Biohythane: digestione a due stadi che produce idrogeno e metano da un unico substrato

Il biohythane è una miscela di gas della digestione a due stadi, contenente sia idrogeno sia metano. Nel primo reattore, mantenuto a basso pH (di solito circa 5–6,5) e con breve tempo di ritenzione, i batteri producono idrogeno, CO₂ e acidi organici; nel secondo reattore gli archei metanigeni trasformano gli acidi in metano. Il recupero energetico complessivo dal substrato può essere superiore a quello della digestione a stadio singolo, e un gas con maggiore contenuto di idrogeno ha proprietà di combustione favorevoli. In pratica il sistema resta in fase di ricerca e di progetti pilota, con la difficoltà di trovare un mercato per un gas di composizione variabile.

Perché due stadi

Nella digestione anaerobica convenzionale idrolisi, acidogenesi e metanogenesi avvengono in un unico digestore, il che richiede un compromesso delle condizioni (pH circa neutro, temperatura). La separazione delle fasi permette di mantenere parametri ottimali per ciascun gruppo di microrganismi:

• stadio 1: pH 5–6,5, tempo di ritenzione da alcune a qualche decina di ore, colture acidogene e produttrici di idrogeno;
• stadio 2: pH 7–8, tempo di ritenzione da giorni a settimane, colture metanigene.

Grazie a ciò il primo stadio può accelerare la degradazione dei substrati facilmente assimilabili, e il secondo sfrutta gli acidi del primo, il che migliora la stabilità del processo (minor rischio di acidificazione).

Composizione del gas

Il gas del primo stadio contiene in genere 30–60% di H₂ in miscela con CO₂; il gas del secondo stadio è un tipico biogas con 55–65% di CH₄. La miscelazione di questi flussi o il loro uso separato dà un biohythane con contenuto di idrogeno dipendente dalle proporzioni. In letteratura sull'«hythane» si parla di miscele di una quindicina–venti punti percentuali di idrogeno nel metano, impiegate nei motori per ridurre le emissioni; nel caso del biohythane il contenuto di idrogeno è talvolta inferiore e variabile.

Bilancio energetico (esempio)

Ipotesi: 1 t di rifiuti di frutta e verdura con un contenuto di 100 kg di solidi volatili (SV) e BMP di 400 NmL CH₄/g SV nella digestione a stadio singolo dà 40 m³ di CH₄ (400 mL/g × 100.000 g = 40.000 L). Energia: 40 × 9,97 ≈ 399 kWh. Nel sistema a due stadi una parte degli SV (ad es. 30%) va a idrogeno e acidi; ipotizziamo una resa di idrogeno di 1,5 mol per mol di esosio per la frazione zuccherina (assumiamo che 30 kg di SV siano zuccheri): 30.000 g / 180 g/mol ≈ 167 mol di esosio → 250 mol di H₂ ≈ 5,6 m³ di H₂ ≈ 16,8 kWh. Il metano del secondo stadio sfrutterà gli acidi rimanenti e il resto del substrato, quindi l'energia totale dipende dal bilanciamento. In letteratura i risultati per i sistemi a due stadi indicano un recupero di energia superiore di alcuni–una quindicina di punti percentuali rispetto a quelli a stadio singolo, ma molto dipende dal substrato. L'esempio illustra la scala, non una previsione.

Vantaggi

1. Maggiore recupero di energia per substrati facilmente assimilabili (rifiuti alimentari, siero di latte).
2. Migliore controllo degli acidi volatili, minor rischio di sovraccarico.
3. Possibilità di separare l'idrogeno come prodotto o additivo per carburanti.
4. Riduzione del tempo di digestione nel secondo stadio in alcuni sistemi.

Limitazioni

1. Due reattori aumentano CAPEX e complessità.
2. Il primo stadio è sensibile alla contaminazione da parte di metanogeni e batteri consumatori di idrogeno.
3. L'idrogeno è diluito dalla CO₂, quindi la sua separazione richiede fasi aggiuntive.
4. Il mercato del biohythane è di nicchia; in pratica il gas viene spesso bruciato in un CHP o sottoposto a upgrading insieme al biogas.
5. La scarsità di impianti commerciali ostacola la valutazione dei costi.

Applicazioni

In impianti di ricerca e pilota il biohythane è stato impiegato per alimentare motori e autobus in programmi dimostrativi. In un tipico impianto di biometano il sistema a due stadi si può considerare con substrati ad alto contenuto di zuccheri facilmente degradabili, ma occorre prima verificare se il guadagno energetico copre i costi aggiuntivi.

Come valutare un progetto pilota

Un progetto pilota di digestione a due stadi dovrebbe durare abbastanza a lungo (mesi), comprendere substrati reali e variabili e misurare non solo la resa di idrogeno, ma anche la resa energetica complessiva, la stabilità del pH, il consumo di energia propria e i costi di depurazione del gas. Una buona pratica è il confronto con un sistema a stadio singolo in parallelo sullo stesso substrato. Solo un tale confronto permette di valutare se il reattore aggiuntivo convenga ed evita conclusioni basate su brevi test in condizioni di laboratorio.

Sintesi

Il biohythane è un'idea interessante per migliorare l'utilizzo dell'energia e la stabilità del processo, ma resta una tecnologia di ricerca. Nei progetti commerciali va considerato come un'opzione da testare in un progetto pilota, non come una soluzione pronta.