Điểm cốt lõi của quá trình sinh học là vi khuẩn Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). Loại vi khuẩn này sống ở Trung Phi, sâu trong bùn của hồ Kivu, nơi xa ánh sáng và oxy. Nó tự nhiên có một enzyme đặc biệt, cho phép nó chuyển đổi hydro (H2) và carbon dioxide (CO2) thành axit formic (CH2O2) và ngược lại.
Đặc tính này được nghiên cứu cơ bản bởi nhóm nghiên cứu do GS.TS. Volker Müller, trưởng khoa “Vi sinh phân tử và Năng lượng sinh học” tại đại học Goethe Frankfurt, người mà Festo đang hợp tác chặt chẽ trong dự án này.
Lưu trữ hiệu quả
Ngày nay, lưu trữ và vận chuyển hydro vẫn là một thách thức. Các phương pháp phổ biến nén hydro dưới áp suất cao, hóa lỏng nó ở nhiệt độ cực thấp hoặc chuyển đổi hóa học. Tất cả các quá trình này đều tốn nhiều năng lượng và phức tạp.
Dưới sự trợ giúp của vi khuẩn T. kivui, hydro có thể được chuyển đổi thành axit formic ở nhiệt độ khoảng 65 °C và áp suất thấp 1,5 bar. Sau đó, axit này có thể được lưu trữ và vận chuyển mà không tốn nhiều công sức.
Mặc dù đây là một quá trình sinh học nhưng phản ứng này diễn ra nhanh chóng vì không liên quan đến sự phát triển của tế bào. Hiểu chính xác hơn, vi khuẩn được sử dụng như chất xúc tác: chúng không bị biến mất và quá trình này có thể được lặp lại như mong muốn với đủ các giai đoạn tái tạo - theo ý nghĩa của một vòng tuần hoàn.
“Tại nhiệt độ phòng, sự phát triển của vi khuẩn T. kivui dừng lại. Các tế bào có thể được lưu trữ trong những điều kiện này trong vài năm và có thể được kích hoạt lại bất cứ lúc nào. Việc sử dụng sẽ rất linh hoạt và theo yêu cầu nhờ đặc tính này.”
Tiến sĩ. Adrian Eilingsfeld, dự án Bionic tại Festo
Tự động hóa các tiến trình phức tạp
Những gì trước đây chỉ có thể thực hiện được trong phòng thí nghiệm, giờ đây có thể đạt được trong quy mô công nghiệp với BionicHydrogenBattery. Nhiều sản phẩm từ danh mục Festo đảm bảo tự động hóa các quy trình công nghệ sinh học rất phức tạp.
Tổng cộng có 117 loại sản phẩm Festo khác nhau được trưng bày tại triển lãm (tương đương 1.089 bộ phận). Van cụm VTUX dạng mô đun kết hợp với hệ thống tự động hóa CPX-E điều khiển một số lượng lớn van với yêu cầu không gian thấp. Van môi chất tiện VYKC trong danh mục Lifetech của chúng tôi đảm bảo vận chuyển dung dịch sinh khối nhớt vào và ra khỏi lò phản ứng sinh học một cách suôn sẻ. Dòng chảy đi qua các bộ lọc được điều khiển tự động bằng van ép VZQA. Để định lượng chính xác thể tích chất lỏng nhỏ nhất vào lò phản ứng của chúng tôi, động cơ bước EMMS-ST hoạt động kết hợp với đầu bơm như một bơm nhu động. Một cảm biến màu SOEC kết hợp với siêu hạt sẽ phát hiện cả lượng hydro nhỏ nhất.
Quy trình an toàn
Vi khuẩn T. kivui là loài kỵ khí, nghĩa là chúng chỉ phát triển mạnh khi không có oxy. Trong trường hợp hệ thống bị rò rỉ, vi khuẩn sẽ chết ngay lập tức nên sẽ không gây bất kỳ nguy hiểm nào cho con người. Đồng thời, việc thiếu oxy khiến hydro không thể tạo thành một hỗn hợp dễ cháy. Ngoài ra, hệ thống chỉ chứa một lượng nhỏ chất này tại bất kỳ thời điểm nào.
Từ hydro đến axit formic – và ngược lại
Trải qua hàng triệu năm tiến hóa, vi khuẩn đã tối ưu hóa quá trình trao đổi chất của chúng. Chúng ta có thể khai thác khả năng của chúng bằng cách kết hợp chúng với công nghệ. Với BionicHydrogenBattery, chúng tôi lập bản đồ quy trình sinh học ở quy mô nhỏ, và giờ đây chúng tôi có thể mở rộng quy mô theo ý muốn nhờ công nghệ tự động hóa của mình.
- 1: Nhân giống vi khuẩn T. kivui trong điều kiện tối ưu trong lò phản ứng sinh học.
- 2: Hydro được tạo ra từ nước thông qua quá trình điện phân.
- 3: Vi khuẩn chuyển hóa CO2 và hydro thành axit formic.
- 4: Axit được chiết ra và cho vào một thùng chứa.
- 5: Vận chuyển an toàn axit formic đến nơi tái chuyển hóa.
- 6: Cũng chính vi khuẩn đó phân hủy axit formic trở lại thành các thành phần hydro và CO2.
- 7: Hydro được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện trong pin nhiên liệu.
Giải pháp bền vững cho tương lai
Sinh học nghĩa là: Chúng ta không còn chỉ học hỏi từ thiên nhiên mà còn hợp tác với nó. Bằng cách này, chúng tôi tạo điều kiện cho những đổi mới sinh thái và giải pháp thân thiện với môi trường cho thế giới ngày mai, đồng thời góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của các thế hệ hiện tại và tương lai.
Việc lưu trữ hydro một cách tiết kiệm năng lượng và ít rủi ro với sự trợ giúp của vi khuẩn sẽ mang lại tiềm năng to lớn. Nó cho phép chúng ta sản xuất và lưu trữ hydro khi có đủ năng lượng được tạo ra bền vững - ví dụ: vào mùa hè hay ở những quốc gia có nhiều gió và nắng - và tái tạo nó khi cần thiết để sản xuất năng lượng.
“Bằng cách kết hợp vi khuẩn với công nghệ, chúng ta có thể khai thác khả năng của chúng. Vì vậy, chúng ta không chỉ đơn giản học hỏi từ thiên nhiên mà còn hợp tác với thiên nhiên nữa.
Sebastian Schrof, dự án Bionic tại Festo