig, metan ikke. Hvor kan prosessen deles? H2+CO2

”Flyktige fettsyrer” VFA: H-COOH maur-syre CH3-COOH eddik- ” CH3-CH2-COOH propion- CH3-CH2-CH2-COOH smør- CH3-CH2-CH2-CH2-COOH valerin- CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH kapron- etc. - - - CH3-CHOH-COOH melke-syre CH3-OH metanol H3-CH2-OH etanol o.a. - Høyere: C16 palmitin C16 monounsat. Palmitiolein C18 stearin C18 ” ” Olein Merk u-dissosierte fettsyrer = lipider! Cellemembran ingen barriere! Ved lav pH: Mange acidoflie er obligate oligotrofe. Karboksylgruppe pKa ≈ 4.5; 50 % dissosiert, 50 % lipider. ved pH 5.5; 10 % lipider, ved pH 6.5; 1 %. Se opp for intracellulær osmoregulering og pH.

2. Totalprosess Hydrolyse Syredannelse VFA Eddiksyredannelse H2+CO2 Metandannelse CH4/CO2 ≈ 50%/50% VFA Hydrolyse av bred gruppe. Ingen kan leve av det alene. Det kombineres med; Syredannelse = acidogenese. Ogås en vid gruppe anaerobe Bacteria. Utbytte kanskje 0.2. Høy vekst. VFA: Volatile fatty acids KLIKK: VEKSLE TIL NESTE / SÅ TILBAKE=VIDERE Eddiksyredannelse = acetogenesis: Ved snever gruppe Bacteria. Utbytte kanskje 0.04. Langsom vekst. Metandannelse av snever gruppe av Archaea. Utbytte kanskje 0.02. Langsom vekst. Spesielle coenzymer – se syklus senere. CO2 –innhold avhenger av substratets reduksjonsgrad. For sukkere; 50 %. 60 % metan kreves for direkte antennelse. Hva kan man gjøre? a) Tilsett lipid (redusert) substrat. b) Vask ut: CO2 er løselig, metan ikke. Hvor kan prosessen deles? H2+CO2

Økosystemstruktur; genprober rRNA analysis Økosystemstruktur; genprober Domene-nivå-prober Lavere nivå-prober Økologien kan studeres ved moderne molekylærbiologiske metoder. FISH = fluorescens in situ hybridisering gjør det mulig å merke ulike mikrober med ulik fluorescensfarge. Rød metanogene Grønn udyrkede bacteria - Sekiguchi et al. (1999).

Det var en gang . . . x 3. ”Kosestund”: Her omtrent bruker mine studenter å begynne å gjespe og fomle etter fjernkontrollen. Da må vi finne på noe annet: I barnehagen eller barneskolen, når barna har vært flinke, er det ofte ”kosestund”. Da tenner vi lys, finner et godt sted å sitte, gjerne med ditt favorittkosedyr, har du glemt det får dere kose med hverandre? I alle tilfelle: Så pleier læreren å lese et eventyr. Vil dere høre et eventyr? Det var en gang . . . .

?____________________ ?________________________________ Methanobacillus omelianskii: 2 C2H5OH + CO2 → CH4 + 2 CH3COOH 1. S-organisme: 2 C2H5OH + 2 H2O → 2 CH3COOH + 4 H2 ΔG0’=+9.7kJ ΔG’<0 ved PH2<10-4 atm 2. Methanobacterium bryantii: 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O ΔG0’=-131kJ ΔG’<0 ved PH2>10-6 atm en bakterie som hette Methanobacillus omelianskii. Den var flink, den kunne omdanne etanol direkte til metan og acetat. Og folk var imponert og isolerte den og dyrket den i renkultur i årevis, overføring etter overføring kunne den alltid: PEK Imponerende, i renkultur. Tror DU den var i renkultur? Nei, for atte da hadde det ikke blitt noe eventyr. I virkeligheten, så viste det seg å være 2! CLICK For det første, var det denne unge og tøffe acetogene S-typen, som lager acetat og hydrogen. Tøff ja, men med et alvorlig problem. PEK: Et håpløst energiutbytte, ved standardbetingelser faktisk verre enn ingenting; en håpløst positiv ΔG for dem som har hørt om det! Åpenbart i dyp nød for hjelp. Men da dukker hun opp, søte lille Methanobacterium bryantii, og fra en svært så fornem familie, den gamle og aristokratiske Archaea-familien. Hun elsker simpelthen litt hydrogen! For å lage metan, hun er tross alt metanogen. Men skal det kunne gå, trenger hun i det minste en konsentrasjon tilsvarende et partialtrykk < 10-6 atm. Han på sin side tåler ikke mer enn > 10-4 atm for å holde det gående og ΔG negativ. Så der finnes et felles arbeidsområde på 10-6 til 10-4. Men for å få noe flux av betydning, så trengs . . . hva?

Hold tett sammen Moral: H2 flux avhenger av gradient: → Acetogene + 10-4 10-6 ← Acetogene + Methanogene = SANT Det trengs en gradient! Og jo tettere de kommer, jo brattere og bedre blir gradienten! Så dette er moralen i eventyret: PEK ”Snipp snapp snute. Eventyret er ute!” ___________________________________________________________________ Likte dere det? Var det ikke romantisk? Søtt? For søtt, kanskje? Ok, gjør klar for – CLICK

PS Såpeoperaversjon: also Now starring: SRB! = S- reduserende bacteria; Desulfo- gjengen, Som bare elsker H2 SRB Acetogens + Methanogens maybe not True Såpeoperaversjonen: Vi trenger litt dramaturgi her! Vi trenger en 3. partner. Og det er lett å finne: S-reduserende SRBer er respirerende heterotrofe med et snevert substratkrav; ingen hydrolyse, bare små og lett fordøyelige molekyler. Men H2 er det minste som fins, og fullpakka med energi. Så: PEK og CLICK Dette er 1 av grunnene til at du ofte får metandannelse i ferskvanns-sedimenter, aldri i marine. (Andre årsak; NaCl toksisk inhibering av metanogene).

Energistrømmene: Med H2 transfer: 70 % via acetat Uten H2 transfer: = total! Oppsummering. Om du blokkerer eller mister hydrogen transfer, taper du nesten 50 % biogassutbytte!

4. Interspecies hydrogentransfer Hold tett sammen: → = Syntrofe konsortia! Clusterdannelse vil også favorisere granuldannelse, jfr. UASB. OK. Noe tilleggsinfo kan vi ta med: Avstandsavhengigheten kan modelleres og beregnes, hvilket bekrefter hvor avgjørende kluster-dannelsen er.

Acetogene substrater Acetogene reaksjoner ved syntrofe konsortia: Merk propionat ved + 76.1 kJ: 3 bakterier deler ≈ 1 ATP. G° ' H2-produserende Reaksjon [kJ] organisme ―――――――――――――― ――――――――――――――― ――――――――――――― Etanol + H2O → acetat- + H+ + 2H2 +9.6 S-organism Laktat- + 2H2O → acetat- + HCO3- + H+ + 2H2 -4.2 Desulfovibrio Propionat- + 3H2O → acetat- + HCO3- + H+ + 3H2 +76.1 Syntrophobacter wolinii Butyrat- + 2H2O → 2acetat- + H+ + 2H2 +48.1 Syntrophomonas Valerat- + 2H2O → acetat- + propionate- + H+ + 2H2 +48.1 wolfei Kaproat- + 4H2O → 3acetat- + 2H+ + 4H2 +96.2 Clostridium bryantii Benzoat- + 7H2O → 3acetat- + HCO3- + 3H+ + 3H2 +58.9 Syntrophus buswellii Acetat- + 4H2O → 2HCO3- + H+ + 4H2 +104.6 - navnløs - Glutamat- + 4H2O → propionat- + 2HCO3- + NH4+ + H+ + 2H2 -5.8 Acidaminobacter Alanin- + 3H2O → acetat- + HCO3- + NH4+ + H+ + 2H2 +7,5 hydrogenoformans Malat- + 3H2O → acetat- + 2HCO3- + H+ + 2H2 -26.4 Aspartat- + 4H2O → acetat- + 2HCO3- + NH4+ + H+ + 2H2 -14.0 - navnløs - De viktigste syredannende acetogene reaksjonene kvikt oppsummert. Merk alle de rare VFAs. Merk propionsyre minst gunstig blant de vanligste.

5. Metanogene substrater 1. CO2 -type: CO2 + H2, CO & HCOOH 2. Metyl-type: CH3OH, 1- to 3-metylamines, metylmercaptan & dimetyl- sulfid, (+ valgfri H2) 3. Acetoklastisk CH3COOH Jfr. eventyret; ingen direkte overføring av etanol. Bare 3 slags substrat! Figur t.h. bare for å illustrere; jfr. vår aerobe Krebs TCA cycle. Archaea-syklus CO2 →CH4

Substratkonkurranse Eksempel CH3COOH: Methanothrix vs. Methanosarcina Methanothrix vinner Methanosarcina vinner Eksempel CH3COOH: Methanothrix vs. Methanosarcina Begge vinner i en konsentrasjonsgradient - - - - - - - - - - - - - - - - - - - # doblinger/dag Bare illustrasjon: I konsentrasjonsgradienter vinner begge. Alltid ved diffusjon, rimelig dårlig mixing. mM acetat

Temperaturavhengighet Obs. enten meso- eller termo-fil! Høyere rater i termofilt område. Høyere diversitet i mesofilt område; → mer robust prosess! Frå 20 d oppholdstid til 8 d retensjonstid.

Mer metanogenbiologi: Lavere μmax ≈ 0.2 /d (35 °C) → ting tar tid! Forlenget oppstart og adaptering; kjør ved stasjonær tilstand. Lavt YSX ≈ 0.02 (acetate) → (rel.) høyt vedlikehold! Jfr. Pirt: qs = ms + μ/YSX og se opp for overbelastning av: 1. Protonpumpa: Intracellulær pH; jfr. også Mitchells pmf → Hold ytre pH > 7! 2. Na+/K+-pumpa: Intracellulær Na+/K+ ; sjøvann er toksisk → Om Na+ er for høy, tilsett antagonist K+. 3. Osmoregulering: Intracellulært osmotisk trykk; VFA blir lipider ved lav pH. In kontrast til aerobe, som holdes ute av steady state Pmf = proton motive force

6. Prosessdrift Prosess rate –begrensende ved 1 Hydrolyse tungt nedbrytbart materiale 2 Syredannelse - aldri - 3 Eddiksyredan. overbelastning; ”surgjæring” → lav pH 4 Metandannelse kort slamalder p.g.a. lav μmax Konklusjon: Stabilisér ved stasjonær tilstand! Eksempler Trondheim kommune: Heggstadmoen deponi, Høvringen & Ladehammeren renseanlegg Oppsummering Trondheim kommune: 1 deponigass. To kloakkslam-stabilisering. Tross alt 100 000 tonn der også.

PS Norsk bioenergi: TU Nov. 2007: ”Husdyrgjødsel blir grønn energi”: U-landet Norge? Til høsten 2007: Så, 16 år etter at danskene lanserte sine biogas fællesanlæg.

PS Norsk bioenergi: TU Nov. 2007: ”Husdyrgjødsel blir grønn energi”: KLIKK: Takk for oppmerksomheten!