Eksperiment: Produktion af biogas

Denne forsøgsvejledning findes også i en printervenlig version (.pdf format): Hent den her.


Introduktion

Formålet med denne øvelse er at producere biogas ud fra husholdningsaffald. Der er to indgangsvinkler til forsøget: at undersøge biogaspotentialerne for forskellige typer af husholdningsaffald samt at undersøge hvorvidt der sker substratinhibering ved brug af en given type substrat. Det er op til den enkelte lærer om man vil udføre ét af forsøgene eller begge to. Denne vejledning tillader begge dele.

Forsøget er baseret på at man har en grundlæggende viden omkring biogasproduktion, hvilket bl.a. er beskrevet i det derom handlende materiale, der kan findes på www.grønvision.dk. Alle organismer der skal anvendes til produktionen af biogas, findes i det såkaldte podemateriale, som kan rekvireres hos ethvert biogasanlæg/rensningsanlæg gratis eller for et mindre beløb.

Formalia

Denne vejledning indeholder lister over apparatur og kemikalier samt sikkerhedsforanstaltninger ved udførelse af dette forsøg. Apparaturlisten er vejledende – dvs. at man sagtens kan finde på andre kreative løsninger i fald der skulle være noget man ikke kan skaffe. Det er altid muligt at kontakte forfatteren for råd og vejledning.

Apparatur

Laboratoriekitler

Mindst ét par beskyttelseshandsker pr. gruppe

Varmeskab, inkubationsrum eller vandbad (uden ryst!), indstillet til 37 eller 65 celciusgrader

Evt. en vægt til bestemmelse af tørstofværdi

Evt. silikone-forsegler til propperne

Følgende materialer er for én reaktion. Antallet af reaktioner afhænger af antallet af testsubstrater. Husk altid at inkludere en kontrolreaktion der kun indeholder podemateriale:

3 x 1 L glasflasker. Mindst én af flaskerne skal have volumenindikation.

1 gummiprop med ét hul.

2 gummipropper med to huller.

3 glasrør som passer til hullerne i gummipropperne.

Plastikslanger som passer på glasrørene.

Substrater og kemikalier

100-300 mL podemateriale pr. reaktion (kan anskaffes på ethvert biogasanlæg). Bemærk at der findes to forskellige typer af podemateriale: til 37 graders inkubation og til 65 graders inkubation. Det anbefales at alle reaktioner foregår ved samme temperatur, med samme podemateriale.

Testsubstrater: Disse substrater kan være alle typer af organisk materiale. Fx kartoffelskræller, madrester, papir osv. Kun fantasien sætter grænser. Der skal bruges ca. 1 g tørstof organisk materiale pr. 50 mL podemateriale. Ved forsøg med substratinhibering kan anvendes op til 10 g tørstof organisk materiale pr. 50 mL podemateriale.

Nitrogen i gasfase.

Sikkerhedskrav

Generelle laboratorieregler gælder ved udførelse af dette forsøg. Hvis der forefindes skabe med udsug, er det tilrådeligt at lade inkubationen foregå dér. Det anbefales endvidere at alle deltagende personer har en gældende stivkrampevaccination (tetanus). En stivkrampevaccination holder i 10 år.

Undgå berøring med og indånding af podemateriale. Får man podemateriale på sig, skylles straks med vand og sæbe, evt. efterfulgt af afspritning med 70% ethanol.

Efter endt forsøg skal podemateriale og testmaterialer destrueres ved opvarmning til over 70 grader i mindst en time (eller alm. autoklavering).

Sikkerhed vedr. podemateriale:

R2 Eksplosionsfarlig ved stød, gnidning, ild eller andre antændelseskilder.

R3 Meget eksplosionsfarlig ved stød, gnidning, ild eller andre antændelseskilder.

R18 Ved brug kan brandbare dampe/eksplosive damp-luftblandinger dannes.

R36/38 Irriterer øjnene og huden.

S7 Emballagen skal holdes tæt lukket.

S13 Må ikke opbevares sammen med fødevarer, drikkevarer og foderstoffer.

S16 Holdes væk fra antændelseskilder. Rygning forbudt.

S20 Der må ikke spises og drikkes under brug.

S24/25 Undgå kontakt med huden og øjnene.

S26 Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand, og læge kontaktes.

S27 Tilsmudset tøj tages straks af.

S35 Materialet og dets beholder skal bortskaffes på en sikker måde.

S36 Brug særligt arbejdstøj (dvs. kittel, briller og handsker).

Sikkerhed vedr. nitrogen:

R20 Farlig ved indånding

S7 Emballagen skal holdes tæt lukket

S9 Emballagen skal opbevares på et godt ventileret sted

S18 Emballagen skal behandles og åbnes med forsigtighed

S23 Undgå indånding af gas

Fremstilling af biogas

I dette forsøg vil biogasproduktionen forløbe over 1-4 uger hvor det største arbejde ligger i at sætte reaktionen i gang. Ved endt forsøg skal resultatet aflæses, og materialerne skal ryddes op og rengøres.

Princippet i dette forsøg er simpelt: Det består af tre flasker hvoraf den ene indeholder pode- og testmateriale. Når methanproduktionen starter, vil methanen (gas) bliver trykket op igennem glasrøret og over i flaske nr. 2. Trykket i denne flaske vil da trykke vandet igennem det lange glasrør over i flaske nr. 3. Vandet vil akkumulere i flaske nr. 3, og overskydende luft vil forsvinde ud af det andet glasrør.

Vandstanden i den tredje flaske vil altså stige proportionalt med methanproduktionen, og resultatet kan aflæses direkte af flasken. Det anbefales at man løbende holder øje med udviklingen.

Det er vigtigt at alle propper og rør holder helt tæt da methanen ellers vil forsvinde. Man kan evt. forsegle propperne med silikone, men det er ikke et krav for at reaktionen kan forløbe korrekt.

Fremgangsmåde:

Lav opstillingen som vist på figuren herunder:

Opstillingen skal udføres for hver ønsket reaktion. Der skal altid inkluderes en kontrolreaktion hvor

der tilsættes podemateriale, men intet testsubstrat.

1. Den første flaske, kontrolflasken, tilsættes 150-300 mL podemateriale, alt efter hvor meget podemateriale der kan skaffes.

Det er frivilligt om man ønsker at køre reaktionen ved 37 grader eller 65 grader (afhænger af podematerialet), dog skal alle forsøg i en testrække køres ved samme temperatur.

2. Testflasken tilsættes testsubstrater. Der er grundlæggende to forskellige sæt tests man kan køre:

a) Undersøgelse af forskellige substraters evne til at producere biogas

b) Undersøgele af om der forekommer substratinhibering ved brug af et givet substrat

Det anbefales at man vælger at udføre én af ovenstående undersøgelser pr. klasse, men hvis der er mange hold, kan man vælge at lave begge undersøgelser.

Her følger en beskrivelse af hver undersøgelse.

a)
Ved denne undersøgelse skal man bruge forskellige substrater, eksempelvis forskelligt husholdningsaffald. Det eneste krav er, at substratet skal være et organisk materiale – altså ikke plastik, metal el. lign. Eksempler på organisk husholdningsaffald kan være kartoffelskræller, gulerodsskræller, stegefedt, køkkenrulle, kød m.m. Jo mere forskellig sammensætning der er i substraterne, jo større forskel i biogaspotentiale vil man (måske?) observere.

For disse testsubstrater gælder at der skal være 1 g substrat (tørstof) pr. 50 mL podemateriale. Tørstoffet (TS) er det der er tilbage, når alt vand er fjernet fra substratet. Der er to måder at bestemme tørstofværdien på: enten kan man finde det i litteraturen (evt. internettet), eller man kan tørre det pågældende stof i en ovn ved 105 grader i omkring 24 timer og måle massen af substratet før og efter tørring. Det giver en idé om hvor stor en del af stoffet der er vand.

For at kunne vurdere biogaspotentialerne af substraterne må der inkluderes en kontrol i forsøget. Kontrollen består af en flaske med podemateriale, men intet substrat. Denne kontrol viser hvor megen (om nogen) biogas der produceres uden der er substrater i. I testflaskerne sker der altså to processer: biogasproduktion fra podematerialet og biogasproduktion fra substratet. Man kan altså fjerne støjen fra eksperimentet ved at kende værdien for biogasproduktion fra podematerialet. Den reelle biogasproduktion fra substratet er altså differensen mellem testværdien og kontrolværdien.

b)
Ved denne undersøgelse skal man bruge det samme substrat, men i forskellige mængder. Substratet skal være et organisk materiale og gerne et man ved, har substratinhibering (se det teoretiske afsnit omkring biogas).

For dette testsubstrat skal man variere mængden af substrat der tilsættes. Det anbefales at man har 0,5 g substrat (tørstof) pr. 50 mL podemateriale som den laveste koncentration og 10 g substrat (tørstof) pr. 50 mL podemateriale som den højeste koncentration. De mellemliggende værdier afhænger af antallet af grupper, og det anbefales at man ikke øger koncentrationen lineært. Hvis der er fem grupper, kan man fx vælge koncentrationerne 0.5, 1, 2, 5 og 10 g TS/50 mL podemateriale.

Tørstoffet (TS) bestemmes som i forsøg a.Ligesom ved (a) skal der inkluderes en kontrol i forsøget for at kunne vurdere biogaspotentialerne af substraterne.

3. Flasken ”skylles” med nitrogen i ca. et minut hvorefter proppen hurtigt sættes på. Dette gøres for at fjerne ilt fra miljøet i flasken. Mange af mikroorganismerne i podematerialet er fakultativt anaerobe, og de vil enten dø eller miste deres funktion hvis der er ilt til stede.

4. Den anden flaske fyldes med almindeligt vand (ca. 700 mL). Man kan bruge destilleret/deioniseret vand for at forhindre kalkaflejringer, men det er ikke et krav. Gummiproppen med glasrør monteres som vist på figuren. Det er vigtigt at glasrøret der går hen til den tredje flaske, når langt ned i flasken uden at røre bunden.

5. Den tredje flaske fyldes delvist med vand (ca. 300 mL). Gummiprop og glasrør monteres som vist på figuren. Notér startvolumen af den tredje flaske.

6. Inkubér flaskerne ved 37 eller 65 grader, alt efter hvilket podemateriale der er valgt. Inkubér gerne et sted hvor der er udsugning.

7. Efter 1-4 uger kan mængden af produceret biogas aflæses af den tredje flaske.

Databehandling

Volumen i måleflasken (3. flaske)

Beregninger: