Głównymi problemami dzisiejszych systemów energetycznych są kwestie magazynowania energii, stabilność sieci i emisja CO2. Międzynarodowy, polsko-cypryjski zespół naukowców pracuje nad technologią, która może przyczynić się do częściowego rozwiązania wszystkich tych trzech problemów.

Projekt BioElectroCathode jest realizowany poprzez ścisłą współpracę Centrum Badań i Innowacji Pro-Akademia z Konstantynowa Łódzkiego i Cypryjskiego Uniwersytetu Technologicznego, przy zaangażowaniu dwóch przedsiębiorstw: ENERES CPM Ltd z Cypru  i OMNI3D Sp. z o.o. z Polski. Celem prac badawczych jest zastosowanie technologii druku 3D do konstruowania bioreaktorów elektrochemicznych oraz opracowane innowacyjnych metod i materiałów do wytwarzania katod wykorzystywanych w procesie bioelektrosyntezy. Proces ten umożliwia przekształcanie CO2 ze spalin lub nawet powietrza w metan i/lub w etanol.

Na czym polega biokataliza procesów bioelektrosyntezy i jakie może mieć zastosowanie?

Biologiczna lub mikrobiologiczna elektrosynteza (BES lub MES) jest biologiczną drogą konwersji CO2 w chemiczne nośniki energii, takie jak metan (CH4) lub etanol (C2H5OH), przy użyciu energii elektrycznej i mikroorganizmów.

O systemie BES mówimy, gdy katalizator mikrobiologiczny redukuje CO2 do produktów organicznych za pomocą elektronów dostarczanych przez zewnętrzne źródło energii i pobieranych z katody układu bioelektrochemicznego, zaprojektowanego głównie do przeprowadzania biologicznych reakcji redukcyjnych. Technologia BES może: (1) zamieniać energię elektryczną z niestabilnych odnawialnych źródeł energii na metan lub etanol, które można przechowywać, rozprowadzać i konsumować na żądanie, (2) wykorzystywać CO2 jako jedyne źródło węgla do produkcji metanu, który następnie może być używany jako paliwo lub może być przekształcany na energię elektryczną przez silniki CHP, bądź też do produkcji etanolu, czyli biopaliwa płynnego, powszechnie stosowanego np. w transporcie.

Energia elektryczna dostarczana jest do mikroorganizmów bytujących w reaktorze, w wyniku czego CO2 jest przekształcany w metan i/lub w etanol, zależnie od wykorzystanego szczepu bakterii. Bogaty w metan biogaz (biometan) lub etanol można przechowywać, dystrybuować i wykorzystywać na przykład jako paliwo w pojazdach kompatybilnych z gazem ziemnym. Proponowana technologia może być z powodzeniem zastosowana w instalacjach biogazowych, a jest ich w Europie ponad 12 400 lub w branżach produkujących duże ilości CO2.

Zastosowanie druku 3D w produkcji biopaliw?

W ramach realizowanego projektu badawczo-wdrożeniowego, dla zbudowania bioreaktora, testowane będą tzw. technologie przyrostowe (AM, z ang. Additive Manufacturing) czyli popularny druk 3D, a także nowoczesne materiały termoplastyczne wykorzystywane jako materiał budulcowy. Druk 3D znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Jego znaczenie będzie rosło w nadchodzących latach, zwłaszcza w dziedzinie prototypowania i taniego drukowania. Firmy będą potrzebowały drukarek energooszczędnych, bardzo precyzyjnych, do których będzie stosowany szeroki zakres materiałów takich jak: polipropylen, akryl, guma o różnej twardości, nylon, tworzywa przeźroczyste, polistyren, ABS oraz stopy metali jak stal narzędziowa, tytan, stal nierdzewna, aluminium, a nawet szkło i wiele innych.

Druk 3D służy dziś już nie tylko do prototypowania, ale także coraz częściej do seryjnej produkcji gotowych elementów użytkowych, funkcjonalnych i wytrzymałych produktów.

W projekcie BioElectroCathode firma Omni3D będzie wykorzystywać techniki 3D do zbudowania, czyli WYDRUKOWANIA biorektora. Biorąc pod uwagę korzyści oferowane przez technologie przyrostowe, polegające na wyeliminowaniu błędów człowieka, skróceniu kosztownego i czasochłonnego montażu i wieloczęściowej produkcji bioreaktora, proces projektowania i optymalizacji systemu zostanie znacznie usprawniony, przy jednoczesnym zwiększeniu swobody naukowców w projektowaniu. Zmieniając parametry projektowe poszczególnych elementów składowych reaktora, takie jak powierzchnia, kształt, rozdzielczość drukowania, grubość i stopień wypełnienia, strukturą drukowanego urządzenia można łatwo manipulować, a w konsekwencji usprawnić działanie bioreaktora.

Do wydrukowania bioreaktora przetestowanych zostanie kilka nowatorskich, odpowiednich materiałów konstrukcyjnych i termoplastycznych, stosunkowo niedrogich i łatwo dostępnych, które w przyszłości posłużą do masowej, energooszczędnej i stabilnej produkcji BES techniką druku 3D.