De kern van het biologische proces is de bacterie Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). De bacterie leeft in Centraal-Afrika, diep in de modder van het Kivumeer, ver weg van licht en zuurstof. Het heeft van nature een speciaal enzym dat het in staat stelt om waterstof (H2) en kooldioxide (CO2) tot mierenzuur (CH2O2) om te vormen en omgekeerd.
Deze eigenschap werd fundamenteel onderzocht door het team onder leiding van Prof Dr Volker Müller, hoofd van de afdeling "Moleculaire Microbiologie en Bio-energetica" aan de Goethe Universiteit Frankfurt, met wie Festo nauw samenwerkt aan het project.
Efficiënte opslag
De opslag en het transport van waterstof blijft tot op de dag van vandaag een uitdaging. Gebruikelijke methoden comprimeren waterstof onder hoge druk, maken het vloeibaar bij extreem lage temperaturen of zetten het chemisch om. Al deze processen zijn energie-intensief en ingewikkeld.
Met behulp van de bacterie T. kivui is het mogelijk om waterstof bij een temperatuur van ongeveer 65 °C en een lage druk van 1,5 bar om te zetten in mierenzuur, dat met relatief weinig moeite kan worden opgeslagen en vervoerd.
Hoewel het een biologisch proces is, vindt deze reactie snel plaats omdat het niet gekoppeld is aan celgroei. In plaats daarvan worden de bacteriën gebruikt als katalysatoren: ze worden niet opgebruikt en het proces kan zo vaak als nodig worden herhaald met voldoende regeneratiefasen - in de zin van een cyclus.
"Bij kamertemperatuur komt de groei van de bacterie T. kivui tot stilstand. Onder deze omstandigheden kunnen de cellen meerdere jaren bewaard worden en op elk moment gereactiveerd worden. Dit zou ook flexibele inzet op afroep mogelijk maken."
Dr. Adrian Eilingsfeld, Bionische projecten bij Festo
Automatisering van complexe processen
Wat voorheen alleen mogelijk was in het laboratorium, kan nu op industriële schaal worden gerealiseerd met de BionicHydrogenBattery. Veel producten uit het portfolio van Festo worden gebruikt om de zeer complexe biotechnologische processen te automatiseren.
In totaal zijn er 117 verschillende Festo producttypes (wat overeenkomt met 1.089 onderdelen) geïnstalleerd in de tentoonstelling. Zo bestuurt het nieuwe modulaire ventieleiland VTUX in combinatie met het automatiseringssysteem CPX-E een groot aantal ventielen met een kleine voetafdruk. Vloeiend transport van de viskeuze biomassaoplossing in en uit de bioreactoren wordt verzekerd door mediaventielen VYKC uit onze Lifetech-portfolio. Het debiet door de filters wordt geregeld met pinchventielen VZQA. Voor het nauwkeurig doseren van de kleinste vloeistofvolumes in onze reactoren werken stappenmotoren EMMS-ST in combinatie met pompkoppen als slangenpompen. Een kleurensensor SOEC detecteert zelfs de kleinste hoeveelheden waterstof in combinatie met superdeeltjes.
Veilige processen
T. kivui-bacteriën zijn anaeroob, dat wil zeggen dat ze uitsluitend gedijen in afwezigheid van zuurstof. Bij een lekkage in het systeem sterven de bacteriën onmiddellijk en vormen ze dus geen risico voor de mens. Tegelijkertijd maakt de afwezigheid van zuurstof het onmogelijk voor de waterstof om een ontvlambaar mengsel te vormen. Bovendien bevat het systeem op elk moment slechts zeer kleine hoeveelheden.
Van waterstof naar mierenzuur - en weer terug
Gedurende miljoenen jaren evolutie hebben bacteriën hun metabolische processen geoptimaliseerd. We kunnen hun vaardigheden gebruiken door ze te combineren met technologie. Met de BionicHydrogenBattery bootsen we het biologische proces na op kleine schaal, die we nu naar behoefte kunnen opschalen dankzij onze automatiseringstechnologie.
- 1: Vermenigvuldiging van T. kivui-bacteriën onder geoptimaliseerde omstandigheden in een bioreactor.
- 2: Waterstof wordt geproduceerd uit water door elektrolyse.
- 3: Bacteriën zetten CO2 en waterstof om in mierenzuur.
- 4: Het zuur wordt geëxtraheerd en in een vat gegoten.
- 5: Veilig transport van het mierenzuur naar de plaats van reconversie.
- 6: Dezelfde bacteriën breken het mierenzuur weer af in de bestanddelen waterstof en CO2.
- 7: De waterstof wordt in een brandstofcel terug omgezet in elektrische energie.
Duurzame oplossingen voor de toekomst
Biologisering betekent dat we niet langer alleen van de natuur leren, maar ermee samenwerken. Op deze manier maken we ecologische innovaties en klimaatvriendelijke oplossingen mogelijk voor de wereld van morgen en dragen we bij aan het verbeteren van de levenskwaliteit van de huidige en toekomstige generaties.
De energie-efficiënte en risicoloze opslag van waterstof met behulp van bacteriën biedt hier grote mogelijkheden. Het stelt ons in staat waterstof te produceren en op te slaan wanneer er voldoende duurzaam opgewekte energie beschikbaar is - bijvoorbeeld in de zomer of in winderige en zonnige landen - en het terug te winnen wanneer het nodig is voor energieopwekking.
"Door bacteriën te combineren met technologie kunnen we hun capaciteiten benutten. We leren niet langer alleen van de natuur, maar werken samen met de natuur."
Sebastian Schrof, Bionische projecten bij Festo