Nhà máy lọc sinh học phục vụ nền kinh tế tuần hoàn của dòng chất thải công nghiệp – Sản xuất hydro xanh.
Bộ trưởng Bộ Môi trường Tiến sĩ Andre Baumann đã khai trương nhà máy trình diễn SmartBioH
2 -BW tại Rheinfelden (Baden). Nhà máy lọc sinh học này được xây dựng tại khu công nghiệp của Evonik như một phần của dự án do Viện Kỹ thuật Giao diện và Công nghệ Sinh học Fraunhofer IGB điều phối. Nhà máy sử dụng nước rửa và vật liệu còn lại được tạo ra trong quá trình sản xuất để sản xuất hydro "xanh" và nguyên liệu thô hữu cơ bằng cách sử dụng hai quy trình công nghệ sinh học kết hợp. Các hoạt động thử nghiệm hiện đang bắt đầu trong điều kiện thực tế.
Chất thải và nước thải là nguồn tài nguyên cho đến nay vẫn ít được sử dụng trên toàn thế giới. Baden-Württemberg muốn thay đổi điều này bằng chương trình tài trợ “Bioeconomy – Biorefineries for the extraction of raw materials from waste and urine – Bio-Ab-Cycling”. Kể từ tháng 10 năm 2021, Bộ Môi trường, Khí hậu và Năng lượng của Baden-Württemberg đã sử dụng tiền nhà nước và tiền từ Quỹ Phát triển Khu vực Châu Âu (ERDF) để hỗ trợ xây dựng các nhà máy lọc sinh học mô-đun nhằm thử nghiệm cách thu hồi nguyên liệu thô chất lượng cao từ chất thải và nước thải bằng cách sử dụng nền kinh tế sinh học bền vững.
Một trong những nhà máy trình diễn được hỗ trợ là nhà máy lọc sinh học của dự án SmartBioH 2 -BW, được khánh thành vào ngày 3 tháng 8 năm 2024 bởi Tiến sĩ Andre Baumann, Bộ trưởng Bộ Môi trường, như một phần trong chuyến công du mùa hè của ông. Nhiều chính trị gia từ Rheinfelden, quận Lörrach và một số thành viên của quốc hội tiểu bang cũng đã có cơ hội đến thăm nhà máy.
Tiến sĩ Baumann , Bộ trưởng Ngoại giao, cho biết:
Chúng ta cần một sự thay đổi xã hội cấp bách – tránh xa việc sử dụng tài nguyên hóa thạch hoặc khan hiếm và hướng tới việc sử dụng vật liệu sinh học hoặc tái chế. Dự án SmartBioH 2 -BW là một ví dụ điển hình về con đường hướng tới tương lai như vậy có thể trông như thế nào.
“Ở đây, các quy trình vốn đã hoạt động riêng lẻ ở quy mô nhỏ được kết hợp và thử nghiệm tại các nhà máy trình diễn và thí điểm. Đây là giai đoạn trung gian quan trọng để các quy trình có thể được sử dụng ở bước tiếp theo tại các thành phố hoặc trong ngành công nghiệp. Bằng cách sử dụng các nhà máy lọc sinh học này, cuối cùng chúng tôi không chỉ bảo vệ khí hậu và tài nguyên của mình mà còn tăng cường khả năng phục hồi của Baden-Württemberg như một địa điểm kinh doanh trong các tình huống khủng hoảng.”
Nhà máy đã có mặt tại cơ sở của Evonik ở Rheinfelden trong vài tuần nay. Evonik Industries AG là một trong những nhà sản xuất hóa chất chuyên dụng lớn nhất thế giới. Tại cơ sở của mình ở phía nam Baden, Evonik sản xuất, trong số những thứ khác, hydrogen peroxide, được sử dụng như một chất khử trùng – ví dụ như cho cốc sữa chua. Điều này, cũng như các quy trình sản xuất khác trong nhà máy, đòi hỏi phải có hydrogen, thứ mà công ty đã sản xuất tại chỗ từ khí đốt tự nhiên trong nhiều thập kỷ.
Hermann Becker , quản lý trang web tại Evonik, cho biết:
Cơ sở Evonik tại Rheinfelden đã thực hiện sứ mệnh thúc đẩy quá trình chuyển đổi xanh trong ngành của chúng tôi.
“Với dự án nghiên cứu chung và nhà máy thí điểm tiên phong, chúng tôi muốn cho thấy cách thực hiện điều này theo tinh thần của nền kinh tế tuần hoàn – hydro sạch thu được từ nước rửa và vật liệu còn sót lại là giải pháp có lợi cho cả môi trường, ngành công nghiệp hóa chất và khoa học.”
Công nghệ sinh học kết hợp thông minh cho nhà máy lọc sinh học
Nhà máy lọc sinh học được thiết kế, lập kế hoạch và xây dựng bởi Viện Kỹ thuật Giao diện và Công nghệ sinh học Fraunhofer IGB tại Stuttgart. Nhà máy bao gồm hai mô-đun quy trình kết hợp để sản xuất hydro theo công nghệ sinh học: quang hợp tối lên men bằng vi khuẩn tím và quy trình hai giai đoạn với vi tảo.
Tiến sĩ Kỹ thuật Ursula Schließmann, phó giám đốc Fraunhofer IGB và là điều phối viên của dự án, cho biết:
Bằng cách kết hợp thông minh hai quy trình này thành một khái niệm nhà máy lọc sinh học kết hợp.
“Có thể sử dụng các luồng chất thải rắn và lỏng công nghiệp phát sinh trong quá trình sản xuất tại địa điểm này và trước đây phải xử lý tốn kém dưới dạng chất thải và nước thải một cách hiệu quả và không phát thải dưới dạng nguyên liệu thô để sản xuất nguồn năng lượng trong tương lai là hydro và các sản phẩm sinh học có giá trị gia tăng khác,”
Bước đầu tiên là điều tra thành phần chính xác của các dòng chất thải tại địa điểm này và liệu các sinh vật có thực sự có thể xử lý được chúng hay không. Các dòng chất thải lỏng tại Rheinfelden bao gồm nước rửa, được sử dụng để vệ sinh các cơ sở sản xuất. Chúng chứa nhiều etanol, một loại cồn. “Có thể nước rửa chứa các chất khác có tác dụng độc hại hoặc ức chế đối với vi khuẩn và tảo siêu nhỏ,”
Do đó, các quy trình này đầu tiên được thử nghiệm riêng biệt tại Fraunhofer IGB trong điều kiện phòng thí nghiệm với các luồng chất thải của Evonik và sau đó được mở rộng lên quy mô lớn hơn.
“Phân tích của chúng tôi cho thấy nước rửa không chỉ chứa ethanol mà còn chứa các loại rượu khác và cặn của các sản phẩm tổng hợp. Tuy nhiên, những thứ này không ảnh hưởng đến sự phát triển của vi khuẩn tím hoặc tảo siêu nhỏ,”
Vào tháng 7 năm 2024, hai mô-đun quy trình sinh học đã được vận chuyển đến nhà máy ở Rheinfelden và đưa vào vận hành. Bây giờ các đơn vị quy trình đã được ghép nối với nhau, các hoạt động trình diễn có thể bắt đầu trong điều kiện thực tế.
Sản xuất hydro bằng quá trình lên men tối của vi khuẩn tím
Ở giai đoạn đầu tiên của nhà máy lọc sinh học, vi khuẩn tím Rhodospirillum rubrum được sử dụng, có thể sản xuất hydro từ nhiều chất nền carbon khác nhau ngay cả khi không có ánh sáng bằng cách sử dụng quang hợp trong bóng tối, một loại lên men mới. Ở Rheinfelden, vi khuẩn tím sử dụng etanol từ nước rửa làm chất nền carbon và nguồn năng lượng.
Để đảm bảo sự phát triển đầy đủ và tổng hợp hydro, thành phần của môi trường lên men phải được điều chỉnh, như đã được trình bày trong phòng thí nghiệm ở Stuttgart. Sau đó, vi khuẩn không chỉ sản xuất hydro mong muốn mà còn sản xuất các sản phẩm hữu ích khác như carotenoid, sắc tố hòa tan trong chất béo cho mỹ phẩm, ví dụ, hoặc polyhydroxyalkanoate (PHA) sinh học - cũng như carbon dioxide (CO 2 ) như một sản phẩm phụ.
Tiến sĩ-Kỹ sư Susanne Zibek , Trưởng phòng Phát triển Quy trình sinh học tại Fraunhofer IGB, cho biết:
Do các enzyme sản xuất hydro của vi khuẩn tím rất nhạy cảm với oxy nên việc kiểm soát chính xác hàm lượng oxy trong quá trình lên men là một thách thức trong quá trình vận hành.
Tảo nhỏ liên kết sản phẩm phụ CO 2
Để tránh phát thải CO 2 vào khí quyển, CO 2 được đưa vào cây tảo siêu nhỏ được kết nối cho mục đích này trong một bước tiếp theo. Điều này là do tảo siêu nhỏ phát triển quang hợp cần CO 2 để xây dựng sinh khối hoặc sản phẩm lưu trữ - giống như cây xanh - và chỉ cần ánh sáng và chất dinh dưỡng.
Tại nhà máy trình diễn SmartBioH 2 , tảo siêu nhỏ thuộc loài Chlorella sorokiniana được nuôi cấy trong lò phản ứng quang sinh học nhỏ gọn được chiếu sáng bằng đèn LED. Lò phản ứng này có đặc điểm là mức độ tự động hóa cao và cung cấp khối lượng lớn trong một diện tích nhỏ. Quy trình được vận hành theo cách mà tảo siêu nhỏ sản xuất tinh bột như một sản phẩm có thể sử dụng được từ CO 2 thu được. Các chất dinh dưỡng cần thiết đến từ một luồng chất thải thứ hai ở Rheinfelden, lần này ở dạng rắn: amoni clorua.
Tảo siêu nhỏ cũng có khả năng sản xuất hydro trong một số điều kiện nhất định. Chúng sử dụng năng lượng ánh sáng để phân tách nước thành hydro và oxy.
Tiến sĩ Ulrike Schmid-Staiger, người đứng đầu bộ phận công nghệ sinh học tảo tại IGB, cho biết:
Để sử dụng quy trình này về mặt kỹ thuật, oxy được tạo ra phải liên tục được loại bỏ khỏi hệ thống vì nó ức chế quá trình sản xuất hydro của các tế bào tảo.
“Một loại lò phản ứng quang sinh học hoàn toàn mới được phát triển cho mục đích này sẽ được tích hợp vào nhà máy lọc sinh học trong vài tuần nữa để tăng thêm sản lượng hydro sinh học tổng thể”, chuyên gia cho biết.
Mô hình quy trình đánh giá
Viện Kỹ thuật Sản xuất và Tự động hóa Fraunhofer đang tham gia vào dự án bằng cách tạo ra một mô hình quy trình có thể dự đoán các đầu vào và đầu ra quan trọng nhất của toàn bộ khái niệm nhà máy lọc sinh học. Mô hình này cũng tạo thành cơ sở cho việc đánh giá sinh thái và kinh tế của nhà máy lọc sinh học.
Edgar Gamero Fajardo từ Fraunhofer IPA, cho biết:
Theo cách này, tiềm năng cải tiến có thể được xác định và sự phát triển của các công nghệ được sử dụng có thể được kiểm soát.
“Dựa trên kinh nghiệm thực tế, chúng tôi có thể xác định liệu một nhà máy ở quy mô công nghiệp có khả thi về mặt kinh tế hay không. Điều quan trọng là chúng tôi đã lập kế hoạch cho mức độ tự động hóa cao để cải thiện năng suất của nhà máy”, Schließmann cho biết. Nhưng chi phí xử lý và vận chuyển tiết kiệm được cũng góp phần vào sự cân bằng chung.
Tài trợ cho dự án
Dự án “SmartBioH 2 -BW – Biohydrogen từ nước thải công nghiệp và các dòng chất thải như một nền tảng cho các con đường tổng hợp sinh học đa dạng” được Bộ Môi trường, Khí hậu và Năng lượng của Baden-Württemberg tài trợ từ tháng 10 năm 2021 đến tháng 10 năm 2024 như một phần của chương trình ERDF “Bioeconomy – Nhà máy lọc sinh học để khai thác nguyên liệu thô từ chất thải và nước thải – Bio-Ab-Cycling”.
Chia sẻ:
