Warzenie zrównoważonego rozwoju

Każdego dnia browary i winnice produkują tysiące galonów ścieków, które są albo wylewane do kanalizacji, albo wysyłane do oczyszczalni, co wiąże się z wysokimi kosztami dla firm.

Obecnie firma MIT spinout Cambrian Innovation komercjalizuje nowatorski system oczyszczania, zwany EcoVolt, który wykorzystuje naładowane elektrycznie mikroby do oczyszczania i wytwarzania energii ze ścieków. Firma, która ma na celu wykorzystanie biotechnologii jako sposobu na rozwiązywanie problemów środowiskowych, modyfikuje również swój system, aby generować wartość ze ścieków w rolnictwie i wojsku oraz przetwarzać dwutlenek węgla w paliwa do zastosowań na Ziemi i w kosmosie.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Cambrian Innovation

Dzisiejsza infrastruktura przemysłowa zarządza podstawowymi zasobami w sposób liniowy, podnosząc koszty utylizacji odpadów i powodując szkody dla środowiska. Ale bardziej cykliczne podejście – gdzie odpady są wykorzystywane jako źródło energii – może zapewnić wyższe zyski i wyeliminować napięcie między środowiskiem a ekonomią, mówi dyrektor generalny Matt Silver SM '05, PhD '10, który wraz z Justinem Buckiem założył Cambrian PhD '12, obecnie dyrektor techniczny firmy.

Na przykład oczyszczanie ścieków pochłania ponad 3 procent energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych, ale substancje organiczne w ściekach mają energię, którą można wydobyć i wykorzystać lokalnie, mówi Silver. I tak jest ogólnie w przypadku wielu produktów odpadowych.

Zautomatyzowany i modułowy system EcoVolt firmy Cambrian — dostarczony na platformie i zainstalowany w ciągu jednego dnia — składa się z jednostki headworks, w której znajdują się komputery do automatyzacji i sterowania oraz z możliwością rozbudowy jednostek uzdatniania o pojemności 20 000 galonów. W tych jednostkach drobnoustroje zwane egzoelektrogenami wykonują unikalny proces, elektrometanogenezę – który po raz pierwszy jest stosowany w oczyszczaniu ścieków.

Egzoelektrogeny, pokryte anodami, pochłaniają pozostałe zanieczyszczenia organiczne zawarte w ściekach, a tym samym wytwarzają energię elektryczną. Ta energia elektryczna przepływa przez obwód i na katody pokryte oddzielnymi mikrobami, które zużywają tę energię — wraz z dwutlenkiem węgla — do produkcji biogazu z szybkością do 100 stóp sześciennych na minutę. Proces ten usprawnia naturalnie występującą fermentację beztlenową w ściekach, mówi Silver, ponieważ stabilizuje oczyszczanie, poprawia jakość biogazu i umożliwia wyższy stopień automatyzacji.

Biogaz wchodzi do połączonego systemu kogeneracyjnego w celu konwersji energii. W zależności od kilku czynników miejsca, wytwarza to od 30 do 400 kilowatów na godzinę energii elektrycznej. Oczyszczone ścieki opuszczają reaktor z 80 do 90 procentami usuniętych zanieczyszczeń, dzięki czemu można je wykorzystać do nawadniania, mycia sprzętu i innych rzeczy.

System może codziennie oczyszczać od 10 000 do 1 miliona galonów ścieków. W tym tempie winiarnia zmniejszyłaby około 2 funty CO2 na skrzynkę ze swojego śladu węglowego, dzięki bezemisyjnemu wytwarzaniu energii i unikaniu oczyszczania ścieków komunalnych – skutecznie sadząc ponad 4400 akrów drzew rocznie, mówi Silver.

Od stycznia browary Bear Republic i Lagunitas, oba w dotkniętej suszą Kalifornii, kupiły systemy EcoVolt. Przy obecnych wskaźnikach zużycia, Cambrian szacuje, że system wygeneruje wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zaspokoić od 25 do 50 procent potrzeb tych browarów i umożliwić ponowne wykorzystanie około 25 procent ich wody. Mogłoby to również wyeliminować 10 ciężarówek transportujących ścieki dziennie dla Lagunitas.

Wszystko w projekcie

Coraz częściej przemysł napojów stosuje beztlenowe i tlenowe procesy oczyszczania ścieków, ale są one drogie i trudne do zastosowania, mówi Silver.

Procesy tlenowe — rozpuszczanie powietrza w ściekach, gdzie mikroorganizmy tlenowe rozkładają zanieczyszczenia — zużywają dużo energii i generują odpady stałe (materiały organiczne), które są gospodarowane po kosztach. Procesy, w których drobnoustroje beztlenowe zjadają zanieczyszczenia, jednocześnie wytwarzając niewielkie ilości spalalnego metanu, zyskały popularność w ciągu ostatnich kilku dekad — ale takie systemy działają tylko w określonych warunkach, są podatne na awarie i są trudne w obsłudze.

Z drugiej strony EcoVolt ma zastosowanie w wielu lokalizacjach i wykazał bardziej solidny proces uzdatniania, co oznacza lepsze wytwarzanie energii i wyższe uzyski dla klientów – a zatem jest bardziej ekonomiczny, mówi Buck. Ale system jest również modułowy, co oznacza, że ​​klienci mogą stopniowo dodawać komponenty, takie jak większe jednostki uzdatniania lub generatory konwersji.

Jest to architektura inspirowana latami absolwentów Silvera w dziale systemów inżynieryjnych MIT, która kładzie nacisk na niezawodność, skalowalność i elastyczność w projektowaniu złożonych systemów na dużą skalę. EcoVolt zapewnia im większą elastyczność we wdrażaniu systemów uzdatniania, mówi. Cała idea polega na zminimalizowaniu jednorazowych kosztów inżynieryjnych i operacyjnych, przy jednoczesnym zapewnieniu klientom opcji rozbudowy po niskich kosztach dzięki architekturze modułowej.

Co więcej, EcoVolt jest zautomatyzowany, zdalnie monitorowany i dostarcza dane w czasie rzeczywistym — dzięki wykorzystaniu egzoelektrogenów jako czujników. Te robaki wytwarzają energię elektryczną i to jest coś, co możemy wyczuć i odczytać w czasie rzeczywistym, aby zobaczyć, jak dobrze radzi sobie reaktor, wyjaśnia Buck, który wynalazł technologie czujników Cambrian.

Dzięki EcoVolt, mówi Silver, Cambrian dąży do tego, aby uzdatnianie i ponowne wykorzystanie wody było łatwiejsze i bardziej przystępne cenowo, ponieważ wzrasta zależność Ameryki od wody, a także zanieczyszczenie wody.

Niemal każdy produkt, który wytwarzamy, ma ślad wodny, mówi Silver. Wraz z rozwojem naszej gospodarki, poziomy wód gruntowych spadają, a zanieczyszczenie ścieków rośnie, co powoduje, że wiele firm uwzględnia ryzyko związane z wodą w swojej ogólnej strategii. Potrzeba bardziej opłacalnych rozwiązań jest coraz bardziej dotkliwa w krajach rozwiniętych, a także krytyczna w krajach rozwijających się. Wykorzystujemy biotechnologię, aby zapewnić najwyższy zwrot z inwestycji w gospodarkę wodną.

W tym celu Cambrian pracuje nad innymi projektami, które wykorzystują egzoelektrogeniczne mikroby do oczyszczania ścieków. Jeden z projektów, o nazwie BioVolt, to system uzdatniania wody z własnym zasilaniem dla wysuniętych baz operacyjnych armii amerykańskiej, który oczyszcza ścieki i wytwarza energię elektryczną do zasilania. Inny projekt, finansowany przez National Science Foundation, wykorzystuje egzoelektrogeny do wykrywania azotanów w ściekach, tanio i z bardzo wysoką specyficznością, dla przemysłu rolniczego.

Ziemia jako statek kosmiczny

EcoVolt jest dziś cenny jako rozwiązanie problemów związanych z wodą na Ziemi. Ale podstawowa technologia zaczęła się jako odrobina pomysłowości lotniczej i od tego czasu wróciła do kosmosu.

Spotkanie w MIT w 2006 r. na temat wspólnego zamiłowania do biotechnologii, Silver, wówczas naukowiec w Space Systems Lab MIT, i Buck, absolwent inżynierii biologicznej, otrzymali grant z programu NASA Institute for Advanced Concepts na stworzenie systemu podtrzymywania życia system, który mógłby przetwarzać odpady i generować energię elektryczną dla astronautów. Wkrótce natknęli się na egzoelektrogeny; badanie z 1999 r. wykazało, że egzoelektrogeny mogą w rzeczywistości generować więcej amperów na centymetr kwadratowy, niż wcześniej sądzono.

To sprawiło, że egzoelektrogeny stały się trzecim — i znacznie lepszym — kandydatem do oczyszczania ścieków, w porównaniu z metodami tlenowymi lub beztlenowymi. Uruchamiając Cambrian z dotacją Departamentu Rolnictwa, aby skupić się na ściekach rolniczych, zespół wkrótce przeniósł się do swojej obecnej siedziby w Bostonie. Zanim przystąpili do konkursu Cleantech Open 2010 — i wygrali — skupili się na przemyśle spożywczym i napojów.

Cambrian z powodzeniem przeprowadził pilotaż swojego pierwszego systemu w 2010 r., a następnie, w ciągu 14 miesięcy, od 2011 do 2012 r., zademonstrował swój system na skalę przemysłową na Zamknięte drewno winiarnia w Kalifornii.

W 2012 roku NASA rozpoczęła finansowanie projektu kambryjskiego o nazwie ExoGen, który wykorzystuje elektrometanogenezę do wydajniejszego wydobywania tlenu lub paliwa z CO2 do długotrwałych lotów kosmicznych. NASA obecnie prowadzi odzyskiwanie tlenu z CO2 w wieloetapowym procesie chemicznym; ExoGen sprawi, że będzie to uproszczony, jednoetapowy proces.

Co zaskakujące, przejście z zastosowań lotniczych na ziemskie iz powrotem było łatwym przejściem, mówi Silver. Mówi, że wyzwanie polegające na wspieraniu astronautów w kosmosie jest bardzo podobne do zrównoważonego rozwoju na Ziemi. To, co chcesz zrobić w kosmosie, to zmaksymalizować ponowne wykorzystanie, jednocześnie minimalizując energetykę. Jeśli spojrzymy na Ziemię jak na statek kosmiczny, to ten sam problem.

W przypadku EcoVolt i innych bieżących projektów, nadrzędnym celem Cambrian, jak mówi Silver, jest wykorzystanie biotechnologii do rozwoju zrównoważonej ekologii przemysłowej, w której odpady przemysłowe są poddawane recyklingowi w celu wytworzenia energii i wartości — podobnie jak w naturalnych ekosystemach.

W naturalnym ekosystemie tak naprawdę nie ma odpadów, mówi Silver. To tylko kolejny zasób.

ukryć