Termieten lokken over het algemeen niet heel veel liefde uit. Maar verrassend genoeg dit houtetende insect kan de sleutel zijn om steenkool - een groot vervuilend deel van de wereldwijde energievoorziening - om te zetten in schonere energie voor de wereld, volgens onderzoekers van de Universiteit van Delaware.

In het tijdschrift American Chemical Society Energie en brandstoffen , UD Professor Prasad Dhurjati en zijn onderzoeksteam beschrijven in detail hoe een gemeenschap van termietendarmmicroben steenkool omzet in methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas. De studie, die computermodellen van het stapsgewijze biochemische proces produceerde, was een samenwerking met ARCTECH, een bedrijf gevestigd in Centreville, Virginia, die de afgelopen 30 jaar met deze microben heeft gewerkt. ARCTECH voorzag het UD-team van de experimentele gegevens die werden gebruikt om de modellen te valideren.

"Het klinkt in eerste instantie misschien gek - termietendarmmicroben die steenkool eten - maar denk eens na over wat steenkool is. Het is eigenlijk hout dat 300 miljoen jaar gekookt is, " zei Dhurjati, die op de faculteit van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de UD zit.

Eeuwen geleden, bomen en andere planten uit de enorme bossen die ooit de aarde bedekten, stierven en vielen in moerassen. Lagen op lagen van deze vegetatie werden onderworpen aan hoge druk en temperatuur door geologische krachten, steenkoollagen vormen. Antraciet is het moeilijkst, schoonste brandende kolen, gevolgd door bitumineuze, subbitumineuze en bruinkool.

Nutsvoorzieningen, beschouw de termiet (waarvan er ongeveer 3 zijn, 000 verschillende soorten over de hele wereld). Volgens de National Pest Management Association, termieten veroorzaken elk jaar meer dan $ 5 miljard aan materiële schade. Ze kunnen hout eten en er energie uit halen, dankzij een paar duizend microben die in hun darm leven. Deze dichte gemeenschap van microscopisch kleine organismen werkt samen om de cellulose en lignine te verteren die de plantencelwanden hun stevigheid geven.

Deze zelfde microben kunnen steenkool verteren, methaan vrijgeven en humus produceren, een nuttige organische meststof, als bijproduct. Elke microbe draagt ​​bij aan een of meer stappen in dit ingewikkelde verteringsproces, waarin er honderden stappen zijn, en waar het product van de ene microbe kan dienen als voedsel voor de volgende.

"Deze microben maken miljoenen chirurgische inkepingen in de kolen, met behulp van enzymen die zijn afgeleid van een breed scala aan genen, ' zei Dhurjati.

Verschillende bedrijven hebben geprobeerd deze microbiële afbraak van steenkool te commercialiseren, maar hebben gefaald vanwege de complexiteit die nodig is om een ​​gemeenschap van microben samen te laten werken. Echter, ARCTECH is erin geslaagd de microben ertoe te brengen steenkool om te zetten in methaangas, evenals organische humusproducten die nuttig zijn voor de landbouw, waterzuivering en afvalrecycling.

"Onze computermodellen maken het nu mogelijk om succesvol te ontwerpen, processen op commerciële schaal uitvoeren en controleren, " hij zei.

Computermodellen breken complexe processen af

Gedurende het afgelopen decennium, Dhurjati en een tiental onderzoeksstudenten van UD hebben nauwgezet alle stappen afgebroken in de omzetting van steenkool in aardgas door de termietenmicroben. Ze ontwikkelden computermodellen, technisch bekend als een "opeengehoopt kinetisch wiskundig model" en een "reactieconnectiviteitsmodel, " waarin elke biochemische reactie wordt beschreven terwijl de termieten-microbiële gemeenschap steenkool omzet in schonere brandstof. Chemisch gesproken, de microben - een mix van bacteriën, protisten en schimmels - zet de steenkool eerst om in grote polyaromatische koolwaterstoffen, die verder worden afgebroken tot middenketenvetzuren, vervolgens in organische zuren, uiteindelijk methaan produceren.

Het kinetische model vereenvoudigt en "verpakt" de honderden stappen in een paar belangrijke tussenstappen. Deze biochemische tussenproducten worden vervolgens verwerkt in een wiskundig model dat kan worden gebruikt om te bepalen waar het proces kapot gaat en hoe het weer op gang kan worden gebracht.

Hebben de microben meer voedsel nodig? Is de temperatuur optimaal? De modellen dienen als een kwantitatief hulpmiddel, het verstrekken van kritieke informatie voor het aanpakken van de voedingsbehoeften van de microben en voor het oplossen van metabole knelpunten en knelpunten. De modellen kunnen ook worden gebruikt om kolenmijnomstandigheden te simuleren, een omgeving die heel anders is dan de termietendarm.

De op microben gebaseerde technologie is al geïmplementeerd in grote tanks, biovergisters genaamd, bovengronds, en Dhurjati zoekt nu medewerkers om de technologie ondergronds te testen, in een diepe kolenmijn.

"Deze baanbrekende biotechnologie heeft het potentieel om 'vuile kolen' te veranderen in 'schone kolen, '" zei hij. "Dat zou een grote win-winsituatie zijn voor het milieu en de economie."

Op jacht naar 'schone kolen'

Steenkool is momenteel goed voor bijna 30 procent van de wereldenergievoorziening en ongeveer 40 procent van de elektriciteitsopwekking, volgens het Committee on Earth Resources van de National Academies of Sciences, Techniek en geneeskunde.

Hoewel steenkool van vitaal belang blijft voor de wereldwijde energievoorziening, het heeft ook de reputatie vies te zijn, gevaarlijk voor werknemers, en schadelijk voor de menselijke gezondheid en het milieu. Bij het verbranden van steenkool komen giftige stoffen vrij in de lucht, zoals kwik, zwaveldioxide, stikstofoxiden en roet, bijdragen aan aandoeningen van de luchtwegen. Steenkool is ook berucht omdat het bij verbranding meer broeikasgassen genereert dan olie of aardgas. Het genereert bijna twee keer zoveel koolstofdioxide per eenheid energie dan aardgas.

In plaats van kolen te verbranden, Dhurjati wil termietendarmmicroben gebruiken om het te verteren, aardgas vrijgeven.

"Dit zou op kolen gebaseerde energie veel, veel schoner totdat de wereld tijd heeft om volledig over te schakelen op hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon, " hij zei.

De wereld heeft naar schatting 1,1 biljoen ton steenkool - dit zijn reserves die kunnen worden gedolven met bestaande technologie, volgens de Amerikaanse Energy Information Administration. Die hoeveelheid zal naar schatting nog zo'n 150 jaar meegaan bij de huidige productietempo's, aldus de World Coal Association. China en India zijn de grootste verbruikers van steenkool, en de Verenigde Staten hebben de grootste bewezen steenkoolreserves.

Toch wordt minder dan 5 procent van de kolen in de wereld als 'mijnbaar' beschouwd. Volgens de Amerikaanse Energy Information Administration, 90,7 procent van alle fossiele brandstoffen wereldwijd ligt in diepe, onontgonnen steenkoollagen, gevolgd door ontginbare kolen met 4,8 procent, aardgas met 2,3 procent, en olie op 2,2 procent.

Het overgrote deel van de kolen zit ondergronds opgesloten in de 1e laag. 000 voet of meer diep - gelijk aan drie Vrijheidsbeelden die op elkaar zijn gestapeld en nog wat.

In een proces dat methaanextractie uit een steenkoolbed wordt genoemd, die sinds de jaren tachtig wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, gaten of "putten" worden geboord van het oppervlak naar ondergrondse steenkoollagen om toegang te krijgen tot methaan dat eeuwen geleden was opgesloten toen de steenkool werd gevormd. Verschillende Amerikaanse staten, evenals Australië en India, gebruik deze methode.

Dhurjati zei dat hij hoopt microbe mijnwerkers in te zetten op een van deze locaties om zich te voeden met de steenkool en een gestage stroom aardgas te produceren. naar de oppervlakte geleid.

"ARCTECH heeft de microben en technologie, en onze computermodellen hebben ons geholpen de belangrijkste factoren en beperkingen te ontdekken die voorheen de commercialisering van de technologie onder de grond belemmerden, " zei hij. "De technologie is klaar om te gaan."

Een 'hulpbron voor gelijke kansen'

Dhurjati beschouwt steenkool als 'een bron van gelijke kansen'. Hoewel de Verenigde Staten het grootste aanbod ter wereld herbergen, meer dan 70 landen hebben steenkoolbronnen.

"Ons doel is om landen te helpen kolen op een veilige, schone manier, terwijl de wereld doorgaat met de overgang naar hernieuwbare energie, " zei Dhurjati. "Dit is een van de belangrijkste projecten waar ik ooit bij betrokken ben geweest, en het heeft de potentie om een ​​echte game-changer te zijn."

Abhilash Sharma, een UD senior met als hoofdvak engineering van Marietta, Georgië, en de eerste auteur op het papier, bood als tweedejaarsstudent aan om onderzoek te doen naar het team van Dhurjati en is sindsdien doorgegaan omdat hij zei zo diep in het werk te geloven.

"Steenkool is zo ongelooflijk overvloedig dat het verkeerd zou zijn om het te negeren, " zei Sharma. "We gaan naar een nieuwe manier van denken waarin we mensen niet ondergronds sturen, maar we sturen microben ondergronds en laten de mensen hierboven om te gaan met wat de microben naar buiten brengen. Daarbij, we zouden mensen ook veel meer vaardigheden geven voor toekomstige banen."