From hydrogen to biomethane in a membrane biofilm reactor: start-up and preliminary results

The urgent need to address climate change has catalyzed an imperative for immediate action, both in the present and the foreseeable future. The widespread reliance on fossil fuels within economic and industrial frameworks serves as the primary driver of global warming, necessitating a transition towards renewable energy sources and sustainable fuel alternatives. Within this imperative, ex situ CO2 biomethanation has emerged as a promising avenue for biomethane production, leveraging H2 as an electron source. The focus of the present study is the design, inoculation, and start-up of a membrane biofilm reactor for hydrogenotrophic methanation by archaeal biofilms cultivated on membrane surfaces. The inoculation phase demonstrated remarkable efficiency, with the biofilm colonizing membrane fibers within one week and maintaining visible stability throughout subsequent experiments. The experimentation proceeded by testing successive operational changes, particularly focusing on variations in inlet flow rates, stoichiometric ratio between H2 and CO2, and CO2 gas-liquid transfer mechanisms. However, comparing these experimental phases proved challenging due to time constraints hindering the attainment of methanation equilibrium across all phases and to the difficulty in discerning the individual effects of multiple operational changes. The experimental phase that yielded the best results was the third one. At an inlet total flow rate of 12.5 mL/min, with a feeding ratio of H2/CO2 set at 4, and a membrane surface to reactor volume ratio of 8 m2·m−3, the maximum methane yield obtained was 0.18 LN,CH4/LN,H2,in. The methane production per reactor volume reached up to 0.2 m3 N,CH4 ·m−3 reactor·d−1, with a methane content of the produced gas at 50% (v/v). The most satisfying result, however, pertains to the efficacy of hydrogen transfer, which provides an indication of the system’s gas-liquid mass transfer capacity. This remained consistently above 80%, reaching a peak of 92% during phase three. These results highlight that the concept of membrane-bound biofilms enhances mass transfer by delivering substrate gases directly to the biofilm, mitigating the bottleneck associated with the low solubility of hydrogen in water.

L’urgenza nel fronteggiare il cambiamento climatico ha innescato un imperativo per un’azione immediata, sia nel presente che nel prossimo futuro. La diffusa dipendenza dai combustibili fossili nel contesto economico e industriale si configura come il principale motore del riscaldamento globale, spingendo ad una transizione verso fonti di energia rinnovabile e alternative di combustibile sostenibile. In questo scenario, la biometanazione ex situ della CO2 si è delineata come una via promettente per la produzione di biometano, sfruttando l’H2 come fonte di elettroni. L’obiettivo del presente studio è la progettazione, l’inoculazione e l’avvio di un reattore a membrana per la coltivazione di un biofilm di archaea impiegati nella metanazione idrogenotrofa. La fase di inoculazione ha dimostrato un’efficienza notevole, il biofilm ha colonizzato le fibre della membrana in una settimana e si è mantenuto stabile durante le successive fasi sperimentali. La sperimentazione è proseguita testando successivi cambiamenti operativi, concentrando l’attenzione sulla variazione dei flussi in ingresso, sul rapporto stechiometrico tra H2 e CO2 e sui meccanismi di trasferimento gas-liquido della CO2. Tuttavia, confrontare queste fasi sperimentali si è rivelato impegnativo a causa dei vincoli di tempo che hanno ostacolato il raggiungimento di un equilibrio della biometanazione in tutte le fasi e per la difficoltà nel discernere gli effetti individuali dei molteplici cambiamenti operativi. La fase sperimentale che ha prodotto i migliori risultati è stata la terza. Con un flusso totale in ingresso di 12.5 mL/min, un rapporto di alimentazione H2/CO2 fissato a 4 e un rapporto superficie membrana/volume del reattore di 8 m2·m−3, è stato ottenuto il massimo rendimento di conversione a metano, pari a 0.18 LN,CH4/LN,H2,in. La produzione di metano per volume di reattore ha raggiunto un valore pari a 0.20 m3 N,CH4 ·m−3 reactor·d−1, con un contenuto di metano nel gas prodotto del 50% (v/v). Il risultato più soddisfacente, tuttavia, riguarda l’efficacia del trasferimento dell’idrogeno, che fornisce un’indicazione della capacità di trasferimento di massa gas-liquido del sistema. Questo è rimasto costantemente superiore all’80%, raggiungendo un picco del 92% durante la terza fase. Questi risultati evidenziano che la crescita del biofilm migliora il trasferimento di massa, attenuando il collo di bottiglia associato alla bassa solubilità dell’idrogeno in acqua.