Biogasreinigung durch den Einsatz eines Mikroalgen-Bakterien-Systems in semi-industriellen Hochstrom-Algenteichen

In den letzten Jahren sind mehrere Technologien entstanden, um Biogas zu Biomethan zu reinigen, seine Verwendung als nicht-fossiler Brennstoff zu fördern und so die unvermeidbaren Methanemissionen zu verringern¹. Luftverschmutzung ist ein Problem, das den größten Teil der Weltbevölkerung betrifft, insbesondere in städtischen Gebieten. Schließlich atmen rund 92 % der Weltbevölkerung verschmutzte Luft^{ein 2}. In Lateinamerika werden die Luftverschmutzungsraten hauptsächlich durch die Verwendung von Brennstoffen verursacht, wobei im Jahr 2014 48 % der Luftverschmutzung durch den Sektor der Strom- und Wärmeerzeugung verursacht wurden³.

In den letzten zehn Jahren wurden immer mehr Studien über den Zusammenhang zwischen Schadstoffen in der Luft und dem Anstieg der Sterblichkeitsraten vorgeschlagen, wobei argumentiert wurde, dass es eine starke Korrelation zwischen beiden Datensätzen gibt, insbesondere bei Kindern.

Um ein Fortbestehen der Luftverschmutzung zu vermeiden, wurden mehrere Strategien vorgeschlagen. Eine davon ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, einschließlich Windkraftanlagen und Photovoltaikzellen, die die Freisetzung von CO₂ in die Atmosphäre verringern ^4,5. Eine weitere erneuerbare Energiequelle ist Biogas, ein Nebenprodukt der anaeroben Vergärung organischer Stoffe, das zusammen mit einem flüssigen organischen Gärrest entsteht⁶. Dieses Gas besteht aus einem Gemisch von Gasen, deren Anteile von der Quelle der organischen Substanz abhängen, die für die anaerobe Vergärung verwendet wird (Klärschlamm, Rindermist oder agroindustrielle Bioabfälle). Im Allgemeinen sind diese Anteile 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), Kohlenwasserstoffe (0-200 mg/m³) und Siloxane (0-41 mg/m³)^7,8,9, wobei die wissenschaftliche Gemeinschaft an dem Methangas interessiert ist, da es die erneuerbare Energiekomponente des Gemisches ist.

Biogas kann jedoch nicht einfach so verbrannt werden, wie es gewonnen wird, da die Nebenprodukte der Reaktion schädlich und verunreinigend sein können. Dies erhöht die Notwendigkeit, das Gemisch zu behandeln und zu reinigen, um den Methananteil zu erhöhen und den Rest zu verringern, wodurch es im Wesentlichen in Biomethan umgewandelt wird¹⁰. Dieser Vorgang wird auch als Upgrade bezeichnet. Auch wenn es derzeit kommerzielle Technologien für diese Behandlung gibt, haben diese Technologien mehrere wirtschaftliche und ökologische Nachteile 11,12,13. Zum Beispiel weisen Systeme mit Aktivkohle- und Wasserwäsche (ACF-WS), Druckwasserwäsche (PWS), Gaspermeation (GPHR) und Druckwechseladsorption (PSA) einige wirtschaftliche oder andere Nachteile der Umweltauswirkungen auf. Eine praktikable Alternative (Abbildung 1) ist der Einsatz biologischer Systeme, wie sie Mikroalgen und in Photobioreaktoren gezüchtete Bakterien kombinieren. Zu den Vorteilen gehören die Einfachheit des Designs und der Bedienung, die niedrigen Betriebskosten sowie der umweltfreundliche Betrieb und die Nebenprodukte 10,13,14. Wenn Biogas zu Biomethan gereinigt wird, kann letzteres als Ersatz für Erdgas verwendet werden, und die Gärreste können als Nährstoffquelle eingesetzt werden, um das Wachstum von Mikroalgen im System zu unterstützen¹⁰.

Eine Methode, die bei diesem Aufbereitungsverfahren weit verbreitet ist, ist das Wachstum von Mikroalgen in offenen Laufbahn-Photoreaktoren in Verbindung mit einer Absorptionssäule aufgrund der geringeren Betriebskosten und^{des minimalen} Investitionskapitals 6. Der am häufigsten verwendete Typ von Raceway-Reaktor für diese Anwendung ist der High-Rate Alg Pond (HRAP), bei dem es sich um einen flachen Laufbahnteich handelt, in dem die Zirkulation der Algenbrühe über ein Schaufelrad mit geringer Leistung¹⁴ erfolgt. Diese Reaktoren benötigen große Flächen für ihre Installation und sind sehr anfällig für Kontaminationen, wenn sie unter Außenbedingungen eingesetzt werden. Bei Biogasreinigungsprozessen wird empfohlen, alkalische Bedingungen (pH > 9,5) und die Verwendung von Algenarten zu verwenden, die bei höheren pH-Werten gedeihen, um die Entfernung von CO₂ und H₂S zu verbessern und gleichzeitig eine Kontamination zu vermeiden^15,16.

Diese Forschung zielte darauf ab, die Effizienz der Biogasaufbereitung und die Endproduktion von Biomethan unter Verwendung von HRAP-Photobioreaktoren in Verbindung mit einem Absorptions-Desorptions-Säulensystem und einem Mikroalgenkonsortium zu bestimmen.