Produrre bioidrogeno da scarti di legno: batteri e microalghe nel progetto pilota in Germania

La regione della Foresta Nera, in Germania, ospita un gran numero di aziende di lavorazione del legno, tra cui molti produttori di mobili. Grandi quantità di rifiuti di legno vengono prodotte durante la lavorazione dei mobili, lo smaltimento dei pallet e la demolizione degli edifici. Finora, questi rifiuti sono stati smaltiti in impianti di incenerimento. Poiché il legno vecchio contiene spesso conservanti per legno che sono stati a lungo vietati a causa dei loro effetti nocivi sulla salute umana, anche i gas di scarico del processo di incenerimento devono essere puliti a caro prezzo. Ciò ha motivato i ricercatori del Fraunhofer a cercare usi alternativi per i rifiuti di legno regionali. L’idea era che il legno di scarto e il legno vecchio potessero essere utilizzati per produrre idrogeno rigenerativo e che il bioidrogeno potesse essere prodotto dai rifiuti utilizzando processi biotecnologici, perfettamente in linea con un’economia circolare basata sul legno. Il trucco è che i ricercatori utilizzano lo zucchero del legno per produrre idrogeno utilizzando batteri. La CO₂ risultante viene quindi utilizzata per coltivare microalghe che possono anche produrre idrogeno.

Oltre al Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB e al Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA, anche l’Università di Stoccarda, con il suo Institute of Industrial Manufacturing and Management IFF, e il Campus Schwarzwald sono coinvolti nell’implementazione del progetto H2Wood — BlackForest, avviato nel 2021. Il Ministero federale tedesco dell’istruzione e della ricerca (BMBF) finanzia il progetto con 12 milioni di euro.

Il processo di produzione del bioidrogeno inizia con la pre-lavorazione di legno vecchio e di scarto. Innanzitutto, gli scarti di legno, come pallet o vecchie recinzioni da giardino, vengono scomposti nei loro componenti di base. Per fare ciò, i ricercatori fanno bollire il legno sotto pressione fino a 200°C in una miscela di etanolo e acqua. La lignina, così come gli adesivi, i solventi e le vernici degli scarti di legno, si dissolvono nell’etanolo, separando i contaminanti chimici dalle fibre del legno. Nella fase successiva, la frazione di fibre di legno che rimane dopo l’ebollizione, la cellulosa e parte dell’emicellulosa vengono scomposte in singole molecole di zucchero (glucosio e xilosio), che servono da cibo o substrato per i microrganismi produttori di idrogeno.

“Separare il legno nelle sue frazioni è un processo che richiede esperienza. È qui che attingiamo ai molti anni di competenza che abbiamo acquisito nella costruzione della nostra bioraffineria di lignocellulosa a Leuna“, afferma la Dott.ssa Ursula Schliessmann, vicedirettrice dell’istituto presso il Fraunhofer IGB di Stoccarda, responsabile del coordinamento del progetto e dello sviluppo tecnologico.

Per convertire lo zucchero prodotto in idrogeno, i ricercatori del Fraunhofer IGB hanno stabilito due processi di fermentazione interconnessi utilizzando batteri e microalghe che producono idrogeno.

Sottoprodotti a base di carbonio prodotti oltre all’idrogeno

Il pretrattamento produce sottoprodotti come la lignina e la conversione biotecnologica del legno rilascia idrogeno e CO₂. Quest’ultima viene poi convertita in sottoprodotti come amido e carotenoidi durante la produzione di microalghe. Schliessmann spiega il processo a cascata: “quando il legno viene frazionato, le fibre del legno vengono liberate dalla lignina, che, oltre alla cellulosa e all’emicellulosa, costituisce dal 20 al 30% della sostanza della parete cellulare del legno. Come uno dei sottoprodotti, questa lignina ha molti usi, ad esempio nei materiali compositi. Un esempio del suo utilizzo è nei pannelli delle auto“. Mentre le lunghe molecole a catena di zucchero della cellulosa vengono utilizzate per produrre glucosio, che viene aggiunto al fermentatore con i batteri e funge da fonte di carbonio per la crescita batterica. I batteri producono quindi idrogeno e CO₂.

I ricercatori separano la CO₂ dalla miscela di gas e la trasferiscono al reattore di alghe, un fotobioreattore. Le microalghe sono in grado di utilizzare la CO₂ come fonte di carbonio e di moltiplicarsi. A differenza dei batteri, non necessitano di zucchero. “I prodotti metabolici dei batteri, ovvero il flusso apparente di CO₂, sono cibo per le microalghe e quindi non entrano nello scarico come gas serra nocivi. Le microalghe li usano per sintetizzare carotenoidi o pigmenti sotto l’influenza della luce come ulteriori sottoprodotti che possono essere utilizzati da vari settori industriali“. In una seconda fase, le microalghe vengono trasferite in un reattore appositamente progettato dove rilasciano idrogeno tramite fotolisi diretta.

Processo biotecnologico con un’elevata resa di idrogeno

I partner del progetto si aspettano un’elevata resa: inizialmente, da un chilogrammo di legno vecchio si possono produrre circa 0,2 chilogrammi di glucosio. “Possiamo quindi produrre 50 litri di H₂ con questo utilizzando microrganismi anaerobici”, afferma Schliessmann. Durante la fermentazione con batteri anaerobici, la CO₂ viene prodotta in parti uguali, ovvero il 50%. Una volta separato l’idrogeno dalla miscela di gas, circa due chilogrammi di CO₂ nel fotobioreattore possono produrre un chilogrammo di biomassa di microalghe. Questa biomassa ha un contenuto di amido fino al 50%. Contiene anche il pigmento luteina. La biomassa di alghe sottoprodotto potrebbe, ad esempio, essere utilizzata per componenti in plastica con l’aiuto di batteri.

L’impianto pilota espandibile modularmente con tre bioreattori è attualmente in costruzione. La bioraffineria dovrebbe entrare in funzione nel Campus Schwarzwald all’inizio del 2025. In futuro, sarà possibile combinare diverse fasi di processo in modo modulare, un prerequisito ideale per testare nuove tecnologie.

Roadmap dell’idrogeno per la regione della Foresta Nera

In questo progetto, Fraunhofer IPA, insieme all’Institute of Industrial Manufacturing and Management IFF, sta conducendo uno studio per determinare come soddisfare la domanda locale di idrogeno verde nei settori industriale, dei trasporti, domestico ed edile e quali quantità di legno di scarto e legno vecchio sono disponibili per la sua produzione. Come risultato di questa roadmap dell’idrogeno, sono state formulate raccomandazioni per lo sviluppo dell’economia dell’idrogeno nella regione della Foresta Nera. Le misure proposte includono la promozione della ricerca e dello sviluppo, l’espansione dell’infrastruttura regionale dell’idrogeno e il rafforzamento dell’integrazione dei sistemi energetici al fine di stabilire l’idrogeno come parte integrante della transizione energetica.

“Lo studio dimostra che la regione della Foresta Nera ha un potenziale significativo per produrre idrogeno da risorse locali, ma questo potenziale può essere sfruttato appieno solo sviluppando ulteriormente le tecnologie ed espandendo l’infrastruttura”, afferma Vladimir Jelschow, ricercatore scientifico presso Fraunhofer IPA e uno degli autori della road map dell’idrogeno.