Il fulcro del processo biologico è il batterio Thermoanaerobacter kivui (T. kivui). Vive in Africa centrale, nelle profondità del lago Kivu, lontano dalla luce e dall'ossigeno. Di natura dispone di uno speciale enzima che gli permette di convertire l'idrogeno (H2) e l'anidride carbonica (CO2) in acido formico (CH2O2) e viceversa.
Questa proprietà è stata studiata dal team guidato dal Prof. Volker Müller, direttore del dipartimento di "Microbiologia Molecolare e Bioenergetica" dell'Università Goethe di Francoforte, con cui Festo collabora strettamente al progetto.
Immagazzinamento efficiente
Lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno rimangono una sfida ancora oggi. I metodi comuni comprimono l'idrogeno a una pressione elevata, lo liquefanno a temperature estremamente basse o lo convertono chimicamente. Tutti questi processi sono complicati e richiedono un'elevata intensità energetica.
Grazie all'ausilio del batterio T. kivui, è possibile convertire l'idrogeno a temperature di circa 65 °C e a una bassa pressione di 1,5 bar in acido formico, che può essere immagazzinato e trasportato con uno sforzo relativamente ridotto.
Pur essendo un processo biologico, questa reazione avviene rapidamente perché non è legata alla crescita cellulare. I batteri vengono invece utilizzati come catalizzatori: non si esauriscono e il processo può essere ripetuto a piacimento con sufficienti fasi di rigenerazione, secondo un ciclo.
"A temperatura ambiente la crescita del batterio T. kivui si arresta. In tali condizioni, le cellule possono essere conservate per diversi anni e riattivate in qualsiasi momento. Ciò consentirebbe anche un impiego flessibile su richiesta."
Adrian Eilingsfeld, Bionic Projects presso Festo
Automazione di processi complessi
Ciò che finora era possibile soltanto in laboratorio, adesso può essere realizzato in un ambiente industriale con la BionicHydrogenBattery. Molti prodotti della gamma Festo sono utilizzati per automatizzare i processi biotecnologici altamente complessi.
In totale sono installati 117 diversi tipi di prodotti Festo (corrispondenti a 1.089 pezzi). Ad esempio, la nuova unità di valvole VTUX modulare in combinazione con il sistema di automazione CPX-E controlla numerose valvole con un ingombro ridotto. Il trasporto fluido della soluzione di biomassa viscosa all'interno e all'esterno dei bioreattori è garantito dalle valvole per fluidi VYKC del nostro assortimento Lifetech. La portata attraverso i filtri viene regolata con le valvole di bloccaggio VZQA. Per dosare con precisione i più piccoli volumi di liquido nei nostri reattori, i motori passo-passo EMMS-ST funzionano in combinazione con teste di pompaggio sotto fora di pompe peristaltiche. Un sensore di colore SOEC rileva anche le più piccole quantità di idrogeno in combinazione con le superparticelle.
Processi sicuri
I batteri di T. kivui sono anaerobi, vale a dire prosperano esclusivamente in assenza di ossigeno. In caso di perdite nel sistema, i batteri muoiono immediatamente e non rappresentano quindi un rischio per l'uomo. Allo stesso tempo, l'assenza di ossigeno impedisce all'idrogeno di formare una miscela infiammabile. Inoltre, in ogni momento il sistema ne contiene solo quantità molto ridotte.
Dall'idrogeno all'acido formico e viceversa
Nel corso di milioni di anni di evoluzione, i batteri hanno ottimizzato i loro processi metabolici. Noi possiamo sfruttare le loro capacità combinandole con la tecnologia. Con la BionicHydrogenBattery stiamo replicando il processo biologico su piccola scala, che ora possiamo scalare secondo le necessità grazie alla nostra tecnica dell'automazione.
- 1: Moltiplicazione di batteri T. kivui in condizioni ottimizzate in un bioreattore.
- 2: L'idrogeno viene prodotto dall'acqua mediante elettrolisi.
- 3: I batteri convertono CO2 e idrogeno in acido formico.
- 4: L'acido viene estratto e versato in un contenitore.
- 5: Trasporto sicuro dell'acido formico al luogo di riconversione.
- 6: Gli stessi batteri decompongono l'acido formico nei suoi componenti idrogeno e CO2.
- 7: L'idrogeno viene riconvertito in energia elettrica in una cella a combustibile.
Soluzioni sostenibili per il futuro
Biologizzazione significa che non ci limitiamo più a imparare dalla natura, ma lavoriamo insieme ad essa. In questo modo, rendiamo possibili innovazioni ecologiche e soluzioni sostenibili per il mondo di domani e contribuiamo al miglioramento della qualità della vita delle generazioni presenti e future.
Lo stoccaggio dell'idrogeno con l'ausilio dei batteri, efficiente dal punto di vista energetico e a basso rischio, offre un grande potenziale. Ci permette di produrre e immagazzinare idrogeno nel momento in cui è disponibile una quantità sufficiente di energia generata in modo sostenibile, ad esempio in estate o nei paesi ventosi e soleggiati, e di recuperarlo quando è necessario per la produzione energetica.
"Combinando i batteri con la tecnologia, possiamo sfruttare le loro capacità. Ciò significa che non ci limitiamo più a imparare dalla natura, ma lavoriamo insieme ad essa."
Sebastian Schrof, Bionic Projects presso Festo