Bioodpady i innowacyjne sposoby ich przetwarzania

Jakbyśmy się nie starali, zawsze w jakimś momencie powstaną. Bioodpady, bo o nich mowa, można jednak przetworzyć w bardzo użyteczne substancje lub produkty. Nie wierzycie?

Na wstępie wyjaśnienie, dlaczego zabraliśmy się za ten temat. Poza tym, że wcześniej już zagłębiliśmy się w zagadnienie odpadów (zobaczcie wpisy o marnowaniu jedzenia oraz o koncepcji zero odpadów), to ten wpis jest również pokłosiem naszej obecności w Brukseli na European Week of Regions and Cities. Wybraliśmy się tam na sesję zatytułowaną From bio-waste to bio-based products: the potential for region al innovation development. Zaprezentowano na niej ciekawe technologie, które w skrócie polegają na przetwarzaniu bioodpadów, co generują wartościowe bioprodukty do dalszego zastosowania.

Od bioodpadów do bioproduktów

Jednym z ciekawych i innowacyjnych pomysłów zaprezentowanych podczas wspomnianej sesji była technologia przekształcania bioodpadów opracowana przez niemiecką firmę Susteen Technologies, która powstała w ramach działalności Instytutu Fraunhofera.

Jako substraty wykorzystywane są różnego rodzaje odpady organiczne. Mogą to być bioodpady komunalne (czyli takie, które wyrzucamy w domach), bioodpady przemysłowe (np. z papierni lub fabryk wytwarzających różne produkty spożywcze, także zwierzęce) oraz odpady rolnicze (typu obornik). Ale nie tylko, bo technologia potrafi przetwarzać także osady ściekowe oraz odpady pofermentacyjne z biogazowi i zakładów produkujących bioetanol.

Mamy już różne bioodpady, ale chcemy je teraz przetworzyć na coś sensownego. Technologia, która na to pozwala, nazywa się Thermo-Catalytic Reforming (w skrócie TCR – jest to zastrzeżony znak towarowy, więc dodajemy znaczek ®). Poniżej możecie zobaczyć schemat działania instalacji działającej o oparciu o TCR®.

bioodpady innowacyjna technologia TCR

Schemat instalacji TCR® przetwarzającej bioodpady / Źródło: Susteen Technologies GmbH

Najpierw bioodpady, którymi akurat dysponujemy, muszą być wysuszone tak, żeby sucha masa stanowiła 70-90% całości. Tak przygotowany materiał trafia do specjalnego przenośnika ślimakowego, w którym bez udziału tlenu następuje cieplny rozpad w temperaturze ok. 400-500ºC. Na tym etapie powstaje biowęgiel i lotne związki organiczne.

Kolejnym etapem jest katalityczny reforming, w ramach którego uzyskane wcześniej produkty (biowęgiel i LZO) ulegają dalszej transformacji w obecności katalizatorów przy temperaturach rzędu 600-750ºC. Tak otrzymujemy gotowy biowęgiel, natomiast gazy są kondensowane i oczyszczane dzięki czemu możliwe staje się uzyskanie gazu syntezowego i biooleju (a przy okazji też trochę wody). Brzmi to wszystko bardzo chemicznie, technicznie i skomplikowanie, ale powstałe przy użyciu technologii TCR® produkty nie dość, że powstają z odpadów, to jeszcze znajdują bardzo praktyczne zastosowania.

bioodpady innowacyjna technologia TCR produkty

Bioodpady po przetworzeniu wyglądają właśnie tak / Źródło: Susteen Technologies GmbH

Co zrobić z biowęgielem, bioolejem i gazem syntezowym?

Biowęgiel (inna nazwa to biochar) powstaje jako pierwszy w omawianym procesie technologicznym. Jest to substancja, której właściwości są zbliżone do węgla drzewnego. Biowęgiel nie został jednak dopiero teraz odkryty, bo już dawno temu mieszkańcy Amazonii sami go wytwarzali. Bez użycia skomplikowanych technologii powoli spalali (ale bezdymnie i w niskiej temperaturze) odpady organiczne przykryte warstwą ziemi. Ale do czego go wykorzystać?

Otóż można go stosować jako doskonały nawóz. Ponieważ biowęgiel pozwala na dużo lepszą retencję wody w glebie, różne substancje odżywcze mogą być łatwiej wykorzystane przez rośliny do wzrostu. Ostatecznie może być też użyty jako paliwo w elektrowniach biomasowych – nie lubimy spalania, ale przynajmniej bilans CO2 wychodzi na zero.

Z kolei bioolej, który również powstaje w procesie TCR® nie dość, że jest kaloryczny (w sensie wartości opałowej), to jeszcze doskonale miesza się olejami roślinnymi, biodieslem, benzyną czy olejem napędowym. Dzięki temu nadaje się on do napędzania pojazdów albo do spalenia w przystosowanych kotłach olejowych.

Gaz syntezowy powstający pod koniec procesu składa się w połowie z wodoru. Po dalszym przetworzeniu może być to zatem doskonałe źródło paliwa dla wszelkich pojazdów napędzanych wodorem (np. samochodów, autobusów miejskich, a nawet pociągów). Ponadto gaz syntezowy stanowi ważny składnik w procesach przemysłu chemicznego dla takich substancji jak metanol i wszystkich jego pochodnych, a także przy produkcji amoniaku i związków azotowych.

bioodpady innowacyjna technologia TCR kontener

Technologia TCR® przetwarza bioodpady w takiej kontenerowej instalacji / Źródło: Susteen Technologies GmbH

Technologia TCR® to już rzeczywistość, choć na razie w fazie demo (tu możecie zobaczyć filmik). Na ten moment działa instalacja zbudowana w kontenerze przetwarzająca ok. 750 kg bioodpadów dziennie. Firma Susteen planuje w przyszłym roku wystartować z gotowym do sprzedaży produktem w postaci instalacji kontenerowej, a w następnej kolejności ma powstać dużo większa instalacja przemysłowa zdolna przerobić 2 200 ton odpadów rocznie. Nic tylko czekać na dalszy rozwój i rozpowszechnienie tej innowacyjnej technologii.

Bakterie wyprodukują nam bioplastik

Ze względu na to, że 6% paliw kopalnych jest zużywanych do produkcji tworzyw sztucznych (popularnie zwanych plastikiem), dobrze by było jak najbardziej ograniczyć to zapotrzebowanie (klimat i środowisko będą nam wdzięczne). Dlatego bardzo nas zainteresowała prezentacja firmy Paques, która na wspomnianej sesji pochwaliła się technologią zdolną przerobić ścieki lub odpady organiczne na biopolimery. Postanowiliśmy sprawdzić, jak to jest możliwe.

Sukces tej metody gwarantują odpowiednie bakterie. Pierwsza instalacja powstała dzięki pracy naukowej czterech holenderskich uniwersytetów we współpracy m.in. z firmą Paques. W latach 2012-2014 w zakładach produkujących słynne batoniki Mars zaczęto wykorzystywać ścieki poprodukcyjne do testowej produkcji ok. 1 kilograma dziennie pewnych ciekawych związków (od razu mówimy, że nie czekolady).

bioodpady technologie pha bakterie

Tak pod mikroskopem wyglądają bakterie wypełnione PHA / Źrodło: plastix.it

Chodzi o polihydroksyalkaniany (w skrócie PHA), czyli grupę polimerów biodegradowalnych, które są wytwarzane przez bakterie (najczęściej E. Coli) w procesie fermentacji cukrów i lipidów jako materiał zapasowy (taki rodzaj tłuszczu, który potem bakterie wykorzystują w czasach kryzysu). Ale ten opis dotyczy procedury laboratoryjnej produkcji związków PHA, która na dodatek jest bardzo kosztowna.

Dużo ciekawszy jest jednak sposób produkcji tego związku ze ścieków przemysłowych albo wręcz z bioodpadów. W tym przypadku w pierwszym etapie następuje fermentacja z udziałem bakterii, które przerabiają zawarty w ściekach lub innych odpadach cukier na różnego rodzaju kwasy tłuszczowe (np. kwas masłowy czy kaprynowy).

Dalej mieszanka kwasów tłuszczowych trafia do zbiornika, w którym żyją sobie specjalne bakterie potrafiące wytworzyć PHA (ponad 90 rodzajów). Dostają one porcje „jedzenia” w systemie wyżerka-głodówka (ang. feast-famine), co oznacza, że przez godzinę są karmione, a przez kolejne 11 godzin czekają na kolejny posiłek. Jak ustalili naukowcy, taka metoda żywienia pozwala na naturalną selekcję bakterii. Zostają tylko te najwydajniejsze, które w krótkim czasie mogą przetworzyć dużo kwasów na materiał zapasowy w postaci PHA.

W trzecim i ostatnim etapie bakterie są tuczone do maksimum ich możliwości (tu liczy się masa, a nie rzeźba). Dzięki temu gromadzone wewnątrz komórek bakterii biopolimery potrafią stanowić nawet 90% ich całej masy, choć póki co udaje się im przypakować do 75% (też nieźle).

bioodpady-bioodpady technologie pha bioplastik

Schemat ideowy technologii przetwarzania ścieków na biopolimery PHA / Źródło: Waste to resources

Biopolimery dobre na każdą okazję

Bakterie zrobiły swoje, więc teraz czas się przyjrzeć, jak można wykorzystać „owoce” ich pracy. Polihydroksyalkaniany, jako grupa polimerów, mają właściwości bardzo zbliżone do konwencjonalnych tworzyw sztucznych stosowanych obecnie na masową skalę, np. polipropylenu (PP) albo politetraftalanu (PET).

Co dość oczywiste są termoplastyczne, a po odpowiedniej obróbce mogą być też ciągliwe albo elastyczne. Do tego wykazują odporność na działanie promieni UV, są nierozpuszczalne w wodzie, aczkolwiek nie przepadają za kwasami i zasadami. Potrafią za to przepuszczać tlen i dobrze reagują na inne biokomponenty. Co chyba najistotniejsze, polimery z grupy PHA ulegają biodegradacji (w przeciwieństwie do zalegających praktycznie wszędzie plastików).

Dzięki takim właściwością można liczyć na szerokie spektrum praktycznego zastosowania biopolimerów. I tak faktycznie jest. Można z nich wyprodukować opakowania do żywności, zarówno sztywne jak i elastyczne. Folia opakowaniowa również może być zrobiona z PHA. Na dodatek odporność na temperatury rzędu 110ºC sprawia, że biopolimery mogą być wykorzystane do produkcji kubków na gorące napoje. Ale to nie koniec.

Poza typowo opakowaniowymi zastosowaniami PHA mogą być stosowane także w medycynie. Od dość dawna są stosowane różnego rodzaju implanty (od śrub, przez fragmenty kości aż do różnych innych patentów, których zastosowań nawet sobie nie chcemy wyobrażać). Odpowiednio przygotowane substancje na bazie PHA mogą dostarczać lekarstwa a nawet niszczyć komórki rakowe (szok!).

Oprócz tego biopolimery mogą znaleźć zastosowanie jako substraty w różnych gałęziach przemysłu chemicznego i inżynierii materiałowej. Po odpowiednim przetworzeniu i wymieszaniu z innymi substancjami mogą stanowić biopaliwo. Sami widzicie, że jest spore pole do popisu, jeśli chodzi o wykorzystanie biopolimerów, wiec nie powinno nas dziwić, że powstają kolejne testowe instalacje. W latach 2014-2015 bakterie z sukcesem przerabiały ścieki z zakładu produkującego kartony, a pod koniec 2015 nowa instalacja zaczęła przetwarzać bioodpady w holenderskim zakładzie Orgaworld.

bioodpady technologie waste to resource

Tak wygląda testowa instalacja przetwarzająca ścieki na biopolimery PHA przy użyciu bakterii / Źródło: Waste to resources

Czas na masową produkcję

Bioprodukty powstające przy użyciu technologii przetwarzających bioodpady nie dość, że znajdują swoje praktyczne zastosowanie, to są na swój sposób ekologiczne. Tak oto zamykamy cykl życia różnych produktów, które w obecnych warunkach najczęściej stają się odpadami. Zazwyczaj lądują one przecież na składowisku, bądź trafiają do spalarni. W najlepszym przypadku idą na kompost albo do biogazowni.

Tutaj mamy jednak innowacyjne technologie doskonale wykorzystujące to, co da się jeszcze wykorzystać z różnych bioodpadów. A najlepsze w tym wszystkim jest to, że powstające w tych procesach produkty mają wiele praktycznych zastosowań. Teraz tylko przydałoby się zwiększyć skalę tych testowych instalacji. Oczywiście, jak w przypadku chyba wszystkich nowych technologii, potrzeba na to dużo pieniędzy (ale całe szczęście Unia Europejska wspiera takie projekty) i czasu (tu już Unia niestety nie pomoże). Wierzymy jednak, że sensowność i ekologiczność tych technologii już wkrótce zatryumfuje.

 

Źródła: Prezentacje na sesji EUWRC From bio-waste to bio-based products (…), Susteen Technologies GmbH, Delta TU Delft, Plastics Completly Synthesized by Bacteria: PHA, bioplasticsinfo.com  

(Visited 459 times, 1 visits today)