Τη μετατροπή αέριων αποβλήτων σε χρήσιμα καύσιμα, μετά από πολλές εργαστηριακές δοκιμές, κατάφεραν επιστήμονες στη Νορβηγία.
Οι ερευνητές χρησιμοποιώντας λεπτές στρώσεις μικροβίων, σε έναν αντιδραστήρα κατάφεραν να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο σε μεθάνιο υψηλής ποιότητας για αγωγούς, ξεπερνώντας το 96% καθαρότητας στο παραγόμενο αέριο.
Σύμφωνα με τα στοιχεία, αυτή η ανακάλυψη μπορεί να οδηγήσει στην αντικατάσταση του φυσικού αερίου από ορυκτά καύσιμα, με μεθάνιο το οποίο θα παράγεται με τον παραπάνω τρόπο και θα είναι επίσης εφικτή η αποθήκευση της πλεονάζουσας ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο τρόπος που παράγεται το μεθάνιο στον αντιδραστήρα
Τα μικρόβια ζουν πάνω σε πλαστικούς φορείς σε έναν αντιδραστήρα τύπου trickle bed. Το αέριο ανεβαίνει μέσα στη στήλη, το υγρό ανακυκλώνεται σε μεγάλη επιφάνεια, και το συγκρατεί την κοινότητα στη θέση της ώστε να μπορεί να λειτουργεί σταθερά.
Ο φλοιός της Γης διαλύεται στα ανοιχτά του Βορειοδυτικού Ειρηνικού – Επιστήμονες κατέγραψαν πώς «πεθαίνουν» οι τεκτονικές πλάκες
Στον πυρήνα της διάταξης, είναι η βιομεθανοποίηση, μια μικροβιακή διεργασία που μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο σε μεθάνιο και νερό.
Οι «σταρ» αυτής της αντίδρασης είναι τα υδρογονοτροφικά μεθανογόνα, μια ομάδα αρχαίων μονοκύτταρων μικροοργανισμών (με δομή παρόμοια με εκείνη των βακτηρίων) που παράγουν μεθάνιο και οι οποίοι αξιοποιούν το υδρογόνο για να απεκδύσουν το οξυγόνου από το διοξείδιο του άνθρακα, αφήνοντας πίσω το μεθάνιο.
Επικεφαλής της προσπάθειας, ήταν ο Δρ.Lu Feng απ’ το Νορβηγικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Βιοοικονομίας (NIBIO). Η ομάδα αξιοποίησε την πολυετή εμπειρία της στην αναερόβια χώνευση, αλλά αυτή τη φορά την εστίασε σε έναν διαφορετικό σκοπό: μετατροπή αερίων ρευμάτων αντί για τη διάσπαση υγρών οργανικών αποβλήτων. Τα αποτελέσματά τους, δημοσιεύτηκαν στο Bioresource Technology.
Τα μικρόβια ζουν σε πλαστικούς φορείς μέσα σε έναν αντιδραστήρα διαβρεχόμενης κλίνης, δηλαδή τύπου «trickle bed». To αέριο απελευθερώνεται προς τα πάνω στη στήλη, το υγρό ανακυκλώνεται σε μια μεγάλη επιφάνεια και το βιοϋμένιο (βιοφίλμ) συγκρατεί την κοινότητα στη θέση της ώστε να μπορεί να λειτουργεί σταθερά.
Μετατροπή του υδρογόνου σε νερό
Το υδρογόνο είναι ελάχιστα διαλυτό στο νερό. Αυτό και μόνο το γεγονός αρκεί για να αναχαιτίσει όλη τη διεργασία, επειδή τα μικρόβια χρειάζονται διαλυμένο H2 για την ολοκλήρωση της χημικής διαδικασίας.
Οι στήλες γεμάτες με υλικό βοηθούν, δημιουργώντας περισσότερες διεπαφές όπου συναντώνται το αέριο και το υγρό. Οι μικρότερες διαδρομές διάχυσης και η συνεχής ανακυκλοφορία διατηρούν το φρέσκο υδρογόνο διαθέσιμο στο βιοφίλμ, ώστε τα μικρόβια να μην μένουν νηστικά.
Οι μηχανικοί προτιμούν τα συστήματα τύπου trickle bed για εξωγενή μεθανοποίηση επειδή μπορούν να επιτύχουν υψηλές συγκεντρώσεις μεθανίου και ισχυρούς ρυθμούς παραγωγής όταν έχουν σχεδιαστεί σωστά.
Βιοφίλμ, αντιδραστήρες και μεθάνιο
Ένα βιοφίλμ δεν είναι απλά μια τυχαία μεμβράνη. Πρόκειται για μια δομημένη μικροβιακή κοινότητα ενσωματωμένη σε μια αυτοδημιούργητη μήτρα που κρατά τα κύτταρα κοντά ώστε να μπορούν να μοιράζονται θρεπτικά συστατικά και να μεταφέρουν ενδιάμεσες ουσίες.
Στα αναερόβια συστήματα, τα βιοφίλμ βελτιώνουν τη διατήρηση των αργά αναπτυσσόμενων μικροοργανισμών και προσδίδουν ανθεκτικότητα σε αιφνίδιες διαταραχές, ένα μοτίβο που συνοψίζεται σε μια ανασκόπηση του 2024.
«Εισάγοντας συγκεκριμένα μικροοργανισμούς παραγωγής μεθανίου στους αντιδραστήρες, καταφέραμε να κατευθύνουμε τη διαδικασία προς μια πιο αποδοτική μετατροπή του CO2», εξήγησε ο Δρ. Feng. «Αυτό δείχνει ότι οι αντιδραστήρες με βιοφίλμ έχουν εξαιρετικές δυνατότητες, αλλά επίσης ότι απαιτείται προσεκτικός έλεγχος για να λειτουργούν άριστα σε βιομηχανική κλίμακα.»
Αποικίες μικροβίων
Όταν το υδρογόνο είναι άφθονο και το διοξείδιο του άνθρακα η πηγή άνθρακα, τα μεθαγόνα που χρησιμοποιούν υδρογόνο τείνουν να αναλαμβάνουν την πρωτοκαθεδρία, ενώ άλλες ομάδες τους υποστηρίζουν ανακυκλώνοντας θρεπτικά συστατικά και σταθεροποιώντας το pH. Τα πειράματα των Νορβηγών, εμπλούτισαν και διατήρησαν αυτούς τους «ειδικούς του υδρογόνου» στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.
Οι φορείς τους έδωσαν μια «μόνιμη διεύθυνση», που βοηθά το σύστημα να επανεκκινεί ύστερα από παύσεις και να αντέχει σε σύντομες διαταραχές στη ροή του αερίου.
Οι κοινότητες που παραμένουν ενωμένες επίσης εξοικονομούν ενέργεια. Τα κύτταρα καταναλώνουν λιγότερη προσπάθεια για να βρουν τροφή, καθώς το βιοφίλμ φέρνει τα αντιδρώντα κοντά τους, και η μήτρα μπορεί να τα προστατεύει από αναστολείς που διαφορετικά θα επιβράδυναν τα ένζυμά τους.
Μίγμα αερίου
Ακόμη και ένας καλός αντιδραστήρας μπορεί να αντιμετωπίσει προβλήματα, αν το μίγμα αερίου δεν είναι σωστό. Όταν τα επίπεδα υδρογόνου είναι πολύ υψηλά, τα πτητικά λιπαρά οξέα μπορούν να συσσωρευτούν και να μειώσουν την απόδοση, ένα μοτίβο που έχει δείξει η προηγούμενη έρευνα.
Η σταθερή λειτουργία εξαρτάται από τη διατήρηση της αναλογίας υδρογόνου προς διοξείδιο του άνθρακα κοντά στις ανάγκες της κοινότητας.
Οι θερμοφιλικές θερμοκρασίες, η σταθερή ανακύκλωση του υγρού και η αποφυγή διαρροών βοηθούν τα μεθανογόνα να ολοκληρώσουν το έργο τους.
H ομάδα των Νορβηγών, ανέφερε πως το μεθάνιο ξεπέρασε 96% χωρίς επιπλέον βήματα καθαρισμού. Το επίπεδο αυτό είναι σημαντικό για τη συμβατότητα με μηχανές, καυστήρες και δίκτυα αερίου απαιτούν συγκεκριμένη ποιότητα.
Μεθάνιο στην ατμόσφαιρα
Η βιομεθανοποίηση τύπου trickle bed είναι κατάλληλη για συμπυκνωμένα αέρια απόβλητα από κλίβανους τσιμέντου, αναερόβιους χωνευτήρες και μονάδες επεξεργασίας λυμάτων.
Ρεύματα διοξειδίου του άνθρακα και περιστασιακά μονοξειδίου του άνθρακα, τα οποία διαφορετικά θα εκλύονταν στην ατμόσφαιρα, μπορούν να μετατραπούν σε καύσιμο σε μια συμπαγή εγκατάσταση (ή σε ένα περιορισμένο χώρο).
Επειδή οι αντιδραστήρες λειτουργούν σε μέτριες θερμοκρασίες και κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση, το ενεργειακό κόστος είναι χαμηλότερο, από πολλά χημικά βήματα καθαρισμού ή διαχωρισμού. Το καύσιμο μπορεί να αποθηκευτεί για εβδομάδες ή μήνες και να διακινηθεί μέσω του δικτύου αερίου.
Υπάρχει επίσης και μια συστημική διάσταση. Η μετατροπή ηλεκτρισμού σε μεθάνιο συνδέει την ηλεκτρική ενέργεια με το αέριο, έτσι ώστε η πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο ή τον ήλιο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου. Στη συνέχεια, το υδρογόνο αυτό μετατρέπεται σε μεθάνιο που μπορεί να αποθηκευτεί, χρησιμοποιώντας το δεσμευμένο CO2.
Η μεταφορά μάζας παραμένει ο καθοριστικός παράγοντας για την απόδοση. Σχεδιασμοί που αυξάνουν την επιφάνεια επαφής, ρυθμίζουν το πάχος της υγρής μεμβράνης ή ενισχύουν τη ροή χωρίς σπατάλη ενέργειας μπορούν να αυξήσουν την παραγωγικότητα του μεθανίου.
Η παροχή θρεπτικών συστατικών δεν είναι δωρεάν. Στοιχεία ιχνοστοιχείων όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο βρίσκονται στις ενεργές θέσεις των βασικών ενζύμων, οπότε οι αντιδραστήρες χρειάζονται μόνο όσα απαιτούνται για τη λειτουργία της «μηχανής», και τίποτα περισσότερο.
Η κλίμακα και η αξιοπιστία είναι η μακροπρόθεσμη πρόκληση. Η εργασία της ομάδας υποδεικνύει πρακτικά «παράθυρα λειτουργίας» για τις αναλογίες αερίων και τις θερμοκρασίες, ενώ η προσέγγιση μέσω του βιοφίλμ προσφέρει σταθερή λειτουργία του αντιδραστήρα, που μπορούν να εμπιστευτούν οι χειριστές.
Παραγωγή μεθανίου σε αντιδραστήρες
Η μετατροπή του CO2 σε μεθάνιο δεν δίνει το ελεύθερο για ρύπανση. Είναι ένας τρόπος ανακύκλωσης των αναπόφευκτων εκπομπών, ενώ εξοικονομείται χρόνος για μεγαλύτερες μειώσεις στη χρήση ορυκτών και για πιο έξυπνο σχεδιασμό διαδικασιών.
Οι περιοχές με αδύναμες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή βαριά βιομηχανία θα μπορούσαν να επωφεληθούν πρώτες. Ο ίδιος εξοπλισμός μπορεί να συνδυαστεί με ηλεκτρολύτες, χωνευτήρες ή μονάδες που παράγουν συνθετικό αέριο από αέρια αποβλήτων ή καύση σκουπιδιών.
Η βασική επιστήμη είναι φορητή. Μια καλά ρυθμισμένη μικροβιακή κοινότητα σε βιοφίλμ, ένας ανθεκτικός αντιδραστήρας και απλή λογική ελέγχου μπορούν να εκπαιδευτούν σε ένα εύρος από ροές αερίων χωρίς εξωτικά υλικά ή πολύπλοκους καταλύτες.