Nachhaltige Wissenschaft: BYU-Professoren nutzen spezielle Bakterien, um Abfall in erneuerbare Energie umzuwandeln

Seit Jahren nutzen landwirtschaftliche Betriebe im ganzen Land anaerobe Fermenter, um Kuhmist in erneuerbare Energie umzuwandeln. Diese Fermenter waren jedoch auf einen bescheidenen Wirkungsgrad von 30–40 % beschränkt. Jetzt revolutioniert eine bahnbrechende Forschung unter der Leitung eines Teams von BYU-Professoren den Prozess und macht ihn schneller und effizienter als je zuvor, indem der Abfall mit einem speziellen Bakterium vorbehandelt wird.

BYU-Professoren haben eine Abfallvorbehandlung entwickelt, um die chemische Extraktion zu verbessern, die normalerweise aus anaeroben Fermentern entweicht. Ihr innovatives Design wandelt Abfall in eine schlammige Suppe aus kleinen, verketteten Molekülen um, die dann in bestehende Fermenter gepumpt wird, um nutzbares Erdgas zu produzieren. Der Prozess steigert die Effizienz der Methangasabscheidung erheblich auf 80–85 %, wodurch die Umwandlung in weniger als der Hälfte der Zeit durchgeführt wird. Anstelle der herkömmlichen 30–45 Tage benötigt der vorbehandelte Abfall, einschließlich anspruchsvoller Pflanzenabfälle, nur ein bis zwei Tage Vorbehandlung und fünf bis sieben Tage in einem normalen Fermenter für den vollständigen Abbau.

„Wir konnten eine bestehende Technologie erheblich verbessern, von der ich glaube, dass sie der Welt ein Segen sein wird“, sagte Jaron Hansen, Professor für Chemie und Biochemie an der BYU, einer der Mitautoren der Studie. „Wir waren motiviert, weil wir gute Verwalter der Erde sein müssen.“ Die Geheimzutat der Vorbehandlung? Eine Kombination aus Bakterien und Archaeen, die in den extremsten Umgebungen der Erde gedeihen. Hyperthermophile überleben am besten bei Temperaturen zwischen 170 und 230 Grad Fahrenheit. Bei so hohen Temperaturen findet man einen der Hyperthermophilen, der die Abfallvorbehandlung einleitet, nur in russischen heißen Quellen. Diese Mikroorganismen gibt es schon seit Tausenden von Jahren, aber sie werden seit Kurzem als Mittel zur Abfallbehandlung eingesetzt.

Die Implementierung dieser Abfallvorbehandlungstechnologie ist nicht so einfach, wie es sich anhört. „Es ist nicht so einfach, einfach ein paar Bakterien zu mischen und in einen großen Tank zu werfen“, sagte Zach Aanderud, Professor für Pflanzen- und Wildtierwissenschaften an der BYU, der das Papier mitverfasst hat. „Wir verwenden viel Chemie, Genetik und Sequenzierung. Es geht wirklich darum zu verstehen, wie die kleinen Dinge, die wir nicht sehen können, große Auswirkungen auf unser Leben und die Umwelt haben.“

Abfallprodukte erzeugen auf natürliche Weise Methan, wenn sie in Auffangbecken gelagert oder auf Mülldeponien entsorgt werden, was schließlich zu Treibhausgasemissionen beiträgt. Durch das Auffangen dieser Methanabfälle und deren Nutzung zur Stromversorgung von Haushalten wird bei dieser Technologie Methan wiederverwendet, das bereits in die Umwelt gelangt. Es ist eine perfekte Möglichkeit, Abfall – und den damit verbundenen Geruch – einfallsreich zu entfernen.

„Für die Zukunft sehe ich darin einen großen Vorteil“, sagte Aanderud. „Wir reduzieren die Abfallmenge, die die ständig wachsende Bevölkerung verursacht, und erzeugen erneuerbare Energie, die wir direkt nutzen können.“

Aanderud sagte, erneuerbare Energien könnten dazu beitragen, dass die Welt weniger auf fossile Brennstoffe und Fracking, andere Quellen für Treibhausgasemissionen, angewiesen sei. Durch die Beseitigung von Abfällen wird auch eine Wasserverschmutzung durch verschüttete Giftstoffe verhindert.

Das patentierte Abfallvorbehandlungsverfahren von BYU zeigt bereits vielversprechende Ergebnisse in realen Anwendungen. Milchviehbetriebe in Indiana und Wisconsin haben die Vorbehandlung bereits in ihren täglichen Betrieb integriert und produzieren jeweils genug Energie, um eine kleine Stadt mit Strom zu versorgen. Top-Ingenieurunternehmen wie Jacobs und Aqua Engineering nutzen das patentierte Design, um Siedlungsabfälle in Erdgas umzuwandeln und so einen weiteren Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung zu leisten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die neue Voraufschlusstechnologie keine neue oder kostspielige Infrastruktur erfordert. Wissenschaftler können bestehende Tanks nutzen, um das Methan aufzufangen und es direkt in Rohre zu leiten, die Erdgas in die Häuser transportieren.

Die BYU-Professoren Hansen und Aanderud arbeiten seit über sieben Jahren mit Hilfe von mehr als 30 Studenten und drei Doktoranden an diesem Projekt. Ihre Ergebnisse wurden 2021 veröffentlicht und auf dem Cover des renommierten Biofuel Research Journal vorgestellt. Seitdem arbeitet die Gruppe daran, ihr Design zu verbessern.

„Wissenschaft braucht viel Zeit“, sagte Aanderud. „Die Aha-Momente sind, wenn meinen einzelnen Schülern klar wird, dass das, was sie tun, einen großen Einfluss auf die Welt haben kann.“