The biomass potential in Swedish agriculture needs to be used more effectively to produce food, feed and energy in the future and to meet Swedish sustainability goals by 2030. In the project, a biorefinery concept was designed, that consists of the three processes biogas, ley protein and bio-oil. The concept was evaluated with costs and mass balances regionally for Västra Götaland Region. Lab scale trials to produce bio-oil and biogas were also carried out. The results showed that the concept has potential to produce biofuel, protein feed and plant nutrition from agricultural residues and the cultivation of ley and create a high degree of self-sufficiency. However, a more in-depth techno-economic analysis is required as well as an analysis of possible obstacles and bottlenecks. 

The agricultural industry plays a crucial role in transitioning towards a sustainable and fossil-free future. This article explores the potential of biorefineries using biomass from agriculture to reduce emissions and promote self sufficiency. Regarding a concept that integrated anaerobic digestion, grass and legume protein production, and hydrothermal liquefaction. A case study was conducted in the southwestern part of Sweden, involving interviews with a biogas plant and local farmers. The study analyzed the utilization of input goods in agriculture and evaluated the potential of biomass in the area. To assess the potential for farms to become self-sufficient in fuel, protein feed, and plant nutrients. The results show an overall positive outlook of the biorefinery concept. By utilizing 20% of the available biomass in the area can the biorefinery concept annually produce 100 GWh of biogas, 3800 tonnes of grass and legume protein concentrate and 1200 GWh bio-oil. This could theoretically cover 100 % of the need of soy meal, 44% for nitrogen, 50% for phosphorus and 100% for potassium.

Agricultural Biorefinery - combining local and regional scale In order to achieve Sweden's sustainability goals and an increased degree of self-sufficiency, our resources need to be used in an innovative way. Resources that today are classified as residual streams can be used in a smarter way to produce the future's food, feed, fuel and energy. There is a great potential in utilizing agricultural biomasses. In the project, the potential of agriculture to supply ILUC-free feedstock to a local and regional biorefinery concept was calculated and the system was evaluated through mass and energy flow calculations, cost calculations and case descriptions on Vårgårda Herrljunga Biogas Plant (VH Biogas). In addition, practical tests were carried out on bio-oil production from dewatered digestate from participating biogas plants. Quantifications were also carried out of how the concept contributes to more resource-efficient crop cultivation with maintained humus content in soil despite increased removal of biomass from the farm. ...

Wool pellets from unutilized wool on Gotland – a development project with focus on the pelleting process

A large proportion of the wool produced in Sweden is discarded as it cannot be used by the textile industry. Before the wool can be used it must be collected and washed. However, a large quantity of low-quality wool is mixed in with the high-quality wool and thus enter the processing industry when the wool is collected. As it is not usable by the industry, this low-quality wool simply takes up space and lowers the processing speed as it must be separated from the high-quality wool and be discarded, lowering the economic output of the wool processing industry. However, unutilized wool has the potential to be used as a slow-acting fertilizer, soil amendment, or mulch for cultivation purposes. Pelleting is an attractive method of processing biomass into a product that is efficient and easy to handle, transport and use. Pellet presses are commercially available from small farm-scale to large-scale facilities. The aim of the project was to develop and adapt the pelleting technology to work with Swedish wool that cannot be used to produce yarns or other textiles. The goal was to develop methods and technology for pre-treating or disintegrate the wool, adapt the input and pelleting part of the pelleting process to work with low-quality wool and try to optimize the quality of the pellets. Furthermore, the goal was to analyze the plant nutrient value and strength of the pellets produced and create a packaging prototype. During the project, additional goals were added: to automate the process from pre-treatment to packaging as much as possible, and to use literature to determine if the pelletizing process is likely to be sufficient enough to hygenize the wool from weed seeds. An automated production line from wool to finished pellets has been built at Ullkontoret (Sweden’s only full-scale wool washing facility). Coarse and fine shredding, feeding and regulation of feed capacity function well, while the pelleting pressing does not work sufficiently well. Wool pelleting of only low-quality wool proved technologically challenging and neither the modified pellet presses nor the imported wool pellet press worked, despite modifications. In other European countries, this problem is solved by mixing in higher quality wool. Further technological development of wool pelleting is needed to obtain a system that can handle all types of low-quality Swedish wool. Literature studies and nutritional analyses confirm that wool pellets work well as a slow-acting fertilizer (often in mixture due to a very low phosphorus content), but the potential of wool as a soil amendment, mulch and snail repellent requires more studies. Pelleting is probably not enough to hygenize the wool from weed seeds. It is a challenge to produce a packaging that both meets the quality requirements of the product (e.g., maintain the right humidity, preventing odors) and at the same time meets the demands of the type of environmentally conscious consumer who is the main target group for a nature-based product.

Grass-clover ley holds an importance role for a sustainable crop production and is mainly used as feed for ruminants. But ley also contains proteins, if extracted, suitable for monogastric animals such as pigs and poultry. If these proteins are extracted, the degree of self-sufficiency of proteins in Sweden can increase and better resource utilization is achieved. In this study we evaluated the utilization of fresh and ensiled grass-clover ley in a straw-based agricultural biorefinery for producing protein concentrate, ethanol, bio-oil and biogas.

Practical lab scale tests of extraction of high value components for food and feed applications from the liquid fraction after ley pressing were carried out. Pretreatments of the solid fraction prior to ethanol fermentation, bio-oil production using HTL (hydrothermal liquefaction) and biogas production were tested. The system for production and supply of the ley was described and the potential for increased ley production in Sweden was quantified. The environmental and economic efficiency of the proposed biorefinery system was evaluated using environmental systems analysis and technoeconomic assessment.

In terms of system profitability, a high protein yield in the extracted protein concentrate it is important. To achieve that, a thorough pre-treatment using mechanical biomass disintegration before fractioning is crucial. This may need to be done in several steps. Screw pressing is a common technique for fractionating ley into a liquid and solid fraction. Double pressing combined with enzymatic treatments or only water addition during the second pressing stage were found to increase the protein yield compared to single pressing. Second pressing had no effect on the amino acid profile of the protein concentrate.

After pressing fresh ley, heat coagulation or isoelectric precipitation can be used to precipitate protein concentrates in one- or two-step processes to produce protein fractions with different functional properties. Tests showed that it is possible to recover chlorophyll and carotenoids from the ley using supercritical carbon dioxide extraction. which is a suitable method for food applications as toxic organic solvents can be avoided. The ensiling process degrades the protein into smaller peptides or free amino acids which makes ensiled grass less suitable for protein recovery by heat coagulation or isoelectric precipitation. Fresh and ensiled timothy and meadow fescue showed a similar amino acid profile as soybeans.

The initial hypothesis that mechanical pressing may disintegrate the lignocellulosic structure of ley sufficiently to produce a sugar stream with a high concentration of sugar for further fermentation by enzymatic hydrolysis was not confirmed. The content of sugars released after the enzymatic hydrolysis was relatively low. The fibre fraction after the mechanical pressing can be suitable for ethanol production if an additional pretreatment method will be incorporated. Fermentation of pressed and steam-exploded ensiled mixed ley showed promising results. The bio-oils produced with the HTL-process were described of high quality, i.e., high carbon content and low ash content. Although, the obtained materials are not directly integrable in today's refineries, the ensiling did not seem to affect the material's potential for biofuel production. The methane potential tests that were carried out in the project of the liquid residual fraction after protein extraction and after the HTL process showed that both can be suitable for methane production, but they showed great behavior differences.

The results from the environmental system analysis showed that extraction of high-quality products from ley, straw and sawdust according to the studied system reduces climate impact (CO2 eq) when the use of ethanol, bio-oil and biogas replaces fossil fuels, protein concentrate replaces soy as feed and carbon dioxide replaces fossil carbon dioxide. At present, the climate impact from extracted protein concentrate is higher than for soybean meal. Grass source for protein extraction followed by ethanol and bio-oil production as an alternative to straw-based ethanol and bio-oil production did not seem to improve the profitability of the studied biorefinery system. Profitability may be improved if protein extraction is performed the whole all year and not seasonal. Higher prices of the extracted protein concentrate may also improve profitability.

The potential for increased grassland cultivation in Sweden for biorefining was estimated at approximately 3.4 million tonnes grass per year. This included incorporating grassland in the crop rotation in grain-dominated areas, intensification of existing grassland cultivation, utilization of fallow and abandoned arable land for grassland cultivation.

Based on the results and the experience acquired from this project, we suggest an extraction plant for grass-clover ley that operates for both fresh and ensiled grassland all year. The plant needs to be supplemented with more advanced technologies such as membrane filtration for the extraction of amino acids from the ensiled ley during the winter season. The protein extraction plants should be located near farms. The extraction plant is also suggested to be located together with a biogas plant to enable co-digesting residual fractions with manure. Thereby, enabling plant nutrients and minerals in digestate to be returned to arable land. Utilizing the solid fiber fraction for biofuel production with fermentation and HTL in large-scale processes remains promising.

Det finns ett stort intresse att använda halm i bioraffinaderiprocesser för att producera förnybara material, kemikalier och drivmedel, men mängden halm är begränsad och aktuella processer är ofta storskaliga. Målet med detta projekt var att bidra till ökad användning av tillgängliga restströmmar från spannmålsproduktion och därmed bidra till ökad andel inhemsk råvara till den svenska biobaserade industrin. Projektet undersökte tre restströmmar från spannmålsproduktionen: halm, rensverksfraktion (från tröskans rensverk som normalt sprids ut på fältet och inte samlas in) samt avrens från rensmaskiner och aspiratörer på spannmålsmottagningar. Arbetet innefattade att karakterisera olika sorters halm, utvärdera tekniker för att öka insamlingsgraden vid skörd, lagringsförsök samt modellering av leveranssäkerhet och skördestrategier. Ett speciellt fokus var att utvärdera materialet med avseende på biogasproduktion. Den grundläggande karakteriseringen som gjordes av halm och rensverksfraktion från höstvete, korn, havre, höstråg och höstraps visade vissa skillnader i innehåll av cellulosa, hemicellulosa, lignin, oorganiska ämnen samt extraktivämnen, men inga som kunde förklara skillnaderna i metanproduktionen mellan proverna. Råghalm hade den högsta metanproduktionen, medan halm från höstraps hade signifikant lägre metanproduktion än de andra halmsorterna. Metanproduktionen från rensverksfraktionerna visade samma tendens som för halmen. För att försöka hitta förklaringar till den lägre metanproduktionen för halm och rensverksfraktion från höstraps gjordes kompletterande analyser av biomassans struktur och sammansättning. Inga tydliga skillnader i cellullosakristallinitet kunde ses som skulle kunna förklara den lägre biogasproduktionen. De fördjupade analyserna kunde visa att det finns skillnader i ligninstruktur, det skulle dock behöva undersökas vidare om dessa bidrar till skillnaderna i metanproduktionen. En hypotes som inte kunde bekräftas är att höstrapshalmen innehåller glukosinulater som när de bryts ner kan verka hämmande på bakterierna i jäsningsprocessen. Detta behöver utredas vidare i kommande studier. I projektet utvärderades två olika tekniker för att förutom halm även samla in rensverksfraktion och därigenom öka mängden bärgat material. Vid skörd av spannmål samlas kärnan i en tank, medan halmen och övriga överjordiska delar av spannmålsplantan som återstår matas ut efter skördetröskan. Utvärderingen visade att total insamlad mängd biomassa ökade när även rensverksfraktionen samlades in. Även halmbalarnas densitet ökade vid inblandning av rensverksfraktionen i halmen, vilket är fördelaktigt för transporteffektiviteten. Ökningen av insamlad mängd och baldensitet var dock signifikant i endast ett av de två försöken. Mellan 36 % och 41 % av den teoretiskt bärgningsbara mängden biomassa samlades inte in och kan betraktas som förluster i systemet. Vissa av förlusterna går att åtgärda med val av maskiner som är väl anpassade till varandra medan andra kräver ett helt annat skördesystem. Potentialen för utveckling av nya och förbättrade tekniska system som möjliggör att en större andel biomassa kan tillvaratas är därför stor. Tillgången på halm för användning i bioraffinaderier kan även ökas genom att använda halm av olika kvalitet, tex fuktig halm. I tre olika lagringsförsök undersöktes under vilka förutsättningar det finns risk för förluster under aeroba förhållanden. Försöken utvärderades med avseende på effekten på förluster och kvalitet samt metanproduktion. Respirometerförsök genomfördes på halm och rensverksfraktion från höstvete och korn vid två olika vattenaktiviteter (vattenhalter) under ca 2 månader. Resultaten visade att förlusterna hos höstvetehalm troligen kan hållas låga om den lagras vid en vattenhalt under 20-23 %. Kornhalm verkar vara något känsligare och kan behöva vara några procentenheter torrare, medan rensverksfraktionen verkar vara något mer motståndskraftig mot mikrobiell tillväxt. I vetehalm ökade metanpotentialen under lagringen, medan den minskade för halm och rensverksfraktion från korn. Den stora minskningen i metanpotential för kornproverna kan ha orsakats av de högre kvävehalterna och lägre C/N kvot som gynnar mikrobiell aktivitet. Resultaten tyder på att fuktig aerob lagring av vetehalm kan fungera som ett förbehandlingssteg där cellulosanedbrytande mögelsvampar bryter ned cellulosan och därmed gör kolet mer tillgänglig för de metangasproducerande mikroorganismerna. Studien tyder på att denna process går snabbare med kornhalm. Dessa resultat behöver följas upp och fördjupas. Genom att utnyttja lagringstiden till biologisk förbehandling inför användning i bioraffinaderiet kan vi på ett positivt sätt utnyttja faktorer som normalt har negativ inverkan på kvalitet, såsom hög fukthalt och temperatur samt långa lagringstider. I fullskaliga försök som upprepades under två år vid Gasum AB biogasanläggning i Jordberga utvärderades avrenslagring under praktiska förhållande i stora plansilor utan täckning. Lagringsförsöket genomfördes med avrensat material (avrens) från i spannmålshandelns mottagningsanläggningar. Lagringsprocessen övervakades på olika djup genom mätningar av gassammansättning och temperatur och lagringsförlusterna bestämdes. Förlusterna av torrsubstans under lagringen varierade mellan 1,5 och 3 %, dock med undantag från ytprovet år två där förlusterna uppgick till 63 %. De höga förlusterna i ytprovet beror sannolikt på en längre lagringstid i kombination med direkt exponering mot atmosfäriska förhållanden och därmed nederbörd. Detta resulterade i en omfattande tillväxt av mögelsvampar. Metanpotentialen i proverna från ytan var båda åren signifikant lägre (8 % respektive 62 %) än i proverna från inläggningen. Mellan djupare liggande prover fanns ingen signifikant skillnad i metanpotential sinsemellan eller jämfört med inläggningsprovet. Låg vattenhalt, syrefattiga förhållanden och höga temperaturer hämmade mikrobiell tillväxt i djupare liggande prover. Den modelleringsstudie baserad på väderdata som genomfördes med syftet att under-söka hur leveranssäkerheten av halm påverkas av väderleken visade att mängden torr halm som kan bärgas varierar stort mellan år. Andelen av den tillgängliga mängden halm som i genomsnitt över flera år är möjlig att bala (pressningskoefficient) beräknades till 84, 86, 82 och 80 % för Västmanland, Östergötland, Västra Götaland respektive Skåne vid maximalt 18% vattenhalt vid pressning. Den varierade även över skördesäsongen. Den tillgängliga pressningstiden minskade från över 50 % i den andra halvan av juli till under 30 % i de första veckorna i oktober beroende på område. De genomsnittliga andelarna pressad halm varierade för de enskilda grödorna: den var högst för höstvete, ca 90 % för gårdarna belägna i Västmanland, Östergötland och Västra Götaland, och 80 % i Skåne. Andelarna för vårvete var lägst, 67–75 % beroende på område.

All harvestable cereal straw cannot be collected every year in regions where wet periods are probable during the baling season, so some Swedish studies have used 'recovery coefficients’ to estimate potential harvestable amounts. Current Swedish recovery coefficients were first formu-lated by researchers in the early 1990s, after discussions with crop advisors, but there are no recent Swedish publications on available baling times and recovery proportions. Therefore, this study evaluated baling operations over a series of years for representative virtual farms and machine systems in four Swedish regions, to determine the available time for baling, baled straw ratio and annual variation in both. The hourly grain moisture content of pre-harvested cereals and swathed straw was estimated using moisture models and real weather data for 22/23 years, and the results were used as input to a model for simulating harvesting and baling operations. Expected available baling time during August and September was estimated to be 39–49%, depending on region, with large annual variation (standard deviation 22%). The average baling coefficient was estimated to be 80– 86%, with 1400 t·year−1 harvestable straw and 15 t·h−1 baling capacity, and the annual variation was also considerable (s.d. 20%). © 2021 by the authors. 

En ökad tillförsel och avsättning av biomassa är, och har varit, en av de viktigaste strategierna i Sverige för att nå uppsatta klimatmål. En möjlig väg för att utnyttja biomassans fulla potential är att öka samverkan mellan jord- och skogsbruk och tillhörande förädlingsindustri. Exempel på möjliga synergier finns inom logistik, hantering och förbehandling samt i förädlingsprocessen. Det övergripande syftet med detta projekt är att undersöka hur det genom att kombinera flöden från jord- och skogsbruket går att bättre förse den nya framväxande biobaserade industrin med råvara samtidigt som nya affärsmöjligheter skapas för de enskilda jord- och skogsägarna. Målet är att identifiera vilka områden/delar av värdekedjan samt förädlingsprocesser där det finns mest att vinna på flexibel tillförsel av restströmmar från skogen och åkern samt påvisa möjligheter och potentialer. Projektet är tänkt som en förstudie för att identifiera områden att jobba vidare med i fördjupande projekt. Projektet utgjordes av tre delar. En del där biomassapotentialen från jord- och skogsbruk sammanställdes och där olika bioraffinaderiprocesser och möjligheterna att använda olika biomassor i dessa identifierades. En del där de potentiella utmaningar och hinder som måste överbryggas för att möjliggöra dessa nya flöden mot bioraffinaderier kartlades. När hinder och utmaningar kopplande till att skapa en ny integrerad och flexibel råvaruström var identifierade flyttades fokus mot lösningarna och hur man via synergier kan adressera dessa. Den avslutande delen fokuserade på affärsmöjligheter för jord- och skogsbrukaren. Dessa beskrevs genom två case; en flexibel förgasningsanläggning för jord- och skogsrester och ett koncept med biogas kombinerat med HTL. Projektets resultat visade att det finns en stor potential att leverera biomassa i form av restströmmar hos gårdar inriktade mot både jord- och skogsbruk. De största mängderna finns inom skogsbruket där grot står för den största potentialen. Inom jordbrukets växtodling utgör halm den största potentialen och inom mjölkproduktionen står gödseln för en stor potential. Den har dock en hög vattenhalt vilket gör lokal förädling viktigt för att undvika höga transportkostnader. Restströmmarnas lämplighet och möjlighet att användas i de olika processerna utvärderades och sammanställdes med avseende på tekniska förutsättningar och kommersiell mognadsgrad. Som framgår av tabellen nedan är de skogliga sortimenten bäst lämpade för olika termokemiska processer. Även halm ses som en intressant råvara för förgasningsprocesser. Restströmmar från jordbruket lämpar sig för biokemiska tillämpningar, i första hand rötning.

Grain chaff could provide 54.8 Mt of additional annual potential biomass in Europe. In the framework of the AGROinLOG H2020 Project, the chaff collection system developed by Thierart company was tested in Sweden to evaluate the amount of biomass collectible, the harvesting losses and performance, and the economic feasibility of the system. Such system allows to collect the chaff separately onto a trailer. The total residual biomass increased by 0.84 t ha−1 without negatively affecting the performance of the combine. 

Det övergripande syftet med denna studie var att undersöka leveranssäkerheten för halm kopplat till risker på grund av dåliga väderförhållanden vid skörd samt utvärdera regionala skillnader i fyra viktiga odlingsområden i landet. Väderlekens inverkan på halmens vattenhalt i sträng och halmmängd som kunde pressas vid varierande gårdsstorlek, bärgningsperiod och halmmängd undersöktes. Med hjälp av simuleringsmodeller och historiska väderleksdata från 22-23 år beräknades vattenhalten på timbasis för spannmålskärna i den stående grödan och för halm i sträng. Skördetröskning och halmpressning simulerades med en annan modell under samma period, där en kort pressningsperiod till sluten av augusti och en längre period till mitten av september utvärderades. Väderlekens inverkan på pressningsförloppet uppskattades, samtidigt som begränsande och känsliga faktorer identifierades. De årliga pressade halmmängderna beräknades för typgårdar med 100, 300 och 600 ha spannmålsareal, belägna i Västmanland, Östergötland, Västra Götaland och Skåne.