Le celle a combustibile microbiche come alternative energetiche sostenibili utilizzando substrati di scarto.
Indice
Celle a combustione microbiche
La crescente pressione esercitata sulle risorse naturali e l’eccessiva produzione di rifiuti rendono sempre più necessario lo sviluppo di strategie più sostenibili per la gestione delle risorse e la produzione di energia.
In questo contesto, la bioeconomia circolare propone di valorizzare i materiali di scarto come risorse per la produzione sostenibile di prodotti a valore aggiunto.
Tale prospettiva consente non solo di ridurre la dipendenza dalle risorse fossili, ma anche di limitare l’impatto ambientale associato ai tradizionali processi produttivi.
La ricerca di alternative energetiche sostenibili ha portato ad un crescente interesse verso fonti non convenzionali, come i microrganismi per la produzione di bioenergia.
Un esempio è rappresentato dall’impiego di microalghe nelle bioraffinerie per la produzione di biocombustibili, come il biodiesel.
Rispetto alle fonti biologiche di prima generazione, come colture alimentari e oleaginose, che possono competere con la produzione alimentare e richiedere ampie aree coltivabili, i microrganismi possono utilizzare substrati di scarto e presentare elevati tassi di crescita in spazi molto più ridotti.
In questo scenario si inseriscono le celle a combustibile microbiche (MFC), sistemi bioelettrochimici in grado di sfruttare l’attività metabolica dei microrganismi per convertire la materia organica presente nei rifiuti e nelle acque reflue in energia elettrica.
Questa tecnologia ha suscitato e continua a suscitare interesse scientifico grazie alla possibilità di combinare in un unico sistema la valorizzazione dei rifiuti, il trattamento delle acque reflue e la produzione di energia sostenibile.
Dal rifiuto all’elettricità : il potenziale delle MFC
Le MFC sfruttano la capacità naturale di alcuni microrganismi, definiti elettroattivi o elettrogenici, di trasferire gli elettroni prodotti durante il metabolismo verso un elettrodo. In questo modo è possibile trasformare parte dell’energia chimica contenuta nella materia organica in energia elettrica.
Il funzionamento di una cella a combustibile microbica si basa generalmente sulla presenza di un anodo e di un catodo separati da una membrana all’interno di una camera (Figura 1).
Nell’anodo vengono introdotti microrganismi, definiti biocatalizzatori, e materiale organico, che viene utilizzato dai batteri come fonte di energia.
Durante la digestione della materia organica, i batteri producono elettroni e protoni.
Gli elettroni vengono trasferiti all’anodo e successivamente attraversano un circuito esterno, generando una corrente elettrica.
I protoni, invece, attraversano la membrana e raggiungono il compartimento catodico, dove partecipano alle reazioni elettrochimiche che completano il processo (Figura 1).
MFC e rifiuti organici
Uno degli aspetti più interessanti di questa tecnologia è la possibilità di combinare la produzione di energia con il trattamento dei rifiuti o delle acque reflue. Le sostanze organiche presenti nelle acque reflue possono infatti essere degradate dai microrganismi e, contemporaneamente, utilizzate come substrati per produrre elettricità .
Le MFC rappresentano quindi un possibile approccio per trasformare un problema ambientale, ovvero la presenza di materiale organico nei rifiuti e nelle acque reflue, in una risorsa energetica.
Il rendimento del processo dipende tuttavia dalla capacità dei microrganismi di trasferire efficacemente gli elettroni prodotti durante il metabolismo all’elettrodo.
Batteri in azione
Il ruolo dei microrganismi è fondamentale. Alcuni batteri possiedono meccanismi che permettono di trasferire gli elettroni prodotti dal metabolismo all’esterno della cellula.
Tra i microrganismi più studiati in questo ambito vi sono specie appartenenti ai generi Geobacter e Shewanella.
Geobacter sulfurreducens, per esempio, ha dimostrato una notevole capacità di trasferire elettroni all’elettrodo e di generare un’elevata densità di corrente.
Il trasferimento degli elettroni può avvenire attraverso diversi meccanismi, tra cui il contatto diretto con l’elettrodo, l’impiego di molecole trasportatrici di elettroni o il coinvolgimento di strutture extracellulari, come nanofili microbici.
Conclusione
Le MFC rappresentano sicuramente un interessante punto d’incontro tra microbiologia, biotecnologia ed energia sostenibile.
Consentono di integrare il trattamento delle acque reflue e dei rifiuti organici con il concomitante recupero di energia.
Sebbene le prospettive applicative siano promettenti, questa tecnologia mostra ancora delle criticità . La quantità di elettricità prodotta è ancora relativamente limitata e l’efficienza del trasferimento degli elettroni deve essere migliorata.
Inoltre, l’aumento delle dimensioni dei sistemi può comportare difficoltà tecniche e costi elevati con scarsa competitività economica rispetto alle tecnologie convenzionali.
A questo proposito, lo studio dei microrganismi elettroattivi e dei meccanismi alla base del trasferimento extracellulare degli elettroni assume particolare rilevanza, poiché può contribuire allo sviluppo di sistemi più efficienti per il recupero di energia dai rifiuti organici.
Tra questi microrganismi, Geobacter sulfurreducens rappresenta un modello particolarmente interessante per lo studio dei meccanismi attraverso cui il metabolismo cellulare si accoppia al trasferimento di elettroni verso materiali conduttivi.
Nel complesso, le prospettive per lo sviluppo di applicazioni nel campo della bioenergia rimangono comunque interessanti.
Bibliografia
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Crediti fotografici
Immagine in evidenza estrapolata da https://www.biopills.net/wp-content/uploads/2021/09/Batteri-elettrogenici.jpg