Bas Wols, senior onderzoeker Water Treatment & Resource Recovery bij KWR | Foto: KWR
Eiwitten maken van ammonium uit afvalwater door bacteriën in een bioreactor te voeden met waterstof. Dat is het idee achter het Power-to-Protein project. Waterinstituut KWR onderzoekt hoe het reactorontwerp verbeterd kan worden met behulp van simulaties. Berekend wordt hoe de stofoverdracht van het slecht oplosbare waterstof samen met zuurstof en koolzuurgas in een bellenkolomreactor geoptimaliseerd kan worden.
tk1Het Power-to-Protein project onderzoekt de productie van een waardevolle grondstof, eiwit, uit een restproduct, ammonium, dat bijvoorbeeld vrijkomt bij de vergisting van aëroob slib uit de rioolwaterzuivering.
Daarvoor wordt energie, in de vorm van waterstof, toegevoerd aan de ammoniumrijke afvalwaterstroom. Waterstof-oxiderende bacteriën kunnen in een bioreactor het ammonium omzetten in eiwit voor menselijke of dierlijke consumptie.
Bij deze biosynthese zijn ook zuurstof en koolzuurgas nodig. Als de waterstof op ‘groene’ wijze is opgewekt met wind- of zonne-energie, is sprake van een duurzaam en circulair proces.
Waardevolle stikstof
Ammonium is een stikstofverbinding (NH4+). “Nee, de stikstofbelasting van de natuur was nog niet het grote actuele probleem toen dit project van start ging”, zegt Bas Wols, senior onderzoeker Water Treatment & Resource Recovery bij KWR.
“Het laat maar zien dat stikstof ook waardevol kan zijn. Los van die stikstofproblematiek maakt hergebruik van stikstof als afvalproduct van de waterzuivering dit onderzoek tot een maatschappelijk relevant project.”
tk2Procesonderzoek
Na een literatuurstudie vond in het Power-to-Protein project eerst praktijkonderzoek plaats in samenwerking met het Belgische Avecom. Dit bedrijf legt zich toe op microbiële procestechnologie voor onder meer afvalwaterzuivering en bodemsanering.
Avecom bouwde een bellenkolomreactor voor onderzoek aan de omzetting van ammonium in eiwit. Het inbrengen van waterstof in de cultuurvloeistof kwam naar voren als de grootste bottleneck. Uiteindelijk gaat het immers om de opname van waterstof door de bacteriën.
Stofoverdracht en recirculatie
De drie gassen waterstof, zuurstof en koolzuurgas worden onderin de reactor ingebracht. Ze stijgen in de vorm van bellen op en worden door de bacteriën, samen met het aanwezige ammonium, deels benut.
Aan de bovenkant wordt het resterende gasmengsel afgevangen en gerecirculeerd. Het probleem is dat waterstof langzamer oplost dan zuurstof en koolzuurgas, verklaart Wols.
“Er vindt relatief weinig stofoverdracht plaats om de reactie te voeden.” Er blijft dus relatief meer waterstof over in het afgevangen gas. Dus worden zuurstof en koolzuurgas bijgevoegd om weer op de gewenste concentratieverhouding uit te komen voordat het gas kan worden gerecirculeerd.
“Een lange slanke kolom heeft de voorkeur, wist Avecom al uit eigen ervaring bij de bouw van de experimentele bellenreactor”
tk3Simulaties
De uitdaging was om de stofoverdracht van waterstof te maximaliseren. In de derde fase van het project, gestart in 2019, voerde Wols daar een modelstudie voor uit.
Hij zette Comsol Multiphysics in om computational fluid dynamics simulaties uit te voeren van de multifasenstroming en de stofoverdracht in de reactor. De parameters die hij hierbij varieerde waren onder meer de druk in de reactor, de hoogte en de aspect ratio (hoogte-diameterverhouding) van de kolom en de bellengrootte.
Power-to-Protein: afvalproduct uit de rioolwaterzuivering (RWZI) wordt met groene waterstof omgezet in eiwit voor dierlijke of menselijke consumptie | foto:Bron: www.tkiwatertechnologie.nl
Snellere bacteriegroei
“Een lange slanke kolom heeft de voorkeur, die vuistregel had Avecom uit eigen ervaring al bij de bouw van de experimentele reactor toegepast. Hoe hoger de kolom, hoe langer de verblijftijd van het waterstof en hoe hoger de druk, met name onderin de reactor. Dat zorgt voor een hogere stofoverdracht.”
Bij een gelijkblijvend reactorvolume wordt er bij een hogere aspect ratio meer waterstof nuttig gebruikt, waardoor de bacteriën sneller kunnen groeien. Datzelfde blijkt te gelden voor de druk in de reactor.
Wols vond dat bij een toename van de druk van 1,3 naar 5 bar de bacteriegroei een factor drie sneller verliep. Tot slot bleek ook de bellengrootte een factor: kleinere bellen zorgen voor iets meer stofoverdracht en dus iets snellere bacteriegroei.
“De uitdaging was om de stofoverdracht van waterstof te maximaliseren”
Simulatie van stofoverdracht bij gasinjectie in de bellenkolom (hoogte 275 cm, diameter 15 cm); de linkerschaal correspondeert met de rechterkolom en vice versa
Multifasen en multiphysics
Rekentechnisch waren de simulaties een behoorlijke opgave, zegt Wols. “We werkten met hoge gasvolumefracties, tot wel 10 procent, en die waren lastig te modelleren.” In Comsol Multiphysics wist Wols de vastgelopen simulaties echter telkens weer “los te trekken”.
“Wij hebben al veel ervaring opgedaan met Comsol, dat in vergelijking met andere pakketten gebruiksvriendelijk is. We simuleren er niet alleen multifasenstromingen mee maar ook echte multiphysics-verschijnselen zoals chemische reacties. Daardoor konden we ook de bacteriegroei bestuderen.”
Hoe slanker de kolom (hogere aspect ratio AR) hoe sneller de bacteriën (concentratie C-bact) groeien
Power-to-Protein
In 2015 startte het Power-to-Protein project bij het TKI Watertechnologie, een van de topconsortia voor kennis en innovatie binnen de topsector Water & Maritiem.
De partners in het Power-to-Protein project zijn:
- de Belgische specialist in microbiologie Avecom
- Allied Waters
- KWR, het onderzoeksinstituut voor de watersector.
Allied Waters is een internationale publiek-private samenwerking gericht op het commercialiseren van circulaire innovaties in de waterketen; KWR is een van de kennispartners.
