Att brygga upp hållbarhet

Varje dag producerar bryggerier och vingårdar tusentals liter avloppsvatten, som antingen hälls i avloppet eller transporteras till behandlingsanläggningar till en hög kostnad för företagen.

Nu kommersialiserar MIT spinout Cambrian Innovation ett nytt reningssystem, kallat EcoVolt, som använder elektriskt laddade mikrober för att behandla och skapa kraft från avloppsvatten. Företaget – som syftar till att utnyttja bioteknik som ett sätt att lösa miljöfrågor – modifierar också sitt system för att generera värde från avloppsvatten inom jordbruks- och militärfält, och för att omvandla koldioxid till bränslen för applikationer på jorden och i rymden.

Bild med tillstånd av Cambrian Innovation

Dagens industriella infrastruktur hanterar basresurser linjärt, vilket ökar kostnaderna för avfallshantering och orsakar miljöskador. Men ett mer cykliskt tillvägagångssätt – där avfall används som energikälla – skulle kunna ge högre vinstavkastning och eliminera spänningen mellan miljö och ekonomi, säger VD Matt Silver SM '05, PhD '10, som grundade Cambrian tillsammans med Justin Buck PhD '12, nu företagets tekniska chef.

Reningen av avloppsvatten, till exempel, förbrukar över 3 procent av elen i USA, ändå har organiska ämnen i avloppsvattnet energi som kan utvinnas och användas lokalt, säger Silver. Och det är fallet för många avfallsprodukter i allmänhet.

Cambrians automatiserade och modulära EcoVolt-system – levererat på en flatbädd och installerat på en dag – består av en huvudverksenhet, som inrymmer datorer för automation och kontroll, och utbyggbara behandlingsenheter på 20 000 gallon. I dessa enheter utför mikrober som kallas exoelektrogener en unik process, elektrometanogenes - som används för första gången någonsin för att behandla avloppsvatten.

Exoelektrogener, belagda på anoder, förbrukar avloppsvattnets återstående organiska föroreningar och genererar i processen elektricitet. Denna elektricitet går genom en krets och till katoder belagda med separata mikrober som förbrukar den elektriciteten - tillsammans med koldioxid - för att producera biogas med en hastighet på upp till 100 kubikfot per minut. Denna process förbättrar naturligt förekommande anaerob rötning i avloppsvatten, säger Silver, eftersom den stabiliserar reningen, förbättrar biogaskvaliteten och möjliggör en högre grad av automatisering.

Biogasen går in i ett uppkopplat kraftvärmesystem för kraftomvandling. Beroende på flera platsfaktorer producerar detta allt från 30 till 400 kilowatt el per timme. Renat avloppsvatten lämnar reaktorn med 80 till 90 procent av föroreningarna borttagna, så det kan användas för bevattning, tvätt av utrustning och andra saker.

Systemet kan behandla 10 000 till 1 miljon liter avloppsvatten dagligen. I den takten skulle en vingård raka bort cirka 2 pund CO2 per fall från sitt koldioxidavtryck, genom kolfri energigenerering och undvika kommunal avloppsrening - effektivt plantera över 4 400 hektar träd på ett år, säger Silver.

Sedan januari har bryggerierna Bear Republic och Lagunitas, båda i det torkadrabbade Kalifornien, köpt EcoVolt-system. Med nuvarande användningshastigheter uppskattar Cambrian att systemet kommer att generera tillräckligt med el för att tillgodose 25 till 50 procent av dessa bryggeriers behov och tillåta återanvändning av cirka 25 procent av deras vatten. Det skulle också kunna eliminera 10 lastbilar med avloppsvattentransport per dag för Lagunitas.

Allt i designen

Dryckesindustrin har i allt högre grad använt anaeroba och aeroba processer för avloppsvattenrening, men dessa är dyra och svåra att använda, säger Silver.

Aeroba processer – upplösning av luft i avloppsvatten, där aeroba mikroorganismer bryter ned föroreningar – förbrukar mycket energi och genererar biosolider (organiska material) som hanteras till kostnad. Processer där anaeroba mikrober äter föroreningar, samtidigt som de producerar små mängder brännbart metan, har vunnit popularitet under de senaste decennierna - men sådana system fungerar bara under specifika omständigheter, är benägna att misslyckas och är svåra att använda.

EcoVolt, å andra sidan, är tillämpbar på en rad olika platser och har visat en mer robust behandlingsprocess, vilket innebär bättre kraftgenerering och högre avkastning för kunderna - och är därför mer ekonomisk, säger Buck. Men systemet är också modulärt, vilket innebär att kunder stegvis kan lägga till komponenter, såsom större behandlingsenheter eller konverteringsgeneratorer.

Det är en arkitektur som påverkats av Silvers examen i MIT:s Engineering Systems Division, som betonar tillförlitlighet, skalbarhet och flexibilitet vid utformning av storskaliga, komplexa system. EcoVolt ger dem mer flexibilitet med hur de implementerar behandlingssystem, säger han. Hela idén är att minimera engångskostnader för konstruktion och drift, samtidigt som kunderna får möjlighet att expandera till låg kostnad via en modulär arkitektur.

Dessutom är EcoVolt automatiserad, fjärrövervakad och tillhandahåller realtidsdata - tack vare att exoelektrogener används som sensorer. Dessa buggar genererar elektricitet, och det är något vi kan känna och läsa av i realtid för att se hur bra reaktorn går, förklarar Buck, som uppfann Cambrians sensorteknologi.

Med EcoVolt, säger Silver, siktar Cambrian på att göra behandling och återanvändning av vatten enklare och mer överkomligt, eftersom USAs beroende av vatten ökar, tillsammans med vattenföroreningar.

Nästan varje produkt vi gör har ett vattenavtryck, säger Silver. När vår ekonomi växer, sjunker grundvattnet och föroreningarna av avloppsvatten ökar, vilket får många företag att ta hänsyn till vattenrisker i sin övergripande strategi. Behovet av mer kostnadseffektiva lösningar blir alltmer akut i den utvecklade världen, och även kritisk i utvecklingsländerna. Vi utnyttjar bioteknik för att ge högsta avkastning på investeringen för vattenhantering.

För detta ändamål arbetar Cambrian med andra projekt som utnyttjar exoelektrogena mikrober för att behandla avloppsvatten. Ett projekt, kallat BioVolt, är ett självförsörjande vattenreningssystem för den amerikanska arméns framåtoperativa baser som behandlar avloppsvatten och genererar elektricitet för att driva sig själv. Ett annat projekt, finansierat av National Science Foundation, använder exoelektrogener för att känna av nitrat i avloppsvatten, billigt och med mycket hög specificitet, för jordbruksindustrin.

Jorden som ett rymdskepp

EcoVolt är värdefullt idag som en lösning på jordens vattenproblem. Men kärntekniken började som lite av rymdfyndighet – och har sedan dess hittat tillbaka till rymden.

Mötes på MIT 2006 över en gemensam förkärlek för bioteknik, Silver, då forskare vid MIT:s Space Systems Lab, och Buck, en doktorand i biologisk teknik, vann ett stipendium från NASA Institute for Advanced Concepts-programmet för att skapa ett livsuppehållande system som kunde behandla avfall och generera elektricitet för astronauter. Snart stötte de på exoelektrogener; en studie från 1999 hade avslöjat att exoelektrogener faktiskt kunde generera fler ampere per kvadratcentimeter än vad man tidigare trott.

Detta gjorde exoelektrogener till en tredje - och till stor del bättre - kandidat för avloppsvattenrening, framför aeroba eller anaeroba metoder. Teamet lanserade Cambrian med ett anslag från jordbruksdepartementet för att fokusera på avloppsvatten från jordbruket och flyttade snart till sitt nuvarande huvudkontor i Boston. När de deltog i Cleantech Open-tävlingen 2010 – och vann – hade de flyttat fokus till mat- och dryckesindustrin.

Cambrian testade framgångsrikt sitt första system 2010 och demonstrerade sedan, under 14 månader, från 2011 till 2012 sitt system i industriell skala på Stängd trä vintillverkare i Kalifornien.

2012 började NASA finansiera ett kambriskt projekt, kallat ExoGen, som använder elektrometanogenes för att mer effektivt utvinna syre eller bränsle från CO2 för långvariga rymdflygningar. NASA utför för närvarande syreåtervinning från CO2 i en kemisk process i flera steg; ExoGen kommer att göra det till en förenklad process i ett steg.

Överraskande nog har det varit en enkel övergång att byta från flyg- till jordtillämpningar och tillbaka igen, säger Silver. Utmaningen att stödja astronauter i rymden liknar mycket hållbarhet på jorden, säger han. Det du vill göra i rymden är att maximera återanvändningen samtidigt som du minimerar energin. Om vi ​​ser på jorden som rymdskeppet är det samma problem.

Med EcoVolt, och dess andra pågående projekt, är Cambrians övergripande mål, säger Silver, att utnyttja bioteknik för att främja en hållbar industriell ekologi, där industrins avfall återvinns för att skapa energi och värde - ungefär som i naturliga ekosystem.

I ett naturligt ekosystem finns det verkligen inget som heter avfall, säger Silver. Det är bara en annan resurs.

Dölj