LA2.1.8 – Sviluppo di processi biologici “Power to Gas” per l’utilizzo dell’idrogeno verde per la conversione della CO2 contenuta nel biogas in CH4

Attività

Nei processi biologici Power-to-Gas (PtG) l’idrogeno, prodotto da energia elettrica rinnovabile, viene utilizzato da microrganismi metanogeni idrogenotrofi per convertire la CO₂ in CH₄. L’attività ha riguardato lo sviluppo di una configurazione di biometanazione ibrida basata su due processi biologici in serie per la produzione di una miscela altamente arricchita in CH₄: una fase di prearricchimento in situ, studiata sia nella configurazione convenzionale (H₂ immesso dall’esterno in un digestore) sia in quella bioelettrochimica (H₂ prodotto all’interno), e una fase ex situ in cui H₂ e biogas vengono immessi in un reattore per l’ulteriore conversione della CO₂ in metano. In entrambi i processi, la comunità microbica utilizzata proviene da impianti industriali di digestione anaerobica per la produzione di biogas (50–70% v/v CH₄ e 30–50% v/v CO₂), la cui attività  metanogenica idrogenotrofa dipende da diversi parametri operativi. L’attività sperimentale è stata articolata su più obiettivi: i) selezione dell’inoculo per il processo ibrido; ii) studio e ottimizzazione della biometanazione in situ; iii) implementazione della configurazione in situ con BES; iv) ottimizzazione del processo ex situ; v) valutazione della produzione di una miscela ad alto contenuto di CH₄ integrando i risultati delle singole fasi.

Risultati

L’attività specifica di metanogenesi idrogenotrofa (SHMA) potenziale è stata effettuata su tre differenti inoculi, provenienti da impianti CSTR di Digestione Anaerobica (DA), sia in termofilia che in mesofilia, alimentati da miscele a rapporti crescenti H₂:CO₂ e iniettate nello spazio di testa. I test sono stati inoltre condotti successivamente ad un periodo di arricchimento, in semicontinuo, al fine di valutare l’incremento della velocità del processo La misura è stata effettuata monitorando in continuo la variazione di pressione del gas tramite il sistema OxiTop® IDS/B. I risultati hanno evidenziato valori di SHMA più elevati in termofilia ai differenti rapporti H₂:CO₂ testati. L’ arricchimento ha incrementato il processo in tutti gli inoculi, evidenziando delle differenze in base al tipo di inoculo ed ai differenti rapporti H₂:CO₂. Le analisi della comunità microbica hanno mostrato che gli incrementi dei valori di SHMA, osservati negli inoculi SC e AZ, sono associati a comunità archeali caratterizzate dalla coesistenza di metanogeni metabolicamente versatili e metanogeni idrogenotrofi, suggerendo un vantaggio adattativo in condizioni di alimentazione intermittente con H₂.

Figura 2

Descrizione del piano sperimentale e dei risultati dei test SHMA di differenti inoculi e analisi della comunità di Archaea metanogeni

Lo studio ha avuto come obiettivo l’ottimizzazione della biometanazione in situ in una configurazione ibrida Power-to-Gas, finalizzata alla produzione di biogas arricchito in CH₄ e idoneo a una successiva fase di upgrading ex situ. Due inoculi industriali sono stati inizialmente confrontati in prove semi-continuo in serum bottle da 120 mL, applicando agitazione controllata, lieve sovrapressione e immissione combinata bulk–pulse di H₂. Gli inoculi, provenienti da un impianto agricolo mesofilo (DB) e da un impianto termofilo per reflui lattiero-caseari (DFB), sono stati testati a rapporti H₂:CO₂ fino a 4:1.Lo screening non ha evidenziato differenze statisticamente significative nella produzione di CH₄, ma il processo termofilo ha mostrato maggiore stabilità. Il rapporto H₂:CO₂ pari a 2:1 è risultato il miglior compromesso tra arricchimento in CH₄, consumo di H₂ e stabilità. L’inoculo DFB è stato quindi testato in un CSTR da 4 L, con rapporto HS/WV di 1,75. Poiché nelle fasi iniziali l’H₂ non veniva completamente consumato, CW e H₂ sono stati alimentati ogni 48 ore. Il reattore ha prodotto biogas con 69,5 ± 4,9% CH₄, pari a un aumento del 20% rispetto al controllo, con H₂ residuo pari a 5,8 ± 3,7% ed efficienza di conversione dell’H₂ del 96%. nella Figura 3 è descritto il piano sperimentale e dei risultati del processo di ottimizzazione della biometanazione in situ.

Il processo di biometanazione in situ elettrochimicamente assistito è stato studiato mediante diverse configurazioni di Celle di Elettrolisi Microbiche (MEC), sia a camera singola sia a doppia camera, e differenti strategie di polarizzazione degli elettrodi (A, B, C) – Figura 4 – al fine di individuare le condizioni operative più efficaci per favorire l’incremento di CH₄ nei sistemi integrati AD–MEC. Il controllo potenziostatico dell’anodo (A) ha aumentato sia il contenuto di CH₄ nel biogas fino al 66% (v/v) sia la produzione volumetrica di circa il 44% (v/v) rispetto al test di controllo (in assenza di polarizzazione). Il controllo del potenziale del catodo (B) ha raggiunto fino al 90% (v/v) di CH₄. L’applicazione di una differenza di potenziale (C) ha aumentato la velocità di produzione di biogas di circa il 15%, senza influenzarne la composizione. Negli esperimenti A) e B) sebbene l’H₂  non sia stato rilevato, l’incremento di CH₄ è risultato coerente con la quantità teorica di H₂ producibile elettrochimicamente dalla corrente generata nel sistema suggerendo un meccanismo H₂– mediato. Nell’esperimento C) (applicazione di una differenza di potenziale), l’incremento della produzione di biogas in assenza di variazioni nella sua composizione e di scarsa generazione di corrente elettrica, suggerisce il coinvolgimento di meccanismi alternativi, quali la stimolazione di metabolismi sintrofici anche attravreso Trasferimento Diretto Interspecie  di Elettroni (DIET).

Lo studio sulla biometanazione ex situ ha valutato l’impiego della cavitazione idrodinamica statica per intensificare il trasferimento gas–liquido (Figura 5). Un cavitatore statico a piastra circolare è stato integrato con un reattore pilota a colonna a bolle (BCR = 194 L) inoculato con il digestato termofilo WW (55 °C). È stato individuato il tempo minimo di ritenzione dei gas compatibile con elevate rese di conversione. Durante circa 210 giorni di sperimentazione, l’alimentazione con H₂:CO₂ (4:1, v/v) ha consentito di raggiungere concentrazioni di CH₄ superiori al 96% ed efficienze di solubilizzazione prossime al 100%, senza ricircolo del gas dallo spazio di testa del reattore. La successiva alimentazione con biogas (50–60% CH₄) ha determinato un peggioramento delle prestazioni di processo e la formazione di schiuma; tuttavia, la miscela gassosa in uscita ha mantenuto una concentrazione media di CH₄ pari all’89%.La comunità microbica ha inoltre mostrato un progressivo arricchimento in metanogeni idrogenotrofi. I risultati confermano il potenziale della cavitazione idrodinamica per l’intensificazione della biometanazione ex situ, evidenziando al contempo la necessità di ulteriori ottimizzazioni in vista dello scale-up.

In collaborazione con:

L’ Università di Napoli Federico II e l’Università di Roma «La Sapienza – Dipartimento di Chimica

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