Fermentazione oscura: idrogeno da rifiuti organici – rese e limiti

La fermentazione oscura è un processo anaerobico in cui i batteri degradano gli zuccheri della biomassa o dei rifiuti organici in idrogeno, anidride carbonica e acidi organici, senza intervento della luce. A differenza della classica digestione anaerobica (fermentazione metanigena), il processo si arresta alla fase di acidogenesi: si formano acidi volatili (acetico, butirrico), mentre il metano non si produce perché i metanogeni sono inibiti. Teoricamente da 1 mole di glucosio si possono ottenere al massimo 4 moli di H₂ (via dell’acetato), ma in pratica le rese sono inferiori di diverse volte, per cui la tecnologia rimane in fase di ricerca e di sperimentazione pilota.

Chimica del processo

Due vie metaboliche principali:

• Via dell’acetato: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂ (max. 4 moli di H₂/mole di glucosio).
• Via del butirrato: C₆H₁₂O₆ → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ (2 moli di H₂/mole di glucosio).

Nelle colture miste reali si forma un insieme di prodotti (acetato, butirrato, etanolo, lattato) e la resa di idrogeno rientra di norma nell’intervallo di 1–2,5 moli di H₂ per mole di esosio. La formazione di propionato o lattato riduce ulteriormente la resa.

Microrganismi

Della produzione di idrogeno sono responsabili soprattutto i batteri del genere Clostridium (capaci di formare spore) e gli enterobatteri (ad es. Enterobacter). Nelle colture miste di fango si applica un pretrattamento dell’inoculo, ad es. un breve riscaldamento o l’abbassamento del pH, per eliminare i metanogeni e i batteri che consumano idrogeno, lasciando i batteri sporigeni.

Parametri di processo

È fondamentale mantenere bassa la pressione parziale dell’idrogeno; un eccesso di H₂ in soluzione sposta il metabolismo verso gli acidi e inibisce la produzione di idrogeno. Una miscelazione intensa o il lavaggio con gas inerte migliora la resa, ma complica la depurazione.

Sottoprodotti

La fermentazione oscura sfrutta solo una parte dell’energia del substrato. Il residuo – acidi grassi e alcoli – contiene la maggior parte dell’energia e deve essere valorizzato: in un secondo stadio di digestione anaerobica (sistema a due stadi), nella fotofermentazione o nelle celle di elettrolisi microbica. Per questo motivo il processo viene raramente considerato da solo; hanno più senso i sistemi ibridi.

Esempio di calcolo

Ipotesi: il siero di latte di un caseificio contiene 45 g/l di lattosio (disaccaride, circa 342 g/mol); per semplificare si assume che, dopo l’idrolisi, dia 2 moli di esosio per mole di lattosio. Per 1 m³ di siero: 45 kg di lattosio, cioè 45.000 g / 342 g/mol ≈ 131,6 moli, ovvero circa 263 moli di esosio. Con una resa di 1,5 moli di H₂/mole di esosio: ≈ 395 moli di H₂ ≈ 0,79 kg di H₂ ≈ 8,9 m³ di H₂ (condizioni normali, 22,4 l/mol). L’energia di questo idrogeno (LHV 33,3 kWh/kg) è di circa 26 kWh per m³ di siero. A titolo di confronto, lo stesso siero in digestione anaerobica darebbe un’energia molte volte superiore sotto forma di metano, perché sfrutta l’intera sostanza organica. Il calcolo illustra perché la fermentazione oscura è di solito il primo stadio e non l’intero processo.

Maturità tecnologica

I processi di fermentazione oscura sono stati collaudati in laboratorio e in impianti pilota di varie dimensioni. Le principali barriere sono: rese basse, instabilità delle colture miste, costi di depurazione della miscela di gas (H₂/CO₂ e talvolta H₂S in tracce) ed economia in concorrenza con l’elettrolisi e il reforming. Pertanto va considerata una tecnologia in fase di sviluppo e non una soluzione commerciale pronta.

Dove ha senso

• negli stabilimenti di trasformazione alimentare con flussi omogenei di zuccheri (siero di latte, vinacce, melassa);
• come elemento della digestione a due stadi H₂+CH₄ (il cosiddetto biohythane), in cui il primo stadio migliora l’idrolisi;
• nei progetti di ricerca sulle bioraffinerie, in cui gli acidi sono la materia prima per ulteriori prodotti.

Depurazione del biogas idrogenato

Il gas della fermentazione oscura contiene di norma il 30–60% di H₂ (il resto è costituito soprattutto da CO₂), con una miscela di acido solfidrico (H₂S) e vapore acqueo. La separazione dell’idrogeno di qualità da combustibile richiede adsorbimento (PSA), membrane o scrubber, mentre la compressione e lo stoccaggio dell’idrogeno assorbono ulteriore energia. Questa parte della filiera viene talvolta trascurata nelle pubblicazioni che si concentrano sulla resa del reattore, ma nell’analisi economica può essere importante quanto il bioreattore stesso.

Conclusioni

La fermentazione oscura è una direzione interessante, che consente di sfruttare i rifiuti ricchi di carboidrati per produrre idrogeno senza intervento della luce (l’impianto richiede tuttavia energia ausiliaria), ma la resa limitata e la necessità di valorizzare gli acidi ne fanno per ora una tecnologia di ricerca e un elemento dei sistemi ibridi.