弗勞恩霍夫（Fraunhofer）界面工程與生物技術(shù)研究所(IGB)在德國啟動了一個示范生物精煉廠，在可持續(xù)能源生產(chǎn)方面取得了重大飛躍。該創(chuàng)新工廠位于巴登-符騰堡州萊茵費爾登的贏創(chuàng)工業(yè)基地，利用工業(yè)廢水和殘余材料生產(chǎn)綠色氫氣和有機原料。該過程涉及兩種相互關(guān)聯(lián)的生物技術(shù)，標(biāo)志著一種開創(chuàng)性方法。

上周六，2024年8月3日，環(huán)境國務(wù)秘書安德烈·鮑曼博士在萊茵費爾登(巴登)開設(shè)了SmartBioH2-BW示范工廠。作為弗勞恩霍夫界面工程和生物技術(shù)研究所IGB協(xié)調(diào)項目的一部分，該生物精煉廠在贏創(chuàng)的工業(yè)基地建造。它利用沖洗水和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余物質(zhì)，通過兩個耦合的生物技術(shù)過程生產(chǎn)“綠色”氫氣和有機原料。測試運行現(xiàn)已在實際條件下開始。

廢物和廢水是一種迄今為止在世界范圍內(nèi)很少得到利用的資源。巴登-符騰堡州希望通過資助項目“生物經(jīng)濟——從廢物和廢水中提取原料的生物精煉廠——Bio-Ab-Cycling”來改變這種狀況。自2021年10月以來，巴登-符騰堡州環(huán)境、氣候和能源部一直在利用國家資金和歐洲區(qū)域發(fā)展基金(ERDF)的資金支持模塊化生物精煉廠的建設(shè)，以測試如何利用可持續(xù)生物經(jīng)濟從廢物和廢水中回收高質(zhì)量的原材料。

“我們迫切需要一場社會變革——從使用化石或稀缺資源轉(zhuǎn)向使用生物基或可回收材料。”鮑曼博士說：“SmartBioH2-BW項目是這種前瞻性道路的典范。在這里，已經(jīng)在小范圍內(nèi)單獨工作的過程被合并在示范和試點工廠進行測試。這是一個重要的中間階段，以便這些過程可以在市政當(dāng)局或工業(yè)的下一步中使用。通過使用這些生物精煉廠，我們最終不僅保護了氣候和我們的資源，而且還加強了巴登-符騰堡州作為危機情況下的商業(yè)場所的彈性。”

該工廠已經(jīng)在贏創(chuàng)位于萊茵費爾登的廠房內(nèi)運行了幾個星期。贏創(chuàng)工業(yè)股份有限公司（Evonik Industries AG）是全球最大的特種化學(xué)品制造商之一。贏創(chuàng)在巴登南部的工廠生產(chǎn)過氧化氫等產(chǎn)品，過氧化氫被用作消毒劑，例如酸奶杯。這和工廠的其他生產(chǎn)過程一樣，都需要氫氣，該公司幾十年來一直在現(xiàn)場用天然氣生產(chǎn)氫氣。

“贏創(chuàng)在萊茵費爾登的工廠以推動我們行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型為己任，”贏創(chuàng)工廠經(jīng)理赫爾曼?貝克爾(Hermann Becker)表示。“通過聯(lián)合研究項目和開創(chuàng)性的試點工廠，我們希望展示如何在循環(huán)經(jīng)濟的精神下實現(xiàn)這一目標(biāo)——從漂洗水和殘留材料中獲得的清潔氫氣對環(huán)境、化學(xué)工業(yè)和科學(xué)來說是一個三贏的局面。”

生物精煉廠的智能耦合生物技術(shù)

該生物精煉廠由位于斯圖加特的弗勞恩霍夫界面工程和生物技術(shù)研究所IGB設(shè)計、規(guī)劃和建造。它由兩個耦合的過程模塊組成，通過生物技術(shù)生產(chǎn)氫，包括：紫色細菌的發(fā)酵暗光合作用和微藻的兩階段過程。

“通過智能地將這兩個過程結(jié)合到一個聯(lián)合生物煉制概念中，將有可能利用現(xiàn)場生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)固體和液體廢物流，這些廢物以前必須進行昂貴的處理，并且沒有作為原材料產(chǎn)出，以生產(chǎn)未來的能源氫和其他增值生物基產(chǎn)品，”弗勞恩霍夫IGB副主任兼該項目的協(xié)調(diào)員Schlie?mann說。

第一步是調(diào)查該地點廢物流的確切組成，以及這些生物是否真的能處理它們。萊茵費爾登的液體廢物流包括沖洗水，用于清潔生產(chǎn)設(shè)施。它們含有大量乙醇。“可以想象，漂洗水中含有對細菌和微藻具有毒性或抑制作用的其他物質(zhì)，”Schlie?mann解釋說。因此，首先在弗勞恩霍夫IGB的實驗室條件下，用贏創(chuàng)的廢物流分別測試了這些過程，然后擴大到更大的規(guī)模。

“我們的分析表明，沖洗水中不僅含有乙醇，還含有其他醇類和合成產(chǎn)物的殘留物。然而，這些并不影響紫色細菌或微藻的生長，”Schlie?mann說。

2024年7月，兩個生物工藝模塊被運送到萊茵費爾登的工廠并投入運行。現(xiàn)在流程單元耦合在一起，可以在實際條件下開始演示操作。

在生物煉制的第一階段，使用了紫色細菌紅螺旋菌(Rhodospirillum rubrum)，它可以在沒有光線的情況下，利用一種新的發(fā)酵方式——暗光合作用，從各種碳基質(zhì)中生產(chǎn)氫氣。在萊茵費爾登，紫色細菌利用沖洗水中的乙醇作為碳基質(zhì)和能量來源。

為了確保足夠的生長和氫的合成，必須調(diào)整發(fā)酵培養(yǎng)基的組成，正如斯圖加特實驗室已經(jīng)證明的那樣。然后，細菌不僅產(chǎn)生令人垂涎的氫，而且還產(chǎn)生其他可用的產(chǎn)品，例如類胡蘿卜素，化妝品的脂溶性色素，或生物塑料聚羥基烷酸酯(PHA)，以及作為副產(chǎn)品的二氧化碳(CO2)。“由于紫色細菌的產(chǎn)氫酶對氧氣非常敏感，在發(fā)酵過程中精確控制氧氣含量是一項挑戰(zhàn)，”Fraunhofer IGB生物工藝開發(fā)負責(zé)人Susanne Zibek補充道。

微藻結(jié)合副產(chǎn)物CO2

為了避免向大氣中排放CO2，在進一步的步驟中，CO2被送入為此目的而連接的微藻工廠。這是因為光合作用生長的微藻需要二氧化碳來建立生物量或儲存產(chǎn)品——就像綠色植物一樣——而且只需要光和營養(yǎng)。

在SmartBioH2示范工廠中，名為小球藻(Chlorella sorokiniana)的微藻在LED照明的緊湊型光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)。該反應(yīng)器的特點是自動化程度高，在小面積內(nèi)提供大量的體積。該過程的操作方式是微藻從產(chǎn)生的二氧化碳中產(chǎn)生淀粉作為可用產(chǎn)品。所需的營養(yǎng)物質(zhì)來自萊茵費爾登的第二種廢物流，這次是以固體形式存在的：氯化銨。

微藻在一定條件下也能產(chǎn)生氫氣。它們利用光能將水分解成氫和氧。IGB藻類生物技術(shù)負責(zé)人Ulrike Schmid-Staiger博士解釋說：“為了從技術(shù)上使用這個過程，產(chǎn)生的氧氣必須不斷地從系統(tǒng)中去除，因為它抑制了藻類細胞的產(chǎn)氫效率。為此目的開發(fā)的一種全新的光生物反應(yīng)器將在幾周內(nèi)集成到生物精煉廠中，以進一步提高生物氫的總體產(chǎn)量。”

用于評估的過程模型

Fraunhofer制造工程和自動化研究所通過創(chuàng)建一個過程模型來參與該項目，該模型可以預(yù)測整個生物煉制概念中最重要的輸入和輸出。該模型也為生物煉制的生態(tài)和經(jīng)濟評價奠定了基礎(chǔ)。Fraunhofer IPA的Edgar Gamero Fajardo說：“通過這種方式，可以確定改進的潛力，并且可以控制所使用技術(shù)的發(fā)展。”

“根據(jù)實際經(jīng)驗，我們可以確定一個工業(yè)規(guī)模的工廠在經(jīng)濟上是否可行。重要的是，我們計劃實現(xiàn)高度自動化，以提高工廠的產(chǎn)量，”Schlie?mann說。但節(jié)省的處理和運輸成本也有助于整體平衡。

“SmartBioH2-BW-工業(yè)廢水和殘渣流通過多功能生物合成途徑平臺產(chǎn)出生物氫”項目由巴登-符騰堡州環(huán)境、氣候和能源部于2021年10月至2024年10月資助，作為ERDF計劃“生物經(jīng)濟-從廢物和廢水中提取原材料的生物煉制-Bio-Ab-Cycling”的一部分。

合作伙伴：弗勞恩霍夫界面工程和生物技術(shù)研究所(協(xié)調(diào))、弗勞恩霍夫制造工程和自動化研究所、(斯圖加特大學(xué)，生物材料和生物分子系統(tǒng)研究所)斯圖加特大學(xué)、生產(chǎn)能效研究所(聯(lián)合合作伙伴)