Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time
تُثبت هذه الدراسة أن الإنتاج المستمر للهيدروجين من غاز التصنيع عبر تفاعل إزاحة غاز الماء بواسطة الوسيط الحيوي في مفاعل الطبقة الرقيقة باستخدام تجمع ميكروبي مشتق من نفايات الطعام هو أمر قابل للتحقيق بكفاءة عالية، شريطة التحكم بدقة في إدارة المغذيات وتراكم الأحماض الدهنية المتطايرة لمنع التثبيط والحفاظ على استقرار تكوين المجتمع الميكروبي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعد الهيدروجين وقوداً نظيفاً يمكنه تشغيل كل شيء، من المصانع إلى السيارات، ولكن إنتاجه اليوم يتطلب عادةً حرق الوقود الأحفوري، مما يبطل الغرض من استخدامه لمكافحة تغير المناخ. ويبحث العلماء عن طرق لإنتاج هذا الناقل للطاقة من النفايات والمصادر المتجددة بدلاً من ذلك. وتتضمن إحدى الطرق الواعدة أخذ خليط غازي يسمى "الغاز الاصطناعي" (syngas)، وهو غني بأول أكسيد الكربون، واستخدام كائنات حية دقيقة لتحويله. تعمل هذه الميكروبات كمصانع بيولوجية، حيث تتغذى على أول أكسيد الكربون وتطلق غاز الهيدروجين كمنتج ثانوي. وتوفر هذه العملية، المعروفة باسم تفاعل "إزاحة غاز الماء" البيولوجي، وسيلة لتحويل غازات النفايات الصناعية إلى طاقة نظيفة دون الحاجة إلى حرارة شديدة أو مواد كيميائية باهظة الثمن. ومع ذلك، فإن الحفاظ على عمل هذه المصانع الميكروبية بسلاسة في تدفق مستمر أمر صعب، حيث يمكن للنواتج الثانوية التي تنتجها أن تسمم في النهاية الكائنات الحية التي تقوم بالعمل نفسه.
سعى الباحثون في جامعة بوروس (University of Borås) ومعاهد RISE للأبحاث في السويد إلى حل هذه المشكلة من خلال بناء مفاعل متخصص مصمم لإبقاء الميكروبات سعيدة ومنتجة على المدى الطويل. لقد استخدموا مجتمعاً طبيعياً من الميكروبات المستخلصة من نفايات الطعام، بدلاً من نوع واحد تم استزراعه بعناً، آملين أن تكون هذه المجموعة المتنوعة أكثر قوة وقدرة على التكيف. قام الفريق بحشو عمود رأسي بقطع من إسفنج البولي إيثيلين، لتوفير سطح تلتصق به الميكروبات، ثم قاموا بتنقيط سائل غني بالمغذيات فوقها بينما يدفعون الغاز الاصطناعي من الأسفل. سمح هذا الإعداد للغاز والسائل بالالتقاء عن كثب، مما منح الميكروبات أفضل فرصة لتناول أول أكسيد الكربون وبصق الهيدروجين. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان بإمكانهم إبقاء هذه العملية مستمرة لعدة أشهر دون توقف النظام بسبب تراكم النواتج الثانوية السامة.
بدأت التجربة بمرحلة تشغيل أولية حيث أضاف الفريق مغذيات مركزة إلى النظام كل أسبوع لتحفيز النشاط الميكروبي. في البداية، عملت الميكروبات بشكل جيد، محولةً كل أول أكسيد الكربون تقريباً إلى هيدروجين. ومع ذلك، مع مرور الأسابيع، بدأ النظام يعاني. واكتشف الباحثون أن الإضافة المتكررة للمغذيات المركزة تسببت في تراكم معادن زهيدة، مثل النحاس، بمستويات أعلى بآلاف المرات من المقصود. وفي الوقت نفسه، بدأت الميكروبات في إنتاج كميات كبيرة من الأحماض الدهنية المتطايرة، وهي نوع من الأحماض العضوية التي يمكن أن تكون ضارة في التركيزات العالية. ومع تراكم هذه الأحماض، انخفض تحويل أول أكسيد الكربون بشكل كبير، وأصبح إنتاج الهيدروجين غير مستقر. أدرك الفريق أنه بينما تحتاج الميكروبات إلى الغذاء، فإن الكثير من الشيء الجيد كان يخل بالتوازن الكيميائي لبيئتها.
لفهم السبب الدقيق الذي أدى إلى تعطل العملية، انتقل الباحثون إلى مرحلة ثانية حيث اختبروا تأثيرات مثبطات محددة. أدخلوا نسخاً اصطناعية من الأحماض الدهنية والإيثانول، وهو نوع من الكحول، إلى المفاعل لمعرفة أيهما كان المسبب الحقيقي. كانت النتائج واضحة: كانت الأحماض الدهورية أكثر ضرراً بكثير من الإيثانول. فعندما أضاف الفريق مستويات عالية من هذه الأحماض، انهار تحويل أول أكسيد الكربون، ولم تستطع الميكروبات التعافي بسرعة حتى بعد إزالة الأحماض. أما الإيثانول فقد كان له تأثير أضعف بكثير، حيث تسبب فقط في انخفاض مؤقت في الأداء. وقد أكد هذا أن تراكم الأحماض الدهنية كان السبب الرئيسي لفشل النظام، وأن مجرد استبدال السائل من حين لآخر لم يكن كافياً للحفاظ على صحة المفاعل.
في المرحلة النهائية، غير الفريق استراتيجيته للتركيز على التحكم في المدة التي يبقى فيها السائل في المفاعل، وهو عامل يُعرف باسم زمن الاحتجاز الهيدروليكي. بدلاً من مجرد إضافة المغذيات بشكل دوري، ضبطوا النظام ليقوم بغسل السائل باستمرار، مما يضمن إزالة النواتج الضارة قبل أن تصل إلى مستويات سامة. كما استبدلوا الميكروبات القديمة وحشوة الإسفنج بمواد جديدة للبدء بصفحة بيضاء. نجح هذا النهج بشكل رائع؛ فمن خلال التحكم في تدفق السائل، حافظ الفريق على بيئة مستقرة حيث لم تتراكم الأحماض الدهورية أبداً إلى مستويات خطيرة. حقق المفاعل معدل تحويل مثالياً، محولاً مائة بالمائة من أول أكسيد الكربون الداخل إلى هيدروجين لمدة اثني عشر يوماً متتالياً. وعند معدل تدفق قدره اثنا عشر ميلي لتر في الدقيقة، أنتج النظام هيدروجين بمعدل 3.2 لتر لكل لتر من حجم المفاعل يومياً، وبعائد قدره 0.66 مول من الهيدروجين مقابل كل مول من أول أكسد الكربون المستهلك.
كما دفع الباحثون النظام إلى أقصى حدوده لمعرفة مقدار الغاز الذي يمكنه التعامل معه. قاموا بزيادة تدفق الغاز الاصطناعي تدريجياً، مع مراقبة دقيقة لمعرفة متى ستفشل الميكروبات في مواكبة الأمر. ظل المفاعل مستقراً وحافظ على التحويل الكامل حتى معدل تدفق 26 ميلي لتر في الدقيقة. وبمجرد دفعهم للتدفق إلى 28 ميلي لتر في الدقيقة، لم يعد بإمكان النظام تحويل كل أول أكسيد الكربون، وبدأ الغاز الزائد يخرج من المفاعل دون معالجة. حدد هذا حداً تشغيلياً واضحاً لهذا الإعداد المحدد. وطوال التجربة بأكملها، لم يتم اكتشاف أي ميثان، مما أكد أن العملية كانت تنتج الهيدروجين حصرياً ولم تنحرف نحو أنواع أخرى من إنتاج الغاز.
وبالنظر إلى العالم المجهري داخل المفاعل، وجد الباحثون أن مجتمع الميكروبات تغير بشكل كبير اعتماداً على كيفية تشغيل المفاعل. في المراحل الأولى، كان النظام يهيمن عليه مجموعة واحدة من البكتيريا، ولكن مع تحول الظروف إلى البيئة المستقرة الخاضعة للتحكم في التدفق في المرحلة النهائية، تولت مجموعة مختلفة زمام الأمور. كانت البكتيريا السائدة الجديدة هي أنواع من جنس Stenotrophomonas و Pseudomonas، والتي كانت نادرة في الخليط الأصلي. وبينما لم يستطع الفريق تحديد أي ميكروبات معينة هي التي تقوم بالعمل الشاق في تحويل الغاز، إلا أن التحول في المجتمع اقترح أن ظروف المفاعل نفسها كانت تختار العمال الأكثر كفاءة. وتخلص الدراسة إلى أن إدارة تدفق السائل لمنع تراكم النواتج الثانوية السامة هو المفتاح لجعل هذه التكنولوجيا تعمل باستمرار. ورغم أن النظام ليس حقيقة تجارية بعد، إلا أن هذا الإثبات للمفهوم يظهر أن استخدام الميكروبات المستمدة من النفايات في مفاعل بسيط وغير معقم هو مسار قابل للتطبيق لإنتاج الهيدروجين النظيف من غازات النفايات الصناعية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.