Jedro biološkega procesa je bakterija Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). Bakterija živi v srednji Afriki, globoko v blatu jezera Kivu, daleč od svetlobe in kisika. Naravno vsebuje poseben encim, ki ji omogoča pretvarjanje vodika (H2) in ogljikovega dioksida (CO2) v mravljinčno kislino (CH2O2) in obratno.
To lastnost je temeljito raziskala ekipa pod vodstvom profesorja dr. Volkerja Müllerja, vodje oddelka za molekularno mikrobiologijo in bioenergetiko na Univerzi Goethe v Frankfurtu, s katero Festo tesno sodeluje pri projektu.
Učinkovito shranjevanje
Skladiščenje in prevoz vodika še danes predstavljata izziv. Običajne metode stiskajo vodik pod visokim tlakom, ga utekočinijo pri izjemno nizkih temperaturah ali ga kemično pretvorijo. Vsi ti postopki so energetsko intenzivni in zapleteni.
S pomočjo bakterije T. kivui je mogoče vodik pri temperaturi približno 65 °C in nizkem tlaku 1,5 bara pretvoriti v mravljinčno kislino, ki jo je mogoče skladiščiti in prevažati z razmeroma malo truda.
Čeprav gre za biološki proces, ta reakcija poteka hitro, saj ni povezana z rastjo celic. Namesto tega se bakterije uporabljajo kot katalizatorji: ne porabljajo se in postopek se lahko ponavlja tolikokrat, kolikor je potrebno, z zadostnimi fazami regeneracije – v obliki cikla.
»Pri sobni temperaturi se rast bakterije T. kivui ustavi. Pod temi pogoji lahko celice hranimo več let in jih kadar koli ponovno aktiviramo. To bi omogočilo tudi prilagodljivo uporabo na poziv.«
Dr. Adrian Eilingsfeld, bionični projekti pri družbi Festo
Avtomatizacija kompleksnih procesov
Kar je bilo prej mogoče le v laboratoriju, je zdaj mogoče z BionicHydrogenBattery uresničiti v industrijskem merilu. Številni izdelki iz portfelja družbe Festo se uporabljajo za avtomatizacijo zelo zapletenih biotehnoloških procesov.
Na eksponat je nameščenih 117 različnih vrst izdelkov Festo (kar ustreza 1.089 delom). Novi modularni ventilski otok VTUX v kombinaciji s sistemom za avtomatizacijo CPX-E na primer nadzira veliko število ventilov na majhni površini. Nemoten transport viskozne raztopine biomase v bioreaktorje in iz njih zagotavljajo ventili za medije VYKC iz naše ponudbe Lifetech. Pretok skozi filtre se uravnava s ščipalnimi ventili VZQA. Za natančno doziranje najmanjših količin tekočine v naše reaktorje delujejo koračni motorji EMMS-ST v kombinaciji s črpalnimi glavami kot peristaltične črpalke. Barvni senzor SOEC zazna tudi najmanjše količine vodika v kombinaciji s supra delci.
Varni procesi
Bakterije T. kivui so anaerobne, kar pomeni, da uspevajo izključno brez kisika. V primeru puščanja v sistemu bakterije takoj odmrejo in zato ne predstavljajo tveganja za ljudi. Zaradi odsotnosti kisika vodik ne more tvoriti vnetljive zmesi. Poleg tega je v sistemu vedno le zelo majhna količina.
Od vodika do mravljinčne kisline in nazaj
V milijonih let evolucije so bakterije optimizirale svoje presnovne procese. Njihovo znanje lahko izkoristimo tako, da ga združimo s tehnologijo. Z baterijo BionicHydrogenBattery repliciramo biološki proces v majhnem obsegu, ki ga lahko zdaj po potrebi povečamo zaradi naše tehnologije avtomatizacije.
- 1: Razmnoževanje bakterij T. kivui v optimiziranih pogojih v bioreaktorju.
- 2: Vodik se pridobiva iz vode z elektrolizo.
- 3: Bakterije pretvorijo CO2 in vodik v mravljinčno kislino.
- 4: Kislina se ekstrahira in prelije v posodo.
- 5: Varen prevoz mravljinčne kisline do mesta ponovne pretvorbe.
- 6: Iste bakterije razgradijo mravljinčno kislino nazaj v sestavini vodik in CO2.
- 7: Vodik se v gorivni celici pretvori nazaj v električno energijo.
Trajnostne rešitve za prihodnost
Biologizacija pomeni, da se od narave ne le učimo, temveč z njo tudi sodelujemo. Tako omogočamo ekološke inovacije in podnebju prijazne rešitve za svet prihodnosti ter prispevamo k izboljšanju kakovosti življenja sedanjih in prihodnjih generacij.
Pri tem ima velik potencial energetsko učinkovito shranjevanje vodika s pomočjo bakterij, ki ne predstavlja velikega tveganja. Omogoča nam, da vodik proizvajamo in shranjujemo, ko je na voljo dovolj trajnostno proizvedene energije – na primer poleti ali v vetrovnih in sončnih deželah – ter ga pridobivamo, ko ga potrebujemo za proizvodnjo energije.
»Z združitvijo bakterij in tehnologije lahko izkoristimo njihove zmogljivosti. To pomeni, da se od narave ne le učimo, temveč z njo tudi sodelujemo.«
Sebastian Schrof, bionični projekti pri družbi Festo