Что это значит, если наша экономика работает без ископаемого сырья, такого как нефть и газ? Логичный ответ заключается в том, что нам придется создавать стоимость почти исключительно с помощью биологических, возобновляемых ресурсов. Эта так называемая биоэкономика ставит перед нами серьезные проблемы, как на местном, так и на глобальном уровне.
Исследователи из Института сельскохозяйственной инженерии и биоэкономики имени Лейбница в Потсдаме недавно опубликовали концептуальную статью в журнале Biofuel Research Journal, которая объединяет общие модели биоэкономики в комплексную концепцию. Они описывают, как может выглядеть круговая и устойчивая биоэкономика в пределах планетарных границ. Умные интегрированные биоперерабатывающие заводы являются ключевым компонентом этого видения.
Биомасса, т. е. выращенное биологическое сырье, является великим сокровищем. Мы едим его, кормим его, сжигаем его или используем его. То, что остается, обычно компостируется, отправляется на свалку или сжигается. Тем не менее, в каждом неиспользованном остатке все еще есть потенциал. Один из способов использовать этот потенциал — это интеллектуальные, интегрированные биоперерабатывающие заводы. В отличие от обычных биоперерабатывающих заводов, на которых, например, химические компании извлекают один специальный биохимический продукт из одного специального биологического исходного материала, они объединяют несколько процессов преобразования.
Потенциал интеллектуальных биоперерабатывающих заводов огромен
Доктор Надер Марцбан — научный сотрудник Института сельскохозяйственной инженерии и биоэкономики имени Лейбница (ATB) и ведущий автор концептуальной статьи «Интеллектуальные интегрированные биоперерабатывающие заводы в биоэкономике: концепция безотходного производства, сокращения выбросов и самодостаточного производства энергии». Он описывает ее так: «Существует множество технологий преобразования, которые генерируют ценные материалы из биомассы. К ним относятся, среди прочего, микробная ферментация, такая как анаэробное сбраживание, и пиролиз. Например, анаэробное сбраживание производит биогаз, при этом оставшийся дигестат все еще содержит ценные органические соединения.
«Вместо того, чтобы использовать его в качестве удобрения, как это традиционно происходит, мы можем преобразовать этот дигестат в искусственные гуминовые вещества посредством гидротермальной гумификации. При внесении в почву он стабилизирует бактериальное разнообразие и улучшает здоровье почвы. Другим многообещающим подходом является сочетание анаэробной ферментации с пиролизом, т.е. карбонизацией.
«Здесь биоуголь действует как катализатор и повышает эффективность производства биогаза. В то же время биоуголь обогащается питательными веществами. Таким образом, он может сохранять питательные вещества в почве в течение длительного времени и — в зависимости от условий процесса — хранить углерод более столетия».
«Другим примером является ферментация. При добавлении биоугля ингибиторы ферментации разрушаются, что значительно увеличивает выход этанола и молочной кислоты. Кроме того, биотепло и электричество, вырабатываемые в процессе пиролиза, можно использовать для ферментации, что снижает зависимость от внешних источников энергии. Выбросы CO₂ в результате пиролиза можно улавливать и использовать для выращивания водорослей, которые, в свою очередь, служат альтернативным источником белка».
Потенциал интеллектуальных биоперерабатывающих заводов огромен, но также и количество возможных оптимизаций. Такие промышленные процессы, как анаэробное сбраживание , ферментация, пиролиз, карбонизация и гумификация, имеют регулируемые параметры и могут комбинироваться различными способами. Вместо того чтобы полагаться на один тип биомассы, исследователи работают с 90 различными видами сырья, которые различаются в зависимости от региона и сезона. Определяя ключевые цели и регулируемые параметры для каждого процесса, создаются миллионы потенциальных сценариев.
Доктор Марцбан отмечает: «Экспериментальное исследование всех этих сценариев было бы чрезвычайно дорогостоящим и отнимающим много времени. Однако время — это роскошь, которую мы не можем себе позволить. Наша экономика по-прежнему сильно зависит от ископаемого сырья. Мы уже видим негативные последствия. Вот почему мы полагаемся на моделирование на основе ИИ, чтобы определить наиболее эффективные подходы. Как ученые-технологи, мы действуем шаг за шагом и изначально оптимизируем подсистемы, которые затем постепенно связываем вместе, чтобы объединить их в более крупное целое».
Устойчивая биоэкономика с нулевыми отходами и в пределах планетарных границ
Глобальный отраслевой опыт и обширные результаты исследований, в том числе от ATB, обеспечивают богатую базу данных для дальнейшего развития существующих процессов преобразования биомассы. Ключевыми технологиями являются датчики, которые измеряют непосредственно в процессах и помогают лучше понять взаимодействие продукта и процесса, а также искусственный интеллект, цифровые близнецы и передовые методы моделирования. Используя данные, мощности обработки и алгоритмы, можно разрабатывать интеллектуальные интегрированные биоперерабатывающие заводы, которые являются адаптируемыми и масштабируемыми и могут обрабатывать тысячи, если не миллионы, сценариев.
Профессор Барбара Штурм, научный директор ATB и соавтор статьи, поясняет: «Интеллектуальные интегрированные биоперерабатывающие заводы могут быть разработаны с использованием сетей и диалогов между различными смоделированными системами, а затем проверены в реальности. Этот процесс проверки позволяет выявить пробелы и раскрыть скрытые возможности, которые можно устранить либо путем повторного использования существующих технологий и систем, либо путем внедрения инновационных решений, таких как искусственные гуминовые вещества».
«В этом системном подходе каждый компонент биоперерабатывающего завода активно ищет связи с другими, формируя более крупные интегрированные сети. Эта система будет постоянно моделировать следующие шаги, чтобы найти наилучший способ достижения определенных целей. Это повысит устойчивость и цикличность в биоэкономических моделях, создавая рабочие места и поддерживая политиков. Наше видение заключается в достижении более устойчивой, эффективной и перспективной биоэкономики посредством этой системной интеграции».
Интегрированный подход может позволить нам создать по-настоящему устойчивую биоэкономику с нулевыми отходами и оставаться в пределах наших планетарных границ. Он повышает прибыльность и конкурентоспособность, что крайне необходимо, учитывая более низкую стоимость ископаемых продуктов. Тем не менее, государственная поддержка и политические вмешательства имеют решающее значение для облегчения и ускорения перехода к зеленым технологиям.
В долгосрочной перспективе интеллектуальные интегрированные биоперерабатывающие заводы, несомненно, будут более прибыльными, чем системы, ориентированные на один процесс. Они также сократят потребность в импорте сырья и, таким образом, повысят устойчивость наших экономических систем.
Время для реализации
С концептуальным документом команда ATB совместно с партнерами из Потсдамского университета и Технического университета Берлина сделала первый шаг. Теперь пришло время для проверки и внедрения.
В марте этого года ATB начнет строительство биоперерабатывающего завода для исследовательских целей в Грос-Кройце, Бранденбург, Германия. Он дополнит существующие пилотные установки и объекты на площадке в Потсдаме и Fieldlab for Digital Agriculture в Потсдам-Марквардте. В рамках инновационной фермы Leibniz Innovation Farm for Sustainable Bioeconomy (InnoHof) создается объект, который не только объединит исследования и практику в совместном творческом ключе, но и продемонстрирует осуществимость таких концепций.
Кроме того, ATB находится в процессе подачи заявки на расширение института, чтобы интегрировать такие системные подходы еще более последовательно в свои исследования. В совместном назначении с Университетом Оснабрюка ATB в настоящее время заполняет должность профессора по системным наукам в биоэкономике.
Профессор Штурм подчеркивает: «Мы должны думать о системных, технических, социальных и экономических инновациях вместе. Только если мы поймем систему как единое целое, мы сможем оптимизировать подсистемы таким образом, чтобы они эффективно служили устойчивому развитию. С нашей концепцией мы еще больше активизируем междисциплинарные исследования в области биоэкономики с участием лиц, принимающих политические решения, лидеров промышленности и сектора продовольствия и питания с целью повышения устойчивости нашей экономической системы, повышения устойчивости нашей экономики и поддержки технологического суверенитета Германии и Европы».
