Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe

Il riscaldamento globale è una delle questioni ambientali più importanti che il mondo deve affrontare oggi¹. Gli studi suggeriscono che la causa principale è l’aumento delle emissioni di gas serra (GHG), principalmente CO₂, nell’atmosfera a causa delle attività umane ^2,3,4,5,6,7. Negli Stati Uniti, la più grande densità di emissioni di CO₂ proviene principalmente dalla combustione di combustibili fossili nel settore energetico, in particolare dagli impianti di generazione di energia elettrica ^3,7,8,9. Pertanto, le tecnologie di cattura e utilizzo del carbonio (CCU) sono emerse come una delle principali strategie per ridurre le emissioni di gas serra ^2,7,10. Questi includono sistemi biologici che utilizzano la luce solare per convertire CO₂ e acqua tramite fotosintesi, in presenza di sostanze nutritive, in biomassa. L’uso di microalghe è stato proposto a causa del rapido tasso di crescita, dell’elevata capacità di fissazione della CO₂ e dell’elevata capacità produttiva. Inoltre, le microalghe hanno un ampio potenziale di bioenergia perché la biomassa può essere convertita in prodotti di interesse, come i biocarburanti che possono sostituire i combustibili fossili 7,9,10,11,12.

Le microalghe possono crescere e ottenere la conversione biologica in una varietà di sistemi di coltivazione o reattori, tra cui stagni di pista aperti e fotobioreattori chiusi 13,14,15,16,17,18,19. I ricercatori hanno studiato i vantaggi e i limiti che determinano il successo del bioprocesso in entrambi i sistemi di coltivazione, in condizioni interne o esterne 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Gli stagni aperti sono i sistemi di coltivazione più comuni per la cattura e l’utilizzo del carbonio in situazioni in cui i gas di combustione possono essere distribuiti direttamente dal camino. Questo tipo di sistema di coltivazione è relativamente economico, è facile da scalare, ha bassi costi energetici e ha bassi requisiti energetici per la miscelazione. Inoltre, questi sistemi possono essere facilmente collocati in co-posizione con la centrale elettrica per rendere più efficiente il processo CCU. Tuttavia, ci sono alcuni inconvenienti che devono essere considerati, come la limitazione nel trasferimento di massa di gas / liquido CO₂. Sebbene ci siano dei limiti, gli stagni aperti sono stati proposti come il sistema più adatto per la produzione di biocarburanti microalgali all’aperto 5,9,11,16,20.

In questo articolo, descriviamo in dettaglio un metodo per la coltivazione di microalghe in stagni di pista aperti che combina la cattura del carbonio dai gas di scarico di una centrale elettrica a gas naturale. Il metodo consiste in un sistema semi-automatizzato che controlla l’iniezione di fumi in base al pH di coltura; il sistema monitora e registra lo stato della coltura di Chlorella sorokiniana in tempo reale utilizzando la densità ottica, l’ossigeno disciolto (DO), l’elettroconduttività (EC) e i sensori di temperatura dell’aria e dello stagno. I dati sulla biomassa algale e sull’iniezione di gas di combustione vengono raccolti da un data logger ogni 10 minuti presso l’impianto di Tucson Electric Power. La manutenzione del ceppo di alghe, lo scale-up, le misurazioni del controllo di qualità e la caratterizzazione della biomassa (ad esempio, correlazione tra densità ottica, g / L e contenuto lipidico) vengono eseguite in un ambiente di laboratorio presso l’Università dell’Arizona. Un protocollo precedente ha delineato un metodo per ottimizzare le impostazioni dei gas di combustione per promuovere la crescita delle microalghe nei fotobioreattori tramite simulazione al computer²⁶. Il protocollo qui presentato è unico in quanto utilizza stagni di pista aperti ed è progettato per essere implementato in loco in una centrale elettrica a gas naturale al fine di utilizzare direttamente il gas di scarico prodotto. Inoltre, le misurazioni della densità ottica in tempo reale fanno parte del protocollo. Il sistema come descritto è ottimizzato per un clima semiarido caldo (Köppen BSh), che presenta basse precipitazioni, significativa variabilità delle precipitazioni di anno in anno, bassa umidità relativa, alti tassi di evaporazione, cieli limpidi e intensa radiazione solare²⁷.