8月3日，環(huán)境國(guó)務(wù)秘書安德烈·鮑曼博士在萊茵費(fèi)爾登(巴登)開設(shè)了SmartBioH2-BW示范工廠。作為弗勞恩霍夫界面工程和生物技術(shù)研究所IGB協(xié)調(diào)項(xiàng)目的一部分，該生物精煉廠在贏創(chuàng)的工業(yè)基地建造。它利用沖洗水和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余物質(zhì)，通過兩個(gè)耦合的生物技術(shù)過程生產(chǎn)“綠色”氫氣和有機(jī)原料。測(cè)試運(yùn)行現(xiàn)已在實(shí)際條件下開始。
廢物和廢水是一種迄今為止在世界范圍內(nèi)很少得到利用的資源。巴登-符騰堡州希望通過資助項(xiàng)目“生物經(jīng)濟(jì)——從廢物和廢水中提取原料的生物精煉廠——Bio-Ab-Cycling”來改變這種狀況。自2021年10月以來，巴登-符騰堡州環(huán)境、氣候和能源部一直在利用國(guó)家資金和歐洲區(qū)域發(fā)展基金(ERDF)的資金支持模塊化生物精煉廠的建設(shè)，以測(cè)試如何利用可持續(xù)生物經(jīng)濟(jì)從廢物和廢水中回收高質(zhì)量的原材料。
該工廠已經(jīng)在贏創(chuàng)位于萊茵費(fèi)爾登的廠房?jī)?nèi)運(yùn)行了幾個(gè)星期。贏創(chuàng)工業(yè)股份有限公司(Evonik Industries AG)是全球最大的特種化學(xué)品制造商之一。贏創(chuàng)在巴登南部的工廠生產(chǎn)過氧化氫等產(chǎn)品，過氧化氫被用作消毒劑，例如酸奶杯。這和工廠的其他生產(chǎn)過程一樣，都需要?dú)錃?，該公司幾十年來一直在現(xiàn)場(chǎng)用天然氣生產(chǎn)氫氣。
生物精煉廠的智能耦合生物技術(shù)
該生物精煉廠由位于斯圖加特的弗勞恩霍夫界面工程和生物技術(shù)研究所IGB設(shè)計(jì)、規(guī)劃和建造。它由兩個(gè)耦合的過程模塊組成，通過生物技術(shù)生產(chǎn)氫，包括：紫色細(xì)菌的發(fā)酵暗光合作用和微藻的兩階段過程。
“通過智能地將這兩個(gè)過程結(jié)合到一個(gè)聯(lián)合生物煉制概念中，將有可能利用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)固體和液體廢物流，這些廢物以前必須進(jìn)行昂貴的處理，并且沒有作為原材料產(chǎn)出，以生產(chǎn)未來的能源氫和其他增值生物基產(chǎn)品，”弗勞恩霍夫IGB副主任兼該項(xiàng)目的協(xié)調(diào)員Schließmann說。
第一步是調(diào)查該地點(diǎn)廢物流的確切組成，以及這些生物是否真的能處理它們。萊茵費(fèi)爾登的液體廢物流包括沖洗水，用于清潔生產(chǎn)設(shè)施。它們含有大量乙醇。“可以想象，漂洗水中含有對(duì)細(xì)菌和微藻具有毒性或抑制作用的其他物質(zhì)，”Schließmann解釋說。因此，首先在弗勞恩霍夫IGB的實(shí)驗(yàn)室條件下，用贏創(chuàng)的廢物流分別測(cè)試了這些過程，然后擴(kuò)大到更大的規(guī)模。
“我們的分析表明，沖洗水中不僅含有乙醇，還含有其他醇類和合成產(chǎn)物的殘留物。然而，這些并不影響紫色細(xì)菌或微藻的生長(zhǎng)，”Schließmann說。
2024年7月，兩個(gè)生物工藝模塊被運(yùn)送到萊茵費(fèi)爾登的工廠并投入運(yùn)行。現(xiàn)在流程單元耦合在一起，可以在實(shí)際條件下開始演示操作。
在生物煉制的第一階段，使用了紫色細(xì)菌紅螺旋菌(Rhodospirillum rubrum)，它可以在沒有光線的情況下，利用一種新的發(fā)酵方式——暗光合作用，從各種碳基質(zhì)中生產(chǎn)氫氣。在萊茵費(fèi)爾登，紫色細(xì)菌利用沖洗水中的乙醇作為碳基質(zhì)和能量來源。
為了確保足夠的生長(zhǎng)和氫的合成，必須調(diào)整發(fā)酵培養(yǎng)基的組成，正如斯圖加特實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明的那樣。然后，細(xì)菌不僅產(chǎn)生令人垂涎的氫，而且還產(chǎn)生其他可用的產(chǎn)品，例如類胡蘿卜素，化妝品的脂溶性色素，或生物塑料聚羥基烷酸酯(PHA)，以及作為副產(chǎn)品的二氧化碳(CO2)。“由于紫色細(xì)菌的產(chǎn)氫酶對(duì)氧氣非常敏感，在發(fā)酵過程中精確控制氧氣含量是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，”Fraunhofer IGB生物工藝開發(fā)負(fù)責(zé)人Susanne Zibek補(bǔ)充道。
微藻結(jié)合副產(chǎn)物CO2
為了避免向大氣中排放CO2，在進(jìn)一步的步驟中，CO2被送入為此目的而連接的微藻工廠。這是因?yàn)楣夂献饔蒙L(zhǎng)的微藻需要二氧化碳來建立生物量或儲(chǔ)存產(chǎn)品——就像綠色植物一樣——而且只需要光和營(yíng)養(yǎng)。
在SmartBioH2示范工廠中，名為小球藻(Chlorella sorokiniana)的微藻在LED照明的緊湊型光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)。該反應(yīng)器的特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，在小面積內(nèi)提供大量的體積。該過程的操作方式是微藻從產(chǎn)生的二氧化碳中產(chǎn)生淀粉作為可用產(chǎn)品。所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來自萊茵費(fèi)爾登的第二種廢物流，這次是以固體形式存在的：氯化銨。
微藻在一定條件下也能產(chǎn)生氫氣。它們利用光能將水分解成氫和氧。IGB藻類生物技術(shù)負(fù)責(zé)人Ulrike Schmid-Staiger博士解釋說：“為了從技術(shù)上使用這個(gè)過程，產(chǎn)生的氧氣必須不斷地從系統(tǒng)中去除，因?yàn)樗种屏嗽孱惣?xì)胞的產(chǎn)氫效率。為此目的開發(fā)的一種全新的光生物反應(yīng)器將在幾周內(nèi)集成到生物精煉廠中，以進(jìn)一步提高生物氫的總體產(chǎn)量。”
