Biofilm kan omdanne skadelige gasser til bærekraftig drivstoff

NIBIO-forsker Lu Feng og kollegaer fra NIBIO og NMBU har dokumentert hvordan biofilmbaserte prosesser kan brukes til å produsere biometan med over 96 prosent renhet. Foto: John Olav Oldertrøen
NIBIO har vært med på å utvikle en metode for å gjøre klimagasser som karbondioksid og karbonmonoksid om til grønn biometan – en fornybar energikilde. Ved hjelp av tynne lag med mikroorganismer, såkalte biofilmer, kan skadelige gasser bli 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 hydrogendioksid 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.
KONTAKTPERSON

Lu Feng
Forsker
-
Divisjon for miljø og naturressurser
(+47) 458 35 202 lu.feng@nibio.no Kontorsted: Ås Vollebekk
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.

KONTAKTPERSON

Lu Feng
Forsker
-
Divisjon for miljø og naturressurser
(+47) 458 35 202 lu.feng@nibio.no Kontorsted: Ås Vollebekk
Tekst frå www.nibio.no kan brukast med tilvising til opphavskjelda. Bilete på www.nibio.no kan ikkje brukast utan samtykke frå kommunikasjonseininga. NIBIO har ikkje ansvar for innhald på eksterne nettstader som det er lenka til.
Publikasjoner
Sammendrag
Det er ikke registrert sammendrag
Forfattere
Getachew Birhanu Abera Aryan Bhusal Thea Os Andersen Shuai Wang Nabin Aryal Svein Jarle Horn Lu FengSammendrag
Det er ikke registrert sammendrag
Forfattere
Begum Bilgic Thea Os Andersen Getachew Birhanu Abera Michal Sposob Lu Feng Svein Jarle HornSammendrag
Det er ikke registrert sammendrag
Sammendrag
Biomethanation represents a promising approach for biomethane production, with biofilm-based processes like trickle bed reactors (TBRs) being among the most efficient solutions. However, maintaining stable performance can be challenging, and both pure and mixed culture approaches have been applied to address this. In this study, inocula enriched with hydrogenotrophic methanogens were introduced to to TBRs as bioaugmentation strategy to assess their impacts on the process performance and microbial community dynamics. Metagenomic analysis revealed a metagenome-assembled genome belonging to the hydrogenotrophic genus Methanobacterium, which became dominant during enrichment and successfully colonized the TBR biofilm after bioaugmentation. The TBRs achieved a biogas production with > 96 % methane. The bioaugmented reactor consumed additional H2. This may be due to microbial species utilizing CO2 and H2 via various CO2 reduction pathways. Overall, implementing bioaugmentation in TBRs showed potential for establishing targeted species, although challenges remain in managing H2 consumption and optimizing microbial interactions.
Forfattere
Getachew Birhanu Abera Erik Trømborg Linn Solli Juline M Walter Radziah Wahid Espen Govasmark Svein Jarle Horn Nabin Aryal Lu FengSammendrag
Biofilm is a syntrophic community of microorganisms enveloped by extracellular polymeric substances and displays remarkable adaptability to dynamic environments. Implementing biofilm in anaerobic digestion has been widely investigated and applied as it promotes microbial retention time and enhances the efficiency. Previous studies on anaerobic biofilm primarily focused on application in wastewater treatment, while its role has been significantly extended to accelerate the degradation of lignocellulosic biomass, improve gas–liquid mass transfer for biogas upgrading, or enhance resistance to inhibitors or toxic pollutants. This work comprehensively reviewed the current applications of biofilm in anaerobic digestion and focused on impacting factors, optimization strategies, reactor set-up, and microbial communities. Moreover, a full-scale biofilm reactor case from Norway is also reported. This review provides a state of-the- art insight on the role of biofilm in anaerobic digestion.