Power-to-Protein: efficiënte inbreng van waterstof (fase 3)

Tijdens fase 1 van het project (2015/2016) zijn via een deskstudie vooral de technische en economische aspecten van het concept onderzocht. In fase 2 (afronding begin 2019) vond opschaling plaats door het bouwen van een pilot met een inhoud van 500 liter en het testen hiervan op twee locaties. De resultaten van dit onderzoek zijn inmiddels gepubliceerd.

Over het algemeen is het mogelijk om succesvol een productief HOB (hydrogen oxidizing bacteria) microbioom te laten groeien. Tijdens het praktijkonderzoek kwam het inbrengen van waterstof in de cultuurvloeistof als belangrijkste knelpunt in het slagen van het Power-to-Protein concept naar voren.

Technologie

Waterstof is de energiedrager in het Power-to-Protein concept. Voor een goede economische businesscase moet dit waterstof optimaal worden benut. Tegelijkertijd ontstaat een complicatie hierin omdat het reactorsysteem tevens met zuurstof en koolzuurgas moet worden gevoed.

Uitdaging

In  dit onderzoek is door literatuurstudie, kennisuitwisseling met experts en modellering  meer inzicht ontstaan in de stofoverdracht van waterstof en andere gassen in bioreactoren, zodat hiermee eiwitten uit ammonium – afkomstig uit afvalwater – kunnen worden geproduceerd.

Fundamentele inzichten dragen bij aan een beter ontwerp van een bioreactor met een optimale inbreng van cultuurvloeistof, waterstof en andere gassen. Dit maakt opschaling van het Power-to-Protein concept in een vervolgfase mogelijk.

Oplossing

Uit het literatuuronderzoek is gebleken dat bubbelkolomreactoren en slurry-bubbelkolomreactoren geschikte reactortypes of -configuraties zijn om hoge prestaties op het gebied van de massaoverdracht van gas naar vloeistof en een betere gasretentie te bereiken. Deze conclusie is bevestigd door deskundigen die zijn geraadpleegd tijdens een kennisuitwisselingsvergadering. Bovendien zijn uit de literatuur en de raadpleging van deskundigen de belangrijkste ontwerp- en bedrijfsparameters afgeleid om een CFD-model te ontwikkelen dat de prestaties van de bubbelkolomreactor onder variërende ontwerp- en bedrijfscondities simuleerde. Uit de modelstudie is geconcludeerd dat de belangrijkste parameters voor de verbetering van de prestaties zijn de grootte van de bellen, de druk en de hoogte-breedteverhouding van de reactor (aspect ratio). Deze bevindingen van de studie ondersteunden de door Avecom gevolgde methodologie, wat een extra bevestiging is voor de momenteel in bedrijf zijnde bubbelkolomreactor op proefschaal. Er zijn ook aanbevelingen gedaan met betrekking tot de parameterwaarden die kunnen worden overwogen voor het ontwerp van een reactor op grotere schaal. Bovendien zijn concrete aanbevelingen gedaan met betrekking tot de monitoring van de bedrijfsparameters door het gebruik van sensoren. Met de beschikbaarheid van aanvullende gegevens kan het huidige CFD-model verder worden gekalibreerd en gevalideerd om de nauwkeurigheid van de voorspellingen te verhogen.