Savonian Bio- ja kiertotalouden tutkimusalan laboratoriossa vauhditetaan yritysten tutkimus- ja kehitystyötä sekä edistetään eri teollisuudenalojen sivuvirtojen hyödyntämistä mm. kierrätyslannoitteiden, kasvualustojen ja maanparannusaineiden raaka-aineina. Käynnistysvaiheessa laboratoriossa keskitytään alkuaineanalytiikkaan, mikrobipohjaiseen biojalostukseen biokaasukokein sekä kierrätyslannoitteiden ja maanparannusaineiden kehittämiseen kasvatuskokein. Laboratorio palvelee erityisesti paikallista elinkeinoelämää.
Biolaboratorion laitekantaa kehitetään BioBoost-hankkeen investointiosuudessa.
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 Instrumentsin 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 kumulatiivisesti 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.
AMPTS® III-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 myös metaanin määrä tallentuu samassa yksikössä. Data voidaan ladata ohjelmistosta 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 5 l vetoisilla reaktoreilla, joissa kaasu kerätään erilliseen kaasunkeräyspussiin ja analysoidaan kuvassa olevan tilavuudenmittasäiliön ja Biogas 5000 –kaasuanalysaattorin avulla. Analysaattori tunnistaa kaasuseoksesta metaanin, hiilidioksidin ja hapen tilavuusprosentteina ja rikkivedyn ppm tasolla.
Biolaboratoriossa on kaksi täysin automatisoitua 5 l fermentoria mikrobiologisiin tutkimuksiin, joita voidaan operoida panos- tai jatkuvatoimisena. Olosuhteet voidaan säätää tarpeen mukaisesti joko hapelliseksi tai hapettomaksi kaasunsyöttölinjan avulla. Laitteisto käsittää mekaanisen sekoituksen ja lämpötilan säädön lämpölevyn ja vesivaipan avulla 5 °C – 70 °C välillä. Ohjausyksikköön on integroitu 3 erillistä pumppua, jotka mahdollistavat mm. ravinteiden syötön ja automaattisen pH:n säädön. Laitteistossa on yhteensopivina lämpötila-, pH-, ORP- ja O2– elektrodit, joilta data tallentuu tietokantaan. Laitteistoissa on kaasun sekä nestemäisten lopputuotteiden keräysmahdollisuus jatkoanalyyseja varten.
Biogas 5000 -kaasuanalysaattori tunnistaa kaasusta metaanin (CH4), hiilidioksidin (CO2), hapen (O2) ja muiden kaasujen osuuden tilavuusprosentteina. Rikkivedyn (H2S) kaasumittari antaa ppm muodossa (0–10 000 ppm). Luotettavaan biokaasun analysointiin kaasua tulee olla vähintään 0,5 l. Laitteisto on kannettava, joten se soveltuu myös kenttäkäyttöön, eli sillä voidaan suorittaa mittauksia tarvittaessa esimerkiksi kaatopaikalta.
GA-21 plus kaasuanalysaattori mittaa vedyn (H2) ja hiilidioksidin (CO2) tilavuusprosentteina (0–100 %). Luotettavaan mittaukseen kaasua tulee olla vähintään 0,5 l. Laitteisto on kannettava, joten se soveltuu myös kenttäkäyttöön.
TS/VS-määrityksillä selvitetään tutkittavan materiaalin kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen pitoisuus (%). Oleellisena osana biokaasututkimuksia on selvittää syötteen kuiva-aineen ja orgaanisen aineen määrä syötteessä ennen ja jälkeen kokeiden. Määritykset tehdään laboratoriossa perustuen standardiin SFS 3008 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.
Multimittari mahdollistaa kahden parametrin yhtäaikaisen mittaamisen tutkittavasta näytteestä. Mikrobiologisten sovellusten operointi tarvitsee rinnalleen tarkkaa seuranta-analytiikkaa. Tyypillisimmät parametrit, joita seurataan, ovat pH, johtokyky, happi ja redoxpotentiaali eli pelkistymispotentiaali (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.
Mikrobiologisten sovellusten operointi tarvitsee rinnalleen tarkkaa seuranta-analytiikkaa. Tyypillisimmät parametrit, joita seurataan niin biovedyn kuin biometaanin tuotannossa ovat mikrobien aineenvaihdunnassa muodostuvat rasvahapot ja alkaliteetti.
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 rasvahappojen taso ja ohjata mikrobiologista prosessia oikeaan suuntaan.
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.
Laboratorion käytössä on neljä lämpökaappia/inkubaattoria ja yksi hehkutusuuni. Lämpökaapit mahdollistavat hallitut lämpötilaolosuhteet ja niitä voidaan käyttää laboratoriossa näytteiden inkubointiin, kuivaukseen, sterilointiin sekä muuhun esikäsittelyyn. Laboratoriossa tyypillisimpiä lämpökaappien käyttökohteita ovat biokaasupanoskokeet, kuiva-aineenpitoisuuden määritykset ja näytteiden kuivaus ennen alkuaineanalytiikkaa. Hehkutusuuni taas soveltuu mm. näytteiden orgaanisen aineksen ja tuhkapitoisuuden määritykseen.
Endecotts Minor 200 -seula soveltuu kuivaseulontaan hiukkaskokoalueella 38 µm–125 mm. Seulan avulla voidaan erotella hienorakenteiset materiaalit eri kokoluokkiin. Laite soveltuu erilaisten sivuvirtojen, maa-ja kiviainesten, lannoitevalmisteiden, siementen, hiekan ja rakennusmateriaalien seulontaan. Maksimi näytteen syöttökapasiteetti on 3 kg.
Retsch PM 100 kuulamyllyllä voidaan jauhaa erilaisia orgaanisia ja epäorgaanisia materiaaleja kuten maaperä- ja kasvinäytteitä, biohiiltä ja hiekkaa. PM 100 -kuulamylly soveltuu pehmeiden, kovien, hauraiden ja kuitumateriaalien hienojakoiseen jauhamiseen. Jauhettavan materiaalin syötteen koko tulee olla alle 10 mm ja näytemäärä on 10–35 ml / jauhinastia.
Sentrifugi Labtech 1580R soveltuu näytteiden eri komponenttien erotteluun niiden tiheyden perusteella.
Labtech 1580R on jäähdyttävä malli, jossa on roottori kahdeksalle 50 ml:n näyteputkelle.
Max. 220 g (d = 0,1 mg), punnitseminen grammoissa 4:n desimaaliin tarkkuudella
(Analyysivaaka)
Max. 81 g / 220 g (d = 0,01 mg / 0,1 mg), punnitseminen grammoissa 5:n desimaalin tarkkuudella
(Analyysivaaka)
Max. 6200 g (d = 0,01 g)
(Yläkuppivaaka / tarkkuusvaaka)
ICP-OES mahdollistaa laitteiston valmistajan mukaan jopa yli 70 alkuaineen määrittämisen. Biolaboratorion määritettävien alkuaineiden repertuaariin kuuluu tällä hetkellä kuvassa olevat 20 eri alkuainetta. 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. Näin näytelaimennosten tarve on minimaalinen.
Näytteitä voidaan mitata seuraavasti:
ICP-OES analytiikkaa soveltuu nestemäisten ja kiinteiden näytteiden analysointiin. Kiinteät näytteet tulee esikäsitellä nestemäiseen muotoon, joka voidaan tehdä mikroaaltomärkäpolttouunilla happohajottamalla.
Kiinteiden näytteiden esikäsittely nestemäiseen muotoon tehdään hajottamalla analysoitava näyte sopivalla hapolla tai happoseoksella mikroaaltomärkäpolttouunin avulla. Orgaaniset näytteet hajotetaan typpihapon avulla ja epäorgaaniset kuningasvedellä eli typpihapon ja suolahapon seoksella. 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. Tämän jälkeen näytteet voidaan vielä suodattaa. Samalla kerralla märkäpoltettavien näytteiden lukumäärä voi olla 1–24.
Elementarin vario MAX cube -analysaattorilla voidaan analysoida kokonaistyppi (TN) ja kokonaishiili (TC) sekä orgaaninen hiili (TOC) ja epäorgaaninen hiili (TIC).
Elementarin vario MAX cubessa on valmiina useita metodeja erilaisille näytematriiseille. Metodi valitaan matriisin sisältämän kosteuden tai orgaanisen aineen mukaisesti. Laitteella voidaan analysoida kiinteitä ja nestemäisiä näytteitä, eikä laitteisto vaadi yleensä erillistä näytteen esikäsittelyä. Hyvin heterogeeniset näytteet voi kuitenkin olla tarpeen jauhaa tasalaatuisemmaksi.
Laitteessa on 90:n upokkaan autosampleri. Näytteiden analysointi tapahtuu teräsupokkaassa ja polttouunissa. Polttouuni koostuu kolmesta pystykolonnista: poltto-, jälkipoltto- ja pelkistyskolonnista. Jälkipoltto tarvitaan varmistamaan näytteen täydellinen palaminen. Laitteessa on automaattinen tuhkan- ja vedenpoisto. Kantajakaasuna käytetään heliumia.
Kasvihuone mahdollistaa maanparannusaineiden, kierrätyslannoitteiden ja kasvualustojen 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 kokeet toteutetaan 3–4 rinnakkaisessa ruukussa. 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 vedenpuhdistuslaitteisto 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) vedenpuhdistuslaitteistolle (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 vedenpuhdistuslaitteisto tuottaa ultrapuhdasta vettä (1,5 l/min) laboratorion tarpeisiin. Korkealaatuista ultrapuhdastavettä (tyyppi 1) käytetään kriittisimmissä sovelluksissa ja edistyneissä analyyttisissa menetelmissä, kuten ICP-OES laitteistossa.
