Si chiama Chlorobium limicola ed è un batterio anaerobico che vive nelle solfatare e laghi termali, caratterizzati da grandi concentrazioni di idrogeno solforato (SH2), mancanza di ossigeno ed esposizione ai raggi solari, dove forma strati galleggianti assieme ad altri microrganismi.
Un gruppo di ricerca dell'Enea, composto dai dottori Elena De Luca, Claudio Felici, Andrea Aliboni e Giulio Izzo, ha sviluppato e messo a punto un nuovo tipo di fotobioreattore a spirale, nel quale una coltura di C. limicola, illuminata adeguatamente, sfrutta la luce per trarre nutrimento dalla CO2 e dall'acido solfidrico (H2S) contenuti nel biogas, rendendo possibile il suo utilizzo diretto in un motore endotermico, o la sua ulteriore purificazione a biometano.
Sono tre i motivi per minimizzare il contenuto di H2S nel biogas:
Di conseguenza, tutti gli impianti di biogas, senza eccezione, hanno sempre qualche sistema di desolforazione. Alcuni impianti utilizzano sali di ferro aggiunti alle biomasse di alimentazione (si veda, dello stesso autore, Prodotti chimici "speciali" per gli impianti di biogas: l'idrossido ferrico). Altri impianti - perlopiù quelli di trattamento di rifiuti e fanghi - utilizzano unità di desolforazione esterne al digestore.
Nel mondo agricolo italiano, la maggior parte degli impianti ricorre alla desolforazione aerobica, chiamata anche "desolforazione biologica in situ". Tale tecnica - considerata la più efficiente dai costruttori tedeschi che dominano il nostro mercato - in realtà risolve un problema e ne crea due. Il processo consiste nell'insufflare piccole quantità di aria nello spazio di testa dei digestori. I Thiobacillus, batteri presenti in tutte le biomasse, sono in grado di utilizzare l'ossigeno e l'H2S, precipitando zolfo puro (S). Come ormai consueto nel nostro mercato, tale soluzione è la migliore... per il costruttore dell'impianto, perché richiede solo una ventola per soffiare una piccola quantità di aria nel gasometro.
La Foto di apertura dell'articolo mostra eloquentemente il problema che ciò comporta per il titolare dell'impianto: incrostazioni di S sulle pareti e strutture interne del digestore, che in alcuni casi arrivano a bloccare le valvole di manovra e ad intasare i tubi.
Il secondo problema della desolforazione aerobica, marginale per gli impianti di cogenerazione ma fastidioso per gli impianti di upgrading a biometano, è che per ogni metro cubo di ossigeno necessario per la desolforazione, la ventola introduce nel biogas altri 3,5 m3 di azoto, gas neutro che abbassa però il tenore complessivo di CH4 nel biogas.
Foto 1: Lo spettro elettromagnetico. La lunghezza d'onda di 750 nm si posiziona immediatamente sotto il rosso visibile, riceve il nome di "infrarosso vicino".
(Immagine di pubblico dominio, Fonte: Wikimedia)
Il metabolismo del C. limicola è particolarmente efficiente quando illuminato con tale lunghezza d'onda, e i Led sono energeticamente più efficienti rispetto alle tradizionali lampade ad infrarosso. Il biogas grezzo viene fatto gorgogliare nella soluzione di coltura contenente i batteri. La solubilità del CH4 in acqua è pressoché nulla, invece l'H2S e la CO2 - a 40 °C e pressione atmosferica - si sciolgono fino a 2,1 g/kg di H2O e 1 g/kg di H2O, rispettivamente. Sotto l'irraggiamento dei Led, e con i gas disciolti nel medio di coltura, i batteri producono le sostanze di cui necessitano per vivere e crescere mediante la fotosintesi. Il residuo di quest'ultima sono microscopici cristalli di S, che i C. limicola evacuano attraverso le loro membrane cellulari. Poiché lo S è più pesante dell'acqua, i microcristalli si recuperano facilmente per decantazione.
Questa possibilità costituisce un ulteriore vantaggio della tecnologia sviluppata dall'Enea rispetto al sistema aerobico in uso: lo S non precipita all'interno del digestore, con tutti i problemi derivanti, bensì viene recuperato in una forma agronomicamente utile, perché l'utilizzo dello S come fungicida è più efficiente quanto più piccoli solo i cristalli applicati sulle foglie e inoltre lo S è un importante componente dei fertilizzanti (si veda la pagina della Associazione produttori italiani di zolfo).
La Foto 2 mostra lo schema costruttivo del sistema di desolforazione brevettato dall'Enea. Dalle prove realizzate con biogas proveniente da un impianto di digestione, avente una concentrazione media di 400 ppm (parti per milione) di H2S, si è riscontrato che il fotobioreattore a spirale è più efficiente rispetto ad altri sistemi riportati nella letteratura scientifica. In alcune delle condizioni di operazione testate, la quantità di H2S in uscita era inferiore al limite rilevabile dallo strumento, quindi virtualmente nulla (Foto 3).
Foto 2: Schema del sistema di desolforazione con fotobioreattore spirale
(Fonte: A novel photobioreactor system for hydrogen sulphide biogas clean-up, De Luca et al., Int. J. Oil, Gas and Coal Technology, Vol. 14, Nos. 1/2, 2017)
Foto 3: Le prestazioni del fotobioreattore misurate in laboratorio
(Fonte: A novel photobioreactor system for hydrogen sulphide biogas clean-up, De Luca et al., Int. J. Oil, Gas and Coal Technology, Vol. 14, Nos. 1/2, 2017)
Legenda: IN = concentrazione di SH2 in ingresso (ppm); OUT = idem in uscita; LED% = efficienza di utilizzo del sistema LED; Flow = portata di biogas (ml/min).
Ulteriori prove effettuate con biogas sintetico con una concentrazione di H2S pari a 2000 ppm hanno dimostrato che il sistema, opportunamente calibrato, risulta parimenti efficace.
I lettori interessati ad avere maggiori informazioni, possono contattare direttamente la capogruppo, dottoressa Elena De Luca elena.deluca@enea.it.
Un gruppo di ricerca dell'Enea, composto dai dottori Elena De Luca, Claudio Felici, Andrea Aliboni e Giulio Izzo, ha sviluppato e messo a punto un nuovo tipo di fotobioreattore a spirale, nel quale una coltura di C. limicola, illuminata adeguatamente, sfrutta la luce per trarre nutrimento dalla CO2 e dall'acido solfidrico (H2S) contenuti nel biogas, rendendo possibile il suo utilizzo diretto in un motore endotermico, o la sua ulteriore purificazione a biometano.
La desolforazione del biogas
La formazione di H2S è un processo biologico indesiderato, ma inevitabile in qualsiasi digestore anaerobico, perché tutte le biomasse contengono zolfo organico in maggiore o minore proporzione. Essa è particolarmente problematica negli impianti che funzionano con liquami suini e pollina, sostanze ricche di zolfo organico per l'alimentazione proteica che richiedono gli animali.Sono tre i motivi per minimizzare il contenuto di H2S nel biogas:
- l'H2S è tossico per le Archaea metanigene, e molto solubile in acqua, per cui una concentrazione elevata di tale gas nel digerente tende ad inibire il processo di digestione, riducendo la produttività dell'impianto;
- l'H2S è molto corrosivo, per cui i motori endotermici ed altre apparecchiature che utilizzano il biogas possono tollerare concentrazioni molto piccole, tipicamente nell'intervallo 500-1.200 mg/Nm3 di biogas;
- la combustione di biogas contenente H2S produce acido solforico (H2SO4) che corrode i camini e le strutture metalliche adiacenti ad essi, e soprattutto aggredisce il catalizzatore dei tubi di scappamento dei motori a biogas, riducendone la sua efficacia ed aumentando i costi di manutenzione, oltre ad avere ricadute negative sull'ambiente.
Di conseguenza, tutti gli impianti di biogas, senza eccezione, hanno sempre qualche sistema di desolforazione. Alcuni impianti utilizzano sali di ferro aggiunti alle biomasse di alimentazione (si veda, dello stesso autore, Prodotti chimici "speciali" per gli impianti di biogas: l'idrossido ferrico). Altri impianti - perlopiù quelli di trattamento di rifiuti e fanghi - utilizzano unità di desolforazione esterne al digestore.
Nel mondo agricolo italiano, la maggior parte degli impianti ricorre alla desolforazione aerobica, chiamata anche "desolforazione biologica in situ". Tale tecnica - considerata la più efficiente dai costruttori tedeschi che dominano il nostro mercato - in realtà risolve un problema e ne crea due. Il processo consiste nell'insufflare piccole quantità di aria nello spazio di testa dei digestori. I Thiobacillus, batteri presenti in tutte le biomasse, sono in grado di utilizzare l'ossigeno e l'H2S, precipitando zolfo puro (S). Come ormai consueto nel nostro mercato, tale soluzione è la migliore... per il costruttore dell'impianto, perché richiede solo una ventola per soffiare una piccola quantità di aria nel gasometro.
La Foto di apertura dell'articolo mostra eloquentemente il problema che ciò comporta per il titolare dell'impianto: incrostazioni di S sulle pareti e strutture interne del digestore, che in alcuni casi arrivano a bloccare le valvole di manovra e ad intasare i tubi.
Il secondo problema della desolforazione aerobica, marginale per gli impianti di cogenerazione ma fastidioso per gli impianti di upgrading a biometano, è che per ogni metro cubo di ossigeno necessario per la desolforazione, la ventola introduce nel biogas altri 3,5 m3 di azoto, gas neutro che abbassa però il tenore complessivo di CH4 nel biogas.
Il brevetto dell'Enea
Il sistema sviluppato dai ricercatori italiani consente di superare tutti i problemi della desolforazione aerobica. Consiste in una spirale di tubo trasparente, illuminata da speciali Led che emettono luce nella banda dei 750 nm, cioè invisibile all'occhio umano perché nell'infrarosso vicino (Foto 1).Foto 1: Lo spettro elettromagnetico. La lunghezza d'onda di 750 nm si posiziona immediatamente sotto il rosso visibile, riceve il nome di "infrarosso vicino".
(Immagine di pubblico dominio, Fonte: Wikimedia)
Il metabolismo del C. limicola è particolarmente efficiente quando illuminato con tale lunghezza d'onda, e i Led sono energeticamente più efficienti rispetto alle tradizionali lampade ad infrarosso. Il biogas grezzo viene fatto gorgogliare nella soluzione di coltura contenente i batteri. La solubilità del CH4 in acqua è pressoché nulla, invece l'H2S e la CO2 - a 40 °C e pressione atmosferica - si sciolgono fino a 2,1 g/kg di H2O e 1 g/kg di H2O, rispettivamente. Sotto l'irraggiamento dei Led, e con i gas disciolti nel medio di coltura, i batteri producono le sostanze di cui necessitano per vivere e crescere mediante la fotosintesi. Il residuo di quest'ultima sono microscopici cristalli di S, che i C. limicola evacuano attraverso le loro membrane cellulari. Poiché lo S è più pesante dell'acqua, i microcristalli si recuperano facilmente per decantazione.
Questa possibilità costituisce un ulteriore vantaggio della tecnologia sviluppata dall'Enea rispetto al sistema aerobico in uso: lo S non precipita all'interno del digestore, con tutti i problemi derivanti, bensì viene recuperato in una forma agronomicamente utile, perché l'utilizzo dello S come fungicida è più efficiente quanto più piccoli solo i cristalli applicati sulle foglie e inoltre lo S è un importante componente dei fertilizzanti (si veda la pagina della Associazione produttori italiani di zolfo).
La Foto 2 mostra lo schema costruttivo del sistema di desolforazione brevettato dall'Enea. Dalle prove realizzate con biogas proveniente da un impianto di digestione, avente una concentrazione media di 400 ppm (parti per milione) di H2S, si è riscontrato che il fotobioreattore a spirale è più efficiente rispetto ad altri sistemi riportati nella letteratura scientifica. In alcune delle condizioni di operazione testate, la quantità di H2S in uscita era inferiore al limite rilevabile dallo strumento, quindi virtualmente nulla (Foto 3).
Foto 2: Schema del sistema di desolforazione con fotobioreattore spirale
(Fonte: A novel photobioreactor system for hydrogen sulphide biogas clean-up, De Luca et al., Int. J. Oil, Gas and Coal Technology, Vol. 14, Nos. 1/2, 2017)
Foto 3: Le prestazioni del fotobioreattore misurate in laboratorio
(Fonte: A novel photobioreactor system for hydrogen sulphide biogas clean-up, De Luca et al., Int. J. Oil, Gas and Coal Technology, Vol. 14, Nos. 1/2, 2017)
Legenda: IN = concentrazione di SH2 in ingresso (ppm); OUT = idem in uscita; LED% = efficienza di utilizzo del sistema LED; Flow = portata di biogas (ml/min).
Ulteriori prove effettuate con biogas sintetico con una concentrazione di H2S pari a 2000 ppm hanno dimostrato che il sistema, opportunamente calibrato, risulta parimenti efficace.
Conclusione
Il sistema di desolforazione fotosintetica del biogas descritto in questo articolo è stato testato a livello di laboratorio, brevettato, e si conoscono già i parametri operativi ottimali, per cui è possibile progettare un prototipo a scala reale. Rispetto alla desolforazione aerobica, l'utilizzo dei Chlorobium limicola, abbinati a lampade Led da 750 nm in un fotobioreattore a configurazione spirale, presenta una serie di vantaggi:- recupero dello S come microcristalli, utilizzabili per il trattamento contro l'oidio o come fertilizzante;
- stabilità di funzionamento;
- non abbassa il tenore di metano nel biogas perché non introduce O2 e né N2. Al contrario del sistema di desolforazione aerobico, nella desolforazione fotosintetica una quota proporzionale di CO2 viene catturata dai batteri assieme allo H2S;
- lo S precipita fuori dal digestore, per cui si evitano le incrostazioni nei tubi, valvole e strutture interne.
I lettori interessati ad avere maggiori informazioni, possono contattare direttamente la capogruppo, dottoressa Elena De Luca elena.deluca@enea.it.
