LA2.1.15 – Sviluppo di processi elettrochimici per la produzione di biocombustibili liquidi come carrier dell’idrogeno

Attività

L’elettrofermentazione (EF) è una tecnologia che integra la fermentazione microbica con la modulazione elettrochimica del processo (e.g., variare le condizioni redox del mezzo di reazione), con l’obiettivo di orientare la conversione dei substrati organici verso prodotti di interesse, come il bioetanolo. Tale approccio offre prospettive per la valorizzazione di matrici organiche di scarto e sottoprodotti nell’ambito della bioraffineria. Il bioetanolo ottenuto può essere impiegato come biocombustibile liquido o come carrier dell’idrogeno.

Nelle sperimentazioni considerate, il processo viene studiato in reattori bioelettrochimici a camera singola, in una configurazione a tre elettrodi: un elettrodo di lavoro, un controelettrodo e un elettrodo di riferimento. In funzione delle condizioni elettrochimiche operative imposte mediante un potenziostato, l’elettrodo di lavoro può svolgere la funzione di accettore o donatore di elettroni, modulando direttamente o indirettamente le condizioni redox del sistema e, di conseguenza, il metabolismo della comunità microbica. Questa interazione può modificare il profilo dei prodotti di fermentazione e la frazione di substrato convertita in etanolo.

L’attività di ricerca valuta l’effetto del potenziale applicato e dei materiali elettrodici sulla produzione di bioetanolo da glucosio e glicerolo, utilizzando rispettivamente colture microbiche miste acclimatate e consorzi selezionati. Il confronto con sistemi a circuito aperto e fermentazioni convenzionali senza elettrodi consente di individuare le condizioni più favorevoli alla produzione di etanolo, in vista della applicazione a substrati organici di scarto

Figura 1

Schema del reattore di elettrofermentazione a camera singola e tre elettrodi, utilizzato nelle sperimentazioni con glucosio o glicerolo e i rispettivi inoculi microbici, per la produzione di etanolo

Risultati

I Produzione di bioetanolo da glucosio

Le prove hanno utilizzato reattori a camera singola, inoculati con una coltura microbica mista acclimatata su glucosio. Sono state confrontate le configurazioni grafite–grafite (G–G) e grafite–nichel (G–Ni), applicando potenziali di +0,30 (Figura 2) e +0,40 V vs SHE (Figura 3), con prove a circuito aperto e controlli senza elettrodi (AF).

Figura 2

Resa di conversione del substrato inizialmente fornito in prodotti di fermentazione nella sperimentazione di elettrofermentazione anodica con potenziale applicato di +0,3 V vs SHE

Figura 3

Resa di conversione del substrato inizialmente fornito in prodotti di fermentazione nella sperimentazione di elettrofermentazione anodica con potenziale applicato di +0,4 V vs SHE

• A +0,30 V, la configurazione G–Ni raggiunge, entro 48 ore, rese complessive comparabili al controllo, senza migliorare la resa in etanolo.
• A +0,40 V, G–Ni mostra una maggiore conversione in prodotti rispetto a G–G, associata soprattutto alla formazione di acidi organici.
• In entrambe le condizioni, la resa in etanolo rimane inferiore al controllo senza elettrodi.

Con la stessa coltura microbica e le configurazioni G–G e G–Ni, sono state condotte prove catodiche a −0,40 (Figura 4) e −0,60 V vs SHE (Figura 5), per valutare se condizioni più riducenti favorissero la produzione di etanolo.

Figura 4

Resa di conversione del substrato inizialmente fornito in prodotti di fermentazione nella sperimentazione di elettrofermentazione catodica con potenziale applicato di -0,4 V vs SHE

Figura 6

Resa di conversione del substrato in prodotti di fermentazione, espressa come frazione del COD iniziale recuperata nei singoli metaboliti (COD normalizzato), nelle sperimentazione a circuito aperto e controlli senza elettrodi

Figura 7

Resa di conversione del substrato in prodotti di fermentazione, espressa come frazione del COD iniziale recuperata nei singoli metaboliti (COD normalizzato), nella sperimentazione di elettrofermentazione anodica con potenziale applicato di +0,1 V vs Ag/AgCl e -0,1 V vs Ag/AgCl.

• Nelle prove a circuito aperto (OCP), la quota recuperata come etanolo è inferiore e quella come 1,3-propandiolo maggiore rispetto ai controlli senza elettrodi, soprattutto in CF–Ni. Ciò suggerisce che la presenza e il materiale degli elettrodi influenzino i prodotti della fermentazione anche senza applicare un potenziale.
• A +0,10 V vs Ag/AgCl, entrambe le configurazioni mostrano maggiore formazione di acetato e uno spostamento verso l’etanolo rispetto al 1,3-propandiolo, confrontate con le prove a circuito aperto (OCP).
• A −0,10 V vs Ag/AgCl, la produzione di etanolo è favorita soprattutto in CF–Ni, restando inferiore al controllo senza elettrodi.
• In CF–Ni a +0,10 V, il maggiore glicerolo residuo suggerisce una conversione più lenta.

Nel complesso, il potenziale applicato influenza la conversione del glicerolo e la distribuzione dei prodotti.

Figura 8

Foto del set-up delle prove di elettrofermentazione in scala di laboratorio allestite utilizzando glicerolo (A); potenziostato utilizzato durante le sperimentazioni (B)

Figura 9

Foto degli elettrodi utilizzati nelle prove di elettrofermentazione con glicerolo, configurazione CF-CF (C), configurazione CF-Ni (D).

In collaborazione con:

Sapienza Università di Roma (Dipartimento di Chimica, Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente)

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