Upgrading biologico ex-situ del biogas : prove e modelli per l'avviamento e la gestione del reattore

Fossil fuels currently represent one of the most relevant causes of climate change, as well as being a source of several pollutants harmful to human health and the environment. In the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2018 Special Report it is reported that human activities could cause temperature to rise by 1.5 °C between 2030 and 2052 if global warming keeps growing at present rates. Since the need for a change in the type of energy carriers employed is perceived to be of paramount importance in the global energy landscape, biological upgrading embodies an interesting option, coupling the biogas purification with the conversion of CO2 to more CH4, according to the catabolic reaction catalysed by hydrogenotrophic microorganisms, that belong to the Archaea domain: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O ΔG0 = −130.7 kJ/mol. This process guarantees the production of biomethane starting from biogas and hydrogen, usually generated by electrolysis, which in turn uses electricity originating from renewables, in a way that ensures the sustainability of the whole system. The activities carried out in the context of this master’s thesis work concern the ex-situ biological upgrading pilot plant REM2, which is part of the project PerFORM WATER 2030. In particular, the objectives of this study were focused on the characterization of the reactor by the elaboration and implementation of two models, one useful for estimating the kLa of the aeration system and the dissolved hydrogen concentration, the other, named Thermodynamic Electron Equivalents Model, for characterizing the bacterial metabolism in terms of metabolic reaction, growth yield coefficient and nutrients consumptions. Moreover, the system’s energy balance was set up in order to check its thermal regime according to different hypothetical future process conditions. Finally, analysis have been conducted to define the mixing times of the reactor and the performance of the aeration system. Main results achieved by the application of the TEEM are the stoichiometry of the hydrogenotrophic metabolic reaction, the value of the growth yield coefficient (0.029 gVSS/gCOD,H2) and the definition of a new growth medium useful for sustaining the hydrogenotrophic archaea activity. The sensitivity analysis carried out on the kLa and H2 concentration model made it possible to define the most influential parameters, beyond highlighting the limits of the method. Lastly, the thermal balance achievements deal with the equilibrium temperature of the system as a function of the extension of the reactor insulated surface, HRT, inlet liquid temperature and incoming H2 flowrate. Main outlooks and future research suggestions concern the validation of the models, the analysis of biomass composition effects on TEEM results, the assessment of the new medium eligibility towards the biomass considered and the expansion of the energy balance to the whole pilot plant REM2.

I combustibili fossili rappresentano attualmente una delle principali cause del riscaldamento globale, oltre a essere una fonte di numerosi agenti inquinanti dannosi per la salute umana e l’ambiente. Nello Special Report del 2018 elaborato dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) si riporta che le attività umane potrebbero causare un innalzamento della temperatura di 1.5 °C tra il 2030 e il 2052 se il riscaldamento globale dovesse proseguire alle velocità attuali. In un panorama energetico che vede allora sempre più urgente la necessità di un cambio di rotta per quanto riguarda la tipologia dei vettori energetici utilizzati, l’upgrading biologico del biogas incarna un’opzione interessante, unendo alla purificazione del biogas la conversione della CO2 a ulteriore CH4, secondo la reazione catabolica catalizzata da microorganismi idrogenotrofi appartenenti al dominio degli Archaea: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O ΔG0 = −130.7 kJ/mol. Tale processo garantisce la produzione di biometano a partire da biogas e idrogeno, tipicamente generato tramite elettrolisi, che sfrutta a sua volta l’elettricità prodotta da fonti rinnovabili, assicurando così la sostenibilità dell’intero sistema. Le attività svolte nell’ambito del presente elaborato di tesi magistrale hanno riguardato l’impianto di upgrading biologico ex-situ a scala pilota REM2, facente parte del progetto PerFORM WATER 2030. Nel dettaglio, gli obiettivi dello studio si sono concentrati sulla caratterizzazione del reattore tramite l’elaborazione e l’implementazione di due modelli, uno utile alla stima della kLa del sistema di aerazione e della concentrazione di idrogeno disciolto, l’altro, denominato Thermodynamic Electron Equivalents Model, alla caratterizzazione del metabolismo batterico in termini di reazione metabolica, coefficiente di resa cellulare e consumi di nutrienti. Inoltre, è stato impostato il bilancio energetico del sistema, per verificarne il regime termico al variare delle ipotetiche condizioni di processo future. Infine, sono state condotte delle prove sperimentali al fine di definire le tempistiche di miscelazione del reattore e le prestazioni del sistema di aerazione. I principali risultati conseguiti dall’applicazione del TEEM riguardano la stechiometria della reazione metabolica idrogenotrofa, il valore del coefficiente di resa cellulare (0.029 gSSV/gCOD,H2) e la definizione di un nuovo medium di crescita utile a sostenere l’attività degli archaea idrogenotrofi. L’analisi di sensitività condotta sul modello per la kLa e la concentrazione di H2 ha reso possibile la determinazione dei parametri più influenti, oltre a evidenziare i limiti del metodo. In ultimo, i risultati del bilancio termico riguardano la temperatura di equilibrio del sistema in funzione dell’estensione della superficie coibentata del reattore, dell’HRT, della temperatura del liquido influente e della portata di H2 in ingresso. Le principali prospettive e suggerimenti per ricerche future potranno contemplare la validazione dei modelli, l’analisi della composizione della biomassa sui risultati del TEEM, la verifica dell’idoneità del nuovo medium nei confronti della biomassa considerata e l’estensione del bilancio di energia all’impianto pilota REM2 nel suo complesso.