Termit-tarmmikrober udvinder ren energi fra kul

Termitter fremkalder generelt ikke en masse kærlighed. Men overraskende nok, dette træædende insekt kan have nøglen til at omdanne kul – en stor forurenende del af den globale energiforsyning – til renere energi for verden, ifølge forskere fra University of Delaware.

I tidsskriftet American Chemical Society Energi og brændstoffer , UD Professor Prasad Dhurjati og hans forskerhold beskriver i detaljer, hvordan et samfund af termit-tarmmikrober omdanner kul til metan, hovedingrediensen i naturgas. Studiet, som producerede computermodeller af den trin-for-trin biokemiske proces, var et samarbejde med ARCTECH, en virksomhed baseret i Centerville, Virginia, der har arbejdet med disse mikrober i de sidste 30 år. ARCTECH forsynede UD-teamet med de eksperimentelle data, der blev brugt til at validere modellerne.

"Det lyder måske skørt i starten - termit-tarmmikrober, der spiser kul - men tænk på, hvad kul er. Det er dybest set træ, der er blevet kogt i 300 millioner år, " sagde Dhurjati, der er på fakultetet ved UD's Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik.

evigheder siden, træer og andre planter fra de enorme skove, der engang dækkede Jorden, døde og faldt i sumpe. Lag på lag af denne vegetation blev udsat for højt tryk og temperatur fra geologiske kræfter, danner sømme af kul. Antracit er det sværeste, reneste brændende kul, efterfulgt af bituminøs, subbituminøst og brunkul.

Nu, overvej termitten (hvoraf der er ca. 3, 000 forskellige arter over hele kloden). Ifølge National Pest Management Association, termitter forårsager mere end $5 milliarder i ejendomsskade hvert år. De kan spise træ og udvinde energi fra det, takket være et par tusinde mikrober, der lever inde i deres tarm. Dette tætte samfund af mikroskopiske organismer arbejder sammen om at fordøje den cellulose og lignin, der giver plantecellevægge deres stivhed.

Disse samme mikrober kan fordøje kul, frigiver metan og producerer humusstof, en gavnlig organisk gødning, som et biprodukt. Hver mikrobe bidrager til et eller flere trin i denne indviklede fordøjelsesproces, hvor der er hundredvis af trin, og hvor produktet af en mikrobe kan tjene som føde til den næste.

"Disse mikrober laver millioner af kirurgiske hak i kullet, ved hjælp af enzymer afledt af en bred vifte af gener, " sagde Dhurjati.

Adskillige virksomheder har forsøgt at kommercialisere denne mikrobielle nedbrydning af kul, men har fejlet på grund af kompleksiteten i at få et fællesskab af mikrober til at arbejde sammen. Imidlertid, Det er lykkedes ARCTECH at få mikroberne til at omdanne kul til metangas, samt økologiske humusprodukter nyttige til landbruget, vandrensning og genbrug af affald.

"Vores computermodeller gør det nu muligt at designe, drive og kontrollere processer i kommerciel skala, " han sagde.

Computermodeller nedbryder komplekse processer

I løbet af det seneste årti, Dhurjati og et dusin forskerstuderende ved UD nedbrød møjsommeligt alle trinene i termitmikrobernes omdannelse af kul til naturgas. De udviklede computermodeller, kendt teknisk som en "klumpet kinetisk matematisk model" og en "reaktionsforbindelsesmodel, " beskriver hver biokemisk reaktion, da termit-mikrobielle samfund omdanner kul til renere brændstof. Kemisk set, mikroberne - en blanding af bakterier, protister og svampe - først omdanner kullet til store polyaromatiske kulbrinter, som yderligere nedbrydes til mellemkædede fedtsyrer, næste i organiske syrer, endelig producerer metan.

Den kinetiske model forenkler og "klumper" de hundredvis af trin til et par vigtige mellemtrin. Disse biokemiske mellemprodukter inkorporeres derefter i en matematisk model, der kan bruges til at identificere, hvor processen bryder sammen, og hvordan man får den i gang igen.

Har mikroberne brug for mere mad? Er temperaturen optimal? Modellerne fungerer som et kvantitativt værktøj, leverer kritisk information til at imødekomme mikrobernes ernæringsbehov og til fejlfinding af metaboliske flaskehalse og chokepoints. Modellerne kan også bruges til at simulere kulmineforhold, et miljø meget anderledes end termittarmen.

Den mikrobe-baserede teknologi er allerede blevet implementeret i store tanke kaldet biodigesters over jorden, og Dhurjati søger nu samarbejdspartnere til at teste teknologien under jorden, i en dyb kulmine.

"Denne banebrydende bioteknologi har potentialet til at ændre 'beskidte kul' til 'rent kul, " sagde han. "Det ville være en stor win-win for miljøet og for økonomien."

I jagten på 'rent kul'

Kul står i øjeblikket for næsten 30 procent af verdens energiforsyning og omkring 40 procent af dens elproduktion, ifølge Komitéen for Jordressourcer ved National Academies of Sciences, Teknik og medicin.

Mens kul fortsat er afgørende for den globale energiforsyning, det har også ry for at være beskidt, farligt for arbejdere, og skadelig for menneskers sundhed og miljøet. Afbrænding af kul frigiver giftige forurenende stoffer i luften, såsom kviksølv, Svovldioxid, nitrogenoxider og sod, bidrager til luftvejssygdomme. Kul er også berygtet for at generere flere drivhusgasemissioner ved forbrænding end olie eller naturgas. Den genererer næsten dobbelt så meget kuldioxid pr. energienhed end naturgas.

I stedet for at brænde kul, Dhurjati ønsker at bruge termit-tarmmikrober til at fordøje det, frigivelse af naturgas.

"Dette ville gøre kulbaseret energi meget, meget renere, indtil verden har tid til helt at skifte til vedvarende energi som vind og sol, " han sagde.

Verden har anslået 1,1 billioner tons kul - disse er reserver, der kan udvindes med eksisterende teknologi, ifølge U.S. Energy Information Administration. Den mængde anslås at vare omkring yderligere 150 år under de nuværende produktionshastigheder, sagde World Coal Association. Kina og Indien er de største forbrugere af kul, og USA har de største påviste kulreserver.

Alligevel betragtes mindre end 5 procent af verdens kul som "udvindeligt". Ifølge U.S. Energy Information Administration, 90,7 procent af alle fossile brændstoffer på verdensplan ligger i dyb, uudvindelige kullag, efterfulgt af udvindeligt kul med 4,8 procent, naturgas på 2,3 pct. og olie på 2,2 procent.

Langt størstedelen af ​​kul er låst inde under jorden i sømme 1, 000 fod eller mere dybt - svarende til tre Frihedsgudinder stablet oven på hinanden og så nogle.

I en proces kaldet kul-bed methan ekstraktion, som er blevet støttet af det amerikanske energiministerium siden 1980'erne, huller eller "brønde" bores fra overfladen til underjordiske kullag for at få adgang til metan fanget for evigheder siden, da kullet blev dannet. Flere amerikanske stater, samt Australien og Indien, bruge denne metode.

Dhurjati sagde, at han håber på at indsætte mikrobeminearbejdere på et af disse steder for at brødføde kullet og producere en jævn strøm af naturgas, rør til overfladen.

"ARCTECH har mikroberne og teknologien, og vores computermodeller har hjulpet os med at afdække nøglefaktorer og begrænsninger, der tidligere har forhindret kommercialisering af teknologien under jorden, " sagde han. "Teknologien er klar til at gå."

En 'lige muligheder ressource'

Dhurjati betragter kul som "en ligestillingsressource." Selvom USA huser verdens største forsyning, mere end 70 lande har kulressourcer.

"Vores mål er at hjælpe lande med at bruge kul i et pengeskab, ren måde, efterhånden som verden fortsætter med at skifte til vedvarende energi, " sagde Dhurjati. "Dette er et af de vigtigste projekter, jeg nogensinde har været involveret i, og det har potentialet til at være en ægte game-changer."

Abhilash Sharma, en UD senior hovedfag i ingeniør fra Marietta, Georgien, og den første forfatter på papiret, meldte sig frivilligt til at forske på Dhurjatis hold, da han var andenårig og har fortsat siden, fordi han sagde, at han tror så dybt på arbejdet.

"Kul er så utroligt rigeligt, at det ville være forkert at ignorere det, " sagde Sharma. "Vi bevæger os mod en ny tankegang, hvor i stedet for at sende folk under jorden, vi sender mikrober under jorden og overlader folkene ovenover for at håndtere, hvad mikroberne bringer ud. Derved, vi ville også give folk mange flere færdigheder til fremtidige job."