Optimization of biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors at pilot and demo scale

Abstract

El biogás, principal subproducto de la digestión anaerobia de residuos sólidos o fangos del tratamiento de aguas residuales, constituye una fuente de bioenergía con alto potencial para reducir parcialmente el actual consumo de combustibles fósiles. A pesar de este potencial, su aprovechamiento como sustituto renovable del gas natural aún presenta importantes limitaciones, entre ellas la presencia de contaminantes como CO2 y H2S. Una disminución en el contenido de CO2 del biogás resultará en un aumento del contenido energético de éste, una disminución de los costes de transporte, así como en menores emisiones de gases de efecto invernadero (GEIs) asociadas a su combustión. Del mismo modo, la eliminación del H2S es decisiva al ser altamente corrosivo, tóxico y generar molestias por malos olores. El mercado de tecnologías de limpieza (upgrading) de biogás para su conversión a biometano está dominado en la actualidad por tecnologías físico-químicas, que presentan tanto altos costes de operación e inversión como impactos ambientales negativos. Además, no existe todavía en el mercado ninguna tecnología capaz de eliminar simultáneamente el CO2 y H2S del biogás. En este contexto, la intensificación de la simbiosis entre microalgas y bacterias heterótrofas/quimioautótrofas en fotobiorreactores representa una plataforma tecnológica muy novedosa para la eliminación simultánea de CO2 y H2S del biogás. En estos sistemas, las microalgas usan la energía proveniente de la luz solar para fijar el CO2 del biogás vía fotosíntesis, con la consiguiente generación de oxígeno. Este oxígeno generado in-situ será empleado por bacterias quimioautótrofas para la oxidación de H2S a sulfato. Esta tecnología permite además una recuperación de nutrientes de aguas residuales o centrados en forma de biomasa que podría utilizarse como biofertilizante, mejorando así la sostenibilidad ambiental y económica del proceso. Sin embargo, esta tecnología aún requiere una mayor optimización para superar las limitaciones técnicas (por ejemplo, transferencia de masa de CO2 limitada, baja eficiencia de sedimentación para la separación de biomasa) y el escalado del proceso es necesario para mejorar su aceptación por el sector industrial e impulsar su implementación generalizada a gran escala. Por tanto, esta tesis tiene como objetivo evaluar sistemáticamente la influencia de parámetros ambientales y operativos en el rendimiento del upgrading fotosintético de biogás, y desarrollar un sistema de control para optimizar la operatividad del proceso a escala piloto y semi-industrial antes de su exitosa implementación a escala industrial.