Continuous Hydrogen Production from Syngas via the Biological Water-Gas Shift Reaction in a Trickle Bed Reactor: Effect of Nutrient Management, Inhibitors, and Hydraulic Retention Time

L'idrogeno è un combustibile pulito che può alimentare di tutto, dalle fabbriche alle automobili, ma produrlo oggi richiede solitamente la combustione di combustibili fossili, il che vanifica lo scopo stesso del suo utilizzo per combattere il cambiamento climatico. Gli scienziati stanno cercando modi per produrre questo vettore energetico da rifiuti e fonti rinnovabili. Un metodo promettente consiste nel prendere una miscela di gas chiamata syngas, ricco di monossido di carbonio, e utilizzare minuscoli organismi viventi per trasformarlo. Questi microbi agiscono come fabbriche biologiche, "mangiando" il monossido di carbonio e rilasciando idrogeno gassoso come sottoprodotto. Questo processo, noto come reazione biologica di spostamento del gas d'acqua (water-gas shift), offre un modo per trasformare i gas di scarto industriali in energia pulita senza la necessità di calore estremo o prodotti chimici costosi. Tuttavia, mantenere queste fabbriche microbiche in funzione in modo fluido e continuo è difficile, poiché i prodotti di scarto che creano possono alla fine avvelenare gli stessi organismi che svolgono il lavoro.

Ricercatori dell'Università di Borås e del RISE Research Institutes of Sweden si sono posti l'obiettivo di risolvere questo problema costruendo un reattore specializzato, progettato per mantenere i microbi felici e produttivi nel lungo periodo. Hanno utilizzato una comunità naturale di microbi prelevata da scarti alimentari, piuttosto che una singola specie selezionata con cura, sperando che questo gruppo diversificato fosse più resistente e adattabile. Il team ha riempito una colonna verticale con pezzi di spugna in polietilene, creando una superficie su cui i microbi potessero aggrapparsi, e poi ha fatto sgocciolare un liquido ricco di nutrienti sopra di essi mentre spingeva il syngas dal basso verso l'alto. Questa configurazione ha permesso al gas e al liquido di incontrarsi da vicino, dando ai microbi la migliore possibilità di consumare il monossido di carbonio e "sputare" fuori idrogeno. L'obiettivo era vedere se riuscivano a mantenere questo processo in corso continuamente per mesi senza che il sistema si interrompesse a causa dell'accumulo di sottoprodotti tossici.

L'esperimento è iniziato con una fase di avvio in cui il team ha aggiunto nutrienti concentrati al sistema ogni settimana per dare il via all'attività microbica. Inizialmente, i microbi hanno lavorato bene, convertendo quasi tutto il monossido di carbonio in idrogeno. Tuttavia, con il passare delle settimane, il sistema ha iniziato a faticare. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta ripetuta di nutrienti concentrati ha causato l'accumulo di determinati metalli in tracce, come il rame, a livelli migliaia di volte superiori a quelli previsti. Allo stesso tempo, i microbi hanno iniziato a produrre grandi quantità di acidi grassi volatili, un tipo di acido organico che può essere dannoso in alte concentrazioni. Man mano che questi acidi si accumulavano, la conversione del monossido di carbonio diminuiva significativamente e la produzione di idrogeno diventava instabile. Il team si è reso conto che, sebbene i microbi avessero bisogno di cibo, l'eccesso di un "buon elemento" stava alterando l'equilibrio chimico del loro ambiente.

Per capire esattamente cosa stesse uccidendo il processo, i ricercatori sono passati a una seconda fase in cui hanno testato gli effetti di specifici inibitori. Hanno introdotto versioni sintetiche degli acidi grassi e dell'etanolo, un tipo di alcol, nel reattore per vedere quale fosse il vero colpevole. I risultati sono stati chiari: gli acidi grassi erano molto più dannosi dell'etanolo. Quando il team ha aggiunto alti livelli di questi acidi, la conversione del monossido di carbonio è crollata e i microbi non sono riusciti a riprendersi rapidamente nemmeno dopo la rimozione degli acidi. L'etanolo aveva un effetto molto più debole, causando solo un calo temporaneo delle prestazioni. Ciò ha confermato che l'accumulo di acidi grassi era la ragione principale del fallimento del sistema e che la semplice sostituzione periodica del liquido non era sufficiente a mantenere il reattore in salute.

Nella fase finale, il team ha cambiato strategia concentrandosi sul controllo di quanto tempo il liquido rimanesse nel reattore, un fattore noto come tempo di ritenzione idraulica. Invece di aggiungere nutrienti periodicamente, hanno impostato il sistema per lavare via continuamente il liquido, assicurando che i sottoprodotti nocivi venissero rimossi prima che potessero raggiungere livelli tossici. Hanno anche sostituito i vecchi microbi e la spugna di riempimento con materiali nuovi per partire da zero. Questo approccio ha funzionato molto bene. Controllando il flusso del liquido, il team ha mantenuto un ambiente stabile in cui gli acidi grassi non si accumulavano mai a livelli pericolosi. Il reattore ha raggiunto un tasso di conversione perfetto, trasformando il cento per cento del monossido di carbonio in entrata in idrogeno per dodici giorni consecutivi. A una specifica velocità di flusso di dodici millilitri al minuto, il sistema ha prodotto idrogeno a un ritmo di 3,2 litri per litro di volume del reattore al giorno, con una resa di 0,66 moli di idrogeno per ogni mole di monossido di carbonio consumata.

I ricercatori hanno anche spinto il sistema ai suoi limiti per scoprire quanto gas potesse gestire. Hanno aumentato gradualmente il flusso di syngas, osservando attentamente quando i microbi non sarebbero più stati in grado di tenere il passo. Il reattore è rimasto stabile e ha mantenuto la conversione completa fino a una velocità di flusso di 26 millilitri al minuto. Una volta spinti a 28 millilitri al minuto, il sistema non è più stato in grado di convertire tutto il monossido di carbonio e l'eccesso di gas ha iniziato ad uscire dal reattore non elaborato. Questo ha identificato un chiaro confine operativo per questa specifica configurazione. Durante l'intero esperimento, non è stato rilevato metano, confermando che il processo produceva esclusivamente idrogeno e non stava deviando verso altri tipi di produzione di gas.

Osservando il mondo microscopico all'interno del reattore, i ricercatori hanno scoperto che la comunità di microbi cambiava drasticamente a seconda di come il reattore veniva gestito. Nelle fasi iniziali, il sistema era dominato da un gruppo di batteri, ma man mano che le condizioni cambiavano verso l'ambiente stabile e controllato dal flusso della fase finale, un gruppo diverso ha preso il sopravvento. I nuovi batteri dominanti erano specie di Stenotrophomonas e Pseudomonas, che erano rare nella miscela originale. Sebbene il team non sia riuscito a individuare esattamente quali microbi specifici stessero svolgendo il lavoro pesante della conversione del gas, lo spostamento nella comunità suggerisce che le condizioni del reattore stessero selezionando i lavoratori più efficienti. Lo studio conclude che la gestione del flusso del liquido per prevenire l'accumulo di sottoprodotti tossici è la chiave per far funzionare questa tecnologia in modo continuo. Sebbene il sistema non sia ancora una realtà commerciale, questa prova di concetto dimostra che l'uso di microbi derivati da scarti in un reattore semplice e non sterile è una via percorribile per produrre idrogeno pulito da gas di scarto industriali.