Recuperare materie prime dalle acque reflue municipali 

Nel progetto KoalAplan, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer stanno lavorando con i partner per recuperare prodotti di alta qualità dalle acque reflue municipali, come ammonio, idrogeno e poliidrossialcanoati (PHA), che possono essere utilizzati per produrre plastiche di origine biologica e biodegradabili.

Le acque reflue fonti di materie prime. Gli scienziati del Fraunhofer Institut stanno lavorando con i partner per recuperare prodotti di alta qualità dalle acque reflue municipali come idrogeno, ammonio e poliidrossialcanoati (PHA), ma anche azoto e composti organici del carbonio.

L’ammonio recuperato può essere utilizzato come fertilizzante azotato per l’agricoltura, mentre i PHA sono la materia prima per le bioplastiche. All’interno del progetto KoalAplan, il lavoro di ricerca interdisciplinare dei partner del progetto si svolge presso l’impianto di ricerca sul trattamento delle acque reflue gestito dall’Università di Stoccarda a Büsnau. Lavorando in condizioni reali, i partner stanno testando come recuperare le materie prime dagli impianti di depurazione. A tal fine, è stata allestita una bioraffineria come impianto pilota, che ha funzionato per oltre sei mesi nel 2024.

Aggirare la rimozione biologica dell’azoto

In un impianto di depurazione tradizionale, l’azoto presente nelle acque reflue viene rimosso biologicamente e si disperde nell’atmosfera senza essere utilizzato. Nel progetto KoalAplan, invece, l’azoto viene recuperato come materia prima rimuovendo fisicamente l’ammonio tramite un filtro a zeolite o un sistema a scambio ionico. Successivamente, l’azoto viene recuperato rigenerando il filtro a zeolite, producendo una soluzione concentrata di ammonio che può essere utilizzata in agricoltura come fertilizzante azotato.

Recupero del carbonio organico dai solidi presenti nelle acque reflue

In un impianto di depurazione tradizionale, gran parte dei solidi presenti nelle acque reflue viene separata per sedimentazione durante la chiarificazione primaria. Questo “fango primario” viene fermentato in una torre di digestione, producendo metano. Nel concetto di bioraffineria, invece, subisce una fermentazione con il processo di degradazione interrotto nella fase di produzione di acidi organici a catena corta. Dopo una separazione solida in due fasi, si produce un idrolizzato privo di particelle. Questo idrolizzato è ricco di acidi organici a catena corta e può essere utilizzato per una varietà di scopi, per esempio l’elettrolisi microbica per la produzione di idrogeno e la produzione microbica di PHA: “Il nostro compito al Fraunhofer IGB era quello di utilizzare la fermentazione per convertire l’idrolizzato in PHA, un biopolimero batterico termoplastico biodegradabile” spiega Pravesh Tamang, scienziato senior per i PHA e ricercatore presso il Fraunhofer IGB.

Idrolizzato acido convertito in PHA

I PHA vengono generalmente prodotti utilizzando microrganismi, che possono crescere su un’ampia gamma di substrati diversi. I microrganismi utilizzano l’idrolizzato, ricco di acidi organici come l’acido acetico, propionico e butirrico, come fonte di carbonio ed energia. “I batteri hanno bisogno degli acidi organici per crescere e produrre PHA, quindi il team ha cercato ceppi batterici adatti in grado di utilizzare gli acidi sia per la propria crescita che per produrre PHA e ha identificato il Cupriavidus necator che si è dimostrato il batterio più tollerante al contatto con gli acidi organici. 

Un copolimero PHA ricercato per una vasta gamma di applicazioni

I ricercatori del Fraunhofer IGB sono stati in grado di utilizzare il loro metodo di perfusione per impedire l’inibizione della crescita batterica. Hanno dimostrato che il 97% del carbonio degli acidi organici veniva utilizzato dai microrganismi e convertito in biomassa e PHA. “Il nostro prodotto PHA è un copolimero di poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossivalerato), o PHBV, appositamente modificato. Rispetto a un omopolimero, presenta proprietà meccaniche migliorate. Questo perché contiene circa il 10% di 3-idrossivalerato, che riduce la cristallinità e rende il materiale più flessibile, più facile da modellare e più versatile” spiega Tamang.

Il recupero delle materie prime contribuisce alla neutralità climatica

In genere, l’anidride carbonica viene prodotta quando il carbonio organico viene rimosso attraverso un impianto di trattamento delle acque reflue. Il metodo sviluppato nell’ambito del progetto riduce le emissioni di questo gas serra. “Allo stesso tempo, produciamo anche materie prime che contribuiscono a sostituire i prodotti derivati ​​dal petrolio. In questo modo, gli impianti di depurazione del futuro possono dare un contributo importante alla neutralità climatica” conclude Tamang.