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

Waterstof is een schone brandstof die alles kan aandrijven, van fabrieken tot auto's, maar de productie ervan vereist vandaag de dag meestal het verbranden van fossiele brandstoffen, wat het doel van het gebruik ervan in de strijd tegen klimaatverandering tenietdoet. Wetenschappers zoeken naar manieren om deze energiedrager uit afval en hernieuwbare bronnen te produceren in plaats daarvan. Een veelbelovende methode houdt in dat een gasmengsel genaamd syngas, dat rijk is aan koolmonoxide, wordt genomen en dat kleine levende organismen worden gebruikt om dit te transformeren. Deze microben fungelen als biologische fabrieken, waarbij ze het koolmonoxide "eten" en waterstofgas als bijproduct vrijgeven. Dit proces, bekend als de biologische watergas-shiftreactie, biedt een manier om industriële afvalgassen in schone energie om te zetten zonder de noodzaak van extreme hitte of dure chemicaliën. Het is echter moeilijk om deze microbiële fabrieken continu en soepel te laten draaien, omdat de afvalproducten die ze creëren uiteindelijk de organismen die het werk doen, kunnen vergiftigen.

Onderzoekers aan de Universiteit van Borås en RISE Research Institutes of Sweden zetten zich in om dit probleem op te lossen door een gespecialiseerde reactor te bouwen die ontworpen is om de microben langdurig tevreden en productief te houden. Ze gebruikten een natuurlijke gemeenschap van microben die waren geoogst uit voedselafval, in plaats van een enkele, zorgvuldig gekweekte soort, in de hoop dat deze diverse groep robuuster en aanpasbaarder zou zijn. Het team vulde een verticale kolom met stukjes polyethyleen spons, waardoor er een oppervlak ontstond waar de microben aan konden hechten, en liet vervolgens een nutriëntenrijke vloeistof over hen naar beneden druppelen terwijl ze het syngas vanuit de onderkant omhoog duwden. Deze opstelling zorgde ervoor dat het gas en de vloeistof nauw met elkaar in contact kwamen, wat de microben de beste kans gaf om het koolmonoxide te eten en waterstof uit te spugen. Het doel was om te zien of ze dit proces continu konden laten draaien gedurende maanden zonder dat het systeem stilviel door de ophoping van giftige bijproducten.

Het experiment begon met een opstartfase waarbij het team elke week geconcentreerde nutriënten aan het systeem toevoegde om de microbiële activiteit een zetje te geven. Aanvankelijk werkten de microben goed en zetten ze bijna al het koolmonoxide om in waterstof. Naarmate de weken verstreken, begon het systeem echter moeite te krijgen. De onderzoekers ontdekten dat de herhaalde toevoeging van geconcentreerde nutriënten ervoor zorgde dat bepaalde sporenelementen, zoals koper, zich opbouwden tot niveaus die duizenden malen hoger waren dan bedoeld. Tegelijkertijd begonnen de microben grote hoeveelheden vluchtige vetzuren te produceren, een type organisch zuur dat in hoge concentraties schadelijk kan zijn. Naarmate deze zuren zich ophoopten, daalde de conversie van koolmonoxide aanzienlijk en werd de productie van waterstof instabiel. Het team realiseerde zich dat hoewel de microben voedsel nodig hadden, te veel van het goede de chemische balans van hun omgeving verstoorde.

Om precies te begrijpen wat het proces doodde, gingen de onderzoekers over naar een tweede fase waarin ze de effecten van specifieke remmers testten. Ze introduceerden synthetische versies van de vetzuren en ethanol, een type alcohol, in de reactor om te zien welke de werkelijke boosdoener was. De resultaten waren duidelijk: de vetzuren waren veel schadelijker dan de ethanol. Wanneer het team hoge concentraties van deze zuren toevoegde, stortte de conversie van koolmonoxide in en konden de microben zich zelfs niet snel herstellen nadat de zuren waren verwijderd. De ethanol had een veel zwakker effect en veroorzaakte slechts een tijdelijke dip in de prestaties. Dit bevestigde dat de ophoping van vetzuren de primaire reden was waarom het systeem faalde, en dat het af en toe vervangen van de vloeistof niet voldoende was om de reactor gezond te houden.

In de laatste fase veranderde het team van strategie en richtte zich op het controleren van hoe lang de vloeistof in de reactor blijft, een factor die bekend staat als de hydraulische verblijftijd. In plaats van alleen periodiek nutriënten toe te voegen, stelden ze het systeem in om de vloeistof continu uit te spoelen, zodat schadelijke bijproducten werden verwijderd voordat ze gevaarlijke concentraties bereikten. Ze vervingen ook de oude microben en de sponsvulling met nieuwe materialen om met een schone lei te beginnen. Deze aanpak werkte opmerkelijk goed. Door de stroming van de vloeistof te controleren, behield het team een stabiele omgeving waarin de vetzuren nooit gevaarlijke niveaus bereikten. De reactor bereikte een perfect conversiepercentage, waarbij honderd procent van het binnenkomende koolmonoxide werd omgezet in waterstof gedurende twaalf opeenvolgende dagen. Bij een specifieke stroomsnelheid van twaalf milliliter per minuut produceerde het systeem waterstof met een snelheid van 3,2 liter per liter reactorengas per dag, met een opbrengst van 0,66 mol waterstof voor elke mol geconsumeerd koolmonoxide.

De onderzoekers testten het systeem ook tot het uiterste om te ontdekken hoeveel gas het kon verwerken. Ze verhoogden geleidelijk de stroom van syngas en hielden nauwlettend in de gaten wanneer de microben niet meer in staat zouden zijn om bij te houden. De reactor bleef stabiel en behield de volledige conversie tot een stroomsnelheid van 26 milliliter per minuut. Zodra ze het naar 28 milliliter per minuut duwden, kon het systeem niet langer al het koolmonoxide omzetten en begon het overtollige gas onbewerkt de reactor te verlaten. Dit identificeerde een duidelijke operationele grens voor deze specifieke opstelling. Gedurende het gehele experiment werd er geen methaan gedetecteerd, wat bevestigde dat het proces strikt waterstof produceerde en niet afweek naar andere soorten gasproductie.

Bij het kijken naar de microscopische wereld binnen de reactor, ontdekten de onderzoekers dat de gemeenschap van microben drastisch veranderde afhankelijk van hoe de reactor werd aangestuurd. In de vroege fasen werd het systeem gedomineerd door één groep bacteriën, maar naarmate de omstandigheden verschoven naar de stabiele, door stroming gecontroleerde omgeving van de laatste fase, nam een andere groep het over. De nieuwe dominante bacteriën waren soorten Stenotrophomonas en Pseudomonas, die in de oorspronkelijke mix zeldzaam waren. Hoewel het team niet precies kon aanwijzen welke specifieke microben het zware werk van de gasconversie deden, suggereerde de verschuiving in de gemeenschap dat de condities in de reactor zelf de meest efficiënte werkers selecteerden. De studie concludeert dat het beheren van de vloeistofstroom om de opbouw van giftige bijproducten te voorkomen, de sleutel is om deze technologie continu te laten werken. Hoewel het systeem nog geen commerciële realiteit is, toont dit bewijs van concept aan dat het gebruik van uit afval afgeleide microben in een eenvoudige, niet-steriele reactor een levensvatbare weg is naar de productie van schone waterstof uit industriële afvalgassen.