Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris

Biogas is een hernieuwbare brandstof die ontstaat wanneer bacteriën organisch afval, zoals voedselresten of mest, afbreken in de afwezigheid van zuurstof. Het is een veelbelovende energiebron omdat het methaan, een krachtig broeikasgas, opvangt en omzet in iets nut kindigs. De ruwe gassen die bij dit proces vrijkomen, bevatten echter vaak een aanzienlijke hoeveelheid waterstofsulfide, een giftig en corrosief gas dat ruikt naar rotte eieren. Deze onzuiverheid is gevaarlijk voor de menselijke gezondheid, beschadigt de metalen leidingen en motoren die worden gebruikt om de brandstof te verbranden, en verslechtert de kwaliteit van de energie. Traditioneel vereist het verwijderen van dit zwavel de inzet van harde chemicaliën of dure filters die hun eigen afvalproblemen creëren. Wetenschappers zoeken al lang naar een mildere, biologische manier om dit gas te reinigen, in de hoop een micro-organisme te vinden dat het gif kan eten en in iets onschadelijks of zelfs waardevols kan veranderen.

In een recente studie onderzochten onderzoekers of een specifiek type paarse bacteriën, bekend als Rhodopseudomonas telluris, deze dubbele taak kon uitvoeren. Deze bacteriën komen van nature voor in omgevingen zoals afvalwaterreservoirs en hebben het unieke vermogen om licht als energie te gebruiken terwijl ze zwavelverbindingen consumeren. Het team wilde zien of zij deze microbe konden trainen om waterstofsulfide uit biogas te scrubben en, in dat proces, nuttige biologische materialen te produceren. In plaats van alleen het gas te reinigen, was het doel om te zien of de bacteriën de afvalzwavel konden transformeren naar hoogwaardige producten zoals pigmenten en biologisch afbreekbare plastics, waardoor een vervuiler effectief in een hulpbron werd omgezet.

De onderzoekers begonnen met het isoleren van een stam van de bacteriën en het kweken ervan in een laboratoriumsetting. Ze plaatsten de microben in containers gevuld met een nutriëntenrijke vloeistof en introduceerden vervolgens kleine, gecontroleerde pulsen van biogas die waterstofsulfide bevatten. Het experiment duurde bijna twee weken, gedurende welke het team de gasniveaus, de zuurgraad van de vloeistof en de gezondheid van de bacteriële cultuur zorgvuldig heeft gemonitord. Ze ontdekten dat de bacteriën inderdaad in staat waren om de waterstofsulfide te eten. Gedurende het experiment verwijderde de cultuur in totaal ongeveer 2.917 parts per million van het gas. Dit was geen onbeduidende hoeveelheid; het vertegenwoordigde ongeveer 35 procent van de totale toegevoegde zwavel, wat bewees dat de bacteriën de toxine actief metaboliseerden in plaats van dat het simpelweg verdween of aan de wanden van de container bleef plakken.

Terwijl de bacteriën het zwavel consumeerden, vernietigden ze het niet alleen; ze transformeerden het. De studie detecteerde een aanzienlijke ophoping van sulfaat in de vloeistof, wat aangeeft dat de bacteriën de waterstofsulfide volledig hadden geoxideerd. Dit proces is cruciaal omdat sulfaat een stabiele, niet-giftige vorm van zwavel is die geen apparatuur corrodeert of het milieu schaadt. De bacteriën gedijden het best wanneer de vloeistof licht zuur tot neutraal bleef, specifiek tussen een pH van 6,0 en 7,0. Wanneer de omgeving te zuur werd, onder de pH van 5,5, vertraagden de bacteriën en stopten ze uiteindelijk met groeien, wat suggereert dat het behouden van de juiste chemische balans essentieel is om het proces efficiënt te laten verlopen.

Tijdens het reinigen van het gas gingen de bacteriën ook aan het werk met het opbouwen van waardevolle interne structuren. De cultuur kreeg een dieprode kleur, een visueel teken dat de microben carotenoïden en bacteriochlorofyl produceren. Dit zijn natuurlijke pigmenten die de bacteriën helpen lichtenergie op te vangen en hen beschermen tegen schade. De onderzoekers maten deze pigmenten en stelden vast dat ze in aanzienlijke hoeveelheden accumuleerden, waarbij carotenoïden niveaus van ongeveer 1,06 milligram per gram biomassa bereikten. Dit is opmerkelijk omdat deze pigmenten vaak worden geoogst voor gebruik in voedselkleurstoffen, cosmetica en gezondheidssupplementen. De bacteriën produceerden ook polyhydroxybutyraat, een type biologisch afbreekbaar plastic dat de cellen opslaan als een energievoorraad. Deze substantie bereikte een concentratie van meer dan 200 milligram per liter, wat aantoont dat het proces een materiaal kan opleveren dat in staat is om aardoliegebaseerde plastics te vervangen.

De studie bekeek ook nauwgezet de snelheid en grenzen van deze biologische schoonmaak. De bacteriën groeiden met een gestage snelheid en bereikten een maximale groeisnelheid van 0,2 per uur. De onderzoekers bepaalden dat de bacteriën waterstofsulfideconcentraties tot ongeveer 4.600 parts per million aankonden voordat het gas zelf toxisch werd voor de cellen. Interessant genoeg leek de ophoping van sulfaat de bacteriën niet te vergiftigen, zelfs toen de niveaus stegen tot bijna 337 milligram per liter. Dit suggereert dat de grootste uitdaging voor het proces niet het afvalproduct is, maar eerder de zuurgraad die gepaard gaat met het zwavelgas. Het team gebruikte wiskundige modellen om de groei en het verbruik van de bacteriën te beschrijven, waarbij zij vaststelden dat hun voorspellingen zeer nauw overeenkwamen met de resultaten uit de echte wereld, wat vertrouwen geeft in de betrouwbaarheid van de gegevens.

Uiteindelijk belicht het onderzoek een mogelijke weg voorwaarts voor biogasproductie die aansluit bij het concept van een circulaire economie, waarbij afval continu wordt hergebruikt. Door Rhodopseudomonas telluris te gebruiken, is het mogelijk om een gevaarlijke verontreinigende stof uit hernieuwbare brandstof te verwijderen terwijl tegelijkertijd pigmenten en bioplastics worden gegenereerd. De studie bevestigt dat deze specifieke bacterie een sterke kandidaat is voor een dergelijk systeem, mits de omgeving binnen de juiste chemische limieten wordt gehouden. Hoewel het proces een afname in efficiëntie vertoonde naarmate het experiment vorderde door de toenemende zuurgraad, bewijzen de resultaten dat het biologische mechanisme werkt. De bacteriën transformeerden succesvol een toxisch gas in onschadelijk sulfaat en waardevolle biologische producten, wat een blik werpt op hoe de instrumenten van de natuur zelf op een dag onze meest hardnekkige industriële problemen zouden kunnen oplossen.