Уникальный биореактор превращает микробов в биогаз и биотопливо

В Техническом университете Дании (DTU) разработали уникальный биореактор. В нём микроорганизмы преобразуют углекислый газ (CO₂) в метан, который можно использовать в качестве биогаза и биотоплива при переходе к «зелёной» экономике. Изобретение — результат широкого сотрудничества специалистов из нескольких областей: биотехнологии, кинетики, реакторостроения, термодинамики и так далее.


Доцент кафедры химической инженерии DTU Хариклия Гавала показала пресс-службе университета стальной цилиндр высотой в несколько метров. Это и есть биореактор, в котором живут миллиарды микроорганизмов, способных превращать CO₂ и синтез-газ в метан, этанол или органические кислоты. То есть микробы создают строительные блоки для производства топлива, химикатов, пластмасс и продуктов питания.


— Хариклия Гавала, доцент кафедры химической инженерии DTU.

Внутри биореактора — кусочки пластика, чтобы обеспечить как можно больше поверхности для роста микробов. Когда в реактор добавляют синтез-газ или CO₂, микроорганизмы начинают превращать эту свою пищу в метан путём ферментации.



Синтез-газ состоит из CO₂, водорода и монооксида углерода и образуется путём газификации биомассы. Сырьём могут служить древесина, солома, сточные воды или пищевые отходы. Хариклия Гавала пояснила, что в биореакторе DTU в метан превращается около 100% CO₂ или синтез-газа, и скорость производства в десять раз выше, чем на обычной биогазовой установке.

Используя различные типы микроорганизмов, можно контролировать, во что будет превращаться CO₂. И хотя Хариклия Гавала видит огромный потенциал именно в метане, в зависимости от начинки реактор также можно использовать для производства этанола или органических кислот.

В обычных биореакторах требуется повышать давление, чтобы молекулы газа перемещались в жидкости с микроорганизмами. А биореактор DTU спроектирован для работы при обычном атмосферном давлении, что делает его более дешёвым и безопасным в эксплуатации.

Даже если процессы выполняются в лабораторном масштабе, нет гарантии, что они будут работать при масштабировании, поскольку микроорганизмы очень чувствительны к изменениям окружающей среды. Преимущество датского биореактора как раз в пригодности для различных целей. Вырабатываемый метан можно превращать в электричество и тепло в газовой турбине. Кстати, Датское энергетическое агентство ожидает, что биогаз составит 70% потребления в стране в 2030 году. Для понимания значительности планов следует отметить, что ещё в 2021 году доля биогаза в трубопроводах датчан составляла лишь 20%, а остальное — природный газ.

Содержание метана в биогазе обычно колеблется в пределах 45–75%. Остальной объём в основном состоит из CO₂, так что биогаз необходимо очищать от CO₂ перед использованием в газовой сети. Чтобы решить эту задачу, в большинстве случаев CO₂ просто выбрасывают в атмосферу. Напротив, биореактор улавливает почти весь углерод и преобразует его в чистый метан.

Хариклия Гавала сказала, что в её лаборатории произвели метан такого качества, что его можно использовать непосредственно в газовой сети.

В качестве биотоплива можно использовать как метан, так и этанол. Например, Швеция — одна из стран ЕС, которая наиболее активно инвестирует в биотопливо для общественного транспорта. Значительная часть шведских автобусов работает на топливе из пищевых отходов, сточных вод и остаточных продуктов бумажной и лесной промышленности. Но типичные биореакторы извлекают из биомассы лишь часть энергии, а изобретение DTU оказалось гораздо эффективнее.

Хариклия Гавала и её коллеги уже протестировали биореактор в масштабе, в 35 раз превышающем лабораторный. И доказали, что процесс может работать в промышленных объёмах, тем самым заинтересовав несколько датских компаний, с которыми провели предварительные переговоры.

Кроме того, в греческой Solmeyea также увидели большой потенциал биореактора и уже подписали соглашения с DTU о коммерческом использовании. Solmeyea производит микроводоросли для фотосинтеза с целью поглощать CO₂ и получать на выходе ряд полезных продуктов — от еды до биотоплива.

До сих пор в Solmeyea выращивали микроводоросли практически как сельхозкультуру. То есть помещали их в большие стеклянные сосуды с водой для размножения под солнечным светом. Используя биореактор DTU, они теперь могут выращивать в 40 раз больше микроводорослей, чем при обычном производстве. Ещё одно преимущество — биореактор занимает гораздо меньше места. Инженер-биотехнолог из Solmeyea Диего Грумбах отметил, что это очень надёжный способ заставить микроводоросли потреблять CO₂, к тому же процесс не зависит от солнечного света.

Используемые сейчас в Solmeyea водоросли производят липиды, которые годятся для продуктов растительного происхождения, альтернативных мясу, рыбе и яйцам. Но долгосрочный план заключается в том, чтобы водоросли также вырабатывали биотопливо и биопластик. Греческая компания уже запустила с этой целью демонстрационную установку, в которой используют датский биореактор.

Диего Грумбах считает, что потенциал технологии для биотоплива даже больше, чем при производстве продуктов питания. Многие виды биотоплива получают из сельхозкультур, конкурируя с пищевым сектором экономики. Вот почему столь перспективен поиск эффективного способа получать биотопливо именно из микроводорослей.