door dr. ir. Jo De Vrieze & prof. dr. ir. Korneel Rabaey
Het 14e Wereld Congres over Anaerobe Vergisting (AD14) vond plaats van 15 tot 18 november 2015 in Viña del Mar, Chili. De veertiende uitgave van dit congres bracht in totaal ongeveer 800 mensen samen, afkomstig zowel uit de academische wereld als vanuit de industrie.
Globaal is het duidelijk dat het (onderzoek rond) anaerobe vergisting een nieuw elan kent. De afgelopen jaren leek de wereld rond anaerobe vergisting een richting te missen waarin dit proces zou moeten evolueren, evenals nieuwe applicaties en technologieën die het proces beter economisch zouden substantiëren. Zaken zoals struviet waren wel interessant, maar gaven niet de nodige zuurstof aan AD. De belangrijkste onderzoeksdomeinen en (toekomstige) innovatieve industriële toepassingen worden hier kort overlopen.
Een eerste belangrijke onderzoekslijn die duidelijk naar voren kwam uit dit congres is biogas upgrading. In de (nabije) toekomst komt de vereiste om “clean” biogas te produceren en zelfs opwaardering tot biomethaan te bekomen. Een belangrijke toepassing is dus lokaal opwaarderen van biomassa tot biogas op een kostenefficiënte manier, waarna het meteen op het gasnetwerk kan geplaatst worden. Globaal gezien kan biogas upgrading reeds uitgevoerd worden, afhankelijk van de technologie, aan een energiekost van 0,3 kWh per m³, indien (gerecycleerd) afvalwater gebruikt wordt in het proces, hetgeen overeenkomt met 3-12% van de energie-inhoud van het biogas. Het makkelijkst is het sturen van biogas door afvalwater, waarbij de CO2 ingevangen wordt. Een (nieuwe) techniek die hiervoor een aantal keer werd voorgesteld, is fotosynthetische biogas upgrading, waarbij algen worden ingezet om de CO2 in het biogas om te zetten tot algenbiomassa, dit aan een energiekost van slechts 0,12 € kWh per m³ en een investeringskost van €2000-3000 per m³ biogas per uur capaciteit. Daarnaast wordt ook steeds meer hydrogenotrofe upgrading van biogas toegepast, waarbij een (hydrogenotrofe) gemengde methanogene cultuur wordt gebruikt om de CO2 in het biogas biologisch verder te reduceren tot CH4 via de elektrolytische productie van H2. Deze technologie wordt reeds uitgevoerd in membraan reactor systemen, doch verdere technologische optimalisatie, evenals een goede inschatting van de kosteneffciëntie (het geproduceerde methaan moet een hogere energetische en monetaire waarde hebben dan de energie die in het systeem wordt gebracht) zal zeker noodzakelijk zijn vooraleer deze technologie competitief kan worden op de markt. Deze biomethaan kan dan, zoals eerder vermeld, op het gas netwerk geplaatst worden of eventueel gebruikt worden als transportbrandstof of als grondstof voor chemicaliën en vloeibare brandstoffen.
Het potentieel van biogas als transportbrandstof werd in de keynote van prof. Verstraete voorgesteld als de afstand die gereden kan worden per ha landbouwgrond, beschikbaar voor de productie van biomassa. Hieruit bleek biogas dit een stuk beter te doen met een potentieel van 66000 km/ha, terwijl dit voor biodiesel en bio-ethanol slechts 20000 en 30000 km/ha, respectievelijk, bleek te zijn. Daarnaast bleek biogas ook competitiever te zijn dan pyrolyse olie. Bovendien worden tijdens het pyrolyse proces een aantal nevenstromen geproduceerd die verder verwerkt moeten worden en dient ook deze bio-olie getransporteerd te worden, hetgeen minder problematisch is voor anaerobe vergisting, aangezien het digestaat ofwel als meststof (indien dit voldoet aan de richtlijnen) kan gebruikt worden, ofwel eveneens gepyrolyseerd of gecomposteerd kan worden. Het nadeel van anaerobe vergisting is en blijft echter de lage monetaire waarde van biogas, hetgeen niet meteen lijkt te veranderen in de komende jaren en bovendien dienen de meeste technologieën met betrekking tot biogas upgrading nog verder uitgetest te worden op industriële schaal. Op basis van deze assumpties zal verder onderzoek de effectieve rol van biomethaan als transport brandstof moeten aantonen.
Een tweede onderzoekslijn die ook in de vorige en deze editie van het congres meer en meer aan belang lijkt te winnen, is de combinatie van anaerobe vergisters met (bio)elektrochemische systemen, met als doel, naast biogas upgrading, nutriënt recovery en processtabilisatie. In een aantal interessante lezingen werd de mogelijkheid om elektrochemische extractie van ammonium om zo de ammoniaktoxiciteit in vergisting te voorkomen voorgesteld. Deze methode kon zowel als voorbehandeling als in de vergister zelf worden toegepast, hetgeen een brede waaier aan mogelijkheden impliceert. Dit kan aldus, indien economisch haalbaar, een zeer interessante techniek zijn om één van de belangrijkste problemen met betrekking tot vergisting van N-rijke afvalstromen op te lossen. Daarnaast werden een aantal andere combinaties van vergisting met (bio)elektrochemie voorgesteld, waaronder in- of ex-situ productie van H2 met als doel biogas upgrading, doch de efficiëntie hiervan bleek vaak erg laag te zijn, en verder proces optimalisatie zal zeker vereist zijn, vooraleer over te gaan tot industriële toepassingen.
Een derde onderzoeksdomein dat aan het groeien is uit het domein van anaerobe vergisting is de evolutie van anaerobe vergisting naar fermentatie met als doel de productie van vetzuren, eerder dan biogas. Deze vetzuren dienen dan als (hernieuwbare) grondstoffen voor de chemische industrie. Het aantal lezingen hieromtrent was eerder beperkt, doch reeds vrij sterk toegenomen t.o.v. de vorige editie. De stabilisatie van het fermentatieproces als dusdanig lijkt relatieve eenvoudig, doch het (volledig) uitschakelen van methanogenen en het bekomen van zuivere producten vereist zeker nog verder onderzoek. In een aantal lezingen werd ook het belang van ijzer t.o.v. de shift tussen anaerobe vergisting en fermentatie aangetoond. Hogere concentraties aan ijzer lijken de methanogenese sterk te bevorderen. Dit blijkt een gecombineerd effect te zijn van enerzijds de precipitatie van sulfiden (lagere toxiciteit) en anderzijds komt tijdens de vergisting van ijzerrijk waterzuiveringsslib fosfaat vrij uit ijzerfosfaat en wordt ijzersulfide gevormd, met dus een hogere beschikbaarheid aan nutriënten voor de methanogenen tot gevolg. Om over te gaan van anaerobe vergisting tot fermentatie dient dus de concentratie aan ijzer zo laag mogelijk gehouden te worden.
Een vierde belangrijk onderzoeksdomein rond anaerobe vergisting is modellering. Een groot aantal sessies waren gewijd aan lezingen rond modelleren, waarbij niet enkel het vergistingsproces als dusdanig, maar ook biogas upgrading, voorbehandelingsmethodes en zelfs de microbiële gemeenschap en de dynamiek ervan gemodelleerd werden. Het ADM1 model wordt hierbij nog in belangrijke mate toegepast, doch een groot aantal lezingen focuste ook op een thermodynamische benadering, die interessante zaken met betrekking tot proces stabiliteit en metabolische capaciteiten en potentiëlen van de microbiële gemeenschap aan het licht kan brengen. Globaal gezien lijkt de modellering van anaerobe vergisting steeds sterker te interageren met de effectieve microbiële processen.
Het laatste ondezoeksdomein dat meer en meer aan belang lijkt te winnen in het veld rond anaerobe vergisting kadert rond de toepassing van moleculaire technieken met als doel de microbiële gemeenschap in het proces in kaart te brengen. Een belangrijke evolutie hierin kon vastgesteld worden in vergelijking met de vorige editie van het congres. De toegenomen beschikbaarheid van high-throughput moleculaire technieken, vooral next-generation sequencing, heeft het veld helemaal opengebroken in de laatste jaren. Op de vorige editie van het congres werd echter nog in belangrijke mate aan ‘screening’ onderzoek gedaan, waarbij nauwelijks (cor)relaties met operationele parameters werden bepaald. In deze editie werd echter zeer duidelijk dat steeds meer onderzoeksgroepen focussen op het zogenaamde ‘hypothesis-driven’ onderzoek, gerelateerd aan operationele parameters, met interessante resultaten tot gevolg, zoals de ontwikkeling van microbieel-gebaseerde ‘early-warning’ indicatoren en parameters. De directe applicatie hiervan op volle schaal systemen is echter nog niet meteen voor morgen, doch gezien de snelle evolutie van dit veld, lijken praktische toepassingen zeker haalbaar in de komende jaren en is verdere expansie in dit veld zeker noodzakelijk.
Globaal gezien kan gesteld worden dat onderzoek omtrent anaerobe vergisting, evenals mogelijke industriële toepassingen nog steeds in volle expansie is. Dit werd ook bewezen door de aanwezigen, zowel vanuit een academische als industriële achtergrond, die in grote getalen present waren op deze verre, doch overigens erg mooie locatie. De volgende editie (AD15) van dit congres zal in 2017 plaatsvinden in Beijing, China, gevolgd door Nederland en België in 2019. Aldus kunnen in de (nabije) toekomst nog ettelijke intrigerende ontdekkingen verwacht worden in het brede onderzoeksveld rond anaerobe vergisting.