Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

טיהור ביוגז באמצעות שימוש במערכת מיקרו-אצות-חיידקים בבריכות אצות חצי תעשייתיות בקצב גבוה

Published: March 22, 2024 doi: 10.3791/65968
Automatic Translation
1, 2, 1, 1
1Instituto de Ingeniería, Ciudad Universitaria, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Granos y Servicios Integrales

Summary

זיהום אוויר משפיע על איכות החיים של כל האורגניזמים. במאמר זה נתאר את השימוש בביוטכנולוגיה של מיקרו-אצות לטיפול בביו-גז (סילוק סימולטני של פחמן דו-חמצני ומימן גופרתי) ואת ייצור הביו-מתאן באמצעות בריכות אצות פתוחות חצי-תעשייתיות בקצב גבוה, וניתוח עוקב של יעילות הטיפול, pH, חמצן מומס וגידול מיקרו-אצות.

Abstract

בשנים האחרונות התפתחו מספר טכנולוגיות לטיהור ביו-גז לביו-מתאן. טיהור זה כרוך בהפחתת ריכוז הגזים המזהמים כגון פחמן דו חמצני ומימן גופרתי כדי להגדיל את תכולת המתאן. במחקר זה השתמשנו בטכנולוגיית גידול מיקרו-אצות כדי לטפל ולטהר ביו-גז המופק מפסולת אורגנית מתעשיית החזירים כדי להשיג ביו-מתאן מוכן לשימוש. לצורך גידול וטיהור הוקמו בסן חואן דה לוס לאגוס, מקסיקו, שני פוטוביוריאקטורים באורך 22.2 מ'3 בריכות פתוחות יחד עם מערכת טורי ספיחה של ספיגה. מספר יחסי נוזל/ביוגז במחזור (L/G) נבדקו כדי להשיג את יעילות ההסרה הגבוהה ביותר; נמדדו פרמטרים אחרים, כגון pH, חמצן מומס (DO), טמפרטורה וצמיחת ביומסה. ה-L/Gs היעילים ביותר היו 1.6 ו-2.5, והתוצאה הייתה שפכי ביו-גז מטופלים בהרכב של 6.8%vol ו-6.6%volב-CO2, בהתאמה, ויעילות סילוק עבור H2S עד 98.9%, כמו גם שמירה על ערכי זיהום O2 של פחות מ-2%vol. מצאנו כי pH קובע במידה רבה את סילוקCO2 , יותר מאשר L/G, במהלך הגידול, בגלל השתתפותו בתהליך הפוטוסינתזה של מיקרו-אצות ויכולתו לשנות pH כאשר הוא מסיס בשל טבעו החומצי. DO, והטמפרטורה התנודדה כצפוי מהמחזורים הטבעיים של אור-חושך של פוטוסינתזה והשעה ביום, בהתאמה. גידול הביומסה השתנה עםCO2 והזנת חומרים מזינים, כמו גם קצירת כורים; עם זאת, המגמה נותרה דרוכה לצמיחה.

Introduction

בשנים האחרונות התפתחו מספר טכנולוגיות לטיהור ביו-גז לביו-מתאן, המקדמות את השימוש בו כדלק שאינו מאובנים, ובכך מפחיתות פליטות מתאן בלתי ניתנות לפירוק1. זיהום אוויר הוא בעיה המשפיעה על רוב אוכלוסיית העולם, במיוחד באזורים עירוניים; בסופו של דבר, כ-92% מאוכלוסיית העולם נושמת אוויר מזוהם2. באמל"ט שיעורי זיהום האוויר נוצרים בעיקר כתוצאה משימוש בדלקים, כאשר בשנת 2014 48% מזיהום האוויר נגרם על ידי מגזר ייצור החשמל והחום3.

בעשור האחרון הוצעו יותר ויותר מחקרים על הקשר בין מזהמים באוויר לבין העלייה בשיעורי התמותה, הטוענים כי קיים מתאם חזק בין שני מערכי הנתונים, במיוחד בקרב אוכלוסיות ילדים.

כדרך להימנע מהמשך זיהום האוויר, הוצעו מספר אסטרטגיות; אחד מהם הוא שימוש במקורות אנרגיה מתחדשים, כולל טורבינות רוח ותאים פוטו-וולטאיים, המפחיתים את שחרור ה-CO2 לאטמוספירה 4,5. מקור אנרגיה מתחדשת נוסף מגיע מביוגז, תוצר לוואי של עיכול אנאירובי של חומר אורגני, המיוצר יחד עם עיכול אורגני נוזלי6. גז זה מורכב מתערובת של גזים, והפרופורציות שלהם תלויות במקור החומר האורגני המשמש לעיכול אנאירובי (בוצת ביוב, זבל בקר או פסולת ביולוגית אגרו-תעשייתית). באופן כללי, פרופורציות אלה הן CH4 (53%-70%vol), CO2 (30%-47%vol), N2 (0%-3%vol), H2O (5%-10%vol), O2 (0%-1%vol), H2S (0-10,000 ppmv), NH3 (0-100 ppmv), פחמימנים (0-200 mg/m3) ו siloxanes (0-41 mg/m3)7,8,9, כאשר הקהילה המדעית מעוניינת בגז המתאן מכיוון שזהו המרכיב האנרגטי המתחדש של התערובת.

עם זאת, לא ניתן פשוט לשרוף ביוגז כפי שהושג מכיוון שתוצרי הלוואי של התגובה יכולים להיות מזיקים ומזהמים; זה מעלה את הצורך לטפל ולטהר את התערובת כדי להגדיל את אחוז המתאן ולהקטין את השאר, ולמעשה להמיר אותו לביו-מתאן10. תהליך זה ידוע גם בשם שדרוג. למרות שכיום קיימות טכנולוגיות מסחריות לטיפול זה, לטכנולוגיות אלו מספר חסרונות כלכליים וסביבתיים 11,12,13. לדוגמה, מערכות עם שטיפת פחמן ומים פעילה (ACF-WS), שטיפת מים בלחץ (PWS), חלחול גז (GPHR) וספיחת נדנדה בלחץ (PSA) מציגות חסרונות כלכליים או אחרים של השפעה סביבתית. חלופה מעשית (איור 1) היא שימוש במערכות ביולוגיות כמו אלה שמשלבות מיקרו-אצות וחיידקים שגדלים בפוטו-ביוריאקטורים; כמה יתרונות כוללים את פשטות התכנון והתפעול, עלויות התפעול הנמוכות, ואת התפעול הידידותי לסביבה שלה ואת תוצרי הלוואישלה 10,13,14. כאשר ביו-גז מטוהר לביו-מתאן, האחרון יכול לשמש כתחליף לגז טבעי, והעיכול יכול להיות מיושם כמקור של חומרי מזון לתמיכה בצמיחת מיקרו-אצות במערכת10.

שיטה נפוצה בהליך שדרוג זה היא גידול מיקרו-אצות בפוטריאקטורים של מסלולים פתוחים יחד עם עמודת ספיגה בשל עלויות התפעול הנמוכות יותר והון ההשקעה המינימלי הדרוש6. הסוג הנפוץ ביותר של כור מסלול עבור יישום זה הוא בריכת אצות בקצב גבוה (HRAP), שהיא בריכת מסלול רדודה שבה הסירקולציה של מרק האצות מתרחשת באמצעות גלגל משוטיםבעל כוח נמוך 14. כורים אלה זקוקים לשטחים גדולים להתקנתם והם רגישים מאוד לזיהום אם משתמשים בהם בתנאי חוץ; בתהליכי טיהור ביוגז, מומלץ להשתמש בתנאים בסיסיים (pH > 9.5) ובשימוש בזני אצות המשגשגים ברמות pH גבוהות יותר כדי לשפר את הסרת CO2 ו- H2S תוך הימנעות מזיהום15,16.

מחקר זה נועד לקבוע את יעילות הטיפול בביו-גז ואת הייצור הסופי של ביו-מתאן באמצעות פוטו-ביוריאקטורים של HRAP בשילוב עם מערכת עמודות ספיחה וקונסורציום מיקרו-אצות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הגדרת המערכת

הערה: דיאגרמת צנרת ומכשור (P&ID) של המערכת המתוארת בפרוטוקול זה מוצגת באיור 2.

  1. הקמת כור
    1. הכינו את הקרקע על ידי פילוס ודחיסה שלה כדי לשפר את יציבות הכור.
    2. בשדה פתוח, חופרים שני חורים מוארכים ו-3 מ' מהסוף, בהמשך חופרים בור בעומק 3 מ'ו-1 מ' (המכונה באר אוורור).
    3. מקמו שני HRAPs (איור 3) בתוך החלל על תמיכות מתכת מכוסות גיאומברנה. כל כור חייב להיות בעל כושר פעולה של 22.2 מ '3.
    4. מקם משאבת אוויר לכל כור של 1728.42 וואט (2.35 כ"ס) קרוב לנקודה של HRAPs שבו נחפרו בארות האוורור.
    5. תקן גלגל משוטים (הנע על ידי מנוע חשמלי של 1103.24 וואט [1.5 כ"ס]) על פני הכור כדי לקדם מגע בין ביומסה למדיה.
  2. מערך טיפול בגזים (איור 4)
    1. בנו את עמוד הספיחה עם צינור פוליוויניל כלוריד (PVC) בגודל 6 אינץ', שבו זרם הכניסה נכנס 2 מ' מהחלק העליון המכוסה, וזרם היציאה זורם מלמטה (איור 2).
    2. הגדר את מיכל הספיגה (Vt: 2.55 m3), שבו זרם הכניסה הגזי (ביו-גז לא מטופל) מבעבע מלמטה דרך 11 צינורות דיפיוזר ומגיע מהמעכל האנאירובי דרך צינור PVC "4 העובר דרך מפוח ביוגז, רוטמטר "1 ויציאת דגימה, בעוד שהנוזל מגיע ממחזור המדיה לאחר עמוד הספיחה בתחתית המיכל. שקע הנוזל ממוקם בצד המיכל. הוא מוביל את המדיה המועשרת ב-CO2 לעמודת בקרת הרמה, והגז יוצא מהשקע בחלק העליון של המיכל, אשר מחובר לצינור PVC בגודל 1 אינץ' כדי להוביל ביו-מתאן שהתקבל למבער לצורך בעירתו הרציפה (איור 2).
    3. חברו את מיכל הספיגה לעמוד הספיחה דרך צינור PVC בגודל 4 אינץ', העובר דרך יציאת דגימה בין שתי הפעולות (איור 2).
    4. בנה את עמוד בקרת הרמה עם צינור PVC בגודל 6 אינץ' שבו הכניסה ממוקמת בתחתית. יש לו שני שקעים (נשלט עם שסתומי פרפר), בהתאם לצרכים של המערכת; הראשון נמצא בגובה של 2.5 מ' והשני במרחק של 3 מ' מהקרקע (איור 2).
    5. חבר את הפוטוביוריאקטורים של HRAP דרך צינור PVC בגודל 2 אינץ' לעמודת ספיחה בגודל 6 אינץ', העוברת דרך משאבה צנטריפוגלית של סירקולציה (1,103.24 ואט [1.5 כ"ס]) ורוטומטר "1 (איור 2).
    6. חבר את עמודת בקרת הרמה דרך צינור PVC בגודל 4 אינץ' לצינור PVC 40, העובר דרך יציאת דגימה. לאחר מכן, חברו אותו לחלק של צינורות PVC גמישים, לאחר מכן צינור PVC נוסף בלוח זמנים 40, ולבסוף, צינור PVC בגודל 4 אינץ', שנפתח לפוטוביוריאקטורים של HRAP (איור 2).
    7. הגדר את המעקף של עמוד הספיחה עם צינור PVC בגודל 2 אינץ' וחבר אותו לצינור הראשי לפני יציאת הדגימה (איור 2).

2. בדיקה פונקציונלית של המערכת

  1. משאבה צנטריפוגלית מחזור (1103.24 ואט [1.5 כ"ס])
    1. כדי לקבוע את קצב הזרימה המרבי של המשאבה, יש לכוון את החלק הפנימי למשך 10 דקות לפחות כדי למנוע שאיבת אוויר ולהפעיל אותו במתח של 230 וולט ופאזה אחת.
    2. בדוק את זרימת הסירקולציה על ידי מתן אפשרות לה לזרום דרך רוטמטר 1 אינץ '.
  2. מערכת ביוגז מבעבע
    1. כדי לקבוע את הכוח הדרוש לבעבוע לפחות עמוד אוויר שווה ערך ל-200 mbar, בדוק לפחות 3 מפוחים בעלי הספקים שונים (485.52 וואט [0.66 כ"ס], 1838.74 וואט [2.5 כ"ס] ו-3309.74 וואט [4.5 כ"ס]) על ידי הזרמת אוויר מבעבע לתוך מיכל הספיגה.
    2. ודא חזותית את הגודל והפיזור שאליהם מגיעות בועות האוויר בתוך המיכל. בתנאי ההפעלה המתוארים כאן, הקוטר הממוצע החזוי של הבועות הוא 3 מ"מ.

3. חיסון וצמיחה בתנאי פנים

  1. העבר זן טהור של Arthrospira maxima מלוחות אגר ל 15 מ"ל של מינרל מימי בינוני17 (NaHCO3 [10 גרם / ליטר], Na3PO4 ·12H2O [0.033 גרם / ליטר], NaNO3 [0.185 גרם / ליטר], MgSO4 ·7H2O [0.014 גרם / ליטר], FeSO4 ·7H2O [0.0008 גרם / ליטר], NaCl [0.4 גרם / ליטר]).
  2. הרחב את התרבית לצלוחיות של 500 מ"ל עם תווך מימי בלתי מזיק של Jourdan, תוך שימוש ב-100% מנפח הבקבוקון, ותן לו לגדול בפוטו-תקופות כהות של 12 שעות / 12 שעות באמצעות מנורות דיודה פולטות אור (LED) עם התקן הרכבה משטחית (SMD) 2835 המספק אור קר ב-2,000 לומן ובערבוב מתמשך על ידי בעבוע אוויר (0.3 ליטר/דקה או 0.6 vvm). (צעד שנמשך כחודש).
  3. המשך את תהליך ההרחבה על-ידי הוספת 20% מהנפח הקודם לנפח החדש עד שתגיע ל- 50 ליטר.
  4. התאימו את התרבות לתנאי הפעולה של האור הטבעי ולאמצעי התרבות בחממה בשקים שקופים של 50 ליטר (צעד שנמשך כחודשיים).
  5. המשך להגדיל בתנאים אלה עד 5 מ'3 פוטוביוריאקטורים HRAP (שלב שנמשך כחודשיים).

4. התחלה תפעולית של המערכת בתנאי חוץ

  1. הוסף את הנפח המלא של פוטוביוריאקטורים אלה של 5 מ' 3 HRAP לפוטוביוריאקטורים של HRAP של 13 מ' 3 הממוקמים בחוץ ומלא את שאר הנפח במדיום תרבית Jourdan. התחילו לערבב דרך גלגל ההנעה במהירות של 30 ס"מ לשנייה, וטפחו במצב אצווה במשך 15 יום או עד שהוא מגיע ל-0.7 גרם/ליטר (צעד שנמשך כחודש).
  2. ברגע שהצמיחה מגיעה ל-0.7 גרם לליטר, מעבירים את הנפח ל-HRAPהפועל 22.2 מ', מלאו את השאר במדיית ז'ורדאן וכוונו את גלגל ההנעה במהירות של 30 ס"מ לשנייה. תן לביומסה לגדול עד שהיא מגיעה ל -0.7 גרם / ליטר ו- pH של 10; ברגע שתנאים אלה מתקיימים, התחל לדגום ולקצור, במידת הצורך.
  3. התחל את מחזור הנוזלים מהפוטוביוריאקטור HRAP למיכל הספיגה בזרימה משתנה כדי להגדיל את פרודוקטיביות הביומסה. התחילו לבעבע ביוגז בזרימה ממוצעת של 3.5 מ' 3/שעה לאחר שעתיים כדי לספק פחמן אנאורגני לתרבית. שימו לב ל- pH מכיוון שהוא חייב להישאר מעל 9.
    הערה: לפני מחזור המדיה דרך מיכל הספיגה, יש להפעיל את המשאבה הצנטריפוגלית שתוארה לעיל.
  4. תוספת תזונתית: עקוב אחר תנאי החומרים המזינים מדי שבוע במהלך הקציר ומאזן החנקן הכולל בהנחה שהמצב היציב מחושב כפי שמוצג:
    MNaNO3 = (Mביומסה x 0.10)/0.12 [g]
    איפה:
    MNaNO3 = מסת נתרן חנקתי [g]
    M ביומסה = ביומסה שנקטפה [g]
    1.10: תפוקת מסה של חנקן/ביומסה16 [גרם/גרם]
    1.12: חלק מסה של חנקן בחנקת נתרן [g/g]
  5. עם תוצאות מאזן החנקן, נסח מחדש את מדיית Jourdan כדי להוסיף את הכמות הפרופורציונלית של Na3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O, ו- FeSO4·7H2O. אין להוסיף עוד סודיום ביקרבונט או נתרן כלורי.
    הערה: יש להמיס את החומרים המזינים במים נקיים לפני הוספתם לכורים.
  6. יש לעקוב אחר אידוי המים ולהוסיף מדי שבוע במידת הצורך.

5. דגימה וניתוח

  1. ביוגז
    1. דגימת הביוגז ממוצא הדגימה לפני מיכל הספיגה וממוצא הדגימה לאחר המיכל על ידי חיבור שקית פוליוויניל פלואוריד 10 ליטר לשקע עם צינור גמיש בקוטר מתאים; הניחו כל אחד מהם בשקיות פוליוויניל פלואוריד נפרדות.
    2. כיול מנתח הגז הנייד על ידי הגדרת מתמר הלחץ לאפס והמתנה לייצוב. עשה זאת על ידי לחיצה על התחל, ולאחר מכן על הבא, וחיבור צינור שקוף וצינור צהוב כפי שהורה המנתח. לחץ על הבא ולבסוף, קריאות גז.
    3. חבר כל דגימה הכלולה בשקיות הפוליוויניל פלואוריד לאנלייזר, לחץ על הבא ומדוד את ריכוזי CH4, CO2, O2 ו- H2S כ- %vol משתי נקודות המערכת.
    4. קבע את יחס המחזור הנפחי בין נוזל לביוגז (L/G) על ידי חלוקת זרימת מחזור הנוזל בזרימת ייצור הביוגז. חשב את זרימת הגז המתאימה (m3/h) המציגה את היעילות הגבוהה ביותר של הסרת CO2 ו- H2S.
  2. מדידה מקוונת של תנאי המערכת (pH, חמצן מומס, טמפרטורה)
    1. כיול כל החיישנים בהתאם למפרט היצרן.
    2. מקם חיישן pH, חיישן חמצן מומס (DO) וחיישן טמפרטורה בנוזל של כל HRAP.
      הערה: לקבלת המותג והמפרטים עבור כל אחד מהחיישנים, עיין בקובץ טבלת החומרים.
    3. חבר את חיישני ה- pH וה- DO להתקן רכישת נתונים המורכב ממעבד ארבע ליבות במהירות 1.4 GHz 64 סיביות המחובר למסך נייד המאחסן תוכנית Python מוכנה מראש שנכתבה בסביבת פיתוח ולמידה משולבת (IDLE) 2.7.
      1. פתח את התוכנית דרך המסך וציין את מרווחי הזמן לאחסון כל נקודת נתונים (במקרה זה, כל 2 דקות).
      2. צור גיליון אלקטרוני שבו התוכנית תאחסן באופן אוטומטי את הנתונים שהיא אוספת.
      3. לחץ על הכפתור שקורא ON, המציין שהוא מוכן להתחיל לאחסן נתונים.
      4. כדי לעצור את איסוף הנתונים, לחץ על הכפתור שקורא OFF.
      5. כדי להוריד את המידע, הכנס אפיק טורי אוניברסלי (USB) וייבא את הגיליון האלקטרוני.
    4. חבר את חיישן הטמפרטורה למקליט תרמי כדי לאחסן את הנתונים שהוקלטו במהלך הניסויים.
  3. מבחני גישוש קצרים
    1. קבע את ה- L/G היעיל ביותר
      1. לווסת את זרימת הביוגז הנכנסת כדי לבחור את ערך L/G שייבדק (0.5, 1, 1.5, 1.6, 2, 2.5, 3.3, 3.4).
      2. מדוד את ה- pH ואת ריכוזי הכניסה והיציאה של כל גז (CH4, CO2, H2S, O2, N2) בהתחלה וכל 15 דקות במשך שעה (60 דקות), באמצעות המכשירים שתוארו קודם לכן.
      3. קבע את L / G היעיל ביותר על ידי השוואת ערכי היציאה ובחר את הנוח ביותר בהתאם לצרכי הניסוי.
    2. הקשר בין L / G, pH ו- CO2
      1. בחר לפחות שני L / G להשוואה.
      2. עבור כל L/G, מדוד את ה- pH ואת ריכוזי הכניסה והיציאה של CO2, ושל H2S, O2 ו- N2 כבקרה בהתחלה, כל 15 דקות במשך 60 דקות, ולאחר מכן כל שעה בסך הכל 5 שעות, באמצעות המכשירים שתוארו קודם לכן.
      3. חשב את אחוזי הסרת CO2 באמצעות המשוואה:
        הסרת CO2 = ((CO2אינץ' - CO2החוצה)/(CO2אינץ')) x 100
      4. גרף את התוצאות והשווה את ההתנהגות של pH ו- CO2 עבור כל L / G של נבדק.
  4. עקומת כיול למתאם משקל ביומסה לליטר תרבית לעומת ספיגה ב-750 ננומטר18
    1. דגמו את תרבית האצות כדי לנסות לקבל ספיגה של 1.0. אם לתרבית יש ספיגה מתחת ל-1.0, יש לחלץ מים על ידי סינון (מסנן של 0.45 מיקרומטר) מדגימת תרבית. אם הספיגה גדולה מ-1, ניתן להפחית אותה על ידי הוספת מדיום תרבית טרי.
    2. הכינו חמישה תרחיפים של תאי אצות באמצעות הדגימה והוסיפו מדיום תרבית טרי, באחוזי נפח/נפח (V/V): 100%, 80%, 60%, 40% ו-20%.
    3. מדוד ורשום את הספיגה ב- 750 ננומטר מתוך חמש התמיסות באמצעות ספקטרופוטומטר באמצעות קוביות פלסטיק, כאשר מדיום התרבית הטרי הוא החסר.
    4. קבע את משקל הביומסה לליטר תרבית של כל תרחיף על ידי סינון 10 מ"ל דרך מסנן ששקל בעבר 0.45 מיקרומטר וייבוש הדגימה במייבש סיליקה למשך 24 שעות ולאחר מכן 48 שעות כדי להבטיח משקל קבוע. חזור על שלב זה עבור כל אחד מחמשת הפתרונות.
      הערה: טמפרטורה גבוהה יותר (מעל 60°C) אינה מומלצת לייבוש עקב אובדן של תרכובות מפתח מסוימות שעלולות לנדיף ולשנות את משקל הדגימה.
    5. לאחר אישור המשקל, חשב את ריכוז הביומסה בתוך הכור באמצעות המשוואה:
      ריכוז ביומסה = (משקל ביומסה - משקל מסנן) x 1000/נפח מסונן [g/L]
    6. בצע רגרסיה ליניארית של נתוני משקל הביומסה בגרמים לליטר תרבית כפונקציה של הספיגה הנמדדת ב -750 ננומטר באמצעות גיליון אלקטרוני או כל תוכנה אחרת. מקדם הרגרסיה הליניארית צריך להיות גדול מ -0.95; אחרת, העקומה אינה שימושית, ויש לחזור על הפרוטוקול.
      הערה: הוא מתואר כמשקל ביומסה ולא כמשקל יבש כמו רוב השיטות מכיוון ששיטת הייבוש בה נעשה שימוש אינה מאפשרת הסרה מלאה של מים בדגימה, ומשאירה תכולת מים של פחות מ -5% 19.
  5. גידול ביומסה
    1. לפקח על הכורים כל יום. לוקחים דגימה של 1 ליטר מנקודת האמצע בין גלגל המשוטים לחזרתו מכל תרבית ומביאים אותה למעבדה.
    2. בדוק את צמיחת המושבה ואת טוהר התרבות תחת המיקרוסקופ.
    3. מדוד ורשום את הספיגה ב- 750 ננומטר של הדגימות באמצעות ספקטרופוטומטר, כאשר מדיום התרבית הטרי הוא הריק.
    4. השווה עם עקומת הכיול כדי לקבל את משקל הביומסה המשוער בגרמים לליטר.
    5. תעד את הצמיחה של כל כור מרוץ.
  6. ייצור ביומסה - קציר
    1. לפקח על הכורים כל יום. אם גידול הביומסה עולה מעל 0.7 גרם לליטר במהלך הדגימה, יש צורך בקציר.
    2. לסירוגין בין שני HRAPs, מניחים רשת פוליאסטר על גבי קטע בקצה אחד של הכור ומניחים קצה של צינור PVC גמיש בתוך זרימת הנוזל כך שהקצה השני מנקז את הנוזל על גבי הרשת.
    3. מסננים בין 4500 ליטר ל-7500 ליטר (תלוי ברוויה הביומסה של הכור) אל הרשת, תוך שמירה על זרימה רציפה חזרה ל-HRAP המתאים. הביומסה תישמר על הרשת.
    4. כדי לקצור, הסירו את הרשת מראש הכור והניחו אותה על משטח אחר כדי לגרד את הביומסה והכניסו אותה למשפך.
    5. לדחוף את הביומסה דרך המשפך כדי ליצור צורות מוארכות על גבי רשת נקייה ויבשה; הניחו את הרשת בחדר חם ומקורה (34-36 מעלות צלזיוס) למשך 48-72 שעות.
    6. לאחר הייבוש, להסיר את הביומסה מן הרשת ולשקול אותו. חשב את ריכוז הביומסה שנקצר בגרם / ליטר באמצעות המשוואות הבאות:
      נפח הנוזל המנוקז = קצב זרימת המשאבה x זמן ניקוז [L]
      ריכוז ביומסה שנקצר = משקל ביומסה של ביומסה שנקטפה/נפח נוזל מנוקז [g/L]

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בהתאם לפרוטוקול, המערכת נבנתה, נבדקה וחוסנה. התנאים נמדדו ואוחסנו, והדגימות נלקחו ונותחו. הפרוטוקול בוצע במשך שנה, החל מאוקטובר 2019 ונמשך עד אוקטובר 2020. חשוב להזכיר שמכאן והלאה, HRAPs יכונו RT3 ו-RT4.

פרודוקטיביות ביו-מתאן
על מנת לקבוע את התנאים המקדמים את סילוק H2Sו-CO2 הגבוה ביותר, וכתוצאה מכך, את הריכוז הגבוה ביותר של מתאן, נוסו מספר יחסי נוזל/ביוגז במחזור חוזר (L/G) בטווח שבין 0.5 ל-3.4. תוצאות אלה התקבלו עבור ניסויים עם משך של לפחות 60 דקות (1 שעה) של ביוגז מתמשך מבעבע בתקופה שבין 25 בספטמבר ל-28 בספטמבר. במהלך בדיקות אלה, המיקרו-אצות קיבעו את ה-CO2, והחיידקים חימצנו את H2S, ריכזו את המתאן (CH4) ולמעשה טיהרו את תערובת הגזים.

בהתחשב ביכולת סילוק CO2 הממוצעת של המערכת כולה (נפח HRAP + נפח מיכל = 24.75 מ '3) וריכוז ביומסה יציב של 0.8 גרם / ליטר, אז הוערך קצב קיבוע ספציפי, וכתוצאה מכך 65 mgCO2/gbiomass h, שהוא נמוך מהתיאורטי המרבי שדווח (300 mgCO2/gbiomass h). זה מציין כי תהליך טיהור ביוגז המבוסס על חיידקי מיקרו-אצות מתאים לשיפור.

באופן כללי, לטיהור ביוגז הייתה יעילות מוגברת בערכי L/G גבוהים יותר, תוך שמירה על יעילות הסרה של 98% ומעלה עבור H2S ופחות מ-7.5% ערכי תכולת נפח עבורCO2 (איור 5, איור 6 ואיור 7). עם זאת, זיהום ביו-מתאן O2 כתוצאה מייצור פוטוסינתזה של גז זה היה גבוה בהרבה בערכי L/G גבוהים יותר, מה שיכול להוות בעיה פוטנציאלית לשימוש מסחרי מכיוון שריכוזי O2 , על פי חוק, חייבים להישאר נמוכים למדי כדי להפחית את הסיכון לפיצוץ20. סיבה נוספת קשורה להימנעות מהפחתת ערכו הקלורי על ידי דילול O2 . במקום זאת, ניתן לטעון כי L/Gs 1.6 ו-2.5 מייצגים את התוצאות היעילות ביותר באופן כללי, עם ריכוזי CO2 בין 6.6%vol ל-6.8%vol, CH4 ב-87%vol ו-O2 בפחות מ-1.5%vol, כמו גם הצגת יעילות הסרת H/2S של מעל 98.5% (איור 5, איור 6, ואיור 7). השוואה בין האחוזים המתקבלים לבין המקובל בחוק ניתן למצוא בלוח 1.

מעניין לציין כי ליחס נוזל/ביוגז מחזור של 2 יש ריכוז CO2 גבוה יותר (7.4% vol) גם אם הערך יושב בין L/G היעיל ביותר; ניתן לייחס זאת לעובדה שהוא נבדק ב- RT3 במקום RT4. במקרה זה, התנאים היו פחות נוחים להסרתCO2 , אולי בגלל ריכוז ביומסה נמוך יותר. בסך הכל, הביו-מתאן הממוצע שנוצר בתנאים אלה הגיע ל-20.68 מ' 3/יום, עם ספיקה ממוצעת של 4.14 מ'3/שעה.

התוצאות עשויות להשתנות בהתאם לתנאי הגידול, סוג הביוגז (סינתטי או אמיתי) והאצות; לדוגמה, Serejo et al.21 השתמשו בשתי תערובות ביוגז סינתטיות המדמות תערובת גז שכולה CO2 ו-N2 כדי להשוות לביו-גז רגיל העשוי מ-70%vol CH4, 29.5%vol CO2 ו-0.5%vol H2S, וטיהרו אותו באמצעות מערכת עמודת ספיגת HRAP של 180 L המטפחת Chlorella vulgaris. במאמר זה, Serejo בודק גם יחסי L/G שונים, הנעים בין 0.5 ל -67, במערכת קטנה יותר אך דומה בערכי pH נמוכים יותר ותאורה מלאכותית. הושגה הסרה מלאה של H2S ואחוז הסרה ממוצע של 80% ביחסים הטובים ביותר (מעל 15). יעילות הסרה זו עלתה באופן ליניארי עם היחס; עם זאת, זיהום חמצן גדל גם הוא, מה שעלול להוות בעיות באיכות הכוללת של הביו-מתאן שנוצר. העלייה ביעילות הסרתCO2 שלנו לא הייתה ליניארית; עם זאת, ניתן לראות סילוקCO2 טוב יותר עם יחסים גדולים יותר. ההסבר הוא רב-סיבתי, ומערב pH, תנאי תזונה בתרבית וגידול ביומסה, כמו גם בעבוע ביוגז.

השפעת יחס L/G על ביצועי מערכת שדרוג הביוגז הוערכה ללא חזרה. זה היה מוצדק מכיוון שהבדיקות בוצעו בתקופה יומית בין השעות 10: 00-13: 00 שעות (זה יגרום לקרינת שמש יציבה וטמפרטורה חיצונית); לכן, הוא גרם לתנאי גידול כמעט אופטימליים עבור מיקרואורגניזמים פוטוסינתטיים, ואז ניתן להניח ש- pH הוא הפרמטר המשפיע ביותר על ספיגת CO2 22 , שם גם דווחה סטיית תקן קטנה מאוד נמוכה מ -2% עבור הבדיקות המעריכות את ההשפעה של יחס L / G על יעילות הסרת ספיגת CO2 .

הכורים מעובדים מבחוץ, מה שאומר שגם אם החיסון היה תרבית טהורה של אצות Arthrospira maxima, ההסתברות לזיהום עם אורגניזמים אחרים שיכולים לשרוד בתנאי החומציות הקשים בתוך התרבית היא גבוהה. כזה הוא המקרה עבור חיידקים מחמצני גופרית23,24. עם זאת, זיהום זה מוכיח להיות מועיל למטרה הסופית של הניסוי שכן חיידקים אלה עוזרים להסיר את H2S מן הביוגז, למעשה לקחת אחריות על משימה זו ולסייע באיכות של biomethane שנוצר.

בתנאי החוזק הסביבתי והיוני ששררו במהלך פעולת המערכת, H2S המומס היה מחומצן לרב-סולפידים ולתיוסולפט על ידי תגובות אוקסיק-אביוטיות, שם, לאחר מספר ימים, הוא אמור להיות מחומצן לחלוטין לסולפט25. הסרת H2S על ידי משקעים עם קטיונים בתווך המזין המימי אינה משמעותית בשל כמות לא מספקת של קטיונים המוזנים למערכת בהשוואה לקצב העמסת H2S (הגעה ליחסים מולאריים של Cations/H2S נמוכים בהרבה מ- 2). היעדר משקעים אושר על ידי הבדיקה החזותית שלנו במהלך ביצוע תהליך שדרוג הביוגז. חמצון הגופרית הביולוגי לא אומת ברגע זה מכיוון שהמערכת פתוחה לסביבה.

תנאי מערכת
וריאציות חמצן מומס (DO) ו- pH נמדדו בתנאי אור וחושך כאחד. במהלך היום (תנאי אור), DO גדל עקב ייצור פוטוסינתזה של חמצן על-ידי מיקרו-אצות, ואילו בלילה (תנאים חשוכים) הוא ירד הן בגלל חוסר פוטוסינתזה והן בגלל חילוף חומרים הטרוטרופי, אשר משתמש בנשימה (איור 8).

רמות ה-pH השתנו גם עם נוכחותCO2 בתוך הנוזל (איור 8), והערך שלהן עלה כאשר פחותCO2 הומס וירד כאשר פחותCO2 הוסר; יש לציין כי ישנן פסגות קטנות יותר סביב הזמנים שבהם לא סופק יותרCO2 , אשר יידונו בהמשך. בשעות הבוקר, רמת החומציות הגיעה לשיאה בסביבות השעה 11:00 בבוקר ולערכים הנמוכים ביותר בסביבות השעה 18:00, מה שתואם גם את הפעילות הפוטוסינתטית של אצות. חשוב להסב את תשומת הלב לירידה הגדולה סביב היום השני; בדיקת הגישוש הקצרה באמצעות L/G של 1.64 בוצעהב-29 בספטמבר, וסיפקה ביו-גז רציף בסביבות 24 שעות (בסביבות היום הראשון) והיא עוררה ערעור מסיבי במערכת, מה שהצריך אספקת אוריאה כדי לסייע בהתאוששות החנקן. בדיקת הגישוש הקצרה השנייה באמצעות 1.58 בוצעהב-5 באוקטובר (בסביבות היום ה-7), אך בתנאי מערכת טובים יותר (אספקת ביו-גז בתקופת אור יום), ולכן ה-pH סטה רק מעט מהשיאים הרגילים במשך יומיים לפני שחזר להתנהגות רגילה.

את הפסגות הקטנות יותר ב-pH באיור 8 ניתן לייחס לתקופה של ויסות עצמי של האצות לסביבה תוך מעבר מפוטוסינתזה לנשימה.

בהתייחס למבחני הגישוש הקצרים לקשר בין pH ו-L/G לבין אחוזי סילוקCO2 (איור 9), בדקנו שני יחסים, 1.64 ו-1.58, כפי שהוזכר קודם לכן. אלה שניהם ממוצעים מה-L/G שתועדו במהלך הניסויים. ניתן לציין שתי התנהגויות שונות, כאשר אחוז ההסרה וה- pH ביחס של 1.58 היו הרבה פחות יציבים ונמוכים בהרבה מאלה שנרשמו ביחס של 1.64.

זה נתמך בשדרוג ביוגז שבוצע על ידי Bahr et al.15, באמצעות שימוש במערכת עמודות HRAP עם מין של אצות Arthrospira maxima . בר העריך את יעילות ההסרה שלCO2 בתנאי pH שונים וקצבי זרימת נוזלי מדיה, כמו גם הסרת זיהום H2S ו-O2 , במספר הרכבי גז סינתטי החל מ-CO2-N 2 ועד הרכבי ביו-גז בריכוזי H2S משתנים (עד 0.5%vol). הם הגיעו למסקנה כי בערכי pH גבוהים יותר (בטווח של 9-10) ובקצב זרימה גבוה יותר של נוזל מדיה בתרבית (80 מ"ל/דקה), אחוזי סילוק ה-CO2 היו קרובים ל-100% אך סבלו מזיהום O2 גבוה יותר, בעוד שבערכי pH גבוהים יותר (בטווח של 9-10), ובקצב זרימת נוזל מדיה בתרבית נמוכה יותר (20 מ"ל/דקה), אחוזי סילוק ה-CO2 נותרו קרובים ל-100% ונצפו הרבה פחות זיהום O2 . הם גם דיווחו על הסרת H2S מלאה בתנאים אלה.

באופן דומה, ניתן לייחס תנודת DO (איור 8) לפעילות הפוטוסינתטית של האצות מאחר שבמהלך היום ה-DO גדל עקב ייצור פוטוסינתטי של חמצן על-ידי המיקרו-אצות, בעוד שבלילה הוא ירד הן בגלל חוסר פוטוסינתזה והן בגלל חילוף חומרים הטרוטרופי, המנצל נשימה.

הטמפרטורה בפוטוביוריאקטור HRAP (RT4) השתנתה עקב השעה ביום ומזג האוויר בסתיו, והגיעה לשיא ברוב הימים בין 23 °C (75 °F) ל-28 °C בסביבות השעה 17:00 והגיעה לערכים הנמוכים ביותר בין 11°C (75 °F) ל-15°C בסביבות השעה 6:00 (איור 10). הטמפרטורה בכניסה וביציאה של מיכל הספיגה נמדדה מדי פעם, וכתוצאה מכך הטמפרטורה הממוצעת הייתה 30.1 מעלות צלזיוס ו -32.5 מעלות צלזיוס, בהתאמה. לכן, תכולת המים (אדים) לאחר הטיפול תהיה מעט גבוהה יותר (13.5%) מאשר לפני הטיפול בביוגז, בהנחה שבשני המקרים הלחות בביוגז הגיעה לרוויה. מומלץ מאוד להתקין מייבש ביוגז לניהול מיטבי ושימוש נוסף בביוגז מטוהר.

ממוצע ה-L/G שיועד לתקופה שביןה-28 בספטמברל-10 באוקטובר היה 1.6, שכן הבדיקות הקצרות הצביעו על כך שיחס זה יקדם תוצאות טובות יותר; עם זאת, לא ניתן היה לתחזק אותו בלילות בשל החמצה מוגזמת של תרבית המיקרו-אצות שנגרמה על ידי יכולת אגירה pH ירודה של אמצעי התרבית המימית. לכן, רק בשעות היום, ביוגז הוזן למיכל הספיגה, והתאים את ערכי L/G לסביבות 1.5.

פרודוקטיביות ביומסה
החיסון ב-RT3 בוצעב-20 במאי 2020 וב-RT4ב-27 במאי 2020; הזמן שבין הבדיקות (ספטמבר) לחיסון שימש לייצוב התרבות ולפתרון בעיות תפעוליות שהתעוררו, כמו מגפות ותקלות במערכת, לאור מגפת הקורונה העולמית.

גידול ביומסה נמדד בשתי דרכים: דגימה וקציר. לצורך מאמר זה, דגימה מתייחסת לריכוז הביומסה בכל זמן נתון בכור, ואילו הקציר מתייחס ליעילות הייצור של הביומסה, כלומר כמות הביומסה שהוחזרה במהלך התהליך כדי למנוע עיכוב גדילה. הבדיקה נעשתה בין ה-29 בספטמבר ל-9 באוקטובר, בממוצע ליטר/גרם של 1.5, למרות שהעדיפו יחס של 1.6; הסיבה לירידה הייתה ביחס של 1.15 שנרשם סביב היום ה-11.

הדגימה (איור 11) נעשתה באופן קבוע מהיום הראשון עד היום ה-11 (מה-29 בספטמבר עדה-9 באוקטובר), כאשר מגמת הגידול בשני הכורים הייתה דומה מאוד: היא התחילה עם ריכוז גבוה יותר, והגיעה לערך הנמוך ביותר עבור הניסוי בימים 4 ו-5, התאוששה בהתמדה ב-RT4 ועם שונות מסוימת ב-RT3, סוף סוף נופל שוב. אותה התנהגות בדיוק נראית בקציר, מה שמרמז על כך שאירוע (ככל הנראה גורם חיצוני) השפיע על הצמיחה של שתי התרבויות בו זמנית.

הקציר (איור 12) נעשה באופן סדיר למחצה, לסירוגין יבול אחד עבור RT3 והקציר הבא עבור RT4. עם זאת, יש לקחת בחשבון את קנה המידה; הן בדיגום והן בקציר, השונות בין המספרים נמוכה מאוד, מה שמעיד על כך שהאירוע שהשפיע על שני הכורים לא היה קריטי. הקו האדום המקווקו באיור 8 מציין את פרק הזמן שבו הכורים לא נקצרו; זה נבע משני גורמים: כמה ימים היו במהלך סוף השבוע, שבו, למרבה הצער, הכורים לא היו נגישים לדיגום או לקציר (דבר שניתן לאמת גם באיור 11), והמתודולוגיה קוראת לקציר של הכור בעל הריכוז הגבוה ביותר. במתחם היו ארבעה כורים, מתוכם רק שניים (RT3 ו-RT4) השתתפו במחקר זה, מה שהופך את הימים שלאחר סוף השבוע, לימים שבהם שני הכורים האחרים (RT1 ו-RT2) נקצרו על ידי הצוות וכתוצאה מכך לא נאספו נתונים מ-RT3 ו-RT4. נתוני הקציר היו נמוכים בכ-50% מנתוני הדגימה; ייתכן שהסיבה לכך היא שהיעילות של המתודולוגיה נמוכה יותר.

השונות בין הערכים בכל יום הייתה קטנה (איור 11), מה שמרמז על תרבות עמידה המאפשרת שינוי בתנאי המערכת ונשארת יציבה. Arthrospira maxima גדל באופן מועדף במדיה מוגזת מאוד ב- pH גבוה ורגיש מאוד לעיכוב NH3 15, אשר עולה בקנה אחד עם התוצאות המוצגות באיור 8. הכיול שבוצע באוגוסט 2020 מוצג באיור 13.

סקירת פוסט-פרודקשן ותוצרי לוואי
על מנת לבחון את הפוטנציאל של גז זה להפחית פליטות מזיקות לסביבה, בוצע דו"ח מלא של חברה חיצונית, בו הממצאים ציינו כי הביו-מתאן המופק בטכנולוגיה זו הפחית את סך פליטות ה-CO2 הישירות ב-84%, בהשוואה לשימוש בביו-גז הלא מטוהר ישירות מהמעכל האנאירובי. בנוסף, כאשר נלקח באמצעות ניתוח מחזור חיים של חשמל שנוצר הן על ידי ביו-גז גולמי והן על ידי ביו-מתאן מטוהר, קיבולת החום הכוללת שהביו-מתאן היה מסוגל לספק הייתה גבוהה ב-23,000 קילו-ג'אט מקיבולת החום של הביו-גז הגולמי.

לבסוף, תוצר לוואי של תהליך הטיהור הזה הוא המיקרו-אצות שנקטפו, שברגע שהן יבשות, יש להן מספר עצום של יישומים בתעשיות אחרות, מה שיכול להוסיף ערך רב יותר לשיטה ולהפוך את התהליך לחסכוני26. לדוגמה, בוצע מחקר על גידולי בזיליקום כדי להעריך פרמטרים כגון מספר עלים, משקל טרי ויבש, ומשקל טרי של עלים בעת שימוש בביומסה מיובשת של Scenedesmus לעומת דשן אנאורגני רגיל; הם מצאו תוצאות דומות בקריטריונים אלה הן בביומסה והן בדשן27. תוצאות דומות נמצאו במחקר אחר שבו השוו את גידולם של ארבעה צמחי יבול מסחריים תוך שימוש בריכוזים שונים של דשן העשוי מביומסה של אצות המרחפים במים; גם בריכוזים נמוכים (20%) של הדשן הגיעו הגידולים לצמיחה מרבית, בדומה לדשנים כימיים28.

Figure 1
איור 1: ייצוג חזותי של התהליך הביולוגי המתרחש בטיהור ביו-גז באמצעות מיקרו-אצות לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: דיאגרמת P&ID עבור המערכת המתוארת בפרוטוקול. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תצלום של HRAPs שבהם נעשה שימוש במהלך ניסויים. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מיכל קליטה. (A) תצלומים של תווך תרבית וכניסות ביוגז למיכל קליטה. (B) מבט מלפנים ומאחור על מיכל הקליטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: בדיקות גישוש קצרות ב-RT3 כדי לקבוע יעילות L/G. ירוק כהה מתאים ל- CH4, ירוק מתאים ל- CO2, ורוד בהיר מתאים ל- O2, וורוד כהה מתאים ל- N2. pH ממוצע 9.2435; כניסה נוזלית 60-100 ליטר/דקה; כניסת גז 50-120 ליטר/דקה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: בדיקות גישוש קצרות ב-RT4 כדי לקבוע יעילות L/G. ורוד כהה מתאים ל- N2, ורוד בהיר מתאים ל- O2, ירוק כהה מתאים ל- CO2, וירוק בהיר מתאים ל- CH4. pH ממוצע 9.95; כניסה נוזלית 116-118 ליטר/דקה; כניסת גז 35-75 ליטר/דקה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
תרשים 7: השוואה של כל אחוזי ההסרה עבור H2S בכל L/G במהלך מבחני הגישוש הקצרים. L/Gs של 0.5, 1, 1.5 ו- 2 תואמים ל- RT3, ו- 1.6, 2.5, 3.3 ו- 3.4 ל- RT4. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: פרופיל pH ו-DO. פרופיל pH (ירוק כהה) ו-DO (ירוק בהיר) עבור RT4 ביןה-28 בספטמברל-10 באוקטובר 2020. כניסה נוזלית 75-118 ליטר/דקה; כניסת גז 57-75 ליטר/דקה. ריכוזי הזנה ממוצעים עבור כל גז: CH4- 60%vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34%vol, O2- 0.6%vol. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 9
איור 9: פרופילי אחוזי הסרה שלCO2 בהתאם לרמות pH ו-L/G. ירוק מתאים לאחוזי הסרת CO2 ביחס L/G: 1.58 (משולשים ירוקים כהים) ו-1.64 (עיגולים ירוקים בהירים). ורוד מתאים לערכי ה- pH ביחסי L/G: 1.58 (משולשים ורודים כהים) ו- 1.64 (עיגולים ורודים בהירים). כניסה נוזלית 75-118 ליטר/דקה; כניסת גז 57-75 ליטר/דקה. ריכוזי הזנה ממוצעים עבור כל גז: CH4- 60%vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34%vol, O2- 0.6%vol. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 10
איור 10: פרופיל הטמפרטורה עבור RT4 ביןה-28 בספטמברל-10 באוקטובר 2020. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 11
איור 11: תוצאות הדגימה עבור RT4 (ריבועים ירוקים בהירים) ו-RT3 (עיגולים ירוקים כהים) ביןה-28 בספטמברל-10 באוקטובר 2020. יחסי L/G מסומנים בחצים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 12
איור 12: תוצאות הקציר עבור RT4 (ריבועים ירוקים בהירים) ו-RT3 (עיגולים ירוקים כהים) ביןה-28 בספטמברל-10 באוקטובר 2020. יחסי L/G מסומנים בחצים. בקווים אדומים מנוקדים מוצגת התקופה שבה לא היה יבול לאף אחד מהכורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 13
איור 13: עקומת הכיול שבוצעה באוגוסט 2020, הקורלציה בין ריכוז תרבית האצות בגרמים לליטר לספיגה של 750 ננומטר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

רכיב (%vol) הרכב ביוגז מתקבל הרכב ביוגז משודרג ביו-מתאן מסחרי הרכב NOM-001-SECRE-2010
פרקד' 103.2 ± 0.8 85.7 ± 2.0 >84
CO2 54.4 ± 0.1 7.2 ± 1.2 <3
גובה2שניות (ppmv) 2539 ± 32 49.1 ± 4.2 <6
O2 0.3 ± 0.1 1.7 ± 0.5 <0.2

טבלה 1: הרכבים השוואתיים של ביוגז

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

לאורך השנים, טכנולוגיית אצות זו נבדקה ושימשה כחלופה לטכניקות הפיזיקוכימיות הקשות והיקרות לטיהור ביוגז. בפרט, הסוג Arthrospira נמצא בשימוש נרחב למטרה ספציפית זו, יחד עם כלורלה. עם זאת, ישנן מתודולוגיות מעטות הנעשות בקנה מידה תעשייתי למחצה, מה שמוסיף ערך להליך זה.

חיוני לשמור על ריכוזי O2 נמוכים יותר על ידי שימוש ביחס L/G נכון; עם זאת, הדבר תלוי באזור שבו פרוטוקול זה יוחל. תכולת החמצן מווסתת מאוד בביו-מתאן עקב סכנת פיצוץ וקורוזיה בצנרת. מדינות מסוימות באיחוד האירופי דורשות שתכולה תהיה נמוכה כמו 1%vol 29,30,31. מתאן, לעומת זאת, חייב להיות בריכוז של יותר מ 65% vol31. במקסיקו, אין כמעט רגולציה לגבי ביוגז וביו-מתאן, שכן הוא נחשב שווה ערך לגז טבעי, שם על פי תקנים מקסיקניים32, התוכן המינימלי של CH4 בביו-מתאן הוא 84%vol ותכולת O2 מקסימלית של 0.20% vol מותרת.

בנוסף, pH קובע במידה רבה את סילוקCO2, יותר מאשר L/G, במהלך הגידול, ולכן זה קריטי לשמור על שליטה נאותה של pH לאורך כל המתודולוגיה, במיוחד במהלך ביוגז מבעבע. חשוב להבין כי ברגע ש-CO2 מסיס בנוזל, יש שיווי משקל כימי שמשפיע ישירות על רמות ה-pH. ברמות ה- pH שתרבויות אלה התנודדו סביבן (8.5-9.5), ביקרבונטים הם הצורה שבה מולקולה זו נמצאת, עם עלייה קלה של קרבונטים בקצה העליון של טווח ה- pH33. בצורה זו, המיקרו-אצות מסוגלות גם לעכל את הפחמן במהלך התגובות החשוכות של הפוטוסינתזה כדי לייצר פחמימות34. גם העיתוי של בעבוע הביוגז חשוב, ומומלץ לשמור על בעבוע בשעות היום. עם זאת, L/G משפיע גם על הסרתCO2 ועל pH, כפי שניתן לראות באיור 5. אחוזי ההסרה וה-pH ביחס של 1.58 היו פחות עקביים ונמוכים בהרבה מאלה שנרשמו ביחס של 1.64. ניתן לייחס התנהגות זו לצריכה גבוהה יותר של גז ביחס המחזור (יותר גז יוצר יחס קטן יותר), אשר הוריד את ה- pH בקצב מהיר יותר. עם זאת, ניתן גם לטעון כי ה- pH ההתחלתי עבור 1.64 היה גבוה יותר, אשר העדיף את ההתנהגות האגירה של יעילות סילוק CO2 במהלך בדיקה זו. L/G בפרוטוקול זה נשלט באמצעות כמות הביו-גז המבעבע; עם זאת, פרוטוקולים אחרים משנים את קצב הנוזל המחזורי, שהוא גם אופציה. יתר על כן, לא ניתן לבעבע ביוגז בלילה בשל החמצת התרבית וחילוף החומרים של האצות, שכן אין אור מלאכותי בשלב זה.

תופעה נוספת שמציגה שונות בתוקף התוצאות היא בעבוע האוויר לסירוגין המשמש למניעת שקיעת ביומסה בכורים, המונע עיכוב גדילה על ידי הצטברות חמצן. עם זאת, לא ניתן להימנע מכך אם משתמשים בשיטה זו. חלופה למבעבעי אוויר היא הוספת גלגלי משוטים נוספים כדי לשפר את התנועה לאורך הכור, מה שעשוי להיות יעיל בניסויים אחרים. מצד שני, שטחי הקרקע הנרחבים הדרושים להתקנת הכורים, כמו גם הצריכה המשמעותית של מים כדי להפעיל ולתחזק את המערכת על מנת להשיג תפוקה ביו-מתאן הוגנת.

חשוב לציין כי תהליך דגימה רגיל זה משתמש בעקומת כיול משקל הביומסה - ספיגה (איור 9), כאשר המתאם בין הנתונים הוא כמעט 1 (0.9995); בעוד שהשיטה אולי אינה מבוססת על מאמר קודם על אותן אצות, מקדם הקביעה מראה קשר סטטיסטי חזק לכך ששיטה זו אמינה. יתר על כן, רלוונטי לתאר את חשיבות הדיגום והקטיף הן במתודולוגיה כמו זו. הדגימה אפשרה תחזוקה נאותה של תרבית האצות, ואילו הקציר שירת מטרה משולשת: ראשית, הוא נמנע מעיכוב גדילה בשל צפיפות יתר בתרבית שעלולה לגרום להצטברות חמצן35; שנית, התאוששות ביומסה של אצות יכולה להוביל להזדמנויות כלכליות נוספות; ולבסוף, היא העניקה הזדמנות נוספת למדוד את מגמת הצמיחה של התרבות.

עם זאת, קביעת המומנטים המתאימים לקציר (שבפרוטוקול זה מוגדרים על ידי תוצאות הדגימה) היא גם צעד קריטי מכיוון שהיא מורידה את הביומסה בכורים. ריכוז ביומסה נמוך יותר משפיע על pH וסילוקCO2 כמחזור: בתנאי מערכת שליליים (למשל, בערכי pH נמוכים יותר), צמיחת הביומסה מאטה, מה שבתורו מוריד את יכולת המערכת לסלקCO2 מכיוון שיש פחות ביומסה לעכל אותו; יותרCO2 מומס יחמיץ, את אמצעי התרבות, ויסגור את מעגל36. גורמים רבים אחרים תורמים לצמיחת pH וביומסה, שאין להתעלם מהם בפישוט יתר זה של סיבה-תוצאה; זמינות חנקן יכולה להיות חשובה ביותר עבור אצות Arthrospira maxima, כמו גם תנאי אקלים כמו טמפרטורה ועוצמת אור16,36, אשר לא ניתן לשלוט במערכת כמו זו. לדוגמה, תוספת של אוריאה, כפי שניתן לראות באיור 4, היא הוכחה שחנקן, יחד עם ערכי pH גבוהים יותר, יכולים לווסת מערכת אצות.

מגבלות נוספות של שיטה זו קשורות לפריון הקציר, שבהשוואה לדגימה, הוא כ-50% פחות יעיל, מה שמעכב את הכדאיות הכלכלית של המערכת ויחייב שיפור של טכניקות הסינון. תוצאות הקציר מוערכות יתר על המידה ב-6% (כפי שנמדד לאחר מכן בשיטות משקל יבש סטנדרטיות), בהתחשב בכך שתנאי הייבוש בחלק זה של הפרוטוקול אינם מביאים לסילוק מלא של המים. בנושא הביומסה, תוצאות הדגימה (כולל עקומת הכיול) מוערכות יתר על המידה בלפחות 5% בשל חיסול לא מלא של מים במתודולוגיה19; עם זאת, מאז השגיאה היא שיטתית, מומלץ רק להמשיך עם ניתוח thermogravimetric כדי לאמת את תכולת המים בתרבות לשקול ולבצע את התיקונים האנליטיים לתוצאות ועקומת כיול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ניגוד עניינים. המחברים מצהירים כי אין להם ניגוד עניינים.

Acknowledgments

אנו מודים לפרויקט DGAPA UNAM מספר IT100423 על המימון החלקי. אנו מודים גם ל-PROAN ול-GSI על שאפשרו לנו לחלוק חוויות טכניות בנוגע לביו-גז הפוטוסינתטי שלהם המשדרגים מתקנים מלאים. התמיכה הטכנית של פדרו פסטור הרננדס גררו, קרלוס מרטין סיגאלה, חואן פרנסיסקו דיאז מארקס, מרגריטה אליזבת סיסנרוס אורטיז, רוברטו סוטרו בריונס מנדז ודניאל דה לוס קובוס ואסקונסלוס מוערכת מאוד. חלק ממחקר זה נעשה במעבדה להנדסה סביבתית IIUNAM עם תעודת ISO 9001:2015.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1" rotameter CICLOTEC N/A
1" rotameter GPI A10-LMA100IA1
Absorption tank EFISA Made under previous design
Air blower (2.35 HP) Elmo Rietschle 2BH11007AH01
Biogas blower (2 HP) Elmo Rietschle 2BH11007AH01
Biogas composition measure Geotech BIOGAS 5000
Data-acquisition device LabJack Co. U3-LV
Diffuser tubes Aero-Tube C3060AR
DO sensor Applisens Z10023525
Dodecahydrated trisodium phosphate  Quimica PIMA N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Dodecahydrated trisodium phosphate  Fermont 35963 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Durapore membrane (45 µm) MerckMillipore HVLP04700 
Electric motor 1.5 HP Weg 00158ET3ERS56C
Ferrous sulfate heptahydrate Agroquimica Samet N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Ferrous sulfate heptahydrate Fermont 63593 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Geomembrane GEOSINCERE N/A
Magnesium sulfate heptahydrate Tepeyac N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Magnesium sulfate heptahydrate Fermont 63623 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Paddle wheel GSI Made under previous design
pH sensor Van London pHoenix 715-772-0041
Portable screen Rasspberry Pi 3 B+
Recirculation centrifugal pump (1.5 HP) Aquapak  ALY 15
Sodium bicarbonate Industria del alcali N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium bicarbonate Fermont 12903 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium chloride Sal Colima N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium chloride Fermont 24912 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium nitrate Vitraquim N/A Fertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium nitrate Fermont 41903 Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Storing program (pH, DO)  Python Software Foundation  Python IDLE 2.7
Tedlar bags SKC Inc. 232-25
Temperature recorder T&D TR-52i
UV-Vis Spectrophotometer ThermoFisher Scientific instrument GENESYS 10S 
Vacuum pump EVAR EV-40

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Muñoz, R., Meier, L., Diaz, I., Jeison, D. A review on the state-of-the-art of physical/chemical and biological technologies for biogas upgrading. Rev Environ Sci Biotechnol. 14, 727-759 (2015).
  2. Karimi, B., Shokrinezhad, B. Air pollution and mortality among infant and children under five years: A systematic review and meta-analysis. Atmospheric Pollut Res. 11 (6), 61-70 (2020).
  3. Koengkan, M., Fuinhas, J. A., Silva, N. Exploring the capacity of renewable energy consumption to reduce outdoor air pollution death rate in Latin America and the Caribbean region. Environ Sci Pollut Res. 28, 1656-1674 (2021).
  4. Alvarez-Herranz, A., Balsalobre-Lorente, D., Shahbaz, M., Cantos, J. M. Energy innovation and renewable energy consumption in the correction of air pollution levels. Energy Policy. 105, 386-397 (2017).
  5. Razmjoo, A., et al. A technical analysis investigating energy sustainability utilizing reliable renewable energy sources to reduce CO2 emissions in a high potential area. Renew Energy. 164, 46-57 (2021).
  6. Franco-Morgado, M., Tabaco-Angoa, T., Ramírez-García, M. A., González-Sánchez, A. Strategies for decreasing the O2 content in the upgraded biogas purified via microalgae-based technology. J Environ Manage. 279, 111813 (2021).
  7. Bailón, L., Hinge, J. Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , Danish Technological Institute, Aarhus. (2012).
  8. Persson, M., Jonsson, O., Wellinger, A. Biogas Upgrading to Vehicle Fuel Standards and Grid Injection. Brochure of IEA Task 37. Energy from Biogas and Landfill Gas. , (2006).
  9. Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas -- a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
  10. Toro-Huertas, E. I., Franco-Morgado, M., de los Cobos Vasconcelos, D., González-Sánchez, A. Photorespiration in an outdoor alkaline open-photobioreactor used for biogas upgrading. Sci Total Environ. 667, 613-621 (2019).
  11. Cozma, P., Wukovits, W., Mămăligă, I., Friedl, A., Gavrilescu, M. Modeling and simulation of high pressure water scrubbing technology applied for biogas upgrading. Clean Technol Environ Policy. 17, 373-391 (2015).
  12. Sheets, J. P., Shah, A. Techno-economic comparison of biogas cleaning for grid injection, compressed natural gas, and biogas-to-methanol conversion technologies: Techno-economic analysis of existing and emerging biogas upgrading technologies. Biofuels Bioprod Biorefining. 12, 412-425 (2018).
  13. Toledo-Cervantes, A., Estrada, J. M., Lebrero, R., Muñoz, R. A comparative analysis of biogas upgrading technologies: Photosynthetic vs physical/chemical processes. Algal Res. 25, 237-243 (2017).
  14. Marín, D., et al. Anaerobic digestion of food waste coupled with biogas upgrading in an outdoors algal-bacterial photobioreactor at pilot scale. Fuel. 324, 124554 (2022).
  15. Bahr, M., Díaz, I., Dominguez, A., González Sánchez, A., Muñoz, R. Microalgal-biotechnology as a platform for an integral biogas upgrading and nutrient removal from anaerobic effluents. Environ Sci Technol. 48 (1), 573-581 (2014).
  16. Franco-Morgado, M., Alcántara, C., Noyola, A., Muñoz, R., González-Sánchez, A. A study of photosynthetic biogas upgrading based on a high rate algal pond under alkaline conditions: Influence of the illumination regime. Sci Total Environ. 592, 419-425 (2017).
  17. Jourdan, J. P. Manuel de culture artisanale de spiruline. , https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006).
  18. Lu, L., Yang, G., Zhu, B., Pan, K. A comparative study on three quantitating methods of microalgal biomass. Indian J Geo-Mar Sci. 46, 2265-2272 (2017).
  19. Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
  20. Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
  21. Serejo, M. L., et al. Influence of biogas flow rate on biomass composition during the optimization of biogas upgrading in microalgal-bacterial processes. Environ Sci Technol. 49 (5), 3228-3236 (2015).
  22. Toledo-Cervantes, A., Madrid-Chirinos, C., Cantera, S., Lebrero, R., Muñoz, R. Influence of the gas-liquid flow configuration in the absorption column on photosynthetic biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Bioresour Technol. 225, 336-342 (2017).
  23. Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
  24. González Sánchez, A., FloresMárquez, T. E., Revah, S., Morgan Sagastume, J. M. Enrichment and cultivation of a sulfide-oxidizing bacteria consortium for its deploying in full-scale biogas desulfurization. Biomass Bioenergy. 66, 460-464 (2014).
  25. González-Sánchez, A., Posten, C. Fate of H2S during the cultivation of Chlorella sp. deployed for biogas upgrading. J Environ Manage. 191, 252-257 (2017).
  26. Hussain, F., et al. Microalgae an ecofriendly and sustainable wastewater treatment option: Biomass application in biofuel and bio-fertilizer production. A review. Renew Sustain Energy Rev. 137, 137 (2021).
  27. lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
  28. Deepika, P., MubarakAli, D. Production and assessment of microalgal liquid fertilizer for the enhanced growth of four crop plants. Biocatal Agric Biotechnol. 28, 101701 (2020).
  29. Huguen, P., Le Saux, G. Perspectives for a european standard on biomethane: a Biogasmax proposal. , https://trimis.ec.europa.eu/sites/default/files/project/documents/20120601_135059_69928_d3_8_new_lmcu_bgx_eu_standard_14dec10_vf__077238500_0948_26012011.pdf (2010).
  30. Gas Networks, Ireland. Biomethane - Oxygen Content Assessment. , https://www.gasnetworks.ie/docs/corporate/gas-regulation/Oxygen-concentration-report-17985-AI-RPT-001-Rev-5-Biomethane-review-Penspen.pdf (2018).
  31. Wellinger, A. European biomethane standards for grid injection and vehicle fuel use. , European Biogas Association. https://www.biosurf.eu/wordpress/wp-content/uploads/2015/06/9.-Arthur_Wellinger.pdf (2017).
  32. Diario Oficial de la Federación. NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SECRE-2010, Especificaciones del gas natural (cancela y sustituye a la NOM-001-SECRE-2003, Calidad del gas natural y la NOM-EM-002-SECRE-2009, Calidad del gas natural durante el periodo de emergencia severa). , https://www.dof.gob.mx/normasOficiales/3997/sener/sener.html (2010).
  33. Sharifian, R., Wagterveld, R. M., Digdaya, I. A., Xiang, C., Vermaas, D. A. Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle. Energy Environ Sci. 14, 781-814 (2021).
  34. Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , John Wiley & Sons. (2013).
  35. Rendal, C., Witt, J., Preuss, T. G., Ashauer, R. A framework for algae modeling in regulatory risk assessment. Environ Toxicol Chem. 42 (8), 1823-1838 (2023).
  36. Alami, A. H., Alasad, S., Ali, M., Alshamsi, M. Investigating algae for CO2 capture and accumulation and simultaneous production of biomass for biodiesel production. Sci Total Environ. 759, 143529 (2021).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 205 יחסי נוזל/ביוגז L/G מימן גופרתי Arthrospira maxima פוטוסינתטי ספיגה
טיהור ביוגז באמצעות שימוש במערכת מיקרו-אצות-חיידקים בבריכות אצות חצי תעשייתיות בקצב גבוה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vega Blanes, M.,… More

Vega Blanes, M., Pérez-Hermosillo, I. J., Ramírez Rueda, A., González Sánchez, A. Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds. J. Vis. Exp. (205), e65968, doi:10.3791/65968 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter