Donkere fermentatie: waterstof uit organisch afval – opbrengst en beperkingen

Donkere fermentatie is een anaeroob proces waarbij bacteriën suikers uit biomassa of organisch afval zonder inbreng van licht afbreken tot waterstof, kooldioxide en organische zuren. In tegenstelling tot klassieke methaangisting stopt het proces in het stadium van de zuurvorming: er ontstaan vluchtige zuren (azijnzuur, boterzuur) en er wordt geen methaan gevormd, omdat de methanogenen worden geremd. Theoretisch kan uit 1 mol glucose maximaal 4 mol H₂ worden verkregen (azijnzuurroute), maar in de praktijk zijn de opbrengsten meerdere malen lager, daarom blijft de technologie in de fase van onderzoek en pilots.

Chemie van het proces

Twee belangrijke metabole routes:

• Azijnzuurroute: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂ (max. 4 mol H₂/mol glucose).
• Boterzuurroute: C₆H₁₂O₆ → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ (2 mol H₂/mol glucose).

In werkelijke gemengde culturen ontstaat een reeks producten (acetaat, butyraat, ethanol, lactaat), en de waterstofopbrengst ligt doorgaans tussen 1 en 2,5 mol H₂ per mol hexose. De vorming van propionaat of lactaat verlaagt de opbrengst nog verder.

Micro-organismen

Voor de waterstofproductie zijn vooral bacteriën van het geslacht Clostridium (die sporen kunnen vormen) en enterobacteriën (bijv. Enterobacter) verantwoordelijk. Bij gemengde slibculturen past men een voorbehandeling van het inoculum toe, bijv. kortdurende verhitting of verlaging van de pH, om methanogenen en waterstofverbruikende bacteriën te elimineren en de sporenvormende bacteriën te behouden.

Procesparameters

Het is van belang de partiële waterstofdruk laag te houden; een teveel aan H₂ in de oplossing verschuift het metabolisme naar zuren en remt de waterstofproductie. Intensief mengen of doorblazen met een inert gas verbetert de opbrengst, maar bemoeilijkt de zuivering.

Bijproducten

Donkere fermentatie benut slechts een deel van de energie van het substraat. Het residu – vetzuren en alcoholen – bevat het grootste deel van de energie en moet worden verwerkt: in een tweede stap van methaangisting (tweetrapssysteem), in fotofermentatie of in microbiële elektrolysecellen. Daarom wordt het proces zelden op zichzelf beschouwd; hybride systemen zijn zinvoller.

Rekenvoorbeeld

Uitgangspunten: wei uit een zuivelfabriek bevat 45 g/l lactose (disacharide ~342 g/mol); ter vereenvoudiging nemen wij aan dat zij na hydrolyse 2 mol hexose per mol lactose oplevert. Per 1 m³ wei: 45 kg lactose is 45.000 g / 342 g/mol ≈ 131,6 mol, oftewel ca. 263 mol hexose. Bij een opbrengst van 1,5 mol H₂/mol hexose: ≈ 395 mol H₂ ≈ 0,79 kg H₂ ≈ 8,9 m³ H₂ (normaalomstandigheden, 22,4 l/mol). De energie van deze waterstof (LHV 33,3 kWh/kg) bedraagt ca. 26 kWh per m³ wei. Ter vergelijking: dezelfde wei zou bij methaangisting vele malen meer energie in de vorm van methaan opleveren, omdat daarbij de gehele organische stof wordt benut. De berekening illustreert waarom donkere fermentatie doorgaans de eerste trap is en niet het hele proces.

Technologische rijpheid

Donkere-fermentatieprocessen zijn getest in laboratoria en in pilotinstallaties van verschillende schalen. De belangrijkste belemmeringen zijn: lage opbrengsten, instabiliteit van gemengde culturen, kosten van het zuiveren van het gasmengsel (H₂/CO₂, soms met sporen H₂S) en een economie die concurreert met elektrolyse en reforming. Daarom moet zij worden beschouwd als een ontwikkelingstechnologie en niet als een kant-en-klare commerciële oplossing.

Waar het zinvol is

• in voedselverwerkende bedrijven met homogene suikerstromen (wei, perskoek, melasse);
• als onderdeel van tweetrapsvergisting H₂+CH₄ (zgn. biohythane), waarbij de eerste trap de hydrolyse verbetert;
• in onderzoeksprojecten voor bioraffinaderijen, waarin de zuren grondstof zijn voor verdere producten.

Zuivering van waterstofhoudend biogas

Gas uit donkere fermentatie bevat doorgaans 30–60% H₂ (de rest is vooral CO₂), met een toevoeging van waterstofsulfide en waterdamp. Het afscheiden van waterstof van brandstofkwaliteit vereist adsorptie (PSA), membranen of wassers, en het comprimeren en opslaan van waterstof kosten extra energie. Dit deel van de keten wordt vaak weggelaten in publicaties die zich richten op de opbrengst uit de reactor, terwijl het in de economische analyse even belangrijk kan zijn als de bioreactor zelf.

Samenvatting

Donkere fermentatie is een interessante richting die het mogelijk maakt koolhydraathoudend afval te benutten voor de productie van waterstof zonder inbreng van licht (de installatie vraagt echter wel hulpenergie), maar de beperkte opbrengst en de noodzaak om de zuren te verwerken maken er voorlopig een onderzoekstechnologie en een element van hybride systemen van.