La conversione biologica idrogeno-metano si riferisce alla produzione di metano attraverso l'azione di microrganismi utilizzando l'idrogeno generato dall'elettrolisi dell'acqua con potere residuo e l'anidride carbonica presente nel biogas. Questo approccio promette di superare i limiti dello stoccaggio dell’idrogeno, riducendo l’onere finanziario dell’upgrading del biogas e consentendo un utilizzo a emissioni zero di CO2 nel biogas.
In precedenza, i ricercatori dell’Istituto di bioenergia e tecnologia dei bioprocessi di Qingdao dell’Accademia cinese delle scienze hanno addomesticato e ottenuto microrganismi con elevate efficienze di conversione idrogeno-metano. Hanno inoltre sviluppato due processi di produzione per la conversione biologica dell'idrogeno-metano in situ ed ex situ. Tuttavia, il principale fattore che limita l'efficienza della conversione idrogeno-metano rimane la bassa velocità di trasferimento di massa gas-liquido dell'idrogeno.
Per affrontare i limiti delle basse velocità di trasferimento di massa dell’idrogeno nel processo di conversione idrogeno-metano, i ricercatori hanno sviluppato un filtro biotrickling (BTF), che facilita la crescita dei microrganismi utilizzando materiale di imballaggio con una superficie interna ruvida. Garantisce il pieno contatto tra le fasi gassosa e liquida, aumentando così l'efficienza dell'utilizzo dell'idrogeno.
Lo studio è stato pubblicato sul Chemical Engineering Journal .
In questo studio, i ricercatori hanno iniziato esplorando gli effetti delle temperature (25°C, 37°C e 55°C) sul percorso di conversione idrogeno-metano per determinare la temperatura ottimale per i filtri biotrickling. Durante il funzionamento del filtro biotrickling, gli effetti dei materiali di imballaggio (ceramite, pietra vulcanica, carbone attivo) e il rapporto ottimale del gas in ingresso (H2 /CO2 , v/v) sul processo di conversione sono stati valutati.
Secondo i ricercatori, i materiali di imballaggio selezionati erano rispettosi dell'ambiente e la loro ampia superficie specifica e porosità facilitavano la crescita e l'attaccamento dei microrganismi. Ciò garantisce un contatto sufficiente tra i microrganismi e la fase gassosa, migliorando notevolmente il trasferimento di massa gas-liquido.
I risultati hanno mostrato che una temperatura più elevata favorisce la conversione idrogeno-metano. A 25°C, l'efficienza di conversione idrogeno-metano era bassa (2,5 L/Lw·d) e la maggior parte dell'idrogeno e del biossido di carbonio venivano utilizzati per produrre acetato.
A 55°C, sebbene il processo di reazione fosse inizialmente instabile, alla fine raggiunse la stabilità e ottenne un'efficienza di conversione idrogeno-metano di 8,3 L/Lw·d. Al contrario, l'efficienza di conversione era ancora notevole a 37°C, raggiungendo 7,1 L/Lw·d. In particolare, non è stata riscontrata alcuna differenza significativa nel processo complessivo di metanogenesi tra 37°C e 55°C.
Inoltre, il gas in ingresso ottimale (H2 /CO2 ) è stato determinato nell'esperimento BTF, ottenendo il rapporto più soddisfacente a 2,5:1 (H2 /CO2 , v/v), che era inferiore ai valori precedentemente riportati, ma è stata ottenuta una maggiore efficienza di rimozione del biossido di carbonio.
I biofilm aderenti ai tre materiali di imballaggio hanno raggiunto tutti un'efficace efficienza di conversione idrogeno-metano con un rapporto di 2,5:1, con il BTF che utilizza carbone attivo come materiale di imballaggio ha raggiunto l'efficienza di conversione più alta e più stabile (91,9%).
La misurazione dell'intensità relativa della fluorescenza ha confermato che il carbone attivo aveva un'immobilizzazione microbica superiore. Questo studio fornisce un approccio promettente per l'applicazione dei BTF nella conversione dell'idrogeno-metano del biogas.
Ulteriori informazioni: Jie-Hua Huang et al, Potenziamento del biogas mediante filtro biotrickling:effetti della temperatura e dei materiali di imballaggio, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.148367
Informazioni sul giornale: Giornale di ingegneria chimica
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
