Biofilm kan omdanne skadelige gasser til bærekraftig drivstoff

Karbonholdige gasser som karbondioksid (CO₂) og karbonmonoksid (CO) blir gjerne forbundet med forurensning og klimaendringer. Men hva om disse gassene i stedet kunne omdannes til noe nyttig – for eksempel drivstoff?

NIBIO-forsker Lu Feng har vært med på å utvikle en ny metode for å produsere grønn metan, et bærekraftig alternativ til naturgass.

Gjennom fem vitenskapelige artikler har forskerne dokumentert hvordan biofilm-baserte prosesser kan brukes til å produsere biometan med en renhet på over 96 prosent.

Introduserte metanproduserende mikroorganismer

En biofilm er et lag med mikroorganismer som vokser på ulike overflater. Mikrobene samarbeider og danner et slags samfunn som kan bearbeide gasser og omgjøre dem til metan.

– I stedet for å bryte ned organisk avfall, slik man gjør i tradisjonell biogassproduksjon, handler denne metoden om å fange opp og forbedre strømmer av gass ved hjelp av nøye utvalgte mikroorganismer som lever i et tynt biofilmlag under oksygenfrie forhold, forklarer Feng.

– Biofilmer finnes overalt i naturen, men målet vårt var å utvikle en spesiell type biofilm som gjør at vi på en kontrollert måte kan omdanne én gass til en annen, fortsetter han.

– Metoden kan brukes i ulike typer reaktorer og gjør at vi kan forvandle klimagasser til noe nyttig, som for eksempel verdifull energi.

Noe av det forskerne gjorde, var å tilføre mikroorganismer – en prosess kalt bioaugmentering – som kunne forbedre metanproduksjonen.

– Ved å introdusere spesifikke metanproduserende mikrober i reaktorene, klarte vi å styre prosessen mot mer effektiv CO₂-omdanning, sier Feng.

Biofilmreaktorer gir biometan med høy toleranse og kvalitet

Forskeren forteller at biofilmen som er utviklet gjør at omdanningsprosessen både er stabil og effektiv.

– Biofilmen holder på mikrobene, forbedrer overføringen mellom gass og væske, og øker kontaktflaten for reaksjonen i stor grad. I tillegg tåler biofilmen giftige stoffer som ellers kan hemme biogassproduksjonen, sier han.

Det er særlig utfordringer knyttet til høye nivåer av ammoniakk og hydrogensulfid som biofilmen bidrar til å holde i sjakk. Dette er stoffer som ofte finnes i industrielle gasstrømmer og som kan være problematiske i vanlige bioreaktorer.

– I en av studiene testet vi hvordan biofilm-reaktorer håndterer hydrogensulfid, en giftig gass som kan redusere metanproduksjonen betydelig, forteller Feng.

– Resultatene viste at systemer uten biofilm mistet opptil 30 prosent av metanet, mens biofilmreaktorene opprettholdt høy metankvalitet selv ved ekstremt høyt innhold av hydrogensulfid.

Forskerne undersøkte også effekten av biofilm-prosessen på ammoniakk, som vanligvis hemmer metanproduksjon. I denne studien brukte de en type reaktor kalt AnMBBR (Anaerob Moving Bed Biofilm Reactor), og fant at biofilmene klarte å produsere metan selv ved høye ammoniakkonsentrasjoner.

– Når fiskeslam, husdyrgjødsel eller matavfall brukes til å produsere biogass kan det oppstå høye nivåer av ammoniakk, sier Feng.

– Analysene våre viste at biofilmen inneholder mikrober som tåler ammoniakk, blant annet en gruppe kalt Methanothermobacter som kan bruke hydrogen og karbondioksid til å produsere metan.

Gir nye muligheter med uvanlige råstoffer

Forskerne testet også bruken av biofilm-metoden på syntesegass, på engelsk syngas, som består av hydrogen og karbonmonoksid.

– Dette kan åpne for å bruke ulike typer avfall til å produsere biometan – for eksempel plastavfall og trebasert biomasse. Slike materialer brytes vanligvis ikke ned i en vanlig bioprosess, men med denne metoden kan de kanskje utnyttes som en ressurs likevel, sier Feng.

Forskerne fant at tilførsel av ekstra hydrogen økte metanproduksjonen. For mye hydrogen førte imidlertid til ubalanse i prosessen.

– Det viser at biofilm-reaktorene har stort potensial, men også at de krever nøyaktig styring for å fungere optimalt i industriell skala, påpeker Feng.

– Biofilm-baserte prosesser gir oss en robust og fleksibel plattform for fremtidens biogassproduksjon. Det kan bli et viktig bidrag til å redusere utslipp av skadelige gasser og samtidig produsere fornybar energi, avslutter han.

Faktabokser:

NIBIO og NMBU samarbeider om biofilm

Det er forskere ved NIBIO og NMBU som har samarbeidet om biofilm. Sammen har de utviklet en metode som kan bidra til å gjøre karbonutslipp til en ressurs – og samtidig støtte opp under målene om en mer sirkulær og klimavennlig økonomi.

I alt er det produsert fem vitenskapelige artikler i løpet av 2024 og 2025. Lenker til disse er lagt inn under saken.

Hva er biofilm?

Biofilm er et samfunn av mikroorganismer, som oftest bakterier, som er festet til en overflate og omgitt av en egenprodusert slimete matriks. Denne strukturen gir mikroorganismene økt beskyttelse og overlevelsesevne, og kan dannes på både levende og ikke-levende overflater. Biofilm kan være nyttig i naturen, men kan også forårsake problemer, bl.a. i helsevesenet og industrien. 

Les mer i Store norske leksikon: https://sml.snl.no/biofilm

Biofilm under aerobe og anaerobe forhold

Biofilmer kan utvikle seg både under aerobe (med oksygen) og anaerobe (uten oksygen) forhold.

I aerobe biofilmer, som de man finner i avløpsrenseanlegg eller på fuktige overflater utsatt for luft, er oksygen en viktig drivkraft for mikrobenes stoffskifte. Disse biofilmene inneholder ofte nitrifiserende bakterier eller aerobe nedbrytere.

I anaerobe biofilmer, som de man finner i reaktorer, sedimenter eller i fordøyelsessystemet, er oksygen fraværende. Her utfører anaerobe bakterier og arkebakterier prosesser som fermentering, acidogenese og metanogenese – trinn som er avgjørende for biogassproduksjon og karbonresirkulering.