Fermentazione del syngas: un’innovativa fonte di carbonio

Il gas di sintesi o syngas è la miscela gassosa ottenuta dal processo di gassificazione termica di biomassa che avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C) in presenza di un quantitativo sotto stechiometrico di un agente ossidante, tipicamente aria, ossigeno o vapore.

Il syngas è costituito essenzialmente da monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), con la presenza in quantità variabili di metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Esso non va confuso con il biogas, ottenuto da processi di digestione anaerobica di materiale organico, costituito prevalentemente da anidride carbonica, idrogeno molecolare e metano.

Il gas di sintesi trova applicazione come combustibile, per generare energia elettrica attraverso l’uso di una turbina a gas, motore a ciclo diesel o in modo diretto tramite le pile a combustibile (fuel-cells) di tipo DMFC; come reagente, ad esempio nel processo Fischer-Tropsch; come fonte di idrogeno, ad esempio per la sintesi di ammoniaca o per la produzione di energia elettrica mediante celle a combustibile a carbonati fusi (Fig. 1).

Figura 1 – Schema delle possibili applicazioni del syngas

Tuttavia, una innovativa applicazione del syngas è rappresentata dalla sua fermentazione in processi di bioraffineria per la produzione di molecole a valore aggiunto rappresentate prevalentemente da etanolo e acidi grassi volatili (VFA), come acido acetico, propionico, butirrico ed esanoico.

Si tratta di un processo di fermentazione che avviene in bioreattori caratterizzati da un design ad hoc (Fig. 2) in grado di massimizzare il trasferimento di massa del gas, e quindi della fonte di carbonio, nel mezzo di coltura.

Figura 2 – Esempio di reattore a letto impaccato con agitazione orizzontale (Shen et al. 2016)

I microrganismi maggiormente utilizzati in questi processi di bioconversione, singolarmente o in colture miste, sono batteri appartenenti principalmente alle specie Clostridium aceticum (acido acetico) Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium drakei, Clostridium scatologenes (butanolo) Clostridium carboxidivorans (butanolo ed in tracce esanolo e acido esanoico), Clostridium ragsdalei (etanolo, VFA).

I vantaggi di questo processo ibrido di conversione termica e biologica consistono in:

  1. Come in qualsiasi gassificazione, è indifferente la tipologia e la composizione chimica della biomassa utilizzata;
  2. Non è necessario lo step di pretrattamento della biomassa;
  3. È ottenuta una completa conversione della biomassa lignocellulosica, inclusa la lignina;
  4. Comparando la composizione chimica ed il costo del glucosio con quelli della CO2 del syngas si ottiene che il carbonio del glucosio ha un costo pari a 0,875 euro/kg mentre il carbonio del gas di sintesi ha un costo circa cinque volte inferiore pari a 0,185 euro/kg (Sibilla & Battista 2015);
  5. I catalizzatori microbici sono altamente specifici per la produzione di etanolo mentre con i catalizzatori inorganici si ottiene un ampio spettro di prodotti di reazione;
  6. La maggior parte dei batteri sono tolleranti ai contaminanti presenti nel syngas (composti a base di cloro e zolfo), i quali, anche in tracce, possono facilmente avvelenare i catalizzatori metallici;
  7. La fermentazione è condotta a valori ambientali di pressione e temperatura, riducendo significativamente i costi del processo di conversione;
  8. A differenza dei catalizzatori metallici, i biocatalizzatori non sono influenzati dal rapporto CO:H2 del syngas.

Di contro, però, vi sono diversi svantaggi importanti che, al momento, limitano fortemente la sostenibilità economica dell’intero processo di bioraffineria, rappresentati da:

  1. Limitazioni nel trasferimento di massa del gas nel liquido;
  2. Bassa produttività di etanolo, di solito correlata ad una bassa densità cellulare causata dalla produzione di sottoprodotti tossici del metabolismo microbico;
  3. Sensibilità dei microrganismi alle condizioni ambientali (pH, ossigenazione, potenziale redox).

La fermentazione del syngas è una promettente tecnologia per la conversione di gas ricchi di CO in una varietà di preziose sostanze chimiche. Biomasse lignocellulosiche e rifiuti solidi urbani sono materie prime adatte per la gassificazione. Tuttavia, l’aumento delle rese di processo e l’incremento del trasferimento di massa del gas nel mezzo di coltura rappresentano le due principali sfide che questa tecnologia deve affrontare.

Sitografia

  • http://www.verticale.net/fermentazione-di-gas-un-innovativa-fonte-8823

Bibliografia

  • Wainaina, S., Horváth, I.S., Taherzadeh, M.J., Biochemicals from food waste and recalcitrant biomass via syngas fermentation: A review, Bioresource Technology (2017), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2017.06.075
  • Maie El-Gammal, Reda Abou-Shanab, Irini Angelidaki, Basma Omar, Per Viktor Sveding, Dimitar Borisov Karakashev, Yifeng Zhang, High efficient ethanol and VFA production from gas fermentation: Effect of acetate, gas and inoculum microbial composition (2017), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.06.020
  • Yanwen Shen, Robert C. Brown, Zhiyou Wen, Syngas fermentation by Clostridium carboxidivorans P7 in a horizontal rotating packed bed biofilm reactor with enhanced ethanol production (2016), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.084

Crediti immagini

  • http://wastetoenergysystems.com/syn-gas-a-versatile-and-renewable-fuel/
  • https://www.vt.tuwien.ac.at/thermal_process_engineering_and_simulation/sustainable_process_engineering_chemometrics/projects/past_projects/biosyn_fermentation_of_synthesis_gas/EN/

Informazioni su Nicola Di Fidio 9 Articoli

Industrial and environmental biotechnologist
Dept. of Bioscience, Biotechnology and Biopharmaceutics
University of Bari “Aldo Moro”
Via E. Orabona, 4
70125 Bari, Italy
E-mail: nicola.difidio91@gmail.com

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