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Methodenartikel

Biogasreinigung durch den Einsatz eines Mikroalgen-Bakterien-Systems in semi-industriellen Hochstrom-Algenteichen

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DOI:

10.3791/65968

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22. März 2024

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1Instituto de Ingeniería, Ciudad Universitaria, Universidad Nacional Autónoma de México, 2Granos y Servicios Integrales

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Luftverschmutzung wirkt sich auf die Lebensqualität aller Organismen aus. Hier beschreiben wir den Einsatz der Mikroalgen-Biotechnologie zur Aufbereitung von Biogas (gleichzeitige Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff) und die Produktion von Biomethan durch semi-industrielle offene Hochraten-Algenteiche und die anschließende Analyse der Aufbereitungseffizienz, des pH-Werts, des gelösten Sauerstoffs und des Mikroalgenwachstums.

Zusammenfassung

In den letzten Jahren sind eine Reihe von Technologien entstanden, um Biogas zu Biomethan zu reinigen. Diese Reinigung beinhaltet eine Verringerung der Konzentration von umweltschädlichen Gasen wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff, um den Methangehalt zu erhöhen. In dieser Studie haben wir eine Mikroalgenkultivierungstechnologie verwendet, um Biogas, das aus organischen Abfällen aus der Schweineindustrie hergestellt wird, zu behandeln und zu reinigen, um gebrauchsfertiges Biomethan zu erhalten. Für die Kultivierung und Reinigung wurden zwei 22,2m3 große Open-Pond-Photobioreaktoren gekoppelt mit einem Absorptions-Desorptions-Kolonnensystem in San Juan de los Lagos, Mexiko, errichtet. Es wurden mehrere Rezirkulations-Flüssigkeits-/Biogas-Verhältnisse (L/G) getestet, um die höchsten Abscheidewirkungsgrade zu erzielen. andere Parameter wie pH-Wert, gelöster Sauerstoff (DO), Temperatur und Biomassewachstum wurden gemessen. Die effizientesten L/G-Werte waren 1,6 und 2,5, was zu einem behandelten Biogasablauf mit einer Zusammensetzung von 6,8 Vol.-% bzw. 6,6 Vol.-% inCO2 und einer Abscheideeffizienz fürH2Svon bis zu 98,9 % sowie zur Aufrechterhaltung vonO2-Kontaminationswerten von weniger als 2 Vol.-% führte. Wir fanden heraus, dass der pH-Wert die CO2 - Entfernung während der Kultivierung stärker bestimmt als L/G, da er am Photosyntheseprozess von Mikroalgen beteiligt ist und aufgrund seiner sauren Natur den pH-Wert bei der Lösung variieren kann. DO, und die Temperatur oszillierte, wie erwartet aus den natürlichen Hell-Dunkel-Zyklen der Photosynthese bzw. der Tageszeit. Das Wachstum der Biomasse variierte mit der CO2 - und Nährstoffzufuhr sowie der Reaktorernte; Der Trend blieb jedoch auf Wachstum ausgerichtet.

Einleitung

In den letzten Jahren sind mehrere Technologien entstanden, um Biogas zu Biomethan zu reinigen, seine Verwendung als nicht-fossiler Brennstoff zu fördern und so die unvermeidbaren Methanemissionen zu verringern1. Luftverschmutzung ist ein Problem, das den größten Teil der Weltbevölkerung betrifft, insbesondere in städtischen Gebieten. Schließlich atmen rund 92 % der Weltbevölkerung verschmutzte Luftein 2. In Lateinamerika werden die Luftverschmutzungsraten hauptsächlich durch die Verwendung von Brennstoffen verursacht, wobei im Jahr 2014 48 % der Luftverschmutzung durch den Sektor der Strom- und Wärmeerzeugung verursacht wurden3.

In den letzten zehn Jahren wurden immer mehr Studien über den Zusammenhang zwischen Schadstoffen in der Luft und dem Anstieg der Sterblichkeitsraten vorgeschlagen, wobei argumentiert wurde, dass es eine starke Korrelation zwischen beiden Datensätzen gibt, insbesondere bei Kindern.

Um ein Fortbestehen der Luftverschmutzung zu vermeiden, wurden mehrere Strategien vorgeschlagen. Eine davon ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, einschließlich Windkraftanlagen und Photovoltaikzellen, die die Freisetzung von CO2 in die Atmosphäre verringern 4,5. Eine weitere erneuerbare Energiequelle ist Biogas, ein Nebenprodukt der anaeroben Vergärung organischer Stoffe, das zusammen mit einem flüssigen organischen Gärrest entsteht6. Dieses Gas besteht aus einem Gemisch von Gasen, deren Anteile von der Quelle der organischen Substanz abhängen, die für die anaerobe Vergärung verwendet wird (Klärschlamm, Rindermist oder agroindustrielle Bioabfälle). Im Allgemeinen sind diese Anteile 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), Kohlenwasserstoffe (0-200 mg/m3) und Siloxane (0-41 mg/m3)7,8,9, wobei die wissenschaftliche Gemeinschaft an dem Methangas interessiert ist, da es die erneuerbare Energiekomponente des Gemisches ist.

Biogas kann jedoch nicht einfach so verbrannt werden, wie es gewonnen wird, da die Nebenprodukte der Reaktion schädlich und verunreinigend sein können. Dies erhöht die Notwendigkeit, das Gemisch zu behandeln und zu reinigen, um den Methananteil zu erhöhen und den Rest zu verringern, wodurch es im Wesentlichen in Biomethan umgewandelt wird10. Dieser Vorgang wird auch als Upgrade bezeichnet. Auch wenn es derzeit kommerzielle Technologien für diese Behandlung gibt, haben diese Technologien mehrere wirtschaftliche und ökologische Nachteile 11,12,13. Zum Beispiel weisen Systeme mit Aktivkohle- und Wasserwäsche (ACF-WS), Druckwasserwäsche (PWS), Gaspermeation (GPHR) und Druckwechseladsorption (PSA) einige wirtschaftliche oder andere Nachteile der Umweltauswirkungen auf. Eine praktikable Alternative (Abbildung 1) ist der Einsatz biologischer Systeme, wie sie Mikroalgen und in Photobioreaktoren gezüchtete Bakterien kombinieren. Zu den Vorteilen gehören die Einfachheit des Designs und der Bedienung, die niedrigen Betriebskosten sowie der umweltfreundliche Betrieb und die Nebenprodukte 10,13,14. Wenn Biogas zu Biomethan gereinigt wird, kann letzteres als Ersatz für Erdgas verwendet werden, und die Gärreste können als Nährstoffquelle eingesetzt werden, um das Wachstum von Mikroalgen im System zu unterstützen10.

Eine Methode, die bei diesem Aufbereitungsverfahren weit verbreitet ist, ist das Wachstum von Mikroalgen in offenen Laufbahn-Photoreaktoren in Verbindung mit einer Absorptionssäule aufgrund der geringeren Betriebskosten unddes minimalen Investitionskapitals 6. Der am häufigsten verwendete Typ von Raceway-Reaktor für diese Anwendung ist der High-Rate Alg Pond (HRAP), bei dem es sich um einen flachen Laufbahnteich handelt, in dem die Zirkulation der Algenbrühe über ein Schaufelrad mit geringer Leistung14 erfolgt. Diese Reaktoren benötigen große Flächen für ihre Installation und sind sehr anfällig für Kontaminationen, wenn sie unter Außenbedingungen eingesetzt werden. Bei Biogasreinigungsprozessen wird empfohlen, alkalische Bedingungen (pH > 9,5) und die Verwendung von Algenarten zu verwenden, die bei höheren pH-Werten gedeihen, um die Entfernung von CO2 und H2S zu verbessern und gleichzeitig eine Kontamination zu vermeiden15,16.

Diese Forschung zielte darauf ab, die Effizienz der Biogasaufbereitung und die Endproduktion von Biomethan unter Verwendung von HRAP-Photobioreaktoren in Verbindung mit einem Absorptions-Desorptions-Säulensystem und einem Mikroalgenkonsortium zu bestimmen.

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Protokoll

1. Aufbau des Systems

HINWEIS: Ein Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm (P&ID) des in diesem Protokoll beschriebenen Systems ist in Abbildung 2 dargestellt.

  1. Aufbau des Reaktors
    1. Bereiten Sie den Boden vor, indem Sie ihn nivellieren und verdichten, um die Stabilität des Reaktors zu verbessern.
    2. Auf offenem Feld zwei Langlöcher graben und 3 m vom Ende entfernt ein3 m 2 und 1 m tiefes Loch graben (bekannt als Belüftungsbrunnen).
    3. Platzieren Sie zwei HRAPs (Abbildung 3) im Raum auf mit Dichtungsmembranen bedeckten Metallträgern. Jeder Reaktor muss eine Betriebskapazität von 22,2m3 haben.
    4. Platzieren Sie eine Luftpumpe pro Reaktor mit einer Leistung von 1728,42 Watt (2,35 PS) in der Nähe der Stelle, an der die Belüftungsbrunnen gegraben wurden.
    5. Befestigen Sie ein Schaufelrad (bewegt von einem 1103,24 Watt [1,5 PS] starken Elektromotor) über dem Reaktor, um den Kontakt zwischen Biomasse und Medien zu fördern.
  2. Aufbau der Gasaufbereitung (Abbildung 4)
    1. Bauen Sie die Desorptionssäule mit einem 6-Zoll-Rohr aus Polyvinylchlorid (PVC) auf, bei dem der Eingangsstrom 2 m von der abgedeckten Oberseite und der Ausgangsstrom von unten eintritt (Abbildung 2).
    2. Stellen Sie den Absorptionsbehälter (Vt: 2,55 m3) auf, in dem der gasförmige Einlassstrom (unbehandeltes Biogas) von unten durch 11 Diffusorrohre geleitet wird und aus dem anaeroben Fermenter durch eine 4-Zoll-PVC-Rohrleitung durch ein Biogasgebläse, ein 1-Zoll-Rotameter und eine Probenahmeöffnung fließt, während die Flüssigkeit aus der Medienrückführung nach der Desorptionssäule am Boden des Tanks kommt. Der Flüssigkeitsauslass befindet sich an der Seite des Tanks. Er transportiert das mit CO2 angereicherte Medium zur Niveauregulierungssäule, und das Gas tritt aus dem Auslass an der Oberseite des Tanks aus, der mit einer 1-Zoll-PVC-Rohrleitung verbunden ist, um das gewonnene Biomethan zu einem Brenner für seine kontinuierliche Verbrennung zu leiten (Abbildung 2).
    3. Verbinden Sie den Absorptionstank über einen 4-Zoll-PVC-Schlauch mit der Desorptionssäule und führen Sie ihn zwischen beiden Arbeitsgängen durch eine Probenahmeöffnung (Abbildung 2).
    4. Bauen Sie die Niveauregulierungssäule mit einem 6-Zoll-PVC-Rohr auf, bei dem sich der Einlass unten befindet. Es verfügt über zwei Auslässe (gesteuert mit Absperrklappen), je nach den Anforderungen des Systems; der erste befindet sich in einer Höhe von 2,5 m und der zweite in 3 m Höhe über dem Boden (Abbildung 2).
    5. Verbinden Sie die HRAP-Photobioreaktoren über eine 2-Zoll-PVC-Rohrleitung mit der 6-Zoll-Desorptionssäule und durchlaufen Sie eine Umwälzkreiselpumpe (1103,24 Watt [1,5 PS]) und ein 1-Zoll-Rotameter (Abbildung 2).
    6. Verbinden Sie die Niveauregulierungssäule durch ein 4-Zoll-PVC-Rohr mit einem PVC-Rohr der Liste 40 und führen Sie es durch eine Probenahmeöffnung. Verbinden Sie es als Nächstes mit einem Teil eines flexiblen PVC-Schlauchs, gefolgt von einem weiteren PVC-Schlauch der Liste 40 und schließlich einem 4-Zoll-PVC-Schlauch, der sich zu den HRAP-Photobioreaktoren öffnet (Abbildung 2).
    7. Richten Sie den Bypass der Desorptionssäule mit einer 2"-PVC-Rohrleitung ein und verbinden Sie ihn mit dem Hauptrohr vor der Probenahmeöffnung (Abbildung 2).

2. Funktionsprüfung des Systems

  1. Umwälzkreiselpumpe (1103,24 Watt [1,5 PS])
    1. Um die maximale Durchflussmenge der Pumpe zu bestimmen, saugen Sie den Innenraum mindestens 10 Minuten lang an, um Luftansaugung zu vermeiden, und starten Sie sie mit 230 V und 1 Phase.
    2. Testen Sie den Rezirkulationsfluss, indem Sie ihn durch das 1"-Rotameter fließen lassen.
  2. Biogas-Sprudelanlage
    1. Um die Kraft zu bestimmen, die erforderlich ist, um mindestens eine Luftsäule von 200 mbar zu blasen, werden mindestens 3 Gebläse mit unterschiedlichen Leistungen (485,52 Watt [0,66 PS], 1838,74 Watt [2,5 PS] und 3309,74 Watt [4,5 PS]) getestet, indem Luft in den Absorptionstank geblasen wird.
    2. Überprüfen Sie visuell die Größe und Verteilung der Luftblasen im Tank. Unter den hier beschriebenen Betriebsbedingungen beträgt der prognostizierte durchschnittliche Durchmesser der Blasen 3 mm.

3. Inokulation und Wachstum unter Innenraumbedingungen

  1. Ein reiner Stamm von Arthrospira maxima wird von Agarplatten in 15 ml wässriges Mineralmedium17 (NaHCO3 [10 g/L], Na3PO4 ·12H2O [0,033 g/L], NaNO3 [0,185 g/L], MgSO4 ·7H2O [0,014 g/L], FeSO4 ·7H2O [0,0008 g/L], NaCl [0,4 g/L]) überführt.
  2. Skalieren Sie die Kultur auf 500-ml-Kolben mit unschädlichem wässrigem Jourdan-Medium, wobei 100 % des Kolbenvolumens verwendet werden, und lassen Sie sie in 12 Stunden lichter/12 h dunkler Photoperiode unter Verwendung von LED-Lampen (Light Emitting Dioden) mit SMD 2835 wachsen, die kaltes Licht mit 2000 lm und unter kontinuierlichem Mischen durch Luftblasenbildung (0,3 l/min oder 0,6 vvm) liefern. (Schritt dauert ca. 1 Monat).
  3. Setzen Sie den Skalierungsprozess fort, indem Sie 20 % des vorherigen Volumens zum neuen Volumen hinzufügen, bis 50 l erreicht sind.
  4. Anpassung der Kultur an die natürlichen Lichtverhältnisse und Jourdan-Nährmedien in einem Gewächshaus in transparenten 50-Liter-Säcken (Schritt ca. 2 Monate).
  5. Fahren Sie unter diesen Bedingungen mit der Skalierung bis zu 5 m3 HRAP-Photobioreaktoren fort (Schritt dauert etwa 2 Monate).

4. Inbetriebnahme der Anlage unter Außenbedingungen

  1. Addieren Sie das gesamte Volumen dieser 5m3 HRAP-Photobioreaktoren zu HRAPs Photobioreaktoren von 13m3 , die sich im Freien befinden, und füllen Sie den Rest des Volumens mit Jourdan-Nährmedium. Beginnen Sie mit dem Mischen durch ein Schaufelrad mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/s und kultivieren Sie es 15 Tage lang im Batch-Modus oder bis es 0,7 g/L erreicht (Schritt dauert etwa 1 Monat).
  2. Sobald das Wachstum 0,7 g/L erreicht, wird das Volumen auf die 22,2m3 HRAP übertragen, der Rest mit Jourdan-Medien gefüllt und das Schaufelrad auf eine Geschwindigkeit von 30 cm/s eingestellt. Lassen Sie die Biomasse wachsen, bis sie 0,7 g/L und einen pH-Wert von 10 erreicht. Sobald diese Bedingungen erfüllt sind, beginnen Sie bei Bedarf mit der Probenahme und Ernte.
  3. Starten Sie die Flüssigkeitsrückführung vom HRAP-Photobioreaktor zum Absorptionstank mit variablem Durchfluss, um die Produktivität der Biomasse zu erhöhen. Biogas wird nach 2 h mit einem durchschnittlichen Durchfluss von 3,5 m3/h sprudeln, um der Kultur anorganischen Kohlenstoff zuzuführen. Achten Sie auf den pH-Wert, da dieser über 9 bleiben muss.
    HINWEIS: Bevor Sie das Medium durch den Absorptionstank umwälzen, lassen Sie die oben beschriebene Kreiselpumpe ansezieren.
  4. Nährstoffzugabe: Überwachen Sie die Nährstoffbedingungen wöchentlich während der Ernte und die Gesamtstickstoffbilanz unter der Annahme eines stabilen Zustands, die wie folgt berechnet wird:
    MNaNO3 = (MBiomasse x 0,10)/0,12 [g]
    Wo:
    MNaNO3 = Natriumnitratmasse [g]
    MBiomasse = Geerntete Biomasse [g]
    1.10: Massenausbeute Stickstoff/Biomasse16 [g/g]
    1.12: Massenanteil von Stickstoff in Natriumnitrat [g/g]
  5. Mit den Ergebnissen der Stickstoffbilanz wird das Jourdan-Medium neu formuliert, um die proportionale Menge an Na3PO4·12H2O, MgSO4·7H2Ound FeSO4·7H2Ohinzuzufügen. Fügen Sie nicht mehr Natriumbicarbonat oder Natriumchlorid hinzu.
    HINWEIS: Lösen Sie die Nährstoffe in sauberem Wasser auf, bevor Sie sie in die Reaktoren geben.
  6. Überwachen Sie die Wasserverdunstung und fügen Sie sie bei Bedarf wöchentlich hinzu.

5. Probenahme und Analyse

  1. Biogas
    1. Das Biogas wird aus der Probenahmestelle vor dem Absorptionsbehälter und aus der Probenahmestelle nach der Tankfüllung entnommen, indem ein 10-Liter-Polyvinylfluoridbeutel mit einem flexiblen Schlauch mit geeignetem Durchmesser an den Auslass angeschlossen wird. Legen Sie sie jeweils in separate Polyvinylfluoridbeutel.
    2. Kalibrieren Sie den tragbaren Gasanalysator, indem Sie den Druckwandler auf Null stellen und auf die Stabilisierung warten. Drücken Sie dazu auf "Start" und dann auf "Weiter" und schließen Sie ein durchsichtiges Röhrchen und ein gelbes Röhrchen an, wie vom Analysator angegeben. Drücken Sie auf Weiter und abschließend auf Gasmesswerte.
    3. Schließen Sie jede in den Polyvinylfluoridbeuteln enthaltene Probe an den Analysator an, drücken Sie auf Weiter und messen Sie die CH4-, CO2-,O2- undH2S-Konzentrationen als %vol von beiden Punkten des Systems.
    4. Bestimmen Sie das volumetrische Rezirkulationsverhältnis von Flüssigkeit zu Biogas (L/G), indem Sie den Flüssigkeitsrezirkulationsstrom durch den Biogasproduktionsstrom dividieren. Berechnen Sie den entsprechenden Gasstrom (m3/h), der die höchste Effizienz der CO2 - und H2S-Entfernung aufweist.
  2. Online-Messung von Systemzuständen (pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Temperatur)
    1. Kalibrieren Sie alle Sensoren nach den Vorgaben des Herstellers.
    2. Platzieren Sie einen pH-Sensor, einen Sensor für gelösten Sauerstoff (DO) und einen Temperatursensor in der Flüssigkeit jedes HRAP.
      HINWEIS: Die Marke und die Spezifikationen für die einzelnen Sensoren finden Sie in der Materialtabelle.
    3. Schließen Sie die pH- und Sauerstoffsensoren an ein Datenerfassungsgerät an, das aus einem 1,4-GHz-64-Bit-Quad-Core-Prozessor besteht, der mit einem tragbaren Bildschirm verbunden ist, auf dem ein vorgefertigtes Python-Programm gespeichert ist, das in der integrierten Entwicklungs- und Lernumgebung (IDLE) 2.7 geschrieben wurde.
      1. Öffnen Sie das Programm über den Bildschirm und geben Sie die Zeitintervalle an, in denen jeder Datenpunkt gespeichert werden soll (in diesem Fall alle 2 Minuten).
      2. Erstellen Sie eine Tabelle, in der das Programm die gesammelten Daten automatisch speichert.
      3. Klicken Sie auf die Schaltfläche EIN, um anzuzeigen, dass sie bereit ist, mit dem Speichern von Daten zu beginnen.
      4. Um die Datenerfassung zu stoppen, klicken Sie auf die Schaltfläche mit der Aufschrift OFF.
      5. Um die Informationen herunterzuladen, schließen Sie einen USB-Bus (Universal Serial Bus) an und importieren Sie die Tabelle.
    4. Schließen Sie den Temperatursensor an einen Thermoschreiber an, um die während der Experimente aufgezeichneten Daten zu speichern.
  3. Kurze explorative Tests
    1. Bestimmen Sie die effizienteste L/G
      1. Regulieren Sie den eingehenden Biogasstrom, um den zu prüfenden L/G-Wert auszuwählen (0,5, 1, 1,5, 1,6, 2, 2,5, 3,3, 3,4).
      2. Messen Sie den pH-Wert und die Ein- und Auslasskonzentrationen jedes Gases (CH4, CO2, H2S, O2, N2) zu Beginn und alle 15 Minuten für eine Stunde (60 Minuten) mit den zuvor beschriebenen Geräten.
      3. Bestimmen Sie die effizienteste L/G, indem Sie die Auslasswerte vergleichen, und wählen Sie diejenige aus, die je nach den Anforderungen des Experiments am besten geeignet ist.
    2. Zusammenhang zwischen L/G, pH und CO2
      1. Wählen Sie mindestens zwei L/G's zum Vergleich.
      2. Für jedes L/G sind der pH-Wert und die Ein- und Auslasskonzentrationen von CO2 sowie von H2S, O2 und N2 als Kontrolle zu Beginn alle 15 Minuten für 60 Minuten und dann stündlich für insgesamt 5 Stunden mit den zuvor beschriebenen Instrumenten zu messen.
      3. Berechnen Sie den prozentualen Anteil der CO2 -Entfernung anhand der folgenden Gleichung:
        %CO2 -Entfernung = ((CO2in - CO2out)/(CO2in)) x 100
      4. Stellen Sie die Ergebnisse grafisch dar und vergleichen Sie das Verhalten von pH und CO2 für jeden der getesteten L/G's.
  4. Kalibrierungskurve zur Korrelation des Biomassegewichts pro Liter Kultur mit der Absorption bei 750nm 18
    1. Probieren Sie die Algenkultur aus, um eine Absorption von 1,0 zu erhalten. Wenn die Kultur eine Absorption unter 1,0 aufweist, wird Wasser durch Filtration (0,45-μm-Filter) aus einer Kulturprobe extrahiert. Wenn die Absorption größer als 1 ist, kann sie durch Zugabe eines frischen Nährmediums verringert werden.
    2. Bereiten Sie fünf Algenzellsuspensionen mit der Probe vor und fügen Sie frisches Kulturmedium in Volumen/Volumenprozentsatz (V/V) hinzu: 100 %, 80 %, 60 %, 40 % und 20 %.
    3. Messen und zeichnen Sie die Absorption der fünf Lösungen bei 750 nm mit einem Spektralphotometer unter Verwendung von Kunststoffküvetten auf, wobei das frische Nährmedium der Blindwert ist.
    4. Bestimmen Sie das Biomassegewicht pro Liter Kultur jeder Suspension, indem Sie 10 ml durch einen zuvor gewogenen 0,45-μm-Filter filtern und die Probe 24 Stunden und später 48 Stunden lang in einem Silica-Exsikkator trocknen, um ein konstantes Gewicht zu gewährleisten. Wiederholen Sie diesen Schritt für jede der fünf Lösungen.
      HINWEIS: Eine höhere Temperatur (über 60 °C) wird für die Trocknung nicht empfohlen, da bestimmte Schlüsselverbindungen verloren gehen, die sich verflüchtigen und das Gewicht der Probe verändern könnten.
    5. Nachdem Sie das Gewicht bestätigt haben, berechnen Sie die Biomassekonzentration im Reaktor mit der folgenden Gleichung:
      Biomassekonzentration = (Biomassegewicht - Filtergewicht) x 1000/Gefiltertes Volumen [g/L]
    6. Erstellen Sie eine lineare Regression der Biomassegewichtsdaten in Gramm pro Liter Kultur als Funktion der bei 750 nm gemessenen Absorption mit einer Tabellenkalkulation oder einer anderen Software. Der lineare Regressionskoeffizient sollte größer als 0,95 sein. Andernfalls ist die Kurve nicht nützlich, und das Protokoll sollte wiederholt werden.
      ANMERKUNG: Es wird als Biomassegewicht und nicht als Trockengewicht wie die meisten Methoden bezeichnet, da die verwendete Trocknungsmethode keine vollständige Entfernung von Wasser in der Probe zulässt, so dass ein Wassergehalt von weniger als 5 % verbleibt19.
  5. Wachstum der Biomasse
    1. Überwachen Sie die Reaktoren täglich. Entnehmen Sie eine 1-Liter-Probe auf halbem Weg zwischen dem Schaufelrad und seinem Rücklauf aus jeder Kultur und bringen Sie sie ins Labor.
    2. Überprüfen Sie das Koloniewachstum und die Reinheit der Kultur unter dem Mikroskop.
    3. Messen und zeichnen Sie die Extinktion der Proben bei 750 nm mit einem Spektralphotometer auf, wobei das frische Nährmedium der Blindwert ist.
    4. Vergleichen Sie mit der Kalibrierungskurve, um das geschätzte Biomassegewicht in Gramm pro Liter zu erhalten.
    5. Zeichnen Sie das Wachstum jedes Raceway-Reaktors auf.
  6. Produktion von Biomasse - Ernte
    1. Überwachen Sie die Reaktoren täglich. Wenn das Biomassewachstum während der Probenahme über 0,7 g/L steigt, muss geerntet werden.
    2. Abwechselnd zwischen beiden HRAPs wird ein Polyestergewebe auf einen Abschnitt an einem Ende des Reaktors gelegt und ein Ende eines flexiblen PVC-Schlauchs in den Durchfluss der Flüssigkeit gelegt, so dass das andere Ende die Flüssigkeit auf das Gewebe abfließen lässt.
    3. Zwischen 4500 l und 7500 l (abhängig von der Biomassesättigung des Reaktors) auf das Gitter ablassen und dabei einen kontinuierlichen Rückfluss zum entsprechenden HRAP aufrechterhalten. Die Biomasse wird auf dem Netz zurückgehalten.
    4. Um zu ernten, entfernen Sie das Netz von der Oberseite des Reaktors und legen Sie es auf eine andere Oberfläche, um die Biomasse abzukratzen und in einen Trichter zu legen.
    5. Schieben Sie die Biomasse durch den Trichter, um längliche Formen auf einem sauberen und trockenen Netz zu erzeugen. Stellen Sie das Netz für 48-72 h in einen warmen, überdachten Raum (34-36 °C).
    6. Nach dem Trocknen die Biomasse aus dem Netz entfernen und wiegen. Berechnen Sie die geerntete Biomassekonzentration in g/L mit diesen Gleichungen:
      Volumen der abgelassenen Flüssigkeit = Durchflussmenge der Pumpe x Ablasszeit [L]
      Biomasse-Erntekonzentration = Biomassegewicht der geernteten Biomasse/Volumen der abgelassenen Flüssigkeit [g/L]

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Ergebnisse

Dem Protokoll folgend, wurde das System gebaut, getestet und geimpft. Die Bedingungen wurden gemessen und gespeichert, die Proben entnommen und analysiert. Das Protokoll wurde ein Jahr lang durchgeführt, von Oktober 2019 bis Oktober 2020. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die HRAPs von nun an als RT3 und RT4 bezeichnet werden.

Biomethan-Produktivität
Um die Bedingungen zu bestimmen, die die höchsteH2S- und CO2-Entfernung und damit die höchste Methankonz...

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Diskussion

Im Laufe der Jahre wurde diese Algentechnologie getestet und als Alternative zu den harten und teuren physikalisch-chemischen Techniken zur Reinigung von Biogas eingesetzt. Insbesondere die Gattung Arthrospira wird zusammen mit Chlorella häufig für diesen speziellen Zweck verwendet. Es gibt jedoch nur wenige Methoden, die in halbindustriellem Maßstab hergestellt werden, was diesem Verfahren einen Mehrwert verleiht.

Es ist wichtig, niedrigereO2-Konzentrationen aufre...

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Offenlegungen

Interessenkonflikt. Die Autoren erklären, dass sie keinen Interessenkonflikt haben.

Danksagungen

Wir danken der DGAPA UNAM Projektnummer IT100423 für die Teilfinanzierung. Wir danken PROAN und GSI auch dafür, dass sie uns die Möglichkeit gegeben haben, technische Erfahrungen über ihre photosynthetischen Biogas-Aufbereitungsanlagen zu teilen. Die technische Unterstützung von Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez und Daniel de los Cobos Vasconcelos wird sehr geschätzt. Ein Teil dieser Forschung wurde im IIUNAM Environmental Engineering Laboratory mit einem ISO 9001:2015-Zertifikat durchgeführt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1" RotameterCICLOTECN/A
1" RotameterGPIA10-LMA100IA1
AbsorptionsbehälterEFISAHergestellt unter vorheriger Konstruktion
Luftgebläse (2,35 PS)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogasgebläse (2 PS)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogaszusammensetzung messenGeotechBIOGAS 5000
DatenerfassungsgerätLabJack Co.U3-LV
DiffusorrohreAero-TubeC3060AR
DO-SensorApplisensZ10023525
Dodecahydratisiertes Trinatriumphosphat Quimica PIMAN/ADüngemittelqualität (Gewächshaus- und Experior-Verwendung)
Dodekahydratisiertes Trinatriumphosphat Fermont35963Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
Durapore-Membran (45 & Mikro; m)MerckMilliporeHVLP04700 
Elektromotor 1,5 PSWeg00158ET3ERS56C
Eisensulfat-HeptahydratAgroquimica SametN/ADüngemittelqualität (Gewächshaus- und Exexperimentieranwendungen)
Eisensulfat-HeptahydratFermont63593Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
DichtungsbahnGEOSINCEREN/A
Magnesium Sulfat-HeptahydratTepeyacN/ADüngemittelqualität (Gewächshaus- und Experior-Gebrauch)
Magnesiumsulfat-HeptahydratFermont63623Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
SchaufelradGSIHergestellt unter früherem Design
pH-SensorVan London pHoenix715-772-0041
Tragbarer BildschirmHimbeerePi 3 B+
Umwälzkreiselpumpe (1,5 PS)Aquapak ALY 15
NatriumbicarbonatIndustria del alcaliN/ADüngemittel (Verwendung im Gewächshaus und im Ausland)
NatriumbicarbonatFermont12903Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
NatriumchloridSal ColimaN/ADüngemittelqualität (Verwendung im Gewächshaus und im Ausland)
NatriumchloridFermont24912Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
NatriumnitratVitraquimN/ADüngemittelqualität (im Gewächshaus und im Exexperimentierbereich)
NatriumnitratFermont41903Analytische Qualität (wird in Kulturen im Labor verwendet)
Lagerprogramm (pH, DO)  Python Software Foundation Python IDLE 2.7
Tedlar TaschenSKC Inc.232-25
TemperaturschreiberT& DTR-52i
UV-Vis SpektralphotometerThermoFisher Wissenschaftliches InstrumentGENESYS 10S 
VakuumpumpeEVAREV-40

Referenzen

  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).
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