Zielona energia z odpadów: bioreaktory nowej generacji
Produkujemy wciąż zbyt dużo śmieci, a za mało energii ze źródeł odnawialnych. Ciekawym rozwiązaniem tej ziemskiej bolączki XXI w. są bioreaktory nowej generacji, które wykorzystują odpady organiczne do produkcji zielonej energii, a dokładniej biogazu i bio-wodoru. W ten sposób nie tylko przyczyniają się do zmniejszenia emisji CO₂, ale także pomagają w rozwiązaniu problemu utylizacji odpadów.
Bioreaktory nowej generacji – jak to działa?
W tradycyjnym procesie kompostowania biomasa rozkładana jest dzięki aktywności mikroorganizmów, które przetwarzają materię organiczną, uwalniając przy tym ciepło oraz składniki odżywcze. Proces ten przebiega spontanicznie i nie wykorzystuje w pełni potencjału energetycznego biomasy.
W bioreaktorach nowej generacji procesy biologiczne są natomiast ściśle kontrolowane i optymalizowane. W zamkniętym środowisku specjalnie skonstruowanego zbiornika zachodzi fermentacja anaerobowa, w wyniku której z bioodpadów powstaje biogaz, będący mieszanką metanu i dwutlenku węgla. W odróżnieniu od klasycznych metod fermentacji, nowoczesne bioreaktory wyposażone są w zaawansowane systemy monitorowania i sterowania, które optymalizują warunki aktywności mikroorganizmów, przyspieszając cały proces i zwiększając wydajność produkcji biogazu.
Dodatkowo, bioreaktory mogą być skonstruowane tak, aby generować bio-wodór – paliwo o wysokiej wartości energetycznej i zerowej emisji CO₂ podczas spalania. Może ono zasilać ogniwa paliwowe w ekologicznych pojazdach, od samochodów po samoloty, lub być wykorzystywane do magazynowania energii.
Naturalnie, do działania bioreaktora potrzebna jest energia elektryczna. Najbardziej przyszłościowe rozwiązania to takie, które wykorzystują energię odnawialną, np. słoneczną, do podgrzewania biomasy w reaktorze i regulacji innych parametrów.
Tabela przedstawiająca produkty uzyskiwane z bioreaktorów; opracowanie własne
Przykłady wdrożeń bioreaktorów na świecie
Bioreaktory nie są nową technologią. Na dużą skalę zaczęto z nich korzystać po II wojnie światowej w celu… produkcji penicyliny. Dopiero w ostatnich dekadach kontrolowana fermentacja zaczęła być jednak wykorzystywana do produkcji biopaliw i energii. W wielu miejscach na świecie zastosowanie owo daje już realne korzyści.
W szwedzkim Malmö od 2014 r. wszyscy mieszkańcy, sklepy i restauracje zobowiązane są do segregacji resztek żywności. Odpady te trafiają do specjalnego bioreaktora, który w procesie fermentacji anaerobowej produkuje biogaz zasilający miejskie autobusy. Dodatkowo warto wspomnieć, że 60% ciepła dostarczanego do domów w mieście pochodzi ze spalania odpadów nienadających się do recyklingu.
W Mediolanie i Hamburgu specjalne bioreaktory instalowane są na elewacjach budynków. Wykorzystują one mikroalgi i energię słoneczną do produkcji zielonej energii dla osiedli mieszkaniowych, pokrywając aż 1/3 lokalnego zapotrzebowania na ciepło. Ich dodatkową zaletą jest ochrona budynków przed przegrzewaniem i wychładzaniem.
Kompostownie z wykorzystaniem bioreaktorów powstają i działają już również w Polsce. W 2025 r. w podlaskich Hryniewicach otwarty zostanie nowoczesny zakład z 8 bioreaktorami, które będą w stanie przetworzyć rocznie 25 tys. ton zielonych odpadów na energię. Naukowcy z Politechniki Śląskiej opracowali też innowacyjny bioreaktor z nanocząsteczkową strukturą, który jest w stanie produkować bio-wodór z osadów organicznych powstających w procesie oczyszczania ścieków przemysłowych.
Bioreaktory produkują energię z biopadów, fot. joaquincorbalan/envato
Zalety bioreaktorów nowej generacji
Wykorzystanie bioreaktorów do przetwarzania biomasy niesie ze sobą szereg ważnych korzyści ekonomicznych i ekologicznych, w szczególności:
- Redukcję emisji gazów cieplarnianych – procesy biodegradacji przeprowadzane w kontrolowanych warunkach w bioreaktorach ograniczają emisje gazów cieplarnianych, takich jak metan, który przyczynia się do globalnego ocieplenia w znacznie większym stopniu niż CO₂.
- Wielostopniowy proces produkcji energii – nowoczesne bioreaktory umożliwiają wielostopniowy rozkład biomasy, co oznacza, że surowiec przetwarzany jest w kilku etapach z różnym poziomem temperatury, zwiększając całkowitą uzyskaną ilość energii. W tym procesie produkowane są także wartościowe produkty uboczne, takie jak nawozy organiczne.
- Bezpieczeństwo energetyczne i uniezależnienie od paliw kopalnych – produkcja energii z lokalnych odpadów organicznych wspiera samowystarczalność energetyczną regionów i krajów, zmniejszając zależność od paliw kopalnych.
- Ograniczenie ilości odpadów na wysypiskach – bioreaktory umożliwiają efektywne zagospodarowanie bioodpadów, które stanowią dużą część odpadów komunalnych. Wykorzystanie ich do produkcji energii zamiast składowania zmniejsza ilości odpadów lądujących na wysypiskach.
- Nowe miejsca pracy związane z obsługą bioreaktorów oraz infrastruktury z nimi związanej.
- Redukcja kosztów produkcji biopaliw dzięki zwiększeniu efektywności procesu w porównaniu z tradycyjną fermentacją.
Nowe technologie i innowacje
Bioreaktory są nieustannie rozwijane i doskonalone. Z ciekawszych innowacji warto np. wspomnieć o systemach hybrydowych, które łączą proces fermentacji beztlenowej z technologią mikrobiologicznych ogniw paliwowych (MFC). Pozwala to na jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i biogazu, co podnosi wydajność całego procesu.
Z kolei wykorzystanie inteligentnych czujników wewnątrz bioreaktorów umożliwia ciągłe monitorowanie i regulację parametrów, takich jak temperatura, wskaźnik pH czy stężenie gazów. W rezultacie możliwa jest optymalizacja procesu produkcji energii i zarządzania zasobami.
Dodatkowo, powietrze, które wydostaje się z bioreaktorów może być przepuszczane przez specjalne otwory wylotowe, poruszając turbinami, które wytwarzają dodatkową energię elektryczną. Jednym słowem, zmierza się do maksymalnego wykorzystania każdego etapu procesu.
W procesie fermentacji w bioreaktorach może być wytwarzany bio-wodór, fot. Zozulinskyi/envato
Przyszłość bioreaktorów i wyzwania technologiczne
Mimo ogromnego potencjału, technologia bioreaktorów wymaga inwestycji oraz dalszych badań nad optymalizacją produkcji biowodoru i poprawą efektywności konwersji biomasy. Istotnym wyzwaniem jest również stworzenie bioreaktorów przystosowanych do pracy na większą skalę – tak aby mogły stanowić realną alternatywę dla tradycyjnych źródeł energii w sektorze przemysłowym. Ponadto, wciąż pracuje się nad metodami oczyszczania i przetwarzania pozyskanego w bioreaktorach biogazu i biometanu, tak aby można je było przesyłać bezpośrednio do końcowych użytkowników.
Najnowsze technologie idą jeszcze dalej i wykorzystują bioreaktory do przetwarzania wychwytywanego z procesów przemysłowych CO2 w biopaliwa, takie jak etanol. Zdaniem wielu ekspertów może to być przełom w dążeniach do bezemisyjnej gospodarki. Dodatkowo, niemieccy projektanci opracowali już elektrobioreaktor, który magazynuje nadmiar wyprodukowanej zielonej energii (np. wiatrowej lub słonecznej) w wiązaniach chemicznych naturalnego gazu.
Podsumowując, bioreaktory nowej generacji to technologia, która może odmienić sektory zielonej energii oraz zrządzania odpadami. Jednocześnie wspiera ona rozwój gospodarki cyrkularnej, w której pozornie bezużyteczne odpady przekształcane są w cenne zasoby zgodnie z kluczowymi zasadami zrównoważonego rozwoju.
Bioreaktory – pytania i odpowiedzi
Co to są bioreaktory?
Bioreaktory to urządzenia wspierające biologiczne procesy z udziałem mikroorganizmów. Zazwyczaj mają postać cylindrycznych zbiorników z nierdzewnej stali.
Do czego wykorzystywane są bioreaktory?
Oprócz produkcji zielonej energii bioreaktory służą do produkcji leków, szczepionek, komórek i tkanek, żywności a także oczyszczania ścieków.”
Jakie odpady mogą być wykorzystane w bioreaktorach?
Do produkcji biogazu nadają się bioodpady z gospodarstw domowych i restauracji, produkty uboczne produkcji rolnej, a także biomasa z oczyszczalni ścieków czy zakładów destylacyjnych.”
- Jędrczak, A. (2019). Biotechnologia odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN.;
- IEA Bioenergy (2021). Biogas and Bio-methane in a Circular Economy. IEA Bioenergy.;
- European Biogas Association (2020). Annual Report.;
- Rutz, D., & Janssen, R. (2021). Biogas Production from Organic Waste. Springer.;
- World Biogas Association (2022). Global Potential of Biogas.;
- Municipal Energy Association (2023). Urban Waste-to-Energy Initiatives.;
- Gawron, T., & Kowalski, P. (2023). Nowe technologie fermentacji i produkcja bio-wodoru. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego.;
- Anne M. Stark. (2024). New technique converts excess renewable energy to natural gas. ;
