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

上周六，2024年8月3日，環境國務秘書安德烈·鮑曼博士在萊茵費爾登(巴登)開設了SmartBioH2-BW示范工廠。作為弗勞恩霍夫界面工程和生物技術研究所IGB協調項目的一部分，該生物精煉廠在贏創的工業基地建造。它利用沖洗水和生產過程中產生的殘余物質，通過兩個耦合的生物技術過程生產“綠色”氫氣和有機原料。測試運行現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-符騰堡州環境、氣候和能源部一直在利用國家資金和歐洲區域發展基金(ERDF)的資金支持模塊化生物精煉廠的建設，以測試如何利用可持續生物經濟從廢物和廢水中回收高質量的原材料。

“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，已經在小范圍內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局或工業的下一步中使用。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場所的彈性。”

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

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

生物精煉廠的智能耦合生物技術

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研究所IGB設計、規劃和建造。它由兩個耦合的過程模塊組成，通過生物技術生產氫，包括：紫色細菌的發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合到一個聯合生物煉制概念中，將有可能利用現場生產中產生的工業固體和液體廢物流，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出，以生產未來的能源氫和其他增值生物基產品，”弗勞恩霍夫IGB副主任兼該項目的協調員Schlie?mann說。

第一步是調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，用于清潔生產設施。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，”Schlie?mann解釋說。因此，首先在弗勞恩霍夫IGB的實驗室條件下，用贏創的廢物流分別測試了這些過程，然后擴大到更大的規模。

“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，利用一種新的發酵方式——暗光合作用，從各種碳基質中生產氫氣。在萊茵費爾登，紫色細菌利用沖洗水中的乙醇作為碳基質和能量來源。

為了確保足夠的生長和氫的合成，必須調整發酵培養基的組成，正如斯圖加特實驗室已經證明的那樣。然后，細菌不僅產生令人垂涎的氫，而且還產生其他可用的產品，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)，以及作為副產品的二氧化碳(CO2)。“由于紫色細菌的產氫酶對氧氣非常敏感，在發酵過程中精確控制氧氣含量是一項挑戰，”Fraunhofer IGB生物工藝開發負責人Susanne Zibek補充道。

微藻結合副產物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品——就像綠色植物一樣——而且只需要光和營養。

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器中培養。該反應器的特點是自動化程度高，在小面積內提供大量的體積。該過程的操作方式是微藻從產生的二氧化碳中產生淀粉作為可用產品。所需的營養物質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生氫氣。它們利用光能將水分解成氫和氧。IGB藻類生物技術負責人Ulrike Schmid-Staiger博士解釋說：“為了從技術上使用這個過程，產生的氧氣必須不斷地從系統中去除，因為它抑制了藻類細胞的產氫效率。為此目的開發的一種全新的光生物反應器將在幾周內集成到生物精煉廠中，以進一步提高生物氫的總體產量。”

用于評估的過程模型

Fraunhofer制造工程和自動化研究所通過創建一個過程模型來參與該項目，該模型可以預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和經濟評價奠定了基礎。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的發展。”

“根據實際經驗，我們可以確定一個工業規模的工廠在經濟上是否可行。重要的是，我們計劃實現高度自動化，以提高工廠的產量，”Schlie?mann說。但節省的處理和運輸成本也有助于整體平衡。

“SmartBioH2-BW-工業廢水和殘渣流通過多功能生物合成途徑平臺產出生物氫”項目由巴登-符騰堡州環境、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研究所(協調)、弗勞恩霍夫制造工程和自動化研究所、(斯圖加特大學，生物材料和生物分子系統研究所)斯圖加特大學、生產能效研究所(聯合合作伙伴)