Duurzaamheid brouwen

Elke dag produceren brouwerijen en wijnmakerijen duizenden liters afvalwater, dat ofwel in de afvoer wordt gegoten of tegen hoge kosten voor de bedrijven naar behandelingsfaciliteiten wordt vervoerd.

Nu brengt MIT-spin-out Cambrian Innovation een nieuw behandelingssysteem op de markt, genaamd EcoVolt, dat elektrisch geladen microben gebruikt om afvalwater te behandelen en stroom te genereren. Het bedrijf - dat biotechnologie wil gebruiken als een manier om milieuproblemen op te lossen - past ook hun systeem aan om waarde te genereren uit afvalwater in landbouw- en militaire velden en om koolstofdioxide om te zetten in brandstoffen voor toepassingen op aarde en in de ruimte.

Afbeelding met dank aan Cambrian Innovation

De industriële infrastructuur van vandaag beheert basisbronnen lineair, waardoor de kosten van afvalverwijdering stijgen en milieuschade wordt veroorzaakt. Maar een meer cyclische benadering - waarbij afval wordt gebruikt als energiebron - zou hogere winstopbrengsten kunnen opleveren en de spanning tussen milieu en economie kunnen wegnemen, zegt CEO Matt Silver SM '05, PhD '10, die samen met Justin Buck Cambrian oprichtte. PhD '12, nu de chief technology officer van het bedrijf.

De behandeling van afvalwater verbruikt bijvoorbeeld meer dan 3 procent van de elektriciteit in de Verenigde Staten, maar organische stoffen in het afvalwater hebben energie die lokaal kan worden gewonnen en gebruikt, zegt Silver. En dat geldt in het algemeen voor veel afvalproducten.

Cambrian's geautomatiseerde en modulaire EcoVolt-systeem — geleverd op een flatbed en binnen een dag geïnstalleerd — bestaat uit een headworks-eenheid met computers voor automatisering en controle, en uitbreidbare behandelingseenheden van 20.000 gallon. In deze eenheden voeren microben, exo-elektrogenen genaamd, een uniek proces uit, elektromethanogenese - dat voor het eerst wordt gebruikt bij de behandeling van afvalwater.

Exo-elektrogenen, gecoat op anodes, verbruiken de resterende organische verontreinigende stoffen van het afvalwater en wekken daarbij elektriciteit op. Deze elektriciteit gaat door een circuit en op kathoden die zijn bedekt met afzonderlijke microben die die elektriciteit verbruiken - samen met koolstofdioxide - om biogas te produceren met een snelheid van maximaal 100 kubieke voet per minuut. Dit proces verbetert de natuurlijk voorkomende anaërobe vergisting in afvalwater, zegt Silver, omdat het de behandeling stabiliseert, de biogaskwaliteit verbetert en een hogere mate van automatisering mogelijk maakt.

Het biogas komt in een aangesloten WKK-systeem voor stroomconversie. Afhankelijk van verschillende locatiefactoren produceert dit ergens tussen de 30 en 400 kilowatt per uur elektriciteit. Behandeld afvalwater verlaat de reactor met 80 tot 90 procent van de verontreinigende stoffen verwijderd, zodat het kan worden gebruikt voor irrigatie, het wassen van apparatuur en andere dingen.

Het systeem kan dagelijks 10.000 tot 1 miljoen gallons afvalwater behandelen. In dat tempo zou een wijnmakerij ongeveer 2 pond CO2 per geval van zijn ecologische voetafdruk scheren, door koolstofvrije energieopwekking en het vermijden van gemeentelijke afvalwaterzuivering - effectief meer dan 4.400 hectare bomen per jaar planten, zegt Silver.

Sinds januari hebben de brouwerijen Bear Republic en Lagunitas, beide in het door droogte geteisterde Californië, EcoVolt-systemen gekocht. Bij het huidige verbruik schat Cambrian dat het systeem voldoende elektriciteit zal opwekken om aan 25 tot 50 procent van de behoeften van deze brouwerijen te voldoen en om ongeveer 25 procent van hun water te kunnen hergebruiken. Het zou ook 10 vrachtwagens met afvalwatervervoer per dag voor Lagunitas kunnen elimineren.

Alles in het ontwerp

De drankenindustrie past steeds vaker anaërobe en aerobe afvalwaterzuiveringsprocessen toe, maar deze zijn duur en moeilijk toe te passen, zegt Silver.

Aerobe processen — lucht oplossen in afvalwater, waar aerobe micro-organismen verontreinigende stoffen afbreken — verbruiken veel energie en genereren biologische vaste stoffen (organische materialen) die tegen kostprijs worden beheerd. Processen waarbij anaërobe microben verontreinigende stoffen eten, terwijl ze kleine hoeveelheden brandbaar methaan produceren, zijn de afgelopen decennia aan populariteit gewonnen - maar dergelijke systemen werken alleen onder specifieke omstandigheden, zijn vatbaar voor storingen en zijn moeilijk te bedienen.

EcoVolt, aan de andere kant, is toepasbaar op een groot aantal locaties en heeft een robuuster behandelingsproces laten zien, wat een betere stroomopwekking en hogere opbrengsten voor klanten betekent - en is daarom zuiniger, zegt Buck. Maar het systeem is ook modulair, wat betekent dat klanten stapsgewijs componenten kunnen toevoegen, zoals grotere behandelunits of conversiegeneratoren.

Het is een architectuur die is beïnvloed door Silver's afstudeerjaren in de Engineering Systems Division van MIT, die de nadruk legt op betrouwbaarheid, schaalbaarheid en flexibiliteit bij het ontwerpen van grootschalige, complexe systemen. EcoVolt geeft hen meer flexibiliteit bij het implementeren van behandelingssystemen, zegt hij. Het hele idee is om eenmalige engineering- en bedrijfskosten tot een minimum te beperken, terwijl klanten de mogelijkheid krijgen om tegen lage kosten uit te breiden via een modulaire architectuur.

Bovendien is EcoVolt echter geautomatiseerd, op afstand bewaakt en biedt het realtime gegevens - dankzij het gebruik van exo-elektrogenen als sensoren. Deze beestjes wekken elektriciteit op, en dat is iets dat we in realtime kunnen voelen en uitlezen om te zien hoe goed de reactor het doet, legt Buck uit, die de sensortechnologieën van Cambrian uitvond.

Met EcoVolt, zegt Silver, wil Cambrian de behandeling en hergebruik van water gemakkelijker en betaalbaarder maken, aangezien Amerika's afhankelijkheid van water toeneemt, samen met watervervuiling.

Bijna elk product dat we maken heeft een watervoetafdruk, zegt Silver. Naarmate onze economie groeit, dalen de grondwaterstanden en neemt de vervuiling van afvalwater toe, waardoor veel bedrijven waterrisico's in hun algemene strategie beschouwen. De behoefte aan meer kosteneffectieve oplossingen wordt steeds nijpender in de ontwikkelde wereld, en ook van cruciaal belang in de zich ontwikkelende [wereld]. We maken gebruik van biotechnologie om het hoogste investeringsrendement voor waterbeheer te bieden.

Daartoe werkt Cambrian aan andere projecten die gebruik maken van exo-elektrogene microben om afvalwater te behandelen. Eén project, BioVolt genaamd, is een zelfaangedreven waterbehandelingssysteem voor voorwaartse operationele bases van het Amerikaanse leger dat afvalwater behandelt en elektriciteit opwekt om zichzelf van stroom te voorzien. Een ander project, gefinancierd door de National Science Foundation, gebruikt exo-elektrogenen om nitraat in afvalwater te detecteren, goedkoop en met een zeer hoge specificiteit, voor de landbouwindustrie.

De aarde als ruimteschip

EcoVolt is tegenwoordig waardevol als een oplossing voor de waterproblemen van de aarde. Maar de kerntechnologie begon als een beetje vindingrijkheid in de ruimtevaart - en heeft sindsdien zijn weg terug naar de ruimte gevonden.

Bijeenkomst aan het MIT in 2006 vanwege een gedeelde voorliefde voor biotech, Silver, toen een onderzoekswetenschapper in MIT's Space Systems Lab, en Buck, een afgestudeerde biologische engineeringstudent, wonnen een beurs van het NASA Institute for Advanced Concepts-programma om een ​​levensondersteunende systeem dat afval kan verwerken en elektriciteit kan opwekken voor astronauten. Al snel kwamen ze exo-elektrogenen tegen; een onderzoek uit 1999 had onthuld dat exo-elektrogenen in feite meer ampère per vierkante centimeter konden genereren dan eerder werd gedacht.

Dit maakte exo-elektrogenen een derde - en grotendeels betere - kandidaat voor afvalwaterzuivering, in plaats van aerobe of anaerobe methoden. Het team lanceerde Cambrian met een subsidie ​​van het Department of Agriculture om zich te concentreren op agrarisch afvalwater en verhuisde al snel naar het huidige hoofdkantoor in Boston. Tegen de tijd dat ze deelnamen aan de Cleantech Open-competitie van 2010 - en wonnen - hadden ze de focus verlegd naar de voedingsmiddelen- en drankenindustrie.

Cambrian testte met succes zijn eerste systeem in 2010 en demonstreerde vervolgens, gedurende 14 maanden, van 2011 tot 2012, zijn systeem op industriële schaal op de Gesloten hout wijnmakerij in Californië.

In 2012 begon NASA met het financieren van een Cambrium-project, ExoGen genaamd, dat elektromethanogenese gebruikt om efficiënter zuurstof of brandstof uit CO2 te halen voor langdurige ruimtevluchten. NASA voert momenteel zuurstofterugwinning uit CO2 uit in een meerstaps chemisch proces; ExoGen maakt er een vereenvoudigd eenstapsproces van.

Verrassend genoeg was de overgang van ruimtevaart naar toepassingen op de aarde en weer terug een gemakkelijke overgang, zegt Silver. De uitdaging om astronauten in de ruimte te ondersteunen, lijkt erg op duurzaamheid op aarde, zegt hij. Wat u in de ruimte wilt doen, is hergebruik maximaliseren en energetische effecten minimaliseren. Als we naar de aarde kijken als het ruimteschip, is dat hetzelfde probleem.

Met EcoVolt en zijn andere lopende projecten, is het algemene doel van Cambrian, zegt Silver, om biotechnologie te gebruiken om een ​​duurzame industriële ecologie te bevorderen, waarbij het afval van de industrie wordt gerecycled om energie en waarde te creëren - net zoals in natuurlijke ecosystemen.

In een natuurlijk ecosysteem bestaat er echt niet zoiets als afval, zegt Silver. Het is gewoon een andere bron.

zich verstoppen