Udvikling af bæredygtighed

Hver dag producerer bryggerier og vingårde tusindvis af liter spildevand, som enten hældes i afløbet eller sendes til behandlingsanlæg til en høj pris for virksomhederne.

Nu kommer MIT spinout Cambrian Innovation et nyt behandlingssystem, kaldet EcoVolt, der bruger elektrisk ladede mikrober til at behandle og skabe strøm fra spildevand. Virksomheden - som har til formål at udnytte bioteknologi som en måde at løse miljøproblemer på - ændrer også deres system for at generere værdi fra spildevand i landbrugs- og militære områder og for at omdanne kuldioxid til brændstoffer til applikationer på jorden og i rummet.

Billede udlånt af Cambrian Innovation

Nutidens industrielle infrastruktur forvalter basale ressourcer lineært, hvilket øger omkostningerne ved bortskaffelse af affald og forårsager miljøskader. Men en mere cyklisk tilgang - hvor affald bruges som energikilde - kunne give højere profitudbytter og eliminere spændingen mellem miljø og økonomi, siger CEO Matt Silver SM '05, PhD '10, som var medstifter af Cambrian sammen med Justin Buck PhD '12, nu virksomhedens teknologichef.

Behandlingen af ​​spildevand bruger for eksempel over 3 procent af elektriciteten i USA, men alligevel har organiske stoffer i spildevandet energi, der kan udvindes og bruges lokalt, siger Silver. Og det er tilfældet for mange affaldsprodukter generelt.

Cambrians automatiserede og modulære EcoVolt-system - leveret på en flatbed og installeret på en dag - består af en headwork-enhed, som rummer computere til automatisering og kontrol, og udvidelige 20.000-gallon behandlingsenheder. I disse enheder udfører mikrober kaldet exoelektrogener en unik proces, elektromethanogenese - som bliver brugt for første gang nogensinde til at rense spildevand.

Eksoelektrogener, belagt på anoder, forbruger spildevandets resterende organiske forurenende stoffer og genererer i processen elektricitet. Denne elektricitet bevæger sig gennem et kredsløb og ind på katoder belagt med separate mikrober, der forbruger den elektricitet - sammen med kuldioxid - for at producere biogas med en hastighed på op til 100 kubikfod i minuttet. Denne proces forbedrer naturligt forekommende anaerob fordøjelse i spildevand, siger Silver, da den stabiliserer behandlingen, forbedrer biogaskvaliteten og muliggør en højere grad af automatisering.

Biogassen kommer ind i et tilsluttet kraftvarmeanlæg til elkonvertering. Afhængigt af flere faktorer på stedet producerer dette alt fra 30 til 400 kilowatt elektricitet i timen. Behandlet spildevand forlader reaktoren med 80 til 90 procent af forurenende stoffer fjernet, så det kan bruges til kunstvanding, vask af udstyr og andre ting.

Systemet kan behandle 10.000 til 1 million gallons spildevand dagligt. Med den hastighed ville en vingård barbere omkring 2 pund CO2 pr. sag ud af sit kulstoffodaftryk gennem kulstoffri energiproduktion og undgå kommunal spildevandsrensning - effektivt plante over 4.400 acres træer på et år, siger Silver.

Siden januar har bryggerierne Bear Republic og Lagunitas, begge i det tørkeramte Californien, købt EcoVolt-systemer. Ved de nuværende forbrugsrater anslår Cambrian, at systemet vil generere nok elektricitet til at opfylde 25 til 50 procent af disse bryggeriers behov og tillade genbrug af omkring 25 procent af deres vand. Det kunne også eliminere 10 lastbilers spildevandstransport om dagen for Lagunitas.

Alt i designet

I stigende grad har drikkevareindustrien anvendt anaerobe og aerobe spildevandsbehandlingsprocesser, men disse er dyre og svære at anvende, siger Silver.

Aerobe processer - opløsning af luft i spildevand, hvor aerobe mikroorganismer nedbryder forurenende stoffer - forbruger en masse energi og genererer biosolider (organiske materialer), der styres til kostpris. Processer, hvor anaerobe mikrober spiser forurenende stoffer, mens de producerer små mængder brændbar metan, har vundet popularitet i de sidste par årtier - men sådanne systemer fungerer kun under specifikke omstændigheder, er tilbøjelige til at fejle og er vanskelige at betjene.

EcoVolt, på den anden side, er anvendelig til en række steder og har demonstreret en mere robust behandlingsproces, hvilket betyder bedre elproduktion og højere udbytte for kunderne - og er derfor mere økonomisk, siger Buck. Men systemet er også modulopbygget, hvilket betyder, at kunder trinvist kan tilføje komponenter, såsom større behandlingsenheder eller konverteringsgeneratorer.

Det er en arkitektur påvirket af Silvers kandidatår i MIT's Engineering Systems Division, som understreger pålidelighed, skalerbarhed og fleksibilitet i design af komplekse systemer i stor skala. EcoVolt giver dem mere fleksibilitet med, hvordan de implementerer behandlingssystemer, siger han. Hele ideen er at minimere ikke-tilbagevendende ingeniør- og driftsomkostninger, samtidig med at kunderne får mulighed for at udvide til lave omkostninger via en modulær arkitektur.

Derudover er EcoVolt dog automatiseret, fjernovervåget og leverer data i realtid - takket være brugen af ​​exoelektrogener som sensorer. Disse fejl genererer elektricitet, og det er noget, vi kan fornemme og aflæse i realtid for at se, hvor godt reaktoren klarer sig, forklarer Buck, der opfandt Cambrians sensorteknologier.

Med EcoVolt, siger Silver, sigter Cambrian på at gøre behandling og genbrug af vand lettere og mere overkommelig, efterhånden som USAs afhængighed af vand øges, sammen med vandforurening.

Næsten hvert eneste produkt, vi laver, har et vandaftryk, siger Silver. Efterhånden som vores økonomi vokser, falder grundvandsspejlet, og spildevandsforureningen stiger, hvilket får mange virksomheder til at overveje vandrisiko i deres overordnede strategi. Behovet for mere omkostningseffektive løsninger er i stigende grad akut i den udviklede verden og også kritisk i udviklingslandene. Vi udnytter bioteknologi til at give det højeste investeringsafkast til håndtering af vand.

Til det formål arbejder Cambrian på andre projekter, der udnytter eksoelektrogene mikrober til at behandle spildevand. Et projekt, kaldet BioVolt, er et selvdrevet vandbehandlingssystem til den amerikanske hærs fremdriftsbaser, der behandler spildevand og genererer elektricitet til at drive sig selv. Et andet projekt, finansieret af National Science Foundation, bruger exoelektrogener til at fornemme nitrat i spildevand, billigt og med meget høj specificitet, til landbrugsindustrien.

Jorden som et rumskib

EcoVolt er værdifuld i dag som en løsning på Jordens vandproblemer. Men kerneteknologien begyndte som lidt af rumfarts-opfindsomhed - og har siden fundet vej tilbage til rummet.

Mødes på MIT i 2006 over en fælles forkærlighed for bioteknologi, Silver, dengang en forsker i MIT's Space Systems Lab, og Buck, en kandidatstuderende i biologisk ingeniørarbejde, vandt et stipendium fra NASA Institute for Advanced Concepts-programmet for at skabe en livsstøtte. system, der kunne behandle affald og generere elektricitet til astronauter. Snart stødte de på exoelektrogener; en undersøgelse fra 1999 havde afsløret, at exoelektrogener faktisk kunne generere flere ampere pr. kvadratcentimeter, end man tidligere havde troet.

Dette gjorde exoelektrogener til en tredje - og stort set bedre - kandidat til spildevandsrensning frem for aerobe eller anaerobe metoder. Ved at lancere Cambrian med et tilskud fra Department of Agriculture for at fokusere på landbrugsspildevand, flyttede holdet hurtigt til dets nuværende hovedkvarter i Boston. Da de deltog i 2010 Cleantech Open-konkurrencen - og vandt - havde de skiftet fokus til fødevare- og drikkevareindustrien.

Cambrian testede med succes sit første system i 2010 og demonstrerede derefter, over 14 måneder, fra 2011 til 2012 sit system i industriel skala på Lukket træ vingård i Californien.

I 2012 begyndte NASA at finansiere et kambrisk projekt, kaldet ExoGen, der bruger elektrometanogenese til mere effektivt at udvinde ilt eller brændstof fra CO2 til langvarige rumflyvninger. NASA udfører i øjeblikket iltgenvinding fra CO2 i en flertrins kemisk proces; ExoGen vil gøre det til en forenklet et-trins proces.

Overraskende nok har det været en nem overgang at skifte fra rumfarts- til Jord-applikationer og tilbage igen, siger Silver. Udfordringen med at støtte astronauter i rummet ligner meget bæredygtighed på Jorden, siger han. Det, du ønsker at gøre i rummet, er at maksimere genbrug, mens du minimerer energi. Hvis vi ser på Jorden som rumskibet, er det det samme problem.

Med EcoVolt og dets andre igangværende projekter er Cambrians overordnede mål, siger Silver, at udnytte bioteknologi til at fremme en bæredygtig industriel økologi, hvor industriens affald genbruges for at skabe energi og værdi - ligesom i naturlige økosystemer.

I et naturligt økosystem er der virkelig ikke noget, der hedder affald, siger Silver. Det er bare en anden ressource.

skjule