Purificazione del biogas attraverso l'uso di un sistema microalga-batterico in stagni semi-industriali ad alta velocità

Negli ultimi anni sono emerse diverse tecnologie per purificare il biogas in biometano, promuovendone l’utilizzo come combustibile non fossile, mitigando così le emissioni inutilizzabili^di metano 1. L’inquinamento atmosferico è un problema che colpisce la maggior parte della popolazione mondiale, in particolare nelle aree urbanizzate; In definitiva, circa il 92% della popolazione mondiale respira aria inquinata². In America Latina, i tassi di inquinamento atmosferico sono principalmente creati dall’uso di combustibili, per cui nel 2014 il 48% dell’inquinamento atmosferico è stato causato dal settore della produzione di elettricità e calore³.

Nell’ultimo decennio sono stati proposti sempre più studi sulla relazione tra gli inquinanti presenti nell’aria e l’aumento dei tassi di mortalità, sostenendo che esiste una forte correlazione tra i due set di dati, in particolare nelle popolazioni infantili.

Per evitare il protrarsi dell’inquinamento atmosferico, sono state proposte diverse strategie; uno di questi è l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili, tra cui turbine eoliche e celle fotovoltaiche, che diminuiscono il rilascio di CO₂ nell’atmosfera ^4,5. Un’altra fonte di energia rinnovabile proviene dal biogas, un sottoprodotto della digestione anaerobica della materia organica, prodotto insieme a un digestato organico liquido⁶. Questo gas è composto da una miscela di gas e le loro proporzioni dipendono dalla fonte di materia organica utilizzata per la digestione anaerobica (fanghi di depurazione, letame bovino o rifiuti organici agroindustriali). Generalmente, queste proporzioni sono CH₄ (53%-70%vol), CO₂ (30%-47%vol), N₂ (0%-3%vol), H₂O (5%-10%vol), O₂ (0%-1%vol), H₂S (0-10.000 ppmv), NH₃ (0-100 ppmv), idrocarburi (0-200 mg/m³) e silossani (0-41 mg/m^{3) 7,8,9}, dove la comunità scientifica è interessata al gas metano in quanto questa è la componente energetica rinnovabile della miscela.

Tuttavia, il biogas non può essere semplicemente bruciato come ottenuto perché i sottoprodotti della reazione possono essere dannosi e contaminanti; Questo fa sorgere la necessità di trattare e purificare la miscela per aumentare la percentuale di metano e diminuire il resto, convertendolo essenzialmente in biometano¹⁰. Questo processo è noto anche come aggiornamento. Anche se, attualmente, esistono tecnologie commerciali per questo trattamento, queste tecnologie presentano diversi inconvenienti economici e ambientali 11,12,13. Ad esempio, i sistemi con lavaggio a carbone attivo e acqua (ACF-WS), lavaggio con acqua a pressione (PWS), permeazione di gas (GPHR) e adsorbimento a pressione oscillante (PSA) presentano alcuni inconvenienti economici o di altro tipo di impatto ambientale. Una valida alternativa (Figura 1) è l’utilizzo di sistemi biologici come quelli che combinano microalghe e batteri coltivati in fotobioreattori; Alcuni vantaggi includono la semplicità di progettazione e funzionamento, i bassi costi operativi e le sue operazioni e sottoprodotti rispettosi dell’ambiente 10,13,14. Quando il biogas viene purificato in biometano, quest’ultimo può essere utilizzato come sostituto del gas naturale e il digestato può essere implementato come fonte di nutrienti per supportare la crescita delle microalghe nel sistema¹⁰.

Un metodo ampiamente utilizzato in questa procedura di upgrading è la crescita di microalghe in fotoreattori a circuito aperto accoppiati a una colonna di assorbimento a causa dei minori costi operativi e del capitale di investimento minimo necessario⁶. Il tipo di reattore a pista più utilizzato per questa applicazione è lo stagno algale ad alta velocità (HRAP), che è un laghetto a canalizzazione poco profondo in cui la circolazione del brodo algale avviene tramite una ruota a pale a bassa potenza¹⁴. Questi reattori necessitano di grandi aree per la loro installazione e sono molto suscettibili alla contaminazione se utilizzati in condizioni esterne; nei processi di purificazione del biogas, si consiglia di utilizzare condizioni alcaline (pH > 9,5) e l’uso di specie algali che prosperano a livelli di pH più elevati per migliorare la rimozione di CO₂ e H₂S evitando la contaminazione^15,16.

Questa ricerca mirava a determinare le efficienze del trattamento del biogas e la produzione finale di biometano utilizzando fotobioreattori HRAP accoppiati con un sistema di colonne di assorbimento-desorbimento e un consorzio di microalghe.