Valutazioni cinetiche sulle prove di attività specifica metanogenica idrogenotrofa

One of the main aspects in fighting climate change is the shift away from fossil fuels in favor of renewable energy sources. This is where Power To Gas (P2G) technology comes in, in which excess electricity generated from renewable sources is used to carry out electrolysis of water into H2 and O2, and the H2 produced can be used to biologically convert the CO2 content of biogas into biomethane. Biological upgrading of biogas to biomethane represents a promising technology, as it enables the conversion of CO2 present in the biogas to CH4, thus providing the biogas with the characteristics of biomethane. This recently developed technology exploits the metabolic reaction of hydrogenotrophic methanogenesis, mediated by hydrogenotrophic methanogenic Archaea, to achieve the reduction of CO2 to CH4 and simultaneous oxidation of H2 to H2O. This thesis focuses on three topics: monitoring of an ex-situ biological upgrading plant at the pilot scale, execution of experimental measurements of hydrogenotrophic specific activity (SHMA), and kinetic interpolation of the results of the SHMA tests. The target is to further investigate the kinetic aspects of the process and the main issue encountered in the pilot operation and execution of the SHMA tests, namely the gas-liquid mass transfer of H2. In fact, this was confirmed to be the most penalizing aspect for the efficiency of the whole process, as confirmed by the data gathered from monitoring the pilot reactor. As for the SHMA tests, it is inferred that, in the presence of more favorable operating parameters for H2 gas-liquid mass transfer, the variability of results is greater than in tests with unfavorable conditions, which remain stable through the experimental phases. Finally, kinetic interpolation of the SHMA tests showed that both the zero and first-order kinetic models are suitable for the interpolation of data, with a prevalence of the zero order for trials with high SHMA and of first order for those with low SHMA. This confirms that when the test conditions promote higher H2 gas-liquid mass transfer, absence of limitation by dissolved H2 concentration can be assumed. Furthermore, the statistical methods AIC and BIC, which allow the evaluation of the model that best fits the experimental data, indicate that for each test one of the two models fits better than the other. However, from a convenience point of view, both models are equivalent for most of the tests.

Uno degli aspetti principali della lotta al cambiamento climatico è rappresentato dall’abbandono dei combustibili fossili in favore di fonti di energia rinnovabili. In questo contesto si inserisce la tecnologia Power To Gas (P2G), in cui l'elettricità prodotta da fonti rinnovabili in eccesso viene usata per effettuare elettrolisi dell'acqua in H2 e O2, e l'H2 prodotto può essere usato per convertire biologicamente il contenuto di CO2 del biogas in biometano. L’upgrading biologico del biogas a biometano rappresenta una promettente tecnologia, in quanto consente di convertire la CO2 presente nel biogas in CH4, fornendo così al biogas le caratteristiche del biometano. Questa tecnologia, di recente sviluppo, sfrutta la reazione metabolica di metanogenesi idrogenotrofica, mediata dagli Archaea metanigeni idrogenotrofici, per ottenere la riduzione della CO2 a CH4 e contestuale ossidazione dell’H2 a H2O. Gli aspetti che sono oggetto di questo elaborato di tesi sono la prosecuzione del monitoraggio di un impianto di upgrading biologico ex-situ alla scala pilota, la concomitante esecuzione di misure sperimentali di attività specifica idrogenotrofa (SHMA), e infine l’interpolazione cinetica dei risultati delle prove di SHMA, al fine di approfondire gli aspetti cinetici del processo e la problematica principale riscontrata nella gestione del pilota e nell’esecuzione delle prove di SHMA, ovvero il trasferimento di massa gas-liquido dell’H2. Infatti, questo si è confermato essere l’aspetto più penalizzante per l’efficienza dell’intero processo, come confermano i dati ottenuti dal monitoraggio del reattore pilota. Per quanto riguarda le prove di SHMA, si evince che, in presenza di parametri operativi più favorevoli al trasferimento di massa gas-liquido dell’H2, la variabilità dei risultati è maggiore rispetto alle prove con condizioni sfavorevoli, che si mantengono stabili tra le varie fasi di sperimentazione. Infine, dall’interpolazione cinetica delle prove di SHMA è emerso che i modelli cinetici di ordine zero e uno sono idonei alla rappresentazione del fenomeno, con una prevalenza del modello zero per le prove con elevata SHMA e di ordine uno per quelle con bassa SHMA. Ciò conferma il fatto che, quando le condizioni della prova favoriscono maggiormente il trasferimento di massa gas-liquido dell’H2, si può ipotizzare assenza di limitazione da parte della concentrazione di H2 disciolto. Inoltre, i metodi statistici AIC e BIC, che consentono la valutazione del modello che più si adatta ai dati sperimentali, indicano che per ciascuna prova uno dei due modelli risulta migliore rispetto all’altro, ma che da un punto di vista di convenienza della stima entrambi sono equivalenti per la maggior parte delle prove.