ES2325758B1

ES2325758B1 - Captacion de gases en fase liquida.

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Publication number: ES2325758B1
Application number: ES200800753A
Authority: ES
Inventors: Francisco Gabri Acien Fernandez; Emilio Molina Grima; Jose Maria Fernandez Sevilla; Cynthia Victori Gonzalez Lopez; Bernardo Llamas Moya; Juan Carlos Ballesteros Aparicio
Original assignee: Endesa Generacion SA
Current assignee: Endesa Generacion SA
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: EP2258463B1; WO2009112624A1; EP2258463A1; CL2009000610A1; EP2258463A4; ES2325758A1; US20110159575A1

Abstract

Captación de gases en fase líquida.

Procedimiento para capturar gases procedentes de la
combustión, que comprende poner en contacto una fase líquida con una corriente gaseosa que contiene dichos gases, donde la fase líquida contiene sales tampón de carbonato-bicarbonato en una relación aproximada de 2:1, con una concentración de carbono inorgánico total menor o igual a 25 g/L y valores de pH comprendidos entre 8 y 12. Posteriormente se recupera la fase líquida enriquecida en CO_{2}.

Description

Captación de gases en fase líquida.

La presente invención se enmarca dentro de la química, la ingeniería química y del medio ambiente. Se refiere a un proceso de captura de gases en fase líquida, y a la posterior recuperación de esta fase, acoplando el proceso a un sistema biológico.

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Estado de la técnica anterior

El aumento de la emisión de gases contaminantes, generados en su mayor parte por procesos de combustión, en especial de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), puede conllevar al sobrecalentamiento de la superficie terrestre (efecto invernadero). Esto supone un problema económico y medioambiental para los países desarrollados, pero sobretodo para aquellos países en vía de desarrollo, cuyo elevado nivel de emisiones de CO_{2} puede suponerles importantes sanciones a nivel internacional, retrasando su incorporación a los países del primer mundo.

La solución se puede abordar bien mediante el desarrollo de nuevas tecnologías menos contaminantes, o bien desarrollando sistemas y procesos capaces de captar esas emisiones gaseosas y, a ser posible, reconvertirlas. El CO_{2}, que es el principal gas causante del efecto invernadero, se encuentra implicado en el ciclo del carbono, donde el proceso de fotosíntesis actúa como sumidero natural, permitiendo la reconversión del mismo en materia orgánica, y manteniendo los niveles atmosféricos de este gas (0,03% v/v). Sin embargo, este proceso de transformación de carbono inorgánico en orgánico, que ocurre de forma natural, es muy lento.

Para la captura de CO_{2}, y otros gases como NO_{x} o SO_{x}, se han desarrollado numerosos sistemas que se pueden clasificar en sistemas de adsorción física, separación con membranas, destilación criogénica y los de absorción química.

Los procesos de adsorción física emplean materiales capaces de absorber el CO_{2}, que luego se "desorbe" mediante cambios de T ó P (pressure and temperature swing adsorption, PTSA). Entre los materiales absorbente se encuentran: carbón activo, materiales mesoporosos, zeolitas, alúminas e hidrotalcitas. Los inconvenientes son que necesita un aumento de temperatura en la fase de desorción (50-100ºC), la baja capacidad de adsorción por unidad de volumen de lecho, y que posteriormente o bien se desecha el material o se desorbe, con lo que el CO_{2} se reincorpora a la
atmósfera.

La selectividad de las membranas a los diferentes gases está relacionada con el material de las que están fabricadas (polímeros, metales, materiales cerámicos). La separación se mejora con corrientes a altas presiones. La ventaja de utilizar membranas radica en la mejora del área de transferencia de materia y eliminar los problemas asociados con el contacto gas-liquido. En esta aplicación la membrana no realiza la operación de separación sino que se hace con etanolaminas. Para evitar la destrucción o deterioro de la membrana ésta debe construirse en Politetrafluoroetileno (PTFE). El uso de esta tecnología reduce el costo de instalación y operación del proceso en un 30-40%, independientemente de las mejoras que puedan introducirse en el empleo de las etanolaminas (Herzog H., Falk-Pedersen O., 2000, The Kvaerner membrane contactor: lessons from a case study in how to reduce capture costs. Fifth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Cairns Australia: 121-5). Presentan como inconveniente que todavía no se han utilizado a la escala y condiciones, en términos de disponibilidad y coste, que se necesita para los sistemas de captura de CO_{2} (y la fase de recuperación de CO_{2}).

La destilación criogénica transcurre mediante una serie de etapas de compresión, enfriamiento y expansión, tras las cuales los componentes del gas se pueden separar en una columna de destilación. Esta tecnología se utiliza sobre todo para separar las impurezas de una corriente de CO_{2} de alta pureza. El inconveniente es que todavía no se ha utilizado a la escala y condiciones, en términos de disponibilidad y coste, que se necesita para los sistemas de captura de CO_{2} en grandes focos emisores.

La mayoría de los procesos de absorción química están basados en carbonato de potasio o en alcanolaminas. La monoetanol amina (MEA) y la dietanolamina (DEA) son álcalis más fuertes que el carbonato de potasio, por lo que reduce en mayor grado el contenido de los gases ácidos. La capacidad de de absorción es también mayor para las alcanolaminas. Se suelen utilizar aditivos para incrementar la capacidad de absorción de las soluciones de K_{2}CO_{3}, y presentan la desventaja de una menor eficacia de depuración de los gases.

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En la tabla 1 se expone un resumen de los distintos procesos de absorción química:

1

Los principales inconvenientes de los procesos de captura de CO_{2} en fase líquida con etanolaminas son que se necesita mucha energía térmica para regenerar la solución de MEA o DEA debido a su afinidad por los ácidos. También ocurre que las aminas pueden dar lugar a reacciones químicas no deseadas (especialmente la metanol amina con COS y CS_{2}), formándose productos que degradan la solución e incrementan la corrosión.

Así pues, el método más extendido actualmente es la absorción en fase acuosa enriquecida en etanolaminas. Se trata de una absorción con reacción química que permite alcanzar eficiencias de captura de CO_{2} muy superiores a las alcanzadas por absorción física, sin reacción química, en los que solo se pueden alcanzar concentraciones iguales a la solubilidad del CO_{2} en el medio considerado (10^{-5} molCO_{2}/L, 0.5 mgCO_{2}/L). Sin embargo, presenta serios inconvenientes medioambientales, puesto que es tóxico o nocivo, y no pueden regenerarse con facilidad. El proceso consiste en hacer pasar la corriente de gas a depurar por una torre de absorción regada con disoluciones de etanolaminas de forma que el CO_{2} reacciona con dichas etanolaminas y queda retenido en la disolución. La disolución con el dióxido de carbono retenido se hace pasar posteriormente por otra torre, en este caso de desorción, donde mediante el suministro de calor se desorbe el CO_{2}, que puede ser comprimido o gestionado ya como compuesto independiente. Se regenera así la disolución de etanolaminas que se recircula a la columna de absorción. Pese a los problemas de corrosión y contaminación expuestos anteriormente, este proceso ha sido aplicado a la captura del CO_{2} contenido en los gases de combustión, existen métodos comerciales basados en esta tecnología para la captura del CO_{2} contenido en los gases de combustión, y actualmente son la única alternativa tecnológica disponible (Herzog H., 2001, What future for carbón capture and sequestration? Environmental Science Technology, 35(7): 148A-53A).

Para mejorar la eficacia de los procesos basados en etanolaminas se han propuesto modificaciones mediante el empleo de otros absorbentes (dietanolaminas, mezclas de etanolaminas, aditivos, KS-1, etc.) que mejoran la capacidad de absorción de la fase líquida, y el empleo de columnas de relleno estructurado que mejoran la capacidad de transferencia reduciendo los consumos de potencia y el tamaño de los equipos (Yagi Y., Mimura T., lijima M., Yoshiyama R., Kamijo T., Yonekawa T., 2004, Improvements of carbon dioxide capture technology from flue gas. GHGT, International Conference on Greenhouse Gas Control Technology, Tokio, 2003.). A pesar de estas mejoras, el consumo de energía del proceso es superior a los 3.3 MJ/kgCO_{2} frente a los 4-5 MJ/kg CO_{2} de los procesos no optimizados (Gambini M. y Vellini M., 2000, CO_{2} emission abatement from fossil fuel power plants by exhaust gas treatment. Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference Miami Beach, Florida, July 23-26,
2000).

El proceso alternativo más utilizado es el empleo de soluciones concentradas de carbonato, principalmente de potasio, que en una primera etapa absorben el CO_{2} por reacción química, para posteriormente ser regenerados mediante aporte de calor, liberándose el CO_{2} en forma de corriente pura gaseosa. Este proceso se denomina comercialmente proceso Benfield. La solubilidad y reacción del CO_{2} en disoluciones concentradas de carbonato potásico ha sido ampliamente estudiada (Benson, H.E., Field, J.H., Jimeson, R.M., 1954. CO_{2} absorption employing hot potassium carbonate solutions. Chemical Engineering Progress 50 (7), 356–364; Tosh, J.S., Field, J.H., Benson, H.E., Haynes, W.P., 1959. Equilibrium study of the system potassium carbonate, potassium bicarbonate, carbon dioxide, and water. United States Bureau of Mines, 5484). Estos estudios indican que el carbonato potásico tiene un calor de regeneración más bajo que las etanolaminas pero su velocidad de reacción es lenta comparada con el empleo de etanolaminas. El proceso Benfield utiliza concentraciones de carbonato potásico de alrededor del 20% en peso (200 gK_{2}CO_{3}/L). El uso de altas concentraciones de carbonatos alcalinos ha sido propuesto también para la precipitación de compuestos contaminantes como óxidos de nitrógeno y azufre en gases de combustión mediante "scrubbing" (US 5100633 A). En este caso el consumo de álcali es equivalente a la cantidad de contaminantes a retirar, siendo estos obtenidos en forma de precipitado que puede ser posteriormente utilizado en la fabricación de cementos. Otra modificación basada en el empleo de carbonatos alcalinos es la utilización de disoluciones diluidas de dichas sales, de pH inicial a 8, que tras ser puestas en contacto con gases de combustión absorben CO_{2} y reducen su pH hasta valores de 4, vertiéndose la fase líquida resultante a grandes masas de agua, previa dilución si esta fuera necesaria (US 6890497 B2). En todos estos casos el carbonato reacciona de forma directa con el CO_{2} para dar bicarbonato, produciéndose importantes variaciones de pH y trabajando a elevadas concentraciones de carbonato, o bien muy bajas concentraciones para que el producto resultante pueda ser vertido al medio natural. Por otro lado, solo en el proceso Benfield se realiza una regeneración térmica de la fase acuosa, mientras que en el resto de procesos la fase acuosa no se regenera sino que se añade tanto carbonato mineral como hubiera sido consumido anteriormente o bien se vierte al medio natural sin
regeneración.

Puesto que las otras alternativas a los procesos de absorción química de CO_{2} (como la separación por membranas, el fraccionamiento criogénico o la adsorción con tamices moleculares) son menos eficientes tanto energética como económicamente (Herzog H., 1999, An introduction to CO_{2} separation and capture Technologies. Energy Laboratory Working Paper. Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) es necesario desarrollar nuevos procesos capaces de acelerar la captación de CO_{2}, y que faciliten su posterior regeneración. Se están llevando a cabo estudios a nivel mundial por diferentes grupos y organismos, analizando desde la oxicombustión, a la fijación del CO_{2} por masas forestales, a su retención en el mar o la fijación fotosintética del CO_{2}. En este sentido, los microorganismos fotosintéticos, como microalgas o cianobacterias, son únicos y muy valiosos ya que son los mayores transformadores de CO_{2} en O_{2} del planeta, con rendimientos de fijación de carbono más de cinco veces superiores a las plantaciones de maíz, además de ser la principal fuente de biomasa y uno de los grupos ecológicos más variables del mundo (Pulz O., 2001, Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms). El uso de algunos microorganismos para este fin ha sido patentado (WO 2006/120278). Sin embargo, no se especifican las concentraciones necesarias para optimizar este proceso y, como otras patentes, se basa en la inyección directa de los gases de combustión. Esto implica numerosos problemas de adaptación de los organismos y si el reactor es abierto, la posibilidad de liberación del CO_{2} (desorción del CO_{2} disuelto), reduciendo los beneficios del sistema.

Sin embargo, y de forma más o menos independiente del organismo empleado, es necesario desarrollar un proceso capaz de absorber CO_{2} en elevadas concentraciones y a una velocidad muy superior a la que ocurre de forma natural y, a su vez, susceptible de ser acoplado a un sistema biológico que permita la transformación en materia orgánica de este CO_{2} absorbido. Esto permitiría la reconversión del CO_{2}, procedente principalmente de la combustión, en materia orgánica.

Explicación de la invención

Existe la necesidad de encontrar un sistema que permita la transformación en materia orgánica del carbono procedente del CO_{2}, a una velocidad superior a la que ocurre en condiciones naturales. Los autores de la presente invención han conseguido establecer las condiciones de reacción necesarias para acoplar un proceso de captación de CO_{2} y otros gases, en fase líquida, procedentes principalmente de los procesos de combustión, con un sistema biológico que permite la transformación en materia orgánica del mismo.

Este proceso consigue captar concentraciones de CO_{2}, y otros gases, similares a otros procesos (etanolaminas, Benefield), con un menor consumo energético, sin necesidad de tratamientos a diferentes presiones y/o temperaturas, permitiendo además reconvertir estos gases procedentes de la combustión, y en particular el carbono inorgánico del CO_{2}. Lo fundamental es conseguir unos rangos de pH adecuados, compatibles con las concentraciones de carbono inorgánico, carbonato de sodio y bicarbonato necesarios para una absorción de elevadas concentraciones de CO_{2}, y compatibles con las condiciones de cultivo adecuadas de los microorganismos fotosintéticos. Implica, por tanto, dos etapas diferenciadas que son optimizadas por separado, aunque considerando el necesario acoplamiento entre
ellas.

El proceso se basa, por tanto, en la capacidad tampón de las soluciones de carbonato y bicarbonato, que permiten conciliar concentraciones de carbono inorgánico moderadamente elevadas con rangos de pH adecuados para incorporar la fase líquida a un cultivo de organismos fotosintéticos.

Por tanto, un primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento, de aquí en adelante procedimiento de la invención, para la captura de CO_{2}, así como de otros gases procedentes de la combustión como NO_{x} y SO_{x}, y que comprende:

a) poner en contacto una fase líquida con sales tampón de carbonato-bicarbonato en una relación aproximada de 2:1, cuya concentración de carbono inorgánico total menor o igual 25 g/L y un pH comprendido entre 8 y 12, con una corriente gaseosa que contiene CO_{2}.

b) regenerar la fase líquida enriquecida en CO_{2} obtenida en el paso anterior.

En una realización preferida de este aspecto de la invención, la concentración de carbono inorgánico tiene unos valores comprendidos entre 2 y 12 g/L. En otra realización más preferida de este aspecto de la invención, los valores de concentración de carbono inorgánico están comprendidos entre 3 y 8 g/l. En una realización particular la concentración de carbono inorgánico es de aproximadamente 4 g/L.

En una realización más preferida de este aspecto de la invención, los valores de pH están comprendidos entre 9 y 11. En una realización particular de la invención, los valores de pH se encuentran alrededor de 10.

Las concentraciones de pH podrían conseguirse, por ejemplo, añadiendo a la fase líquida NaHCO_{3} en unas concentraciones comprendidas entre 5 y 22 g/L y Na_{2}CO_{3} en unas concentraciones comprendidas entre 10 y 44 g/L. En una realización particular de la invención las concentraciones fueron de 11 g/L de NaHCO_{3} y 22 g/L de Na_{2}CO_{3}. En estas condiciones se puede alcanzar una eficiencia de depuración del CO_{2} del 80%, así como eficiencias de depuración para NO_{x} y SO_{x} del 50% y 95% respectivamente. La composición de la fase acuosa se puede modificar incrementando el contenido en Na_{2}CO_{3}, lo que aumenta el pH y mejora la eficacia de captura del CO_{2}, aunque tiene el inconveniente de dificultar la posterior regeneración de la fase acuosa mediante tratamiento biológico. El empleo de fases acuosas enriquecidas en carbonato-bicarbonato permite conseguir rendimientos de depuración de los gases análogos a los obtenidos mediante el uso de fases acuosas enriquecidas en etanolaminas, aunque sin los consumos energéticos necesarios para la regeneración de éstos. Así mismo, es necesario trabajar a concentraciones de carbonato y bicarbonato inferiores a la constante del producto de solubilidad de las sales precipitadas a que pudiera dar lugar con los cationes presentes en el medio.

Elevadas concentraciones de carbono inorgánico disminuirían la productividad de las algas, pero concentraciones muy bajas disminuirían la captación de CO_{2}. El pH tiene que ser superior a 8, porque sino el tampón carbonato-bicarbonato no ejercería su acción amortiguadora, y no se produciría la absorción de cantidades de CO_{2} notables, pero debe ser inferior a 12, para permitir su regeneración posterior. Los métodos clásicos de "sccrube" mantienen pH superiores a 12, lo que imposibilita su acoplamiento a sistemas biológicos de organismos fotosintéticos.

El contacto entre la fase gaseosa a depurar y la fase liquida puede hacerse por cualquier técnica habitualmente utilizada, como columnas de relleno aleatorio, ordenado o estructurado, columnas de pulverización, columnas de pisos, o columnas de burbujeo. Es preferible el uso de estas últimas ya que ofrecen los mejores rendimientos de depuración con el mínimo consumo de energía y volumen de fase líquida necesario. En este caso el tiempo de residencia recomendado de la fase acuosa es de entre 15-30 minutos. Así, una columna de burbujeo de 100 L es suficiente para depurar una corriente gaseosa de 200 L/min, capturando el 80% del CO_{2} contenido en la misma, mediante la circulación de 4 L/min de fase acuosa enriquecida en carbonato-bicarbonato. Este proceso es compatible con el uso tanto de agua dulce como de agua de mar o salobre para la preparación de la fase acuosa enriquecida en carbonato-bicarbonato, e incluso de aguas procedentes de usos agrícolas o del tratamiento secundario de aguas residuales, con lo que se obtiene una ventaja medioambiental y económica adicional.

La corriente gaseosa procede preferiblemente, aunque sin limitarse, de procesos de combustión de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural). Estos procesos de combustión proceden en su mayoría de fuentes de combustión estacionarias, como incineradores, cementeras, instalaciones de la industria metalúrgica, y particularmente de plantas generadoras de electricidad.

En general, para que la capacidad tampón sea suficiente, aumentando la captación de CO_{2} y manteniendo a la vez unos rangos adecuados de pH, la relación de carbonato:bicarbonato en la fase líquida preferiblemente es de aproximadamente 2:1. La reacción que tendría lugar se resume:

2

Esta fase de captación de CO_{2} es previa, y se realiza de forma separada, a la fase de acoplamiento al sistema biológico, lo que permite la optimización de ambos procesos obteniendo un mayor rendimiento. Sin embargo, las condiciones de ambos procesos (pH, temperatura, concentración de sales e iones,....) tienen que ser adecuadas para poder ser integrados en un solo procedimiento.

Una realización más preferida de la invención se refiere a la introducción de la fase líquida en la que se ha captado el CO_{2}, en un biorreactor donde existen microorganismos fotosintéticos capaces de transformar el C inorgánico en C orgánico.

A diferencia de los procesos existentes en el estado de la técnica de fijación de CO_{2} con microalgas o cianobacterias, en el procedimiento de la invención el CO_{2} es suministrado al reactor disuelto previamente en la fase acuosa, en las diferentes formas carbonadas solubles en agua (CO_{2}, H_{2}CO_{3}, HCO_{3}^{-}, CO_{3}^{=}), por lo que la eficiencia de transporte es del 100%. En cuanto a los organismos fotosintéticos se pueden emplear, preferiblemente pero sin limitarse a ellas, tanto cianobacterias (Bacteria; Cianobacteria) como algas verdes (Eukaryota; Viridiplantae; Chlorophyta), siendo necesario que el microorganismo a utilizar tolere valores de pH alcalinos, así como elevadas concentraciones de carbono inorgánico total. Preferiblemente se emplean cianobacterias por su menor riesgo de contaminación, capacidad de fijación de nitrógeno atmosférico, mayor tolerancia a pH y concentraciones de carbono inorgánico elevados, así como facilidad de sedimentación y cosechado. Por ejemplo, especies de Spirulina y Anabaena cumplirían con estos requisitos y dan buenos resultados.

Respecto al sistema de cultivo, se pueden utilizar tanto reactores abiertos como cerrados, aunque preferiblemente se utilizan reactores abiertos por su menor coste, o reactores planos verticales de bajo coste. Preferiblemente, empleando reactores planos verticales en materiales flexibles. La superficie necesaria del biorreactor, es función del rendimiento de la depuración biológica, el cual depende del microorganismo, diseño de reactor y condiciones de operación del mismo.

Otro aspecto se refiere al procedimiento de la invención para la depuración de gases que proceden de la combustión de combustibles fósiles. Dichos gases puede provenir de sectores tan diversos como el transporte, el consumo doméstico o, más preferiblemente, de procesos de combustión industrial. Gases con elevadas proporciones de CO_{2} pueden proceder de plantas de generación de electricidad, de cementeras o de cualquier otra planta industrial que desarrollen procesos generadores de CO_{2}. Otro aspecto se refiere al procedimiento de la invención para la depuración de gases procedentes de plantas de generación de electricidad.

Las microalgas, cianobacterias, u otros organismos fotosintéticos que se encuentran en el fotobiorreactor pueden utilizar el CO_{2}, que previamente ha captado la fase líquida, para producir biomasa. Con el fin de mantener niveles óptimos de los organismos fotosintéticos dentro de los fotobiorreactores, periódicamente se extrae la biomasa del mismo.

Opcionalmente, la biomasa extraída puede desecarse, evaporándose al menos una porción del agua que contiene. Esta agua puede ser condensada posteriormente, y reutilizarse para preparar la fase líquida que se empleará en la etapa de captación del CO_{2}.

La biomasa recuperada del fotobiorreactor puede emplearse directamente como fuel sólido o convertirlo, por ejemplo, en biodiesel u otro combustible orgánico, mediante procesos de pirólisis y/o licuefacción termoquímica. Estos procesos son bien conocidos en el estado de la técnica, y se describen, por ejemplo, en Yutaka et al., 1994 ("Recovery of liquid fuel from hydrocarbon-rich microalgae by thermochemical liquefaction", Fuel 73(12):1855-1857). La biomasa también puede ser utilizada para la gasificación y producir gases orgánicos inflamables que pueden emplearse en plantas energéticas.

Por "gases procedentes de la combustión" se entiende en esta memoria, gases generados en su mayor parte por procesos de combustión de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural). Principalmente hace referencia al CO_{2}, aunque también, y sin limitarse a estos, a los óxidos de nitrógeno NO_{x} (monóxido y dióxido de nitrógeno, NO y NO_{2} respectivamente) y a los óxidos de azufre ó SO_{x} (dióxido y trióxido de azufre, SO_{2} y SO_{3}).

La solución de sales tampón de carbonato - bicarbonato "en una relación aproximada de 2:1" implica que las concentraciones de sales son adecuadas para captar los gases procedentes de la combustión, principalmente CO_{2}, de la corriente gaseosa, a la vez que la capacidad tamponadora es suficiente para mantener un pH adecuado que permita la incorporación de la fase liquida enriquecida en gases a un sistema biológico. Tal y como se ha descrito en la memoria, esta relación adecuada se consigue añadiendo sales solubles de carbonato y bicarbonato, en este caso carbonato y bicarbonato sódico, en unas concentraciones comprendidas entre 5 y 22 g/L para NaHCO_{3} y entre 10 y 44 g/L para Na_{2}CO_{3}.

En esta memoria se entiende como "fotobiorreactor" un biorreactor dependiente de la luz solar. Un "biorreactor" tal y como se entiende en esta memoria, es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. El fotobiorreactor es, por tanto, un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso que involucra organismos fotosintéticos y que busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al elemento que se cultiva. El fotobiorreactor contiene, o está configurado para contener, un medio líquido que comprende al menos una especie de organismo fotosintético y teniendo, o bien una fuente de luz capaz de estimular la fotosíntesis, o bien una superficie con al menos una porción transparente a la luz de una longitud de onda capaz de estimular la fotosíntesis (por ejemplo, una luz de longitud de onda entre 400 y 700 nm).

El término "organismos fotosintéticos" ó "biomasa", tal y como se utiliza en esta memoria, incluye todos los organismos capaces de realizar la fotosíntesis, tales como plantas (o sus células) en sentido amplio, algas (incluyendo, pero sin limitarse, las pertenecientes a las clasificaciones taxonómicas Chlorophyta, Rhodophyta y Phaeophyta) y cianobacterias, u otras bacterias fotosintéticas, en forma unicelular o multicelular, que son capaces de crecer en una fase líquida (excepto cuando el término "biomasa" se emplea en otros documentos incorporados en esta memoria, que se puede emplear en un sentido más amplio, incluyendo también materia orgánica procedente de una gran variedad de plantas y/o animales). El término incluye también organismos modificados artificialmente o por ingeniería
genética.

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Por "algas verdes" se entiende, en esta memoria, todos los organismos que pueden ser clasificados dentro del Phylum Chlorophyta. El término "microalga" tal y como aquí se emplea, se refiere a un organismo fotosintético, preferiblemente del Phylum Chlorophyta, de una sola célula. En el término "cianobacteria" se incluyen todas las especies del Phylum Cianobacteria.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.

Breve descripción de las figuras

Fig. 1.- Representa un posible diagrama de flujo del procedimiento de la invención, mediante captura de contaminantes en fase acuosa por absorción con reacción química y posterior regeneración de la fase acuosa mediante tratamiento biológico con microorganismos fotosintéticos en fotobiorreactores.

Fig. 2. - Muestra la variación de la depuración de SO_{2} y NO_{x} con la concentración del compuesto en el gas de entrada y la relación líquido/gas utilizada.

Fig. 3. - Representa la comparación de la eficacia de depuración de CO_{2} utilizando disoluciones carbonatadas o disoluciones de etanolaminas en función de las condiciones de operación.

Exposición detallada de modos de realización

A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del procedimiento de captación de CO_{2} procedente de procesos de combustión y su regeneración mediante un sistema biológico.

Ejemplo

En este ejemplo, los inventores han diseñado una planta de demostración que permite ensayar el procedimiento de la invención, con una columna de burbujeo de 250 L, para la depuración de gases de una caldera de gas-oil.

Sistema de captura de CO_{2}

La captura de CO_{2} se realizó en una columna de burbujeo de 250 l, humedeciendo la corriente gaseosa con la fase líquida. El sistema tolera caudales de inundación de 20 Umin de líquido y 350 Umin de gases, siendo el caudal mínimo para el mojado de la columna de 4 L/min de líquido (datos experimentales).

La fase líquida se preparó añadiendo alrededor de 11 g/L de NaHCO_{3} y 22 g/L de Na_{2}CO_{3}, consiguiendo un pH de 10. La concentración de carbono inorgánico total fue de 4,0 g/L.

En estas condiciones se puede alcanzar una eficiencia de depuración del CO_{2} del 80%, así como eficiencias de depuración para NO_{x} y SO_{x} del 50 y 95% respectivamente.

Operando con esta columna, con mezclas binarias aire-CO_{2} al 10% como fase gaseosa y agua de la red como fase líquida, se ha determinado el coeficiente volumétrico de transferencia de materia. Los resultados muestran como el valor de dicho coeficiente es elevado, alcanzándose valores de K_{L}a_{L} de 50 1/h.

Además, operando sin adición de fase alcalina se consiguen eficiencias de depuración del 98% aunque sólo para el caso de muy bajos caudales de gas, de 4 L/min, y elevados caudales de líquido. Ello es debido a la propia alcalinidad del agua que resulta suficiente para depurar pequeños flujos de gas, pero no así para elevados flujos netos de absorción de CO_{2}.

El sistema ha sido ensayado con mezclas de gases con presencia de SO_{2} (por encima de 50 ppm) y NO_{x}. Los resultados muestran como el SO_{2}, es un gas muy ácido que tiende a absorberse muy eficazmente en fases alcalinas. Respecto al NO_{x}, su carácter ácido es mucho menos pronunciado, por lo que su velocidad de transferencia de materia es menor. La Fig. 2 muestra la variación de la depuración de SO_{2} y NO con la concentración del compuesto en el gas de entrada y la relación líquido/gas utilizada.

Comparación del sistema de captura de CO_{2} empleando disoluciones carbonatadas o disoluciones de etanolaminas

El comportamiento observado ratifica que la reacción química de las etanolaminas con el CO_{2} es más rápida que con el carbonato por lo que el tamaños de los equipos y los caudales necesarios se reducen, aunque el uso de fases acuosas enriquecidas en bicarbonato-carbonato muestran rendimientos similares en orden de magnitud por lo que puede ser viable para algunas aplicaciones a menor escala. Además, es medioambientalmente compatible, mientras que el uso de etanolaminas no es posible para el acoplamiento con sistemas biológicos.

Las ventajas que presenta este sistema de captura se resumen en:

1- Rendimientos de captura de CO_{2} similares a la absorción química con aminas.

2- El compuesto utilizado como absorbente es más barato y disponible.

3- El compuesto utilizado como absorbente no es tóxico o nocivo.

4- Permite la utilización de cualquier calidad de agua.

5- En un único sistema se produce la desulfuración, reducción de NO_{x} y captura de CO_{2}.

6- Transformación y utilización del CO_{2} directamente, bien como combustible (biomasa, bioetanol, etc.) cuyas emisiones de CO_{2} son neutras.

7- Empleo de un sistema de regeneración biológica.

Sistema biológico de regeneración

Los microorganismos fotosintetizadores pueden ser, preferiblemente, de dos tipos: cianobacterias y algas (preferiblemente microalgas). En función del microorganismo y de las condiciones de cultivo se pueden obtener diferentes productos.

Se han realizado ensayos con Anabaena, Synechocystis, Chlorococcum, Botryococcus, Spirulina y Chlorella. Las que a priori han mostrado un mejor comportamiento son Synechocysitis y Chlorococcum. Botryococcus ha mostrado una baja velocidad de crecimiento aunque resulta interesante por su elevado contenido en lípidos. Por su parte, Chlorella ha mostrado un correcto crecimiento, al igual que Spirulina, aunque Spirulina tiene la ventaja de estar perfectamente adaptada a medios ricos en carbonatos y elevado pH.

Los ensayos se han realizado en fotobiorreactores planos en condiciones de laboratorio, aunque simulando condiciones externas mediante la operación en ciclo solar, utilizando como medio de cultivo la fase líquida procedente de la etapa de absorción de gases, después de haber sido utilizado para la depuración de gas real de combustión procedente de una caldera de gasoil. Debido al uso de iluminación artificial el máximo de radiación fotosintética utilizado ha sido de 850 \muE/m^{2}s, el cual es tres veces inferior al valor máximo en condiciones externas.

Empleando reactores planos verticales en materiales flexibles, de 300 L, y usando la cianobacteria Anabaena marina se han conseguido tasas de fijación de CO_{2} de 100 g/m^{2} día. De acuerdo con estos resultados, para la regeneración de la fase liquida producida en la captura del CO_{2} contenido en una corriente de gases de 200 L/min serían necesarios 120 m^{2} de superficie ocupada por reactores planos como los descritos anteriormente. La superficie necesaria es función del rendimiento de la depuración biológica, el cual depende del microorganismo, diseño de reactor y condiciones de operación del mismo.

Claims

1. Procedimiento para capturar gases procedentes de la combustión, que comprende:

a.: poner en contacto una fase líquida con una corriente gaseosa que contiene dichos gases, donde la fase líquida contiene sales tampón de carbonato-bicarbonato en una relación aproximada de 2:1, con una concentración de carbono inorgánico total menor o igual a 25 g/L y valores de pH comprendidos entre 8 y 12, y

b.: recuperar la fase líquida enriquecida en CO_{2} obtenida en el paso a).

2. Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la concentración de carbono inorgánico tiene unos valores comprendidos entre 2 y 12 g/L.

3. Procedimiento según la primera reivindicación, donde la concentración de carbono inorgánico tiene unos valores comprendidos entre 3 y 6 g/L.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el pH tiene unos valores comprendidos entre 9 y 11.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el paso b) se lleva a cabo introduciendo la fase líquida, enriquecida en gases, en un fotobiorreactor.

6. Procedimiento según la reivindicación anterior, donde el fotobiorreactor es de tipo plano.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5-6, donde el organismo fotosintético del fotobiorreactor es una cianobacteria o un alga verde.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, donde el organismo fotosintético es una cianobacteria.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los gases contaminantes proceden de la combustión de combustibles fósiles.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde los gases contaminantes proceden de centrales de generación de energía eléctrica.