Modellazione dell'impianto pilota
Modellare significa, nel linguaggio tecnico, rappresentare un sistema, una macchina, un fenomeno, ecc., mediante un modello. La modellazione 3D (modellazione tridimensionale), nella computer grafica 3D, è il processo atto a definire una forma tridimensionale in uno spazio virtuale generata su computer; questi oggetti, chiamati modelli 3D vengono realizzati utilizzando particolari programmi software, chiamati modellatori 3D, o più in generale software 3D.
Un impianto pilota è un impianto di processo, cioè impianto che appartiene a cicli di lavorazione-trasformazione di prodotti industriali, di piccola-media taglia utilizzato per replicare il comportamento di grandi impianti industriali. La scala (cioè le dimensioni e la capacità) di un impianto pilota è intermedia tra la scala di laboratorio e la scala industriale.
L’impianto pilota da rappresentare e progettare in 3D si basa sulla cattura di CO2 e sulla produzione di biomassa per l’energia tramite la coltivazione di microalghe in un sistema chiuso (fotobioreattore a membrana).
Per la modellazione tridimensionale dell’impianto pilota è stato utilizzato il software SolidWorks, un software di disegno e progettazione tridimensionale parametrica, prodotto e commercializzato dalla Dassault Systèmes. Il software prevede la creazione di disegni 2D e 3D di solidi e superfici, attraverso un sistema geometrico di tipo parametrico e completamente personalizzabile.
Gli elementi dell’impianto pilota che sono stati modellati dettagliatamente sono: la colonna verticale, il fotobioreattore, il modulo a membrana, le 4 lampade a Led, il recipiente di 1 litro, uno scaffale su cui poggiare le 2 pompe e il recipiente, e le tubazioni con i raccordi. Gli altri elementi che completano l’impianto pilota sono la bombola di CO2, il compressore di aria, 2 pompe peristaltiche e 2 flussometri.
La colonna di assorbimento è alta 2,9 metri, ha una capacità massima di 8 litri, un diametro esterno di 7 centimetri ed è fatta con plexiglas (PMMA) nella parte trasparente e in polivinilcloruro (PVC) nelle parti di collegamento tra le parti trasparenti. Il fotobioreattore a membrana ha un’altezza di 60 centimetri (complessiva di 110 centimetri considerando anche la parte in basso), una capacità massima di 40 litri, un diametro esterno di 30 centimetri ed è fatto di plexiglas (PMMA).
La membrana inserita nel fotobioreattore è formata da varie parti assemblate e unite tra di loro tramite dei bulloni. L’intelaiatura della membrana comprende un supporto centrale trasparente e 2 supporti laterali trasparenti in PMMA. Tra questi 3 elementi si inseriscono 4 fogli in Dacron e 2 supporti in plastica in PVC. Successivamente verranno inserite 2 prese per i tubi, 2 diffusori e 2 ventose per mantenere ben salda la membrana nel fotobioreattore.
Per la simulazione del processo dell’impianto pilota è stato necessario l'utilizzo di un ulteriore software: Blender. Blender è un software di modellazione, animazione, montaggio video, composizione e rendering di immagini tridimensionali e bidimensionali. Dispone di funzionalità per la simulazione di fluidi, rivestimenti di particelle, altre simulazioni non lineari e creazione di applicazioni/giochi 3D. Il software Blender è ricco di caratteristiche e potenzialità tipiche di sistemi avanzati di modellazione. Una delle caratteristiche più importanti è il supporto per una grande varietà di primitive geometriche (mesh poligonali, curve di Bézier, font vettoriali), oppure altre caratteristiche uniche sono legate all’uso del tasto destro del mouse per selezionare oggetti (contrariamente ad altri programmi), alle scorciatoie da tastiera. Blender, nel caso specifico dell’impianto pilota considerato, viene utilizzato per simulare due processi distinti. Nel primo processo considerato e simulato il fluido controcorrente nella colonna verticale incontra il gas miscelato, il quale si muove dal basso verso l’alto sempre nella colonna. Con tale processo ci sarà più solubilizzazione della CO2 nella fase liquida, un fenomeno fondamentale perché le microalghe si trovano nella fase liquida e utilizzano questa CO2 disciolta. Nel secondo processo considerato il permeato, un liquido ricavato grazie all’utilizzo della membrana e più chiaro rispetto a quello nel fotobioreattore, tramite un tubo legato alla membrana esce dal fotobioreattore e viene fatto convogliare verso il recipiente di 1 litro.
Alla fine si avrà una rappresentazione virtuale dell’impianto pilota molto simile a quella reale, che permetterà di studiare e di capire nel dettaglio le varie parti dell’impianto e i vari processi, tutto grazie ai software SolidWorks3D e Blender.
Conclusioni
Negli ultimi anni sono stati fatti importanti progressi nello sviluppo dei fotobioreattori per la produzione e coltivazione della biomassa delle microalghe tramite la cattura e l’utilizzo della CO2. Processi combinati con la biomassa microalgale permettono la produzione di bioprodotti e biocarburanti, che hanno tra i tanti vantaggi quello di ridurre drasticamente le emissioni di CO2, quindi di ridurre l’inquinamento \citep{Murena_2019}.
Tuttavia tali progressi devono ancora far fronte a tante problematiche differenti legate a differenti tipi di fotobioreattori, sono necessari ulteriori miglioramenti soprattutto sulla riduzione dei costi di progettazione dei bioreattori. Molti studi si sono concentrati sui fotobioreattori chiusi poiché la qualità della biomassa algale ricavata da tali sistemi è migliore rispetto alla biomassa ricavata dai fotobioreattori aperti \citep{Naddeo_2021}. Le sfide principali sono legate a minimizzare i costi dell’impianto e a permettere una coltivazione su scala industriale. Un’ulteriore sfida potrebbe essere quella di unire i due tipi di sistemi, aperti e chiusi, permettendo una coltivazione su larga scala e una qualità della biomassa ricavata molto buona.
Infine bisogna sottolineare che le modellazioni e le simulazioni virtuali sono fondamentali per lo studio di un impianto perché riescono a far comprendere in maniera precisa e semplificata alcuni processi non semplici da visualizzare ad occhio nudo o che richiedono molto tempo di esecuzione.