Jak w skrócie opisać projekt BioElectroCathode?
BioElectroCathode to innowacyjny międzynarodowy projekt. Jego celem jest rozwój procesów bioelektrosyntezy które mogą być wykorzystywane do przekształcania dwutlenku węgla (CO2) w metan (CH4) lub etanol. Dwa główne filary projektu to zastosowanie technologii druku 3D do produkcji bioreaktorów elektrochemicznych oraz opracowanie metod do wytwarzania katod niezbędnych w procesie bioelektrosyntezy. Cały proces umożliwia przekształcanie CO2 w gaz podobny do biogazu, który może być wykorzystywany jako paliwo.
Projekt BioElectroCathode ma na celu wprowadzenie innowacji w biokatalizie procesów bioelektrosyntezy poprzez: wytwarzanie nowych katod i przez wykorzystanie techniki druku 3D do wytworzenia reaktora MEBR (3D-Microbial Electrosynthesis Baffle Reactor) mogącego przekształcić dwutlenek węgla (CO2) w metan (CH4) lub w etanol (C2H5OH).
Kto stoi za tym projektem – jakie podmioty i z jakimi oczekiwaniami?
Za projektem BioElectroCathode stoi międzynarodowy, polsko-cypryjski zespół naukowców, który współpracuje z firmą Omni3D. Partnerska kooperacja zmierza do opracowania technologii, której obecnie brakuje w systemach energetycznych. Pragniemy w przyszłości przyjść z pomocą energetyce, która – z myślą o zmniejszeniu swojej presji na środowisko naturalne – podlega epokowej przebudowie. Z pomocą wspomnianej technologii zamierzamy podjąć próbę rozwiązania trzech głównych problemów, które stanowią punkty krytyczne dzisiejszych systemów energetycznych, a są związane z magazynowaniem energii, stabilnością sieci i emisją dwutlenku węgla. Bez uporania się z tymi słabościami trudno wyobrazić sobie sukces planowanej i po części już realizowanej transformacji energetyki.
Projekt BioElectroCathode jest realizowany w następującym partnerstwie: Centrum Badań i Innowacji Pro-Akademia (Polska), OMNI3D sp. z o.o. (Polska), Cypryjski Uniwersytet Technologiczny (Cypr) i ENERES CPM Ltd (Cypr).
Projekt finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (umowa nr M.ERA-NET2/2017/3/2018) w ramach M.ERA-NET Call 2017.
Jak ma przebiegać proces przekształcania dwutlenku węgla (CO2) w gaz podobny do biogazu?
Wydrukowane w 3D bioreaktory stwarzają optymalne warunki do rozwoju bakterii, które pobudzane przez niewielki ładunek elektryczny płynący przez katodę przekształcają dwutlenek węgla w metan lub w etanol. Tak w największym skrócie można opisać proces biologicznego przekształcania gazu, który w ogromnych ilościach jest emitowany przez tradycyjną energetykę i prowadzi do nasilania się tzw. efektu cieplarnianego, a przez to stwarza realne zagrożenie dla klimatu i środowiska. Docelowo wyprodukowany w naszej technologii nośnik energii będzie można przechowywać, dystrybuować i wykorzystywać na wiele różnych sposobów, np. jako paliwo w pojazdach napędzanych paliwami gazowymi lub w przemysłowych procesach produkcyjnych.
Co można powiedzieć o krytycznych elementach realizacji tego procesu?
Jednym z największych wyzwań podczas realizacji projektu było przygotowanie w pełni szczelnego wydruku 3D, który sprosta wymaganiom projektu BioElectroCathode.
Celem było także wykorzystanie przetestowanych i łatwo dostępnych materiałów termoplastycznych, które w przyszłości posłużą do masowej, energooszczędnej i stabilnej produkcji bioreaktorów technologią przyrostową.
W trakcie realizacji projektu badawczo-wdrożeniowego, dla zbudowania bioreaktora, testowane są tzw. technologie przyrostowe AM (Additive Manufacturing), czyli popularny druk 3D, a także nowoczesne materiały termoplastyczne wykorzystywane jako materiał budulcowy. Druk 3D już znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Jego znaczenie w dalszym ciągu będzie rosło – w nadchodzących latach jego rola będzie coraz mocniejsza, 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 przezroczyste, polistyren, ABS, oraz stopy metali, takie jak stal narzędziowa, tytan, stal nierdzewna, aluminium, a nawet szkło i wiele innych. Dlatego właśnie to druk 3D został wybrany jako metoda do wytwarzania bioreaktora, który ma wspierać systemy energetyczne. W projekcie BioElectroCathode firma Omni3D wykorzystuje techniki 3D do zbudowania, czyli – praktycznie rzecz nazywając – do wydrukowania biorektora.
Osobnym wyzwaniem był sam kształt reaktora, który ewaluował i zmieniał się w trakcie trwania projektu, aż osiągnął formę, która umożliwia w pełni zoptymalizowany przepływ płynów wewnątrz reaktora.
Jakimi właściwościami musi się oznaczać bioreaktor, w którym będzie w sposób przemysłowy realizowana bioelektrosynteza?
Przede wszystkim trwałością oraz szczelnością materiału. Jego struktura musi być na tyle przyczepna, aby mikroorganizmy mogły się osadzić na jego powierzchni. Poza tym materiał musi być biozgodny, to znaczy, że nie może szkodzić mikroorganizmom. Dodatkową zaletą jest, jeśli tworzywo, którego używamy, będzie biodegradowalne lub łatwe w recyklingu.
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, dzięki drukowi 3D zostanie znacznie usprawniony przy jednoczesnym zwiększeniu swobody naukowców w projektowaniu. Będą oni mogli zmieniać parametry projektowe poszczególnych elementów składowych reaktora, takie jak powierzchnia, kształt, rozdzielczość drukowania, grubość i stopień wypełnienia. Strukturą drukowanego urządzenia można łatwo manipulować stosownie do potrzeb, a w konsekwencji tak usprawnić działanie bioreaktora, by odpowiadał konkretnym wymaganiom.
Na ile technologia druku 3D od Omni3D może być przydatna do produkcji paliw przyszłości?
To właśnie zastosowanie technologii druku dostarczanej przez Omni3D umożliwiło wprowadzenie wielokrotnych zmian i kolejnych udoskonalań w projekcie. Zmieniając parametry projektowe poszczególnych elementów reaktora, takie jak kształt czy grubość i stopień wypełnienia, strukturą drukowanego urządzenia można łatwo modyfikować budowę i kształt bioreaktora, a w konsekwencji usprawniać jego działanie. Wykorzystanie druku 3D przy tego rodzaju projektach okazało się najlepszym i najefektywniejszym rozwiązaniem. Za metodą przemawia możliwość wprowadzania częstych zmian i ulepszanie w drodze testów samego wydruku 3D. Materiały (filamenty) wykorzystane przy tym projekcie pozwoliły na osiągnięcie efektu, który nie byłby możliwy do uzyskania przy zastosowaniu tradycyjnych metod produkcji.
Jakie dotychczasowe doświadczenia Omni3D przemawiają na możliwością zastosowania druku 3D w przemysłowej produkcji biogazu z CO2?
Nie ma wątpliwości, że obecnie przemysł jest gotowy zapłacić wyższą cenę za zaangażowanie się w niskoseryjną, ale za to dostosowaną lub wprost spersonalizowaną produkcję czy wytwarzanie przedmiotów, których nie można wyprodukować tradycyjnymi metodami. Należy pamiętać, że jeszcze 10 lat temu żadna firma w sektorze przemysłowym nie stosowała w swoim zakładzie produkcyjnym części finalnych, które wykonywano w całości lub w części na drukarce 3D. Imponujące zatem jest to, że dynamicznie zmierzamy w kierunku automatyzacji i robotyzacji także w tym zakresie.
Druk 3D obecnie przechodzi transformację z technologii, która była używana główne w celu prototypowania, do metody wytwórczej przy realizowaniu różnego typu produkcji seryjnych.