Brasser la durabilité

Chaque jour, les brasseries et les établissements vinicoles produisent des milliers de gallons d'eaux usées, qui sont soit déversées dans les égouts, soit expédiées vers des installations de traitement à un coût élevé pour les entreprises.

Aujourd'hui, la filiale du MIT, Cambrian Innovation, commercialise un nouveau système de traitement, appelé EcoVolt, qui utilise des microbes chargés électriquement pour traiter et produire de l'énergie à partir des eaux usées. L'entreprise – qui vise à tirer parti de la biotechnologie comme moyen de résoudre les problèmes environnementaux – modifie également son système pour générer de la valeur à partir des eaux usées dans les domaines agricoles et militaires, et pour convertir le dioxyde de carbone en carburants pour des applications sur Terre et dans l'espace.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Cambrian Innovation

L'infrastructure industrielle d'aujourd'hui gère les ressources de base de manière linéaire, ce qui augmente le coût de l'élimination des déchets et cause des dommages à l'environnement. Mais une approche plus cyclique - où les déchets sont utilisés comme source d'énergie - pourrait fournir des rendements plus élevés et éliminer la tension entre l'environnement et l'économie, déclare le PDG Matt Silver SM '05, PhD '10, qui a co-fondé Cambrian avec Justin Buck. PhD '12, maintenant directeur de la technologie de l'entreprise.

Le traitement des eaux usées, par exemple, consomme plus de 3 pour cent de l'électricité aux États-Unis, mais les matières organiques dans les eaux usées ont de l'énergie qui peut être extraite et utilisée localement, dit Silver. Et c'est le cas pour beaucoup de déchets en général.

Le système EcoVolt automatisé et modulaire de Cambrian - livré sur un plateau et installé en une journée - se compose d'une unité de tête, qui abrite des ordinateurs pour l'automatisation et le contrôle, et des unités de traitement extensibles de 20 000 gallons. Dans ces unités, des microbes appelés exoélectrogènes exécutent un processus unique, l'électrométhanogénèse, qui est utilisé pour la première fois dans le traitement des eaux usées.

Les exoélectrogènes, déposés sur les anodes, consomment les polluants organiques restants des eaux usées et, ce faisant, génèrent de l'électricité. Cette électricité circule dans un circuit et sur des cathodes recouvertes de microbes distincts qui consomment cette électricité - ainsi que du dioxyde de carbone - pour produire du biogaz à une vitesse pouvant atteindre 100 pieds cubes par minute. Selon Silver, ce processus améliore la digestion anaérobie naturelle des eaux usées, car il stabilise le traitement, améliore la qualité du biogaz et permet un degré d'automatisation plus élevé.

Le biogaz entre dans un système de cogénération connecté pour la conversion d'électricité. Selon plusieurs facteurs du site, cela produit de 30 à 400 kilowatts par heure d'électricité. Les eaux usées traitées sortent du réacteur avec 80 à 90 pour cent des polluants éliminés, elles peuvent donc être utilisées pour l'irrigation, le lavage de l'équipement et d'autres choses.

Le système peut traiter 10 000 à 1 million de gallons d'eaux usées par jour. À ce rythme, un établissement vinicole réduirait environ 2 livres de CO2 par caisse de son empreinte carbone, grâce à la production d'énergie sans carbone et en évitant le traitement des eaux usées municipales – en plantant efficacement plus de 4 400 acres d'arbres en un an, dit Silver.

Depuis janvier, les brasseries Bear Republic et Lagunitas, toutes deux en Californie frappée par la sécheresse, ont acheté des systèmes EcoVolt. Aux taux d'utilisation actuels, Cambrian estime que le système générera suffisamment d'électricité pour répondre à 25 à 50 % des besoins de ces brasseries et permettra la réutilisation d'environ 25 % de leur eau. Cela pourrait également éliminer 10 camions d'expédition d'eaux usées par jour pour Lagunitas.

Tout dans la conception

De plus en plus, l'industrie des boissons utilise des procédés de traitement des eaux usées anaérobies et aérobies, mais ceux-ci sont coûteux et difficiles à adopter, dit Silver.

Les processus aérobies — la dissolution de l'air dans les eaux usées, où les micro-organismes aérobies dégradent les polluants — consomment beaucoup d'énergie et génèrent des biosolides (matières organiques) qui sont gérés au prix coûtant. Les processus où les microbes anaérobies mangent des polluants, tout en produisant de petites quantités de méthane consommable, ont gagné en popularité au cours des dernières décennies, mais de tels systèmes ne fonctionnent que dans des circonstances spécifiques, sont sujets à l'échec et sont difficiles à utiliser.

EcoVolt, d'autre part, est applicable à une gamme de sites et a démontré un processus de traitement plus robuste, ce qui signifie une meilleure production d'électricité et des rendements plus élevés pour les clients - et est donc plus économique, dit Buck. Mais le système est également modulaire, ce qui signifie que les clients peuvent ajouter progressivement des composants, tels que des unités de traitement plus grandes ou des générateurs de conversion.

C'est une architecture influencée par les années d'études supérieures de Silver dans la division des systèmes d'ingénierie du MIT, qui met l'accent sur la fiabilité, l'évolutivité et la flexibilité dans la conception de systèmes complexes à grande échelle. EcoVolt leur donne plus de flexibilité dans la façon dont ils mettent en œuvre les systèmes de traitement, dit-il. L'idée est de minimiser les coûts d'ingénierie et d'exploitation non récurrents, tout en offrant aux clients la possibilité de se développer à faible coût via une architecture modulaire.

De plus, EcoVolt est automatisé, surveillé à distance et fournit des données en temps réel, grâce à l'utilisation d'exoélectrogènes comme capteurs. Ces insectes génèrent de l'électricité, et c'est quelque chose que nous pouvons détecter et lire, en temps réel, pour voir à quel point le réacteur fonctionne bien, explique Buck, qui a inventé les technologies de capteurs de Cambrian.

Avec EcoVolt, dit Silver, Cambrian vise à rendre le traitement et la réutilisation de l'eau plus facile et plus abordable, alors que la dépendance de l'Amérique à l'égard de l'eau augmente, ainsi que la pollution de l'eau.

Presque tous les produits que nous fabriquons ont une empreinte hydrique, dit Silver. À mesure que notre économie se développe, les nappes phréatiques baissent et la pollution par les eaux usées augmente, ce qui pousse de nombreuses entreprises à prendre en compte le risque lié à l'eau dans leur stratégie globale. Le besoin de solutions plus rentables est de plus en plus aigu dans le monde développé, et également critique dans le [monde] en développement. Nous tirons parti de la biotechnologie pour offrir le meilleur retour sur investissement pour la gestion de l'eau.

À cette fin, Cambrian travaille sur d'autres projets qui utilisent des microbes exoélectrogènes pour traiter les eaux usées. Un projet, appelé BioVolt, est un système de traitement de l'eau autoalimenté pour les bases d'opérations avancées de l'armée américaine qui traite les eaux usées et génère de l'électricité pour s'alimenter. Un autre projet, financé par la National Science Foundation, utilise des exoélectrogènes pour détecter les nitrates dans les eaux usées, à moindre coût et avec une très grande spécificité, pour l'industrie agricole.

La Terre comme vaisseau spatial

EcoVolt est précieux aujourd'hui en tant que solution aux problèmes d'eau de la Terre. Mais la technologie de base a commencé comme un peu d'ingéniosité aérospatiale - et a depuis retrouvé le chemin de l'espace.

Se rencontrant au MIT en 2006 autour d'un goût commun pour la biotechnologie, Silver, alors chercheur au Space Systems Lab du MIT, et Buck, un étudiant diplômé en génie biologique, ont remporté une subvention du programme de l'Institute for Advanced Concepts de la NASA pour créer un support de vie. système qui pourrait traiter les déchets et produire de l'électricité pour les astronautes. Bientôt, ils ont rencontré des exoélectrogènes; une étude de 1999 avait révélé que les exoélectrogènes pouvaient, en fait, générer plus d'ampères par centimètre carré qu'on ne le pensait auparavant.

Cela a fait des exoélectrogènes un troisième candidat – et largement meilleur – pour le traitement des eaux usées, par rapport aux méthodes aérobies ou anaérobies. Lancé Cambrian avec une subvention du ministère de l'Agriculture pour se concentrer sur les eaux usées agricoles, l'équipe a rapidement déménagé à son siège actuel de Boston. Au moment où ils ont participé au concours Cleantech Open 2010 - et ont gagné - ils s'étaient concentrés sur l'industrie de l'alimentation et des boissons.

Cambrian a piloté avec succès son premier système en 2010, puis, pendant 14 mois, de 2011 à 2012, a fait la démonstration de son système à l'échelle industrielle au Clos du Bois vignoble en Californie.

En 2012, la NASA a commencé à financer un projet cambrien, appelé ExoGen, qui utilise l'électrométhanogénèse pour extraire plus efficacement l'oxygène ou le carburant du CO2 pour les vols spatiaux de longue durée. La NASA procède actuellement à la récupération de l'oxygène à partir du CO2 dans un processus chimique en plusieurs étapes ; ExoGen en fera un processus simplifié en une seule étape.

Étonnamment, le passage des applications aérospatiales aux applications terrestres, et vice-versa, a été une transition facile, dit Silver. Le défi de soutenir les astronautes dans l'espace est très similaire à la durabilité sur Terre, dit-il. Ce que vous cherchez à faire dans l'espace, c'est maximiser la réutilisation, tout en minimisant l'énergie. Si nous considérons la Terre comme le vaisseau spatial, c'est le même problème.

Avec EcoVolt et ses autres projets en cours, l'objectif global de Cambrian, selon Silver, est de tirer parti de la biotechnologie pour faire progresser une écologie industrielle durable, où les déchets de l'industrie sont recyclés pour créer de l'énergie et de la valeur, un peu comme dans les écosystèmes naturels.

Dans un écosystème naturel, les déchets n'existent pas vraiment, dit Silver. C'est juste une autre ressource.

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