Theoretisch methaanpotentieel: de formules van Buswell en Boyle met rekenvoorbeelden

Het theoretische methaanpotentieel is de maximale hoeveelheid CH₄ die uit een bepaald organisch materiaal kan worden verkregen, indien dit volledig wordt omgezet in methaan en koolstofdioxide. Dit wordt berekend met de formule van Buswell en, na correctie voor stikstof en zwavel, met de formule van Boyle. Het resultaat vormt een bovengrens, geen voorspelling: het werkelijke BMP is lager, omdat een deel van het substraat (bijv. lignine) niet onderhevig is aan anaërobe afbraak en een deel van de koolstof wordt gebruikt voor de opbouw van microbiële biomassa.

Formule

Voor materiaal met de brutoformule CcHhOoNnSs verloopt de afbraak volgens de vergelijking:

CcHhOoNnSs + (c − h/4 − o/2 + 3n/4 + s/2) H₂O → (c/2 + h/8 − o/4 − 3n/8 − s/4) CH₄ + (c/2 − h/8 + o/4 + 3n/8 + s/4) CO₂ + n NH₃ + s H₂S

Het molaire volume van een ideaal gas onder normale omstandigheden (0 °C, 101,325 kPa) bedraagt 22,414 l/mol. Het rendement in NmL CH₄/g wordt berekend als: (aantal mol CH₄ × 22 414) / molaire massa substraat [g/mol]. Het aandeel CH₄ in het theoretische biogas bedraagt CH₄ / (CH₄ + CO₂).

Voorbeeld 1: glucose (C₆H₁₂O₆, 180,16 g/mol)

CH₄: 6/2 + 12/8 − 6/4 = 3 + 1,5 − 1,5 = 3 mol; CO₂: 3 mol. Aandeel CH₄ = 50%. Rendement = 3 × 22 414 / 180,16 ≈ 373 NmL CH₄/g.

Voorbeeld 2: model-eiwit (C₅H₇NO₂, 113,12 g/mol)

CH₄: 2,5 + 0,875 − 0,5 − 0,375 = 2,5 mol; CO₂: 2,5 mol; rendement = 2,5 × 22 414 / 113,12 ≈ 495 NmL CH₄/g, aandeel CH₄ 50%. Stikstof gaat over in ammoniak (1 mol NH₃ per mol), wat niet in het gas voorkomt, maar de pH en het gehalte aan ammoniumstikstof in de vergister verhoogt.

Voorbeeld 3: vet (trioleïne C₅₇H₁₀₄O₆, 885,4 g/mol)

CH₄: 28,5 + 13 − 1,5 = 40 mol; CO₂: 28,5 − 13 + 1,5 = 17 mol; aandeel CH₄ ≈ 70%. Rendement = 40 × 22 414 / 885,4 ≈ 1 013 NmL CH₄/g.

Voorbeeld 4: biomassa met bekende elementaire samenstelling

Aannames (illustratief, per 100 g VS): C 48 g, H 6,5 g, O 40 g, N 2 g; overige elementen verwaarloosd. Aantal mol: C 4,00; H 6,5; O 2,5; N 0,143. CH₄ = 4/2 + 6,5/8 − 2,5/4 − 3 × 0,143/8 = 2,000 + 0,8125 − 0,625 − 0,054 ≈ 2,13 mol; rendement ≈ 2,13 × 22 414 / 100 ≈ 478 NmL CH₄/g VS. Aandeel CH₄ in het gas: 2,13 / 4,00 ≈ 53%. Indien uit analyses een andere samenstelling blijkt, verandert het resultaat navenant — daarom is een betrouwbare elementanalyse zo belangrijk.

Alternatief: CZV

Indien het chemisch zuurstofverbruik (CZV) in g O₂/g VS bekend is, kan de volgende relatie worden gebruikt: 1 g CZV ≈ 350 NmL CH₄ (ca. 0,35 l CH₄ per g CZV onder normale omstandigheden). Deze methode is eenvoudig, maar gaat uit van volledige omzetting van CZV in methaan en levert daarom een bovengrenswaarde op.

Interpretatie: afbreekbaarheid

Afbreekbaarheidsindex = gemeten BMP / theoretisch BMP. Voor goed afbreekbare substraten (suikers, vetten) is deze doorgaans hoog, voor lignocellulosehoudende substraten duidelijk lager. Dit is een belangrijke aanwijzing of voorbehandeling zinvol is. Een lage verhouding kan het gevolg zijn van:

• lignine en andere resistente fracties,
• inhibitie in de test (te hoge substraatdosering, verzuring),
• verbruik van een deel van de koolstof voor biomassa,
• gasverlies of meetfout.

Beperkingen van de methode

Checklist voor gebruik

1. Bepaal de samenstelling C, H, O, N, S (elementanalysator) en VS van hetzelfde monster.
2. Reken om naar mol, pas de formule toe en vermeld de aannames (normale omstandigheden, molair volume).
3. Vergelijk met BMP; noteer de verhouding.
4. Bij een BMP-waarde boven de theoretische waarde — zoek naar een fout.
5. Houd er rekening mee dat de formule een test niet vervangt: deze dient ter controle van de plausibiliteit en voor een eerste schatting.

Een goede praktijk in onderzoeksrapporten is het vermelden van beide waarden naast elkaar — dit stelt de lezer in staat te beoordelen welk deel van het potentieel is gerealiseerd.

Toepassing bij het plannen van een mix

Voor een mengsel van substraten kan het theoretische potentieel worden berekend als het gewogen gemiddelde per VS van elke component, mits de elementaire samenstelling ervan bekend is. Een dergelijke berekening is nuttig bij de beoordeling of het opgegeven rendement van een installatie de fysieke grenzen niet overschrijdt. Als de methaanproductiebalans van een gehele biogasinstallatie, gerelateerd aan de gedoseerde VS, de theoretische waarde benadert, is er een fout in de gegevens (bijv. bij het wegen van substraten of het meten van het gas). In de praktijk liggen de technische rendementen duidelijk onder de theoretische bovengrens.