Fermentacja beztlenowa, wodór, minerał o nazwie wollastonit i dwutlenek węgla zamieniany w węglan wapnia. Czy takie połączenie brzmi zbyt egzotycznie, aby było prawdziwe? Chińscy naukowcy udowodnili, że wcale nie.
Fermentacja beztlenowa zastąpi energożerną elektrolizę wody?
W ramach fermentacji beztlenowej mikroorganizmy rozkładają materię organiczną bez dostępu tlenu i bez udziału światła, a jednym z produktów tego procesu jest właśnie wodór. W teorii wygląda to bardzo dobrze, bo oto mamy odpady organiczne, mamy proces biologiczny o relatywnie niskim zapotrzebowaniu energetycznym i finalnie mamy gaz, którego da się wykorzystać jako nośnik energii albo surowiec przemysłowy. Problem w tym, że biologia rzadko działa tak czysto, jak chcieliby naukowcy.
Czytaj też: Nowy język projektowania elektroniki jutra? Naukowcy zbudowali istny molekularny warsztat
W trakcie fermentacji powstają lotne kwasy tłuszczowe, a ich nagromadzenie obniża pH reaktora. W pewnym momencie środowisko staje się zbyt kwaśne dla mikroorganizmów produkujących wodór. Wtedy proces zwalnia albo zmienia kierunek, kiedy to np. metabolizm może uciekać w stronę mleczanów. Do tej pory typową odpowiedzią na ten problem było korygowanie pH alkalicznymi dodatkami, ale jest to rozwiązanie toporne. Trzeba je dawkować, można doprowadzić do lokalnych skoków pH i zwiększyć zasolenie układu, a sam dodatek nie robi nic więcej poza gaszeniem pożaru.
Dla mnie właśnie tu zaczyna się ciekawszy fragment tej historii, bo oto chiński zespół nie próbował tylko “podlać” fermentacji chemią. Zamiast tego sięgnął po minerał, który reaguje z problemem w bardziej samoregulujący sposób.
Wollastonit niczym bat na fermentację beztlenową
Wollastonit, czyli krzemian wapnia CaSiO3, to naturalny minerał, który w kwaśnym środowisku stopniowo się rozpuszcza. Kiedy więc w fermentorze zaczynają gromadzić się kwasy, wollastonit zużywa protony i uwalnia jony wapnia. W praktyce działa więc jak bufor pH, ale nie jak gwałtowny zastrzyk zasady, tylko raczej jak mineralny amortyzator. System sam dostaje tym samym większe wsparcie wtedy, gdy środowisko zaczyna robić się bardziej kwaśne.
Wedle badania optymalna dawka dla produkcji wodoru wyniosła 10 g/L. Przy takim dodatku czas opóźnienia produkcji wodoru skrócił się z 23,13 godziny do 12,38 godziny, a uzysk wzrósł ze 158,11 ml na gram zużytej glukozy do 210,75 ml na gram zużytej glukozy, co daje wzrost o około 33 procent. Jednocześnie zmieniła się mikrobiologia procesu, bo większą rolę zaczęły odgrywać bakterie Clostridium, a mniejszą Lactobacillus, co przesunęło metabolizm z mniej korzystnej ścieżki mleczanowej w stronę syntezy octanów.
Czytaj też: Tak wygląda walka z niewidzialnym przeciwnikiem. Wykazali, że powietrze potrafi uderzyć jak ściana
Na tym jednak nie kończy się rola wollastonitu, bo tego typu bio-wodór ma jeszcze jeden problem, kiedy pochodzi z takiej fermentacji – nie jest czystym wodorem. Towarzyszy mu sporo dwutlenku węgla, który trzeba później usuwać, jeśli proces ten ma zapewnić gaz o wyższej zawartości wodoru. Oznacza to więc separację, dodatkowy sprzęt, energię i koszty. Tutaj wollastonit dokłada drugi mechanizm. Uwalniane z niego jony wapnia mogą reagować z dwutlenkiem węgla i prowadzić do powstawania węglanu wapnia. Innymi słowy, część dwutlenku węgla nie musi być tylko oddzielana z mieszaniny gazów, lecz może zostać związana mineralnie.
Podobny sposób myślenia widać przy przyspieszonym wietrzeniu skał i pochłanianiu CO2 przez minerały. Tam również sednem nie jest futurystyczna maszyna, lecz chemia skał, jonów i węglanów. Różnica polega na tym, że w chińskim badaniu mineralizacja została spięta z reaktorem fermentacyjnym, a więc z miejscem, w którym dwutlenek węgla i tak powstaje.
Wodór potrzebuje właśnie takich usprawnień
W badaniach wyszło, że tego typu pomysł dręczy ciekawy konflikt między dwoma celami, które pozornie powinny iść w parze. Dawka 10 g/L wollastonitu najlepiej wspierała produkcję wodoru, ale najskuteczniejszy wychwyt dwutlenku węgla pojawiał się dopiero przy wyższych dawkach, bo od 15 g/L wzwyż. Problem w tym, że warunki korzystne dla mineralizacji nie były już równie dobre dla samej produkcji wodoru. Chiński zespół rozwiązał to przez podejście dwustopniowe całego procesu. Najpierw przeprowadzał fermentację przy optymalnej dawce 10 g/L, a dopiero później przeprowadzał korektę pH do 7,0, aby wymusić karbonatyzację. W takim wariancie udało się wychwycić 0,49 litra dwutlenku węgla na litr medium, a zawartość wodoru w końcowym biogazie wzrosła do 58,2 procent. Chińczycy potwierdzili też, że dwutlenek węgla został zmineralizowany jako kalcytowa forma węglanu wapnia.
Czytaj też: Jak tu nie uwielbiać Słońca? Teraz stało się niszczarką do plastiku i źródłem paliwa przyszłości
Dlatego właśnie patrzę na ten eksperyment nie jak na byle nową ciekawostkę o “lepszej fermentacji i produkcji wodoru”, ale jak na przykład myślenia, którego dziś to paliwo przyszłości bardzo potrzebuje. Przyszłość wodoru nie będzie bowiem zależeć wyłącznie od wielkich elektrolizerów, nowych zbiorników i coraz większych instalacji przemysłowych. Nie sądzę wprawdzie, żeby bio-wodór z wollastonitem nagle stał się nowym standardem, ale dobrze słyszeć, że takie badania próbują odpowiedzieć na pytanie, jak produkować ten wodór taniej, stabilniej i z mniejszym ogonem emisyjnym. Jeśli fermentacja beztlenowa ma wyjść poza rolę interesującego procesu biologicznego, będzie potrzebowała właśnie takich rozwiązań – mało efektownych, ale chemicznie i procesowo sensownych.
Źródła: Chemical Engineering Journal, Interesting Engineering
