PDF Basket
Fermentacja beztlenowa to naturalny proces rozkładania materii organicznej przez mikroorganizmy. Ma ona ogromny potencjał do wykorzystania, szczególnie w obliczu rosnącej i pilnej potrzeby ograniczenia emisji dwutlenku węgla przez społeczeństwo. Dzięki fermentacji beztlenowej można zapobiegać wyrzucaniu odpadów organicznych na wysypiska, produkować biogaz do napędzania silników, poprawiać stan gleb i ograniczać ulotną emisję metanu, która stanowi obecnie 10 % całkowitej emisji gazów cieplarnianych.
Dlaczego nie jest ona zatem szeroko stosowana? Istnieją dwie poważne trudności, których naukowcom nie udało się jeszcze pokonać. „Pierwsza wynika z faktu, że fermentacja jest zależna od wielu czynników, które należy ściśle kontrolować, ponieważ w przeciwnym razie proces ten będzie niestabilny i niewydajny”, mówi Lin Richen, stypendysta programu „Maria Skłodowska-Curie” z University College Cork w Irlandii. „Kolejna przeszkoda to duża ilość energii i składników odżywczych zawartych w produkcie pofermentacyjnym. Absorpcja takich składników wymaga dużych powierzchni gruntów, a jej niepoprawne przeprowadzenie może doprowadzić do eutrofizacji zbiorników i cieków wodnych”.
Dzięki finansowaniu przyznanemu przez UE w ramach projektu DIET Richen mógł zająć się rozwiązaniem tych kwestii. Pomaga mu w tym Jerry Murphy, dyrektor ośrodka badawczego MaREI wspieranego przez agencję Science Foundation Ireland. Celem prac było zwiększenie wydajności opartego na fermentacji beztlenowej procesu produkcji biogazu. W związku z tym naukowcy rozpoczęli badania nad mechanizmem nazywanym bezpośrednim międzygatunkowym transferem elektronów (ang. Direct Interspecies Electron Transfer, DIET), który umożliwia zmniejszenie rozmiaru komory fermentacyjnej przy zachowaniu tej samej ilości wytwarzanego biogazu.
„Pozwoli to zredukować koszt ekologicznego, odnawialnego gazu. Jednocześnie możliwe stanie się zrealizowanie ambitnego celu Międzynarodowej Agencji Energetycznej zakładającego 20-krotne zwiększenie produkcji biogazu, co przyczyni się do dekarbonizacji światowej gospodarki”, wyjaśnia Richen.
Zbawienne materiały przewodzące
Rozwiązanie opracowane w ramach projektu DIET polega zasadniczo na umieszczeniu w komorze fermentacyjnej materiału przewodzącego prąd elektryczny, takiego jak grafen. Materiał ten umożliwia wymianę elektronów między bakteriami (wytwarzającymi lotne kwasy tłuszczowe) a archeowcami (wytwarzającymi biogaz), co pozwala zmniejszyć ciśnienie cząstkowe wodoru i usprawnić cały proces produkcji biogazu. Jak wyjaśnia Richen: „Reakcje zachodzące między bakteriami i archeowcami podczas rozkładania wilgotnej materii organicznej do biometanu mogą być niewydajne ze względu na nagromadzenie wodoru. Mechanizm DIET może temu zapobiegać”.
W chwili uruchomienia projektu proces DIET był jedynie teorią. Opracowanie sprawdzonego rozwiązania zajęło badaczom dwa lata. W ramach projektu porównano właściwości termodynamiczne układów zawierających materiały przewodzące i ich niezawierających. Przeprowadzono też doświadczenia laboratoryjne, badając wydajność metanową różnych surowców w obu tych scenariuszach.
„Uważamy teraz, że w opartym na grafenie i transferze elektronów modelu można używać różnych substratów (w tym etanolu i glicyny) w zależności od temperatury fermentacji. Twierdzenie to stanowi podstawę teoretyczną, która pozwoli zrozumieć czynniki wpływające na bezpośredni międzygatunkowy transfer elektronów. Rozważania teoretyczne zostały potwierdzone przez wyniki doświadczeń laboratoryjnych, w czasie których uzyskano wyższe tempo wytwarzania metanu i wyprodukowano większą ilość tego gazu”, wyjaśnia Richen.
Gdy jako substratu użyto glicyny, dodanie 1 g/l grafenu pozwoliło zwiększyć szczytowe tempo wytwarzania biometanu o 28 %. Zespołowi projektowemu udało się otworzyć drogę do bardziej wydajnej fermentacji beztlenowej. Kolejne, prowadzone obecnie badania skupiają się na wykorzystaniu tej samej zasady w przypadku zaawansowanych surowców, takich jak wodorosty, i biowęgla uzyskiwanego przez hydrolizę wysokotemperaturową (ang. pyrochar). „Udało nam się już wykazać, że w procesie DIET biowęgiel ten jest niemal tak samo skuteczny jak grafen, przy czym jest 200 razy tańszy”, podsumowuje Richen.