Rdzeniem procesu biologicznego jest bakteria Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). Bakteria żyje w Afryce Środkowej, głęboko w błocie jeziora Kivu, z dala od światła i tlenu. Naturalnie posiada specjalny enzym, który pozwala jej przekształcić wodór (H2) i dwutlenek węgla (CO2) w kwas mrówkowy (CH2O2) i odwrotnie.
Właściwość ta została zbadana przez zespół kierowany przez prof. dr Volkera Müllera, kierownika wydziału "Mikrobiologii molekularnej i bioenergetyki" na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, z którym Festo ściśle współpracuje przy tym projekcie.
Efektywne przechowywanie
Magazynowanie i transport wodoru do dziś pozostaje wyzwaniem. Powszechnie stosowane metody polegają na sprężaniu wodoru pod wysokim ciśnieniem, skraplaniu go w ekstremalnie niskich temperaturach lub jego chemicznej konwersji. Wszystkie te procesy są energochłonne i skomplikowane.
Za pomocą bakterii T. kivui możliwe jest przekształcenie wodoru w temperaturze około 65 °C i pod niskim ciśnieniem 1,5 bara w kwas mrówkowy, który może być magazynowany i transportowany przy stosunkowo niewielkim wysiłku.
Chociaż jest to proces biologiczny, reakcja ta zachodzi szybko, ponieważ nie jest związana ze wzrostem komórek. Zamiast tego bakterie są wykorzystywane jako katalizatory: nie są zużywane, a proces może być powtarzany tak często, jak jest to wymagane, z wystarczającymi fazami regeneracji - w sensie cyklu.
"W temperaturze pokojowej wzrost bakterii T. kivui zatrzymuje się. W takich warunkach komórki mogą być przechowywane przez kilka lat i reaktywowane w dowolnym momencie. Użytkowanie może być bardzo konfigurowalne i na żądanie."
Dr Adrian Eilingsfeld, Bionic Projects w Festo
Automatyzacja złożonych procesów
To, co wcześniej było możliwe tylko w laboratorium, może być teraz realizowane na skalę przemysłową dzięki BionicHydrogenBattery. Wiele produktów z portfolio Festo jest wykorzystywanych do automatyzacji bardzo złożonych procesów biotechnologicznych.
Łącznie w eksponacie zainstalowano 117 różnych typów produktów Festo (odpowiadających 1089 częściom). Na przykład, nowa, modułowa wyspa zaworowa VTUX w połączeniu z systemem automatyzacji CPX-E steruje dużą liczbą zaworów przy niewielkim zapotrzebowaniu na przestrzeń. Zawory z separacją mediów VYKC, należące do serii Lifetech, zapewniają płynny transport lepkiego roztworu biomasy do i z bioreaktorów. Przepływ przez filtry jest regulowany za pomocą zaworów zaciskowych VZQA. W celu precyzyjnego dozowania najmniejszych objętości cieczy do reaktorów, silniki skokowe EMMS-ST działają w połączeniu z głowicami pomp jako pompy perystaltyczne. Czujnik koloru SOEC połączeniu z supercząsteczkami wykrywa nawet najmniejsze ilości wodoru.
Bezpieczne procesy
Bakterie T. kivui są beztlenowe, tj. rozwijają się wyłącznie przy braku tlenu. W przypadku wycieku w systemie, bakterie giną natychmiast i nie stanowią zagrożenia dla ludzi. Jednocześnie brak tlenu uniemożliwia wodorowi utworzenie mieszaniny zapalnej. Co więcej, system zawiera tylko bardzo małe jego ilości w danym momencie.
Od wodoru do kwasu mrówkowego - i z powrotem
Przez miliony lat ewolucji bakterie zoptymalizowały swoje procesy metaboliczne. Możemy wykorzystać ich umiejętności, łącząc je z technologią. Dzięki BionicHydrogenBattery replikujemy proces biologiczny na małą skalę, który możemy teraz skalować zgodnie z wymaganiami dzięki naszej technologii automatyzacji.
- 1: Namnażanie bakterii T. kivui w zoptymalizowanych warunkach w bioreaktorze.
- 2: Wodór jest wytwarzany z wody w procesie elektrolizy.
- 3: Bakterie przekształcają CO2 i wodór w kwas mrówkowy.
- 4: Kwas jest ekstrahowany i przelewany do pojemnika.
- 5: Bezpieczny transport kwasu mrówkowego do miejsca konwersji.
- 6: Te same bakterie rozkładają kwas mrówkowy z powrotem na jego składniki: wodór i CO2.
- 7: Wodór jest przekształcany z powrotem w energię elektryczną w ogniwie paliwowym.
Zrównoważone rozwiązania na przyszłość
Biologizacja oznacza, że nie uczymy się już tylko od natury, ale współpracujemy z nią. W ten sposób umożliwiamy ekologiczne innowacje i przyjazne dla klimatu rozwiązania dla świata jutra oraz przyczyniamy się do poprawy jakości życia obecnych i przyszłych pokoleń.
Energooszczędne, pozbawione ryzyka magazynowanie wodoru przy użyciu bakterii oferuje ogromny potencjał. Pozwala nam produkować i magazynować wodór, gdy dostępna jest wystarczająca ilość energii wytwarzanej w sposób zrównoważony - na przykład latem lub w wietrznych i słonecznych krajach - oraz odzyskiwać go, gdy jest potrzebny do wytwarzania energii.
"Łącząc bakterie z technologią, możemy wykorzystać ich możliwości. Już teraz nie tylko uczymy się od natury, ale także z nią współpracujemy".
Sebastian Schrof, Bionic Projects w Festo