Рассматривается возможность создания биоводорода из древесных отходов

До сих пор древесные отходы приходилось утилизировать с большими затратами, и в лучшем случае они использовались для выработки энергии на мусоросжигательных заводах. Исследователи Fraunhofer теперь используют этот ценный ресурс для производства биоводорода в регионе Шварцвальд в Германии.

В совместном проекте H2Wood—BlackForest специально разработаны процессы ферментации с использованием бактерий, продуцирующих водород , и микроводорослей для биотехнологического производства этого зелёного энергоносителя. Пилотная установка по производству биоводорода должна быть введена в эксплуатацию уже в 2025 году.

В исследовании, опубликованном в рамках проекта, также рассматриваются потенциалы, барьеры и меры по регенеративному производству водорода из древесных отходов и старой древесины в регионе Шварцвальд.

В регионе Шварцвальд расположено большое количество деревообрабатывающих компаний, в том числе множество производителей мебели. Большое количество древесных отходов образуется при обработке мебели, утилизации поддонов и сносе зданий.

До сих пор эти отходы утилизировались на мусоросжигательных заводах. Поскольку старая древесина часто содержит консерванты, 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 Фраунгофера искать альтернативные способы использования региональных древесных отходов.

Идея заключалась в том, что древесные отходы и старую древесину можно использовать для производства регенеративного водорода, а биоводород можно производить из отходов с использованием биотехнологических процессов, что идеально соответствует принципам циркулярной экономики, основанной на древесине.

Хитрость 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 машиностроению 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 IFF и кампус Шварцвальд.

Процесс производства биоводорода начинается с предварительной обработки старой и отработанной древесины. Сначала древесные отходы, такие как поддоны или старые садовые ограждения, измельчаются и разделяются 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 — процесс, требующий опыта. Здесь мы опираемся на многолетний опыт, накопленный при строительстве нашего завода по переработке лигноцеллюлозы в Лойне», — говорит доктор Урсула Шлиссманн, заместитель директора института Fraunhofer IGB в Штутгарте, отвечающая за координацию проекта и разработку технологий .

Для преобразования полученного сахара в водород исследователи из 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, в процессе производства микроводорослей.

Доктор Шлиссманн объясняет: «Когда древесина фракционируется, древесные волокна освобождаются от лигнина, который, в дополнение к целлюлозе и гемицеллюлозе, составляет от 20 до 30% 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».

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 его 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 CO 2 , являются пищей для микроводорослей и поэтому не попадают в выхлопные газы в качестве вредного парникового газа. Микроводоросли используют его 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.

Биотехнологический процесс с высоким выходом водорода

Партнёры проекта ожидают высокий урожай. Первоначально из одного килограмма старой древесины можно получить около 0,2 килограмма глюкозы. «Затем мы можем производить 50 литров H2 с помощью анаэробных микроорганизмов», — говорит доктор Шлиссманн.

В процессе ферментации с анаэробными бактериями CO2 образуется равными порциями, т. е. по 50%. После отделения водорода от газовой смеси, примерно из двух килограмм CO2 в фотобиореакторе можно получить один килограмм биомассы микроводорослей.

Эта биомасса имеет содержание крахмала до 50%. Она также содержит пигмент лютеин. Побочный продукт биомассы водорослей может быть, например, использован для пластиковых компонентов с помощью бактерий.

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.

Водородная дорожная карта для региона Шварцвальд

В рамках этого проекта Институт Фраунгофера совместно с Институтом промышленного производства и менеджмента IFF проводит исследование с целью определить, как можно удовлетворить местный спрос на зелёный водород в промышленном, транспортном, бытовом и строительном секторах, а также какие объёмы древесных отходов и старой древесины доступны для его производства.

В результате реализации этой водородной дорожной карты были разработаны рекомендации по развитию водородной экономики в регионе Шварцвальд.

Предлагаемые меры включают в себя содействие научным исследованиям и разработкам, расширение региональной водородной инфраструктуры и укрепление интеграции энергетических систем с целью превращения водорода в неотъемлемую часть энергетического перехода.

«Исследование показывает, что регион Шварцвальд обладает значительным потенциалом для производства водорода из местных ресурсов, но этот потенциал может быть полностью использован только путём дальнейшего развития технологий и расширения инфраструктуры», — говорит Владимир Ельшов, научный сотрудник Института Фраунгофера и один из авторов дорожной карты по водороду.

Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК