Author Photo
Медиа «Проводник»

Редакция онлайн-журнала

До сих пор древесные отходы приходилось утилизировать с большими затратами, в лучшем случае они использовались для выработки энергии на мусоросжигательных заводах. Теперь исследователи Общества Фраунгофера используют этот ценный ресурс для производства биоводорода в регионе Шварцвальд в Германии. В совместном проекте H2Wood — BlackForest были специально разработаны процессы ферментации с использованием бактерий, вырабатывающих водород, и микроводорослей для биотехнологического производства этого зеленого энергоносителя. Пилотная установка по производству биоводорода должна быть введена в эксплуатацию уже в 2025 году.

Подробности исследования

Исследование, опубликованное в рамках проекта, также рассматривает потенциалы, барьеры и меры для регенеративного производства водорода из древесных отходов и старой древесины в регионе Шварцвальд.

В регионе Шварцвальд расположено большое количество деревообрабатывающих компаний, включая множество производителей мебели. При обработке мебели, утилизации поддонов и сносе зданий образуется большое количество древесных отходов. До сих пор эти отходы утилизировались на мусоросжигательных заводах. Поскольку старая древесина часто содержит элементы, которые давно запрещены из-за их вредного воздействия на здоровье человека, отработанный газ от процесса сжигания также приходится очищать с большими затратами.

Это побудило исследователей Общества Фраунгофера искать альтернативные способы использования региональных древесных отходов. Идея заключалась в том, что древесные отходы и старая древесина могут быть использованы для производства регенеративного водорода, а биоводород может быть получен из отходов с использованием биотехнологических процессов — в полном соответствии с циклической экономикой на основе древесины. Хитрость заключается в том, что исследователи используют сахар из древесины для производства водорода с помощью бактерий. Полученный CO2 затем используется для выращивания микроводорослей, которые также могут производить водород. Помимо Института Фраунгофера по межфазной инженерии и биотехнологии (IGB) и Института Фраунгофера по производственной инженерии и автоматизации (IPA), в реализации проекта H2Wood — BlackForest, который был инициирован в 2021 году, также участвуют Штутгартский университет с его Институтом промышленного производства и менеджмента и кампус Шварцвальд. Федеральное министерство образования и научных исследований Германии финансирует проект в размере 12 миллионов евро.

Процесс производства биоводорода начинается с предварительной обработки старой и отработанной древесины. Сначала древесные отходы, такие как поддоны или старые садовые ограждения, измельчаются и расщепляются на основные компоненты. Для этого исследователи кипятят древесину под давлением при температуре до 200 °C в смеси этанола и воды. Лигнин, а также клеи, растворители и краски из древесных отходов растворяются в этаноле, отделяя химические загрязнители от древесных волокон.

На следующем этапе фракция древесных волокон, оставшаяся после кипячения, целлюлоза и часть гемицеллюлозы расщепляются на отдельные молекулы сахара (глюкозу и ксилозу), которые служат пищей или субстратом для микроорганизмов, вырабатывающих водород.

«Разделение древесины на фракции — это процесс, требующий опыта. Именно здесь мы опираемся на многолетний опыт, который мы приобрели при строительстве нашего завода по переработке лигноцеллюлозы в Лойне», — говорит доктор Урсула Шлиссманн, заместитель директора Института Фраунгофера IGB в Штутгарте, которая отвечает за координацию проекта и разработку технологий. Для преобразования полученного сахара в водород исследователи Института Фраунгофера IGB разработали два взаимосвязанных процесса ферментации с использованием бактерий, вырабатывающих водород, и микроводорослей.

Побочные продукты на основе углерода, получаемые в дополнение к водороду

Предварительная обработка производит побочные продукты, такие как лигнин, а биотехнологическая конверсия древесины высвобождает водород и CO2. Последний затем преобразуется в побочные продукты, такие как крахмал и каротиноиды во время производства микроводорослей.

Доктор Шлиссманн объясняет каскадный процесс: «Когда древесина фракционируется, древесные волокна освобождаются от лигнина, который, в дополнение к целлюлозе и гемицеллюлозе, составляет от двадцати до тридцати процентов вещества клеточной стенки древесины. Как один из побочных продуктов, этот лигнин имеет множество применений — например, в композитных материалах. Одним из примеров его использования являются автомобильные панели». В то время как длинные молекулы сахарной цепи целлюлозы используются для производства глюкозы, которая добавляется в ферментер с бактериями и служит источником углерода для роста бактерий. Затем бактерии производят водород и CO2. Исследователи отделяют CO2 от газовой смеси и переносят ее в реактор водорослей, фотобиореактор. Микроводоросли способны использовать CO2 в качестве источника углерода и размножаться. В отличие от бактерий, им не нужен сахар. «Продукты метаболизма бактерий, т. е. видимый поток отходов CO2, являются пищей для микроводорослей и, следовательно, не попадают в выхлопные газы как вредный парниковый газ. Микроводоросли используют это для синтеза каротиноидов или пигментов под воздействием света в качестве дополнительных побочных продуктов, которые могут использоваться в различных промышленных секторах». На втором этапе микроводоросли переносятся в специально разработанный реактор, где они выделяют водород посредством прямого фотолиза.

Партнеры проекта ожидают высокий выход: изначально из одного килограмма старой древесины можно получить около 0,2 килограмма глюкозы. «Затем мы можем производить 50 литров H2 с помощью этого, используя анаэробные микроорганизмы», — говорит доктор Шлиссманн. Во время ферментации с анаэробными бактериями CO2 производится равными порциями, т. е. 50 процентов. После того, как водород будет отделен от газовой смеси, примерно два килограмма CO2 в фотобиореакторе могут произвести один килограмм биомассы микроводорослей. Эта биомасса имеет содержание крахмала до 50 процентов. Она также содержит пигмент лютеин. Побочный продукт биомассы водорослей может быть, например, использован для пластиковых компонентов.

Модульно расширяемая пилотная установка с тремя биореакторами в настоящее время находится в стадии строительства. Биоперерабатывающий завод планируется ввести в эксплуатацию в кампусе Шварцвальд в начале 2025 года. В будущем можно будет комбинировать различные этапы процесса модульным способом — идеальная предпосылка для тестирования новых технологий.

Источник: sovmash.com