Strategieën met betrekking tot de procesoptimalisatie van anaerobe vergisting

Haute cuisine voor afvalverwerkende micro-organismen

Strategieën met betrekking tot de procesoptimalisatie van anaerobe vergisting (Marianne Smits)

“Eet je bord eens leeg” en “Nog een hapje voor mama en papa”; hoeveel ontelbare keren weerklinken deze leuzen niet in de Vlaamse eetkamers? Maar wat gebeurt er met de restjes die toch eenzaam achterblijven op de tafel wanneer het verzadigingspunt van de eigenaar van het bord bereikt is?

Culinair afval

Keukenafval wordt massaal geproduceerd in Europa, ongeveer 100 miljoen ton per jaar, wat ongeveer 40% van het huishoudelijk afval is. Drie klassieke verwerkingsprocessen voor dit keukenafval hebben elk hun eigen nadelen. Door het hoge vochtgehalte vereist keukenafval veel energie bij verwerking in verbrandingsovens en door het hoge zoutgehalte in onze maaltijden kan verbranding dioxineverspreiding veroorzaken. Het storten van keukenafval neemt dan weer veel plaats in beslag, brengt geurproblemen met zich mee en draagt bij aan het broeikaseffect door de uitstoot van methaan. Compostering is een goed, maar langzaam proces en geeft eveneens een geur die niet overal geapprecieerd wordt. Anaerobe vergisting is daarom in vele gevallen een beter alternatief voor de verwerking van keukenafval.

Wat is anaerobe vergisting?

Anaerobe vergisting is een natuurlijk proces waarbij organisch materiaal (materiaal met een plantaardige of dierlijke oorsprong) wordt afgebroken door kleine beestjes. Deze micro-organismen werken het beste wanneer er geen zuurstof in de omgeving aanwezig is, wat we met de term “anaeroob” aanduiden. Het positieve aan de vergistende micro-organismen is dat ze niet enkel het afval verwerken, ze zetten het zelfs om in een heel nuttige energiebron: biogas! Dit is een energierijk gas dat voor het grootste deel is samengesteld uit koolstofdioxide en methaan (het voornaamste bestanddeel van aardgas). Hoe meer methaan, hoe meer energie we uit het gas kunnen halen. Daarnaast produceren de micro-organismen heel wat warmte tijdens het werken, dus ze leveren groene stroom en groene warmte.

Kink in de kabel

De productie van biogas uit afval is niet eenvoudig, waardoor er vier verschillende micro-organismen moeten samenwerken om dit tot een goed einde te brengen. En daar wringt het schoentje: net zoals in de meeste huishoudens loopt de samenwerking niet altijd even vlot. Wanneer de micro-organismen niet meer goed samenwerken, is niet alleen hun relatie verzuurd, maar zal de anaerobe vergistingsreactor waarin ze wonen eveneens verzuren. Wanneer hun omgeving te zuur wordt (te lage pH), dan plegen ze als het ware zelfmoord, want ze kunnen niet leven met te veel zuur rondom zich.

Verwerking van keukenafval in continue vergisters geeft in praktijk vaak aanleiding tot variabele en zelfs gebrekkige werking van de anaerobe reactoren. De oorzaken hiervan zijn nog steeds niet uitgeklaard. Tijdens de scriptie van Marianne Smits was in reactoren op laboschaal de maximale belasting van de grootte-orde van 2 g chemische zuurstofvraag per liter per dag bij een hydraulische verblijftijd van 18 dagen. Dit wil zeggen dat de anaerobe bacteriën 2 gram suiker per liter konden afbreken als ze 18 dagen tijd kregen. Dit resultaat was dus effectief beperkt aangezien de huidige industriële anaerobe reactoren vaak kunnen werken aan snelheden die twee tot vijf maal hoger liggen. In deze reactoren is het “eten” bijvoorbeeld suiker en brouwerij-afval, wat gemakkelijker te verteren is voor de micro-organismen dan ons keukenafval.

Teambuilding met micro-organismen

Relatietherapie voor micro-organismen was het uitgangspunt voor de ontwikkelingen in de scriptie van Marianne Smits. Soms liggen de problemen aan de basis van het proces. Dit is het geval wanneer het afval dat verwerkt moet worden, te moeilijk is om af te breken voor de micro-organismen. Een ander probleem dat vaak optreedt in de industriële toepassingen van anaerobe vergisting, is een zeer traag herstel van hun werking wanneer de micro-organismen ontregeld zijn geraakt.

Human Resource Management met micro-organismen

In het labo van Professor Willy Verstraete in Gent, LabMET, wordt er onderzoek gedaan om meer inzicht te krijgen in het anaerobe vergistingsproces. Om de samenwerking van de micro-organismen te kunnen beschrijven, kijken ze naar drie parameter namelijk rijkdom, functionele organisatie en dynamica. Net zoals een manager zijn personeel karakteriseert aan de hand van Human Resource Management, willen de bio-ingenieurs van LabMET hun microbieel “personeel” beoordelen op een gestructureerde manier.

Rijkdom geeft in de eerste plaats de capaciteit van het ecosysteem weer. Een kleine rijkdom wordt toegeschreven aan een moeilijk bewoonbare omgeving zoals vervuilde bodems. Zeer bewoonbare milieus worden gekarakteriseerd door een grote rijkdom, wat wijst op een hoge microbiële diversiteit.

De functionele organisatie van een groep micro-organismen geeft aan hoe ze het werk onderling verdelen. De Italiaanse econoom Pareto (°1848) stelde dat 20% van de bevolking 80% van de rijkdom bezit. Deze theorie kan uitgebreid worden naar de microbiële wereld waarbij dergelijk verband eveneens geldig is en zelfs gewenst als het op werkverdeling aankomt.

Tot slot is dynamiek ook een belangrijke parameter, aangezien dit aangeeft hoe flexibel de gemeenschap is om zich aan te passen aan veranderende leefomstandigheden.

Industriële link

Bij industriële installaties wordt de Ripley-index gebruikt als snelle test om aan te geven of een anaerobe vergister goed of slecht werkt. Enkele minuten na het nemen van een staal weet de operator al wat hij in de kuip heeft. Innovatief aan deze masterscriptie was de koppeling van deze snelle industriële test met de beschreven microbial-resource-management parameters. Voor de Bacteria, de groep van bacteriën die eerst moet werken om de vergisting op gang te krijgen, was er een duidelijke correlatie tussen de microbiële parameters en de Ripley-index als procesparameter. Een goede reactorwerking kwam overeen met een goede microbiële gemeenschap en wanneer de species uit evenwicht raakten, werd dit weerspiegeld in een gebrekkige vergisting.

Toekomstdromen

In de toekomst kan de bepaling van de microbial-resource-management parameters leiden tot snelle informatie om in te schatten of een zieke microbiële gemeenschap nog gaat herstellen of niet. Dit zou een enorme besparing van tijd en geld opleveren en een fameuze verbetering voor het anaerobe vergistingsproces. Als herstel mogelijk blijkt, is het toevoegen van extra microbiële “vitamines” en een portie geduld voldoende. In het geval er geen beterschap meer op komst is, zit er niets anders op dan met een nieuwe microbiële gemeenschap te beginnen. Deze masterscriptie heeft interessante verbanden blootgelegd waardoor het optimaliseren van de anaerobe reactoren binnenkort hopelijk geen toekomstmuziek meer is, maar pure realiteit.