Brevetto italiano per la desolforazione del biogas in fotobioreattori a LED

Il batterio Clorobium limicola è in grado di abbattere fino al 98% dell’idrogeno solforato presente nel biogas prodotto da un impianto di digestione anaerobica

Il processo di produzione del biogas

Tra le fonti energetiche pulite e rinnovabili, biogas e bio-metano si confermano risorse fondamentali all’interno di una strategia di progressiva decarbonizzazione del sistema energetico nazionale.

Essi sono prodotti mediante digestione anaerobica. Quest’ultima è un processo biotecnologico per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene degradata e convertita in bio-combustibile ad opera di differenti specie di batteri anaerobi.

I prodotti di tale processo biotecnologico sono rappresentati dal biogas, costituito per il 50-75% da biometano (CH₄), per il 25-45% da biossido di carbonio (CO₂) e per una piccola percentuale da altri gas come vapore acqueo (2-7%), idrogeno solforato (H₂S) (20-20.000 ppm) e ammoniaca (NH₃). A questa frazione di natura gassosa, si aggiunge quella di natura solida rappresentata dal digestato, ossia il materiale organico ed inorganico non assimilato dai batteri (Fig. 1).

*Figura 1 – Rappresentazione schematica delle principali molecole coinvolte nel processo di digestione anaerobica.*

La depurazione del biogas

La miscela di gas prodotta da un digestore anaerobico (Fig. 2) necessita di una serie di step di depurazione al fine di rimuovere solidi in sospensione, H₂S, H₂O e NH₃. Tali componenti vengono rimossi, rispettivamente, mediante filtrazione fisica, desolforazione, deumidificazione e filtrazione su carboni attivi.

*Figura 2 – Rappresentazione schematica delle componenti principali di un impianto industriale di digestione anaerobica.*

Il trattamento di desolforazione, ovvero la rimozione dei composti sulfurei, è di cruciale importanza per la fattibilità tecnologica ed economica di un impianto. Il solfuro di idrogeno, infatti, è un gas tossico e corrosivo che deve essere rimosso dal biometano prima del suo utilizzo, che si tratti di immissione in rete o di produzione di metano-combustibile.

Un’elevata concentrazione di H₂S, per esempio, può causare l’acidificazione dell’olio lubrificante, l’usura eccessiva di parti meccaniche e la corrosione di alcune componenti metalliche a causa dell’instaurarsi di fenomeni di condensa che innescano la formazione di acido solforico (H₂SO₄).

Il processo di desolforazione può avvenire per via chimica o per via biologica.

La desolforazione biologica esterna al digestore consiste nell’inserimento di colonne di desolforazione biologica a valle del digestore attraverso cui si fa passare in controcorrente il biogas da depurare insieme ad una miscela di aria e solfobatteri o batteri solfo-ossidanti. Alcuni esempi di batteri utilizzati appartengono ai generi Thiobacillus (es. Thiobacillus thiooxydans) o Sulfolobus.

Il brevetto italiano per la desolforazione del biogas

I ricercatori italiani dell’Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile (ENEA) hanno brevettato un innovativo approccio biotecnologico di purificazione del biogas basato su un processo di trasformazione in zolfo dell’idrogeno solforato, grazie ai batteri della specie Clorobium limicola (Fig. 3) le cui capacità metaboliche sono state migliorate mediante un’illuminazione a LED a specifiche lunghezze d’onda.

*Figura 3 – Fotografia al microscopio dei batteri appartenenti alla specie Clorobium limicola.*

Il gruppo di ricerca, coordinato dalla Dott.ssa Elena De Luca, ha sviluppato un fotobioreattore (FBR) (Fig. 4) in grado di emettere una radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda di 770 nm che consente il processo di abbattimento dell’ H₂S ad opera del batterio Clorobium limicola.

Figura 4 – Fotografia del sistema di desolforazione biologica del biogas sviluppato dai ricercatori dell’ENEA. Le frecce indicano: in rosso l’ingresso del biogas, in giallo il flusso in entrata della coltura arricchita di gas, in verde il flusso in uscita della coltura e del gas purificato, in azzurro il flusso in uscita del biogas purificato.

Le prove in continuo con un FBR alimentato dal biogas prodotto da un impianto pilota di digestione anaerobica del centro ricerche ENEA Casaccia hanno permesso di raggiungere un livello di abbattimento dell’H₂S pari al 98% in un periodo sperimentale di 370 ore. Inoltre, conducendo delle “prove di buio”, ossia con il sistema di illuminazione LED spento, è stato confermato che in assenza di luce l’abbattimento dell’H₂S non avviene.

Scale-up del processo di desolforazione del biogas

Grazie al successo della tecnologia sviluppata dai ricercatori italiani sono iniziati i lavori di scale-up per mettere a punto un innovativo impianto di purificazione del biogas da utilizzare per la produzione di energia elettrica basato sul brevetto ENEA.

Questo impianto verrà realizzato nell’ambito del progetto BIOFIDS al quale partecipano diverse aziende piemontesi tra cui TECNODELTA srl, nel ruolo di capofila, ACDA SpA e RAMS&E Srl, con l’ENEA e il Politecnico di Torino in veste di consulenti scientifici. Il progetto, finanziato dalla Regione Piemonte, afferisce al Polo di innovazione CLEVER con il Parco Scientifico e Tecnologico “Environment Park” che catalizza le sinergie tra le istituzioni di ricerca e le imprese.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Elena De Luca (24 settembre 2020, Ufficio Stampa ENEA). Innovazione: nuovo impianto per purificare il biogas. Estrapolato da: https://www.enea.it/it/Stampa/news/innovazione-nuovo-impianto-per-purificare-il-biogas
Redazione (23 novembre 2018, QualEnergia.it). Batteri e LED per purificare il biogas a costi ridotti. Estrapolato da: https://www.qualenergia.it/articoli/batteri-e-led-per-purificare-il-biogas-a-costi-ridotti/
Scheda brevetti ENEA. BREVETTO N. ENEA 817. Estrapolato da: http://192.107.61.76/BREVETTI/elenco.php?OK=Y&idDE=834
Nicola Di Fidio (28 agosto 2019, Microbiologia Italia). Sinergia tra batteri metanogeni, acidogeni e solfobatteri per la produzione di biometano. Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/sinergia-tra-batteri-metanogeni-acidogeni-e-solfobatteri-per-la-produzione-di-biometano/
Nicola Di Fidio (1 agosto 2018, Microbiologia Italia). Acidogenesi e metanogenesi separate per un innovativo processo di digestione anaerobica bi-stadio. Estrapolato da: https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/acidogenesi-e-metanogenesi-separate-per-un-innovativo-processo-di-digestione-anaerobica-bi-stadio/

Bibliografia:

Luca, E. D., Fiocchetti, F., Rosa, S., Aliboni, A., Lona, L., Corsaro, N., & Felici, C. (2017). A novel photobioreactor system for hydrogen sulphide biogas clean-up. International Journal of Oil, Gas and Coal Technology, 14(1-2), 62-76.
Patriarca, C., De Luca, E., Felici, C., Lona, L., Miritana, V. M., & Massini, G. (2016). Bio-production of Hydrogen and Methane Through Anaerobic Digestion Stages. In Enriched Methane (pp. 91-109). Springer, Cham.
De Luca, E., Corsaro, N., Felici, C., Fiocchetti, F., Lona, L., & Rosa, S. (2015). Sviluppo di un processo per l’abbattimento dell’H2S nel biogas mediante fotobioreattore a LED.