Savonian bio- ja kiertotalouden laboratoriossa vauhditetaan yritysten tutkimus- ja kehitystyötä sekä edistään teollisuuden sivuvirtojen hyödyntämistä mm. kierrätyslannoitteiden ja maanparannusaineiden raaka-aineina. Käynnistysvaiheessa laboratoriossa keskitytään mikrobipohjaiseen biojalostukseen sekä kierrätyslannoitteiden ja maanparannusaineiden kehittämiseen kasvatuskokein. Laboratorio palvelee erityisesti paikallista elinkeinoelämää.

Biolaboratorio sijaitsee Sytytin-rakennuksessa, Kuopion Savilahdessa.

Biokaasupanoskokeella voidaan selvittää tutkittavan materiaalin tai materiaaliseoksen metaanintuottopotentiaali. Biokaasupanoskokeella tarkoitetaan koetta, johon ei lisätä kokeen aikana uutta syötettä, vaan koe suoritetaan loppuun saakka yhdellä ”panoksella”.

BPC-laitteistossa on 18 kpl litran vetoisia reaktoreita mekaanisilla sekoittimilla varustettuna. Reaktorit ovat sijoitettuna vesihauteeseen eli kokeet voidaan toteuttaa joko mesofiilisella (35-38 °C) tai termofiilisella lämpötila-alueella (55 °C). Reaktoreista mitataan kumulatiiviseti biokaasun kertymä sekä metaanin osuus.

Kokeet käynnistetään käyttäen bakteerisiirrosta jo toiminnassa olevasta biokaasulaitoksesta, jonka vaikutuksen osuus vähennetään tulosten laskennassa. Biokaasupanoskokeet tehdään menetelmän VDI 4630 (2016) mukaisesti.

Laitteistolla voidaan samaan tapaan määrittää myös vedyntuottopotentiaali.

BioProcessControl-laitteisto tallentaa datan tietokantaan kokonaiskaasunvirtaamana (Accumulated gas volume Nml) ajan funktiona.

Kaasunvirtaaman laitteisto tallentaa minuutin välein, joten dataa voidaan tarkastella minuutti, tunti ja päivätasolla. Kokonaisvirtaaman lisäksi data tallentuu metaanin määränä samassa yksikössä.

Data saadaan ohjelmistosta ulos excel-tiedostona ja on helposti jatkokäsiteltävissä.

Biokaasupanoskokeella voidaan selvittää tutkittavan materiaalin tai materiaaliseoksen metaanintuottopotentiaali. Biokaasupanoskokeella tarkoitetaan koetta, johon ei lisätä kokeen aikana uutta syötettä, vaan koe suoritetaan loppuun saakka yhdellä ”panoksella”.

Toisena vaihtoehtona biolaboratoriossa kokeet voidaan toteuttaa 5l vetoisilla reaktoreilla, joissa kaasu kerätään erilliseen kaasunkeräyspussiin ja analysoidaan kuvassa olevan tilavuudenmittasäiliön ja Biogas5000 –kaasuanalysaattorin avulla. Analysaattori tunnistaa kaasuseoksesta metaanin, hiilidioksidin ja hapen tilavuusprosentteina ja rikkivedyn ppm tasolla.

Bio- ja kiertotalouden laboratoriossa on kaksi täysin automatisoitua fermentoria mikrobiologiseen tutkimukseen, joita voidaan operoida panos- tai jatkuvatoimisena. Olosuhteet voidaan säätää tarpeen mukaisesti joko hapelliseksi tai hapettomaksi. Fermentoreita voidaan prosessoida sarjassa tai rinnan ja reaktoreiden tilavuus on 5l. Laitteisto käsittää mekaanisen sekoituksen ja lämpötilan säädön aina 5 asteesta 70 asteeseen saakka (vesivaippa & lämpölevy). Ohjausyksikköön on integroitu 3 erillistä pumppua, jotka mahdollistavat mm. ravinteiden syötön ja automaattisen pH:n säädön. Laitteistossa on on-line mittaussensoreina pH, ORP ja O2 ja datan tallennus tietokantaan. Kaasunkeräys mahdollisuus ja nestemäisten lopputuotteiden keräys ja analysointi.

BIOGAS 5000 -kaasumittari mittaa kaasusta metaanin (CH4), hiilidioksidin (CO2), hapen (O2) ja muut kaasut tilavuusprosentteina. Rikkivedyn (H2S) kaasumittari antaa ppm muodossa. Luotettavaan biokaasun analysointiin kaasua tulee olla vähintään 0,5 l. Laitteisto on tarkoitettu kenttäkäyttöön, eli sillä voidaan suorittaa mittauksia tarvittaessa myös muualta, esimerkiksi kaatopaikalta.

GA-21 PLUS vetyanalysaattori mittaa vedyn ja hiilidioksidin tilavuusprosentteina (0-100 %). Luotettavaan vedyn mittaukseen kaasua tulee olla vähintään puoli litraa.

Kuiva-aineen (TS) ja orgaanisen aineen (VS) määritykset

Oleellisena osana biokaasututkimuksia on selvittää syötteen kuiva-aineen ja orgaanisen aineen määrä syötteessä ennen ja jälkeen kokeiden. Määritykset tehdään laboratoriossa perustuen standardiin SFS3008 veden, lietteen ja sedimentin kuiva-aineen ja hehkutusjäännöksen määritys. Määrityksen perusteella voidaan arvioida kuinka hyvin syöte soveltuu biokaasuprosessiin ja TS/VS-reduktioiden perusteella voidaan arvioida miten hyvin materiaali hajoaa prosessissa. Määritykset tehdään vakiopainoon saatetuissa upokkaissa ja jäähdytykset tehdään eksikkaattoreissa.

Mikrobiologisten sovellusten operointi tarvitsee rinnalleen tarkkaa seuranta-analytiikkaa. Tyypillisimmät paremetrit mitä seurataan, ovat pH, johtokyky, happi ja pelkistyspotentiaali (ORP). Näiden tarkka analytiikka toteutetaan biolaboratoriossa WTW:n kannettavalla multimitarilla, joka soveltuu niin kenttä- kuin laboratoriotyöskentelyyn.

Edmund Bühlerin SM 30 C Control tasoravistelijan avulla voidaan esikäsitellä laboratorion näytteitä. Tasoravistelija mahdollistaa myös standardin SFS-EN 13037 “Maanparannusaineet ja kasvualustat pH-arvon määrittäminen” mukaiset pH:n määritykset sekä standardin SFS-EN 13038 “Maanparannusaineet ja kasvualustat sähkönjohtavuuden määrittäminen” mukaiset sähköjohtokyvyn määritykset. Standardin mukaisia määrityksiä hyödynnetään mm. maanparannusaine ja kierrätyslannoite tutkimustyössä sekä biokaasukokeiden syötemateriaalien pH:n määrityksessä.

Automaattititraattori rasvahappojen ja alkaliteetin määrittämiseksi

Mikrobiologisten sovellusten operointi tarvitsee rinnalleen tarkkaa seuranta-analytiikkaa. Tyypillisimmät paremetrit mitä seurataan niin biovedyn kuin biokaasun tuotannossa ovat mikrobien aineenvaihdunnassa muodostuvat rasvahapot ja alkaliteetti.

Alkaliteetti kuvaa prosessin kykyä vastustaa pH:n muutosta ja sitä aiheuttavat hydroksidien, karbonaattien ja vetykarbonaattien lisäksi silikaatit, fosfaatit, boraatit, arsenaatit ja aluminaatit. Alkaliteetti kuvaa reaktorin/prosessin puskurikapasiteettia ja se ilmoitetaan muodossa mg CaCO3/l tai mmol/l. Biokaasulaitoksessa suositeltava taso on välillä 3500–5000 mg CaCO3/l.

Haihtuvien rasvahappojen eli VFA:n (Volatile Fatty Acids) pitoisuuden määrittämisellä voidaan todeta bioprosessin toimivuus. Määritys perustuu näytteen keittämiseen happamassa, jotta (Bi) karbonaatit hajoavat ja hiilidioksidi poistuu. Toimiva bioprosessi on riippuvainen siinä esiintyvien bakteerien välillä vallitsevasta tasapainosta. Mikäli tämä tasapaino horjuu, haponmuodostajabakteerien tuottamien haihtuvien rasvahappojen pitoisuus nousee tiputtaen pH:n haitallisen matalaksi. VFA:n määrityksellä voidaan siis todeta optimaalinen rasvahappojen taso ja ohjata mikrobiologista prosessia oikeaan suuntaan.

Laboratorion käytössä on neljä lämpökaappia/inkubaattoria ja yksi hehkutusuuni. Nämä mahdollistavat hallitut lämpötilaolosuhteet ja niitä voidaan käyttää laboratoriossa näytteiden kuivaukseen, sterilointiin sekä muuhun esikäsittelyyn. Laboratoriossa tyypillisimpiä lämpökaappien käyttökohteita ovat biokaasupanoskokeet ja kasvatuskokeiden kasvinäytteiden kuivaus ennen analysointia.

max 220 g (d = 0,1 mg), punnitus 4 desimaalilla

(Analyysivaaka)

max 220 g (d = 0,01 mg / 0,1 mg), punnitus 5 desimaalilla

(Analyysivaaka)

max 6200 g (d = 0,01 g)

(Yläkuppivaaka / tarkkuusvaaka)

ICP-OES mahdollistaa jopa yli 70 alkuaineen määrittämisen. ICP-OES-tekniikassa mittausalue on tyypillisesti laaja: matalimman ja korkeimman samalla kerralla mitattavan alkuaineen pitoisuuksien suhde voi olla 1:1 000 tai jopa 1:10 000. Täten näytelaimennosten tarve on minimaalinen.

Näytteitä voidaan mitata seuraavasti:

1. Kvalitatiivinen mittaus – laadullinen mittaus tuntemattoman näytteen sisältämistä alkuaineista.
2. Semi-Kvantitatiivinen mittaus – määrällinen mittaus – laite arvioi 10 % varmuudella alkuaineiden pitoisuudet.
3. Kvantitatiivinen mittaus – tarkka määrällinen alkuaineiden pitoisuuksien määrittäminen. Tuntemattomia näytteitä verrataan tunnettuihin mitattuihin näytteisiin

ICP-OES analytiikkaa varten näytteet tulee käsitellä nestemäisiksi, joka voidaan tehdä mikroaaltomärkäpolttouunilla.

Kiinteiden näytteiden hajottaminen nestemäiseen muotoon tehdään liuottamalla analysoitava näyte sopivalla liuottimella. Liuotin valitaan niin, että näyte hajoaa lähes kokonaan, hajoamattomat osat voidaan näytteestä suodattaa pois.

Mikroaaltomärkäpoltossa näyte altistetaan vahvalle happoliuokselle suljetussa astiassa. Astian lämpötilaa ja painetta nostetaan käyttämällä mikroaaltosäteitä. Korkea paine estää näytteen kiehumisen sekä kontaminoitumisen. Lämpötilan ja paineen nousu nopeuttaa lämpöhajoamista sekä raskasmetallien liukenemista.

Biolaboratoriossa näytteet hajotetaan joko typpihapolla tai kuningasvedellä 24-paikkaisessa näyteastiassa. Tyypillisesti happohajotukseen tarvittava näytemäärä on 5 g.

Kasvihuone mahdollistaa kierrätyslannoitteiden ja maanparannusaineiden tutkimus- ja kehittämistyön perustuen alihyödynnettyihin sivuvirtoihin. Kasvihuoneeseen mahtuu kerrallaan noin 100-150 kappaletta multatilavuudeltaan 6 litran ja vesivarastoltaan 2 litran altakasteluruukkuja (Ø 25 cm). Ruukkujen järjestys voidaan satunnaistaa ja tyypillisesti testimatriisit toistetaan 3-4 rinnakkaisessa ruukussa. Myös erilaisten kasvualustojen testaaminen on mahdollista. Kasvatuskokeiden koeasettelu voidaan toteuttaa vastaamaan maataloudessa käytettäviä kylvö-, lannoite- ja kalkitusmääriä suhteuttamalla nämä ruukkumittakaavaan.

Laadukkaan välinehuollon bio- ja kiertotalouden laboratoriossa tarjoaa DEKO 260 pesu- ja desinfiointikone, joka täyttää standardien EN ISO 15883-1 ja EN ISO 15883-2 vaatimukset. Pesukone mahdollistaa tehokkaat ja nopeat pesu- ja desinfiointiohjelmat laboratorion tarpeisiin tarjoten samalla korkean kokonaispesukapasiteetin. Pesukone soveltuu erilaisille laboratorion käyttöastioille, 10 litran muovisangosta 20 ml mittapulloon.

Merckin Elix Essential vedenpuhdistusjärjestelmä ja 60 litran säiliö ionivaihdetulle vedelle. Elix Essential tuottaa ionivaihdettua vettä (15 l/h) eli puhdasta vettä (tyyppi 2) laboratorion tarpeisiin. Ionivaihdettua vettä käytetään mm. yleisissä laboratoriosovelluksissa, kuten elektrodien huuhtelussa, näytteiden laimentamisessa, liuosten valmistamisessa sekä syötteenä ultrapuhtaan veden (tyypin 1) vedenpuhdistusjärjestelmään (Synergy).

Ionivaihdettuvesi varastoidaan 60 litran polyeteenisäiliöön, joka on suunniteltu minimoimaan mahdolliset saastumisriskit veden varastoinnin aikana. Vesisäiliöstä on myös mahdollista johtaa ionivaihdettuavettä laboratorion pesukoneen käyttöön astioiden loppuhuuhteluun.

Merck Synergy vedenpuhdistusjärjestelmä tuottaa ultrapuhdasta vettä (1,5l/min) laboratorion tarpeisiin. Korkealaatuista ultrapuhdastavettä (tyyppi 1) käytetään kriittisimmissä sovelluksissa ja edistyneissä analyyttisissa menetelmissä, kuten ICP-OES laitteistossa.