Promuovere la sostenibilità

Ogni giorno, i birrifici e le cantine producono migliaia di litri di acque reflue, che vengono versate nelle fognature o spedite agli impianti di trattamento con un costo elevato per le aziende.

Ora Cambrian Innovation, spin-out del MIT, sta commercializzando un nuovo sistema di trattamento, chiamato EcoVolt, che utilizza microbi caricati elettricamente per trattare e creare energia dalle acque reflue. L'azienda, che mira a sfruttare la biotecnologia come un modo per risolvere i problemi ambientali, sta anche modificando il proprio sistema per generare valore dalle acque reflue nei campi agricoli e militari e per convertire l'anidride carbonica in combustibili per applicazioni sulla Terra e nello spazio.

Immagine per gentile concessione di Cambrian Innovation

L'infrastruttura industriale odierna gestisce le risorse di base in modo lineare, aumentando i costi di smaltimento dei rifiuti e causando danni ambientali. Ma un approccio più ciclico, in cui i rifiuti vengono utilizzati come fonte di energia, potrebbe fornire maggiori profitti ed eliminare la tensione tra ambiente ed economia, afferma il CEO Matt Silver SM '05, PhD '10, che ha co-fondato Cambrian con Justin Buck PhD '12, ora chief technology officer dell'azienda.

Il trattamento delle acque reflue, ad esempio, consuma oltre il 3% dell'elettricità negli Stati Uniti, ma i prodotti organici nelle acque reflue hanno energia che può essere estratta e utilizzata localmente, afferma Silver. E questo è il caso di molti prodotti di scarto in generale.

Il sistema EcoVolt automatizzato e modulare di Cambrian, consegnato su un pianale e installato in un giorno, è costituito da un'unità di testa, che ospita computer per l'automazione e il controllo, e unità di trattamento espandibili da 20.000 galloni. In queste unità, i microbi chiamati esoelettrogeni eseguono un processo unico, l'elettrometanogenesi, che viene utilizzato per la prima volta in assoluto nel trattamento delle acque reflue.

Gli esoelettrogeni, rivestiti sugli anodi, consumano gli inquinanti organici rimanenti delle acque reflue e, nel processo, generano elettricità. Questa elettricità viaggia attraverso un circuito e su catodi rivestiti con microbi separati che consumano quell'elettricità - insieme all'anidride carbonica - per produrre biogas a una velocità fino a 100 piedi cubi al minuto. Questo processo migliora la digestione anaerobica naturale nelle acque reflue, afferma Silver, poiché stabilizza il trattamento, migliora la qualità del biogas e consente un più alto grado di automazione.

Il biogas entra in un sistema di cogenerazione connesso per la conversione di potenza. A seconda di diversi fattori del sito, questo produce da 30 a 400 kilowatt all'ora di elettricità. Le acque reflue trattate escono dal reattore con l'80-90% degli inquinanti rimossi, quindi possono essere utilizzate per l'irrigazione, il lavaggio delle attrezzature e altre cose.

Il sistema può trattare da 10.000 a 1 milione di galloni di acque reflue al giorno. A quel ritmo, un'azienda vinicola ridurrebbe circa 2 libbre di CO2 per cassa dalla sua impronta di carbonio, attraverso la generazione di energia senza emissioni di carbonio ed evitando il trattamento delle acque reflue municipali, piantando efficacemente oltre 4.400 acri di alberi in un anno, afferma Silver.

Da gennaio, i birrifici Bear Republic e Lagunitas, entrambi nella California colpita dalla siccità, hanno acquistato i sistemi EcoVolt. Ai tassi di utilizzo attuali, Cambrian stima che il sistema genererà elettricità sufficiente per soddisfare il 25-50 percento del fabbisogno di questi birrifici e consentirà il riutilizzo di circa il 25 percento della loro acqua. Potrebbe anche eliminare 10 camion di trasporto di acque reflue al giorno per Lagunitas.

Tutto nel design

Sempre più spesso, l'industria delle bevande ha impiegato processi di trattamento delle acque reflue anaerobici e aerobici, ma questi sono costosi e difficili da adottare, afferma Silver.

I processi aerobici, ovvero la dissoluzione dell'aria nelle acque reflue, dove i microrganismi aerobici degradano gli inquinanti, consumano molta energia e generano biosolidi (materiali organici) che vengono gestiti a costo. I processi in cui i microbi anaerobici mangiano sostanze inquinanti, mentre producono piccole quantità di metano bruciabile, hanno guadagnato popolarità negli ultimi decenni, ma tali sistemi funzionano solo in circostanze specifiche, sono soggetti a guasti e sono difficili da utilizzare.

EcoVolt, d'altra parte, è applicabile a una vasta gamma di siti e ha dimostrato un processo di trattamento più robusto, il che significa una migliore generazione di energia e rendimenti più elevati per i clienti, ed è quindi più economico, afferma Buck. Ma il sistema è anche modulare, il che significa che i clienti possono aggiungere componenti in modo incrementale, come unità di trattamento più grandi o generatori di conversione.

È un'architettura influenzata dagli anni di laurea di Silver nella divisione Engineering Systems del MIT, che sottolinea l'affidabilità, la scalabilità e la flessibilità nella progettazione di sistemi complessi su larga scala. EcoVolt offre loro maggiore flessibilità nel modo in cui implementano i sistemi di trattamento, afferma. L'idea è quella di ridurre al minimo i costi di ingegneria e operativi non ricorrenti, fornendo al contempo ai clienti la possibilità di espandersi a basso costo tramite un'architettura modulare.

Inoltre, però, EcoVolt è automatizzato, monitorato da remoto e fornisce dati in tempo reale, grazie all'utilizzo di esoelettrogeni come sensori. Questi insetti stanno generando elettricità, ed è qualcosa che possiamo percepire e leggere, in tempo reale, per vedere come sta andando il reattore, spiega Buck, che ha inventato le tecnologie dei sensori di Cambrian.

Con EcoVolt, afferma Silver, Cambrian mira a rendere il trattamento e il riutilizzo dell'acqua più semplice ed economico, poiché la dipendenza dell'America dall'acqua aumenta, insieme all'inquinamento idrico.

Quasi tutti i prodotti che realizziamo hanno un'impronta idrica, afferma Silver. Man mano che la nostra economia cresce, le falde acquifere diminuiscono e l'inquinamento delle acque reflue aumenta, portando molte aziende a considerare il rischio idrico nella loro strategia generale. La necessità di soluzioni più convenienti è sempre più acuta nel mondo sviluppato, ed è anche critica nei paesi in via di sviluppo. Stiamo sfruttando la biotecnologia per fornire il massimo ritorno sull'investimento per la gestione dell'acqua.

A tal fine, Cambrian sta lavorando ad altri progetti che sfruttano i microbi esoelettrogeni per trattare le acque reflue. Un progetto, chiamato BioVolt, è un sistema di trattamento dell'acqua autoalimentato per le basi operative avanzate dell'esercito americano che tratta le acque reflue e genera elettricità per alimentarsi. Un altro progetto, finanziato dalla National Science Foundation, utilizza gli esoelettrogeni per rilevare i nitrati nelle acque reflue, a basso costo e con una specificità molto elevata, per l'industria agricola.

La Terra come un'astronave

EcoVolt è prezioso oggi come soluzione ai problemi idrici della Terra. Ma la tecnologia di base è iniziata come un po' di ingegno aerospaziale e da allora ha trovato la sua strada per tornare nello spazio.

Incontrato al MIT nel 2006 su una passione condivisa per le biotecnologie, Silver, allora ricercatore nello Space Systems Lab del MIT, e Buck, uno studente laureato in ingegneria biologica, hanno vinto una sovvenzione dal programma NASA Institute for Advanced Concepts per creare un supporto vitale sistema in grado di trattare i rifiuti e generare elettricità per gli astronauti. Presto si imbatterono in esoelettrogeni; uno studio del 1999 aveva rivelato che gli esoelettrogeni potrebbero, infatti, generare più ampere per centimetro quadrato di quanto si pensasse in precedenza.

Ciò ha reso gli esoelettrogeni un terzo - e in gran parte migliore - candidato per il trattamento delle acque reflue, rispetto ai metodi aerobici o anaerobici. Lanciando Cambrian con una sovvenzione del Dipartimento dell'Agricoltura per concentrarsi sulle acque reflue agricole, il team si è presto trasferito nell'attuale sede di Boston. Quando hanno partecipato al concorso Cleantech Open 2010 - e hanno vinto - avevano spostato l'attenzione sull'industria alimentare e delle bevande.

Cambrian ha pilotato con successo il suo primo sistema nel 2010 e poi, in 14 mesi, dal 2011 al 2012, ha dimostrato il suo sistema su scala industriale al Chiuso Di legno azienda vinicola in California.

Nel 2012, la NASA ha iniziato a finanziare un progetto cambriano, chiamato ExoGen, che utilizza l'elettrometanogenesi per estrarre in modo più efficiente ossigeno o carburante dalla CO2 per voli spaziali di lunga durata. La NASA attualmente esegue il recupero dell'ossigeno dalla CO2 in un processo chimico a più fasi; ExoGen lo renderà un processo semplificato in un unico passaggio.

Sorprendentemente, il passaggio dalle applicazioni aerospaziali a quelle terrestri, e viceversa, è stata una transizione facile, afferma Silver. La sfida di supportare gli astronauti nello spazio è molto simile alla sostenibilità sulla Terra, dice. Quello che stai cercando di fare nello spazio è massimizzare il riutilizzo, riducendo al minimo l'energia. Se consideriamo la Terra come un'astronave, è lo stesso problema.

Con EcoVolt e gli altri suoi progetti in corso, l'obiettivo generale di Cambrian, afferma Silver, è sfruttare la biotecnologia per promuovere un'ecologia industriale sostenibile, in cui i rifiuti dell'industria vengono riciclati per creare energia e valore, proprio come negli ecosistemi naturali.

In un ecosistema naturale, non esistono rifiuti, afferma Silver. È solo un'altra risorsa.

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