Количество пищевых отходов на планете постоянно растет. Этим мы создаем огромную проблему для мусорной инфраструктуры и увеличиваем выбросы парниковых газов. Один из способов переработать такие отходы — анаэробное сбраживание. Проще говоря, это когда микробы без воздуха поедают органику и выделяют биогаз. Но обычные однокомпонентные реакторы часто барахлят: они нестабильны, выдают много углекислого газа и слишком чувствительны к тому, как меняется микробное сообщество.

Более продвинутый вариант — двухфазный процесс TPAD, где сначала получают водород, а потом метан. Однако и здесь есть свои слабые места: накапливаются кислоты, и система плохо выдерживает высокую нагрузку, когда отходов слишком много. Можно добавить химические буферы для стабилизации кислотности, но это дорого и иногда вредит самим микробам. Вот почему ученые ищут дешевые и безвредные добавки. Одна из многообещающих — биоуголь, то есть обугленная органика, похожая на древесный уголь, только сделанная из растительных остатков или навоза.

Исследование, опубликованное в журнале Energy & Environment Nexus, провела команда Юсрона Сугиарто из Университета Западной Австралии. Они выяснили, что биоуголь позволяет двухфазным реакторам работать при таких нагрузках, которые раньше гарантированно вели к аварии. Это реальный способ добывать больше возобновляемого газа из кухонных отходов.

Ученые поставили два полунепрерывных реактора с мешалками и гоняли их 100 дней. В один добавляли биоуголь, в другой — нет. Нагрузку поднимали семь раз: от 0,5 до 6 граммов органики на литр в сутки. Первый реактор отвечал за водород, второй — за метан. Они замеряли, сколько газа выделяется, как меняется кислотность, какие жирные кислоты накапливаются и кто именно живет среди микробов.

Что получилось? В водородном реакторе газ начал идти уже на второй день. Но там, где был биоуголь, водорода оказалось на 45–88 процентов больше. Даже при самой высокой нагрузке выработка не падала. Кислотность в этой системе держалась примерно на уровне 5,5, тогда как без биоугля она сползала до 4,5–5,0. Меньше накапливалось и вредной пропионовой кислоты.

В метановом реакторе картина та же. С биоуглем метан появился раньше, его содержание в газе выросло, и производство стабильно держалось около 1900 миллилитров в сутки. А в контрольном реакторе при максимальной нагрузке выработка упала на 12 процентов — кислотность снизилась, и жирные кислоты отравили процесс. Причем в системе с биоуглем кислотность во второй фазе составляла комфортные 7,2–7,3, что идеально для метановых архей.

Когда посмотрели на микробный состав, выяснилось интересное. Биоуголь серьезно обогатил популяцию бактерий Clostridiaceae в обеих фазах. А среди метаногенов (это такие археи, которые делают метан) стали активно размножаться Methanosarcinaceae и Methanobacteriaceae. Биоуголь помог им наладить прочные синтрофные связи — то есть взаимовыгодное сотрудничество, когда одни микробы питаются тем, что выделяют другие. Кроме того, он облегчил прямой межвидовой перенос электронов, что ускоряет все реакции.

Стоимость и доступность

Биоуголь можно сделать из любых растительных отходов, опилок, соломы, скорлупы. Технология простая: нагреть сырье без доступа кислорода. Поэтому на выходе добавка получается дешевой, намного дешевле промышленных химических буферов. Для фермера или небольшого мусороперерабатывающего завода это вполне по карману. Более того, биоуголь можно производить прямо на месте из тех же отходов, которые потом пойдут в реактор.

Что было раньше

До этого исследования многие знали, что биоуголь полезен для однокомпонентных бродильных чанов. А вот попыток применить его именно в двухфазной системе с высокими нагрузками и на длинном промежутке в 100 дней почти не было. Эти эксперименты показали стабильную работу там, где раньше все ломалось.

Этичность и возможный вред

Само исследование этично — никаких животных, никаких вредных вмешательств. Но если внедрять технологию в жизнь, есть моменты. Производство биоугля требует нагрева, а значит, тратит энергию. Если эту энергию брать от ископаемого топлива, выгода снизится. Плюс в больших масштабах нужно много сырья, и если не контролировать его источник, можно начать рубить леса под топливо. Но при разумном подходе (отходы деревообработки, солома) вреда практически нет.

Когда обычный человек сможет это использовать

До рядового пользователя, который выбрасывает ведро очистков, технология дойдет не раньше, чем через несколько лет. Понадобится время, чтобы производители биогазовых установок для ферм и предприятий общепита встроили биоуголь в свои регламенты.

Сравнение с аналогами

Есть три основных способа бороться с закислением в анаэробных реакторах:

Биоуголь выигрывает по сочетанию цены, безопасности и долговременного эффекта.

Критика разработки

Ученые использовали реальные кухонные отходы, но готовили их искусственно — смешивали углеводы, белки и жиры в фиксированной пропорции, чтобы каждый раз загружать одно и то же. В жизни же состав отходов скачет: сегодня больше каши, завтра — подгнивших яблок. Авторы не показали, как поведет себя биоуголь при реальных колебаниях состава. А ведь именно из-за этой непредсказуемости у многих заводов и случаются аварии. В идеальных лабораторных условиях биоуголь помогает, а в грязной реальности может оказаться наполовину бесполезным.

Ранее ученые назвали биоуголь из морских растений перспективным материалом для катодов.