Name: Purificación de biogás mediante el uso de un sistema de microalgas-bacterias en estanques semiindustriales de algas de alta tasa (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-03-22T12:40:00.000+00:00
Duration: 7 min 34 s
Description: Aprende la purificación de biogás mediante sistemas de microalgas-bacterias en estanques semiindustriales de alta tasa. Este método permite escalar el tratamiento de biogás a nivel industrial de forma económicamente viable.

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Agradecemos al proyecto número IT100423 de la DGAPA UNAM por el financiamiento parcial. También agradecemos a PROAN y GSI por permitirnos compartir experiencias técnicas sobre sus instalaciones completas de mejora de biogás fotosintético. Se agradece el apoyo técnico de Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martín Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez y Daniel de los Cobos Vasconcelos. Una parte de esta investigación se realizó en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental del IIUNAM con certificado ISO 9001:2015.

1. Configuración del sistema
NOTA: En la Figura 2 se muestra un diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) del sistema descrito en este protocolo.
<ol><li>Puesta en marcha del reactor<ol><li>Prepare el terreno nivelándolo y compactándolo para mejorar la estabilidad del reactor.</li>
		<li>En un campo abierto, excave dos hoyos alargados y a 3 m del extremo, excave además un hoyo de 3 m2 y 1 m de profundidad (conocido como pozo de aireación).</li>
		<li>Coloque dos HRAP (Figura 3) dentro del espacio sobre soportes metálicos cubiertos con geomembrana. Cada reactor debe tener una capacidad operativa de 22,2m3.</li>
		<li>Coloque una bomba de aire por reactor de 1728,42 vatios (2,35 hp) cerca del punto de los HRAP donde se excavaron los pozos de aireación.</li>
		<li>Fije una rueda de paletas (movida por un motor eléctrico de 1103,24 vatios [1,5 hp]) a través del reactor para promover el contacto entre la biomasa y los medios.</li>
	</ol></li>
	<li>Configuración del tratamiento de gases (Figura 4)<ol><li>Construya la columna de desorción con un tubo de cloruro de polivinilo (PVC) de 6", donde la corriente de entrada entra a 2 m de la parte superior cubierta y la corriente de salida fluye desde la parte inferior (Figura 2).</li>
		<li>Configure el tanque de absorción (Vt: 2,55 m3), donde la corriente de entrada gaseosa (biogás no tratado) burbujea desde el fondo a través de 11 tubos difusores y proviene del digestor anaeróbico a través de una tubería de PVC de 4" que pasa por un soplador de biogás, un rotámetro de 1" y un puerto de muestreo, mientras que el líquido proviene de la recirculación del medio después de la columna de desorción en la parte inferior del tanque. La salida de líquido se encuentra en el costado del tanque. Transporta el medio enriquecido conCO2 a la columna de control de nivel, y el gas sale por la salida en la parte superior del tanque, que está conectada con una tubería de PVC de 1" para conducir el biometano obtenido a un quemador para su combustión continua (Figura 2).</li>
		<li>Conecte el tanque de absorción a la columna de desorción a través de un tubo de PVC de 4", pasando por un puerto de muestreo entre ambas operaciones (Figura 2).</li>
		<li>Construya la columna de control de nivel con un tubo de PVC de 6" donde la entrada se encuentra en la parte inferior. Dispone de dos salidas (controladas con válvulas de mariposa), en función de las necesidades del sistema; el primero se ubica a una altura de 2,5 m y el segundo a 3 m del suelo (Figura 2).</li>
		<li>Conecte los fotobiorreactores HRAP a través de una tubería de PVC de 2" a la columna de desorción de 6", pasando por una bomba centrífuga de recirculación (1103,24 vatios [1,5 hp]) y un rotámetro de 1" (Figura 2).</li>
		<li>Conecte la columna de control de nivel a través de un tubo de PVC de 4" a un tubo de PVC cédula 40, pasando a través de un puerto de muestreo. A continuación, conéctelo a una porción de tubería de PVC flexible, seguido de otro tubo de PVC cédula 40 y, finalmente, un tubo de PVC de 4", que se abre a los fotobiorreactores HRAP (Figura 2).</li>
		<li>Configure el bypass de la columna de desorción con una tubería de PVC de 2" y conéctelo al tubo principal antes del puerto de muestreo (Figura 2).</li>
	</ol></li>
</ol>2. Pruebas funcionales del sistema
<ol><li>Bomba centrífuga de recirculación (1103,24 vatios [1,5 CV])<ol><li>Para determinar el caudal máximo de la bomba, cebe el interior durante al menos 10 minutos para evitar la succión de aire y póngala en marcha a 230 V y 1 fase.</li>
		<li>Pruebe el flujo de recirculación dejándolo fluir a través del rotámetro de 1".</li>
	</ol></li>
	<li>Sistema de burbujeo de biogás<ol><li>Para determinar la fuerza requerida para burbujear al menos una columna de aire equivalente a 200 mbar, pruebe al menos 3 sopladores con diferentes potencias (485,52 vatios [0,66 hp], 1838,74 vatios [2,5 hp] y 3309,74 vatios [4,5 hp]) burbujeando aire en el tanque de absorción.</li>
		<li>Verifique visualmente el tamaño y la distribución alcanzados por las burbujas de aire dentro del tanque. En las condiciones de funcionamiento aquí descritas, el diámetro medio previsto de las burbujas es de 3 mm.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Inoculación y crecimiento en condiciones de interior
<ol><li>Transferir una cepa pura de Arthrospira maxima de placas de agar a 15 mL de medio mineral acuoso17 (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]).</li>
	<li>Amplíe el cultivo a matraces de 500 ml con medio acuoso Jourdan inocuo, utilizando el 100% del volumen del matraz, y déjelo crecer en fotoperiodos de 12 h de luz / 12 h de oscuridad utilizando lámparas de diodos emisores de luz (LED) con dispositivo de montaje en superficie (SMD) 2835 que proporcione luz fría a 2000 lm y bajo mezcla continua mediante burbujeo de aire (0,3 L/min o 0,6 vvm). (paso que dura alrededor de 1 mes).</li>
	<li>Continúe el proceso de escalado añadiendo el 20% del volumen anterior al nuevo volumen hasta alcanzar los 50 L.</li>
	<li>Adaptar el cultivo a las condiciones de funcionamiento con luz natural y a los medios de cultivo Jourdan en un invernadero en sacos transparentes de 50 L (paso que dura alrededor de 2 meses).</li>
	<li>Continúe escalando en estas condiciones hasta 5m3 fotobiorreactores HRAP (paso que dura alrededor de 2 meses).</li>
</ol>4. Puesta en marcha operativa del sistema en condiciones exteriores
<ol><li>Añadir el volumen total de estos fotobiorreactores HRAP de 5m3 a los fotobiorreactores HRAP de 13m3 situados en el exterior y rellenar el resto del volumen con medio de cultivo Jourdan. Comienza a mezclar a través de una rueda de paletas a una velocidad de 30 cm/s, cultivando en modo batch durante 15 días o hasta que alcance los 0,7 g/L (paso que dura alrededor de 1 mes).</li>
	<li>Una vez que el crecimiento alcance los 0,7 g/L, transfiera el volumen a los 22,2m3 HRAP operativos, llene el resto con medios Jourdan y ajuste la rueda de paletas a una velocidad de 30 cm/s. Dejar crecer la biomasa hasta que alcance 0,7 g/L y un pH de 10; Una vez que se cumplan estas condiciones, comience a tomar muestras y cosechar, si es necesario.</li>
	<li>Iniciar la recirculación de líquido desde el fotobiorreactor HRAP hasta el tanque de absorción a caudal variable para aumentar la productividad de la biomasa. Comience a burbujear el biogás a un flujo promedio de 3,5 m3/h después de 2 h para proporcionar carbono inorgánico al cultivo. Presta atención al pH ya que debe mantenerse por encima de 9. NOTA: Antes de recircular el medio a través del tanque de absorción, cebe la bomba centrífuga descrita anteriormente.</li>
	<li>Adición de nutrientes: Monitoree las condiciones de nutrientes semanalmente durante la cosecha y el balance general de nitrógeno asumiendo un estado estacionario calculado como se muestra: MNaNO3 = (MBiomasa x 0,10)/0,12 [g] Dónde: MNaNO3 = Masa de nitrato de sodio [g] MBiomasa = Biomasa cosechada [g] 1.10: Rendimiento másico de nitrógeno/biomasa16 [g/g] 1.12: Fracción másica de nitrógeno en nitrato de sodio [g/g]</li>
	<li>Con los resultados del balance de nitrógeno, reformule el medio Jourdan para agregar la cantidad proporcional de Na3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O y FeSO4·7H2O. No agregue más bicarbonato de sodio o cloruro de sodio. NOTA: Disuelva los nutrientes en agua limpia antes de agregarlos a los reactores.</li>
	<li>Controle la evaporación del agua y agréguela semanalmente si es necesario.</li>
</ol>5. Muestreo y análisis
<ol><li>Biogás<ol><li>Muestrear el biogás de la salida de muestreo antes del tanque de absorción y de la salida de muestreo después del tanque conectando una bolsa de fluoruro de polivinilo de 10 L a la salida con un tubo flexible de diámetro apropiado; Coloque cada uno en bolsas separadas de fluoruro de polivinilo.</li>
		<li>Calibre el analizador de gas portátil poniendo el transductor de presión a cero y esperando a que se estabilice. Para ello, pulse Inicio, luego Siguiente, y conecte un tubo transparente y un tubo amarillo según las instrucciones del analizador. Presione Siguiente y, finalmente, Lecturas de gas.</li>
		<li>Conecte cada muestra contenida dentro de las bolsas de fluoruro de polivinilo al analizador, presione Next y mida las concentraciones de CH4, CO2,O2 y H2S como %vol desde ambos puntos del sistema.</li>
		<li>Determine la relación líquido/biogás de recirculación volumétrica (L/G) dividiendo el flujo de recirculación líquida por el flujo de producción de biogás. Calcule el flujo de gas correspondiente (m3 / h) que presenta la mayor eficiencia de eliminación de CO2 y H2S.</li>
	</ol></li>
	<li>Medición en línea de las condiciones del sistema (pH, oxígeno disuelto, temperatura)<ol><li>Calibrar todos los sensores de acuerdo con las especificaciones del fabricante.</li>
		<li>Coloque un sensor de pH, un sensor de oxígeno disuelto (OD) y un sensor de temperatura en el líquido de cada HRAP. NOTA: Para conocer la marca y las especificaciones de cada uno de los sensores, revise el archivo de la Tabla de materiales.</li>
		<li>Conecte los sensores de pH y OD a un dispositivo de adquisición de datos que consiste en un procesador de cuatro núcleos de 64 bits a 1,4 GHz conectado a una pantalla portátil que almacena un programa Python prefabricado escrito en el Entorno Integrado de Desarrollo y Aprendizaje (IDLE) 2.7.<ol><li>Abra el programa a través de la pantalla e indique los intervalos de tiempo para almacenar cada punto de datos (en este caso, cada 2 min).</li>
			<li>Crea una hoja de cálculo en la que el programa almacene automáticamente los datos que recopile.</li>
			<li>Haga clic en el botón que dice ON, lo que indica que está listo para comenzar a almacenar datos.</li>
			<li>Para detener la adquisición de datos, haga clic en el botón que dice OFF.</li>
			<li>Para descargar la información, inserte un bus serie universal (USB) e importe la hoja de cálculo.</li>
		</ol></li>
		<li>Conecte el sensor de temperatura a un termoregistrador para almacenar los datos registrados durante los experimentos.</li>
	</ol></li>
	<li>Pruebas exploratorias cortas<ol><li>Determinar el L/G más eficiente<ol><li>Regule el flujo de biogás entrante para seleccionar el valor L/G que se va a probar (0.5, 1, 1.5, 1.6, 2, 2.5, 3.3, 3.4).</li>
			<li>Medir el pH y las concentraciones de entrada y salida de cada gas (CH4, CO2, H2S, O2, N2) al inicio y cada 15 min durante una hora (60 min), utilizando los instrumentos descritos anteriormente.</li>
			<li>Determine el L/G más eficiente comparando los valores de salida y elija el más conveniente de acuerdo con las necesidades del experimento.</li>
		</ol></li>
		<li>Relación entre L/G, pH y CO2<ol><li>Elija al menos dos L/G para comparar.</li>
			<li>Para cada L/G, medir el pH y las concentraciones de entrada y salida de CO2, y deH2S,O2 y N2 como control al inicio, cada 15 min durante 60 min, y luego cada hora durante un total de 5 h, utilizando los instrumentos descritos anteriormente.</li>
			<li>Calcule los porcentajes de eliminación deCO2 utilizando la ecuación: %Eliminación de CO2 = ((CO2de entrada - CO2de salida)/(CO2de entrada)) x 100</li>
			<li>Graficar los resultados y comparar el comportamiento del pH y elCO2 para cada uno de los L/G's ensayados.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>Curva de calibración para correlacionar el peso de la biomasa por litro de cultivo frente a la absorbancia a 750 nm18<ol><li>Muestree el cultivo de algas para tratar de obtener una absorbancia de 1.0. Si el cultivo tiene una absorbancia inferior a 1,0, extraiga agua por filtración (filtro de 0,45 μm) de una muestra de cultivo. Si la absorbancia es mayor que 1, se puede disminuir agregando un medio de cultivo fresco.</li>
		<li>Preparar cinco suspensiones celulares de algas con la muestra y añadir medio de cultivo fresco, en volumen/volumen (V/V) porcentaje: 100%, 80%, 60%, 40% y 20%.</li>
		<li>Mida y registre la absorbancia a 750 nm de las cinco soluciones con un espectrofotómetro utilizando cubetas de plástico, donde el medio de cultivo fresco es el blanco.</li>
		<li>Determinar el peso de biomasa por litro de cultivo de cada suspensión filtrando 10 mL a través de un filtro de 0,45 μm previamente pesado y secando la muestra en un desecador de sílice durante 24 h y posteriormente 48 h para asegurar un peso constante. Repita este paso para cada una de las cinco soluciones. NOTA: No se recomienda una temperatura más alta (por encima de 60 °C) para el secado debido a la pérdida de ciertos compuestos clave que podrían volatilizarse y cambiar el peso de la muestra.</li>
		<li>Una vez confirmado el peso, calcule la concentración de biomasa dentro del reactor con la ecuación: Concentración de biomasa = (Peso de biomasa - peso del filtro) x 1000/Volumen filtrado [g/L]</li>
		<li>Realizar una regresión lineal de los datos de peso de la biomasa en gramos por litro de cultivo en función de la absorbancia medida a 750 nm utilizando una hoja de cálculo o cualquier otro software. El coeficiente de regresión lineal debe ser mayor que 0,95; de lo contrario, la curva no es útil y se debe repetir el protocolo. NOTA: Se describe como peso de biomasa y no como peso seco como la mayoría de los métodos porque el método de secado utilizado no permite la eliminación completa del agua en la muestra, dejando un contenido de agua de menos del 5%19.</li>
	</ol></li>
	<li>Crecimiento de la biomasa<ol><li>Monitoree los reactores todos los días. Tomar una muestra de 1 L del punto medio entre la rueda de paletas y su retorno de cada cultivo y llevarla al laboratorio.</li>
		<li>Verifique el crecimiento de la colonia y la pureza del cultivo bajo el microscopio.</li>
		<li>Mida y registre la absorbancia a 750 nm de las muestras con un espectrofotómetro, donde el medio de cultivo fresco es el blanco.</li>
		<li>Comparar con la curva de calibración para obtener el peso estimado de la biomasa en gramos por litro.</li>
		<li>Registre el crecimiento de cada reactor de canalización.</li>
	</ol></li>
	<li>Producción de biomasa - cosecha<ol><li>Monitoree los reactores todos los días. Si el crecimiento de la biomasa supera los 0,7 g/L durante el muestreo, es necesario cosechar.</li>
		<li>Alternando entre ambos HRAP, coloque una malla de poliéster en la parte superior de una sección en un extremo del reactor y coloque un extremo de un tubo de PVC flexible dentro del flujo del líquido para que el otro extremo drene el líquido en la parte superior de la malla.</li>
		<li>Escurrir entre 4500 L y 7500 L (dependiendo de la saturación de biomasa del reactor) sobre la malla, manteniendo un flujo continuo de retorno al HRAP correspondiente. La biomasa quedará retenida en la malla.</li>
		<li>Para cosechar, retire la malla de la parte superior del reactor y colóquela en una superficie diferente para raspar la biomasa y colóquela en un embudo.</li>
		<li>Empuje la biomasa a través del embudo para crear formas alargadas en la parte superior de una malla limpia y seca; Coloque la malla en una habitación cálida y cubierta (34-36 °C) durante 48-72 h.</li>
		<li>Una vez seca, retirar la biomasa de la malla y pesarla. Calcule la concentración de biomasa cosechada en g/L con estas ecuaciones: Volumen de líquido drenado = Caudal de la bomba x Tiempo de drenaje [L] Concentración de biomasa cosechada = Peso de biomasa de la biomasa cosechada/Volumen de líquido escurrido [g/L]</li>
	</ol></li>
</ol>

Cultivo de microalgas para la obtención de biometano a partir de residuos porcinos Biogás

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Conflicto de intereses. Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de intereses.

A lo largo de los años, esta tecnología de algas ha sido probada y utilizada como alternativa a las duras y costosas técnicas fisicoquímicas para purificar el biogás. Particularmente, el género Arthrospira es ampliamente utilizado para este propósito específico, junto con Chlorella. Sin embargo, son pocas las metodologías que se realizan a escala semi-industrial, lo que agrega valor a este procedimiento.
Es fundamental mantener concentraciones deO2 más bajas utilizando la relación L/G adecuada; Sin embargo, esto depende de la región donde se aplicará este protocolo. El contenido de oxígeno está fuertemente regulado en el biometano debido al riesgo de explosión y corrosión en las tuberías. Algunos países de la Unión Europea exigen que los contenidos sean tan bajos como el 1%vol 29,30,31. El metano, por otro lado, debe estar en una concentración superior al 65% vol31. En México, casi no existe regulación con respecto al biogás y el biometano, pues se considera equivalente al gas natural, donde de acuerdo con las normas mexicanas32, el contenido mínimo deCH4 en el biometano es de 84%vol y se permite un contenido máximo deO2 de 0.20%vol.
Además, el pH determina en gran medida la eliminación deCO2 , más que L/G, durante el cultivo, por lo que es fundamental mantener un control adecuado del pH a lo largo de toda la metodología, especialmente durante el burbujeo del biogás. Es importante entender que una vez que el CO2 se solubiliza en el líquido, hay un equilibrio químico en juego que afecta directamente los niveles de pH. A los niveles de pH alrededor de los cuales oscilaron estos cultivos (8,5-9,5), los bicarbonatos son la forma en la que está presente esta molécula, con un ligero aumento de carbonatos en el extremo superior del rango de pH33. De esta forma, las microalgas también son capaces de metabolizar el carbono durante las reacciones oscuras de la fotosíntesis para producir hidratos de carbono34. El momento del burbujeo del biogás también es importante, por lo que se recomienda mantener el burbujeo diurno. No obstante, la L/G también afecta a la eliminación deCO2 y al pH, como se puede ver en la Fig. 5. El porcentaje de remoción y el pH en una proporción de 1,58 fueron menos consistentes y mucho más bajos que los registrados para la relación de 1,64. Este comportamiento podría atribuirse a una mayor ingesta de gas en la relación de recirculación (más gas hace que la proporción sea menor), lo que redujo el pH a un ritmo más rápido. Sin embargo, también se podría argumentar que el pH inicial para 1,64 fue mayor, lo que favoreció el comportamiento amortiguado de las eficiencias de eliminación de CO2 durante esta prueba. L/G en este protocolo se controla a través de la cantidad de biogás que burbujea; Sin embargo, otros protocolos varían la velocidad de recirculación del líquido, que también es una opción. Además, no es posible burbujear biogás por la noche debido a la acidificación del cultivo y al metabolismo de las algas, ya que no se proporciona luz artificial en este momento.
Otro fenómeno que introduce variabilidad en la validez de los resultados es el burbujeo intermitente de aire utilizado para evitar la sedimentación de biomasa en los reactores, lo que impide la inhibición del crecimiento por acumulación de oxígeno. Esto, sin embargo, no se puede evitar si se utiliza este método. Una alternativa al burbujeo de aire es agregar más ruedas de paletas para mejorar el movimiento a lo largo del reactor, lo que puede ser efectivo en otros experimentos. Por otro lado, las extensas extensiones de terreno necesarias para la instalación de los reactores, así como el importante consumo de agua para poner en marcha y mantener el sistema con el fin de obtener una productividad justa del biometano.
Es importante tener en cuenta que este proceso de muestreo regular utiliza la curva de calibración de peso de biomasa - absorbancia (Figura 9), donde la correlación entre los datos es de casi 1 (0,9995); Si bien es posible que el método no se base en un artículo anterior sobre la misma alga, el coeficiente de determinación muestra una fuerte conexión estadística de que este método es confiable. Además, es relevante describir la importancia tanto del muestreo como de la cosecha en una metodología como esta. El muestreo permitió el mantenimiento adecuado del cultivo de algas, mientras que la cosecha cumplió un triple propósito: en primer lugar, evitó la inhibición del crecimiento debido al hacinamiento del cultivo que podría causar la acumulación de oxígeno35; en segundo lugar, la recuperación de la biomasa de algas puede dar lugar a nuevas oportunidades económicas; y, por último, otorgó otra oportunidad para medir la tendencia de crecimiento de la cultura.
Sin embargo, determinar los momentos apropiados para cosechar (que en este protocolo están definidos por los resultados del muestreo) también es un paso crítico porque reduce la biomasa en los reactores. Una menor concentración de biomasa afecta al pH y a la eliminación deCO2 como ciclo: en condiciones desfavorables del sistema (por ejemplo, a valores de pH más bajos), el crecimiento de la biomasa se ralentiza, lo que, a su vez, reduce la capacidad del sistema para eliminar elCO2 ya que hay menos biomasa para metabolizarlo; más CO2 disuelto acidificaría los medios de cultivo y cerraría el ciclo36. Muchos otros factores contribuyen al crecimiento del pH y de la biomasa, que no deben pasarse por alto en esta simplificación excesiva de causa-efecto; La disponibilidad de nitrógeno puede ser extremadamente importante para las algas Arthrospira maxima, así como las condiciones climáticas como la temperatura y la intensidad de la luz16,36, que no se pueden controlar en un sistema como este. A modo de ejemplo, la adición de urea, como se ve en la Figura 4, es una prueba de que el nitrógeno, junto con valores de pH más altos, puede regularizar un sistema de algas.
Otras limitaciones de este método están relacionadas con la productividad de la cosecha, que, en comparación con el muestreo, es alrededor de un 50% menos eficiente, lo que dificulta la viabilidad económica del sistema y requeriría la mejora de las técnicas de filtración. Los resultados del peso de la cosecha están sobreestimados en un 6% (medidos posteriormente siguiendo los métodos estándar de peso seco), dado que las condiciones de secado en esa parte del protocolo no dan lugar a la eliminación total del agua. En el tema de la biomasa, los resultados del muestreo (incluida la curva de calibración) están sobreestimados en al menos un 5% debido a la eliminación incompleta de agua en la metodología19; Sin embargo, dado que el error es sistemático, se recomienda solo proceder con un análisis termogravimétrico para verificar el contenido de agua en el cultivo a considerar y realizar las correcciones analíticas a los resultados y curva de calibración.

En los últimos años, han surgido varias tecnologías para purificar el biogás a biometano, promoviendo su uso como combustible no fósil, mitigando así las emisiones de metano no aireables1. La contaminación del aire es un problema que afecta a la mayor parte de la población mundial, particularmente en las zonas urbanizadas; En definitiva, alrededor del 92% de la población mundial respira aire contaminado2. En América Latina, las tasas de contaminación del aire son generadas principalmente por el uso de combustibles, ya que en 2014, el 48% de la contaminación del aire fue provocada por el sector de producción de electricidad y calor3.
En la última década, cada vez se han propuesto más estudios sobre la relación entre los contaminantes en el aire y el aumento de las tasas de mortalidad, argumentando que existe una fuerte correlación entre ambos conjuntos de datos, particularmente en poblaciones infantiles.
Como una forma de evitar que continúe la contaminación del aire, se han propuesto varias estrategias; uno de ellos es el uso de fuentes de energía renovables, incluyendo turbinas eólicas y células fotovoltaicas, que disminuyen la liberación deCO2 a la atmósfera 4,5. Otra fuente de energía renovable proviene del biogás, un subproducto de la digestión anaeróbica de la materia orgánica, producido junto con un digestato orgánico líquido6. Este gas está compuesto por una mezcla de gases, y sus proporciones dependen de la fuente de materia orgánica utilizada para la digestión anaeróbica (lodos de depuradora, estiércol de ganado o biorresiduos agroindustriales). Generalmente, estas proporciones sonCH4 (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), hidrocarburos (0-200 mg/m3) y siloxanos (0-41 mg/m3)7,8,9, donde la comunidad científica está interesada en el gas metano ya que es el componente energético renovable de la mezcla.
Sin embargo, el biogás no puede quemarse simplemente como se obtuvo, ya que los subproductos de la reacción pueden ser nocivos y contaminantes; Esto plantea la necesidad de tratar y purificar la mezcla para aumentar el porcentaje de metano y disminuir el resto, convirtiéndolo esencialmente en biometano10. Este proceso también se conoce como actualización. A pesar de que, en la actualidad, existen tecnologías comerciales para este tratamiento, estas tecnologías tienen varios inconvenientes económicos y ambientales 11,12,13. Por ejemplo, los sistemas con carbón activado y lavado con agua (ACF-WS), lavado con agua a presión (PWS), permeación de gas (GPHR) y adsorción por oscilación de presión (PSA) presentan algunos inconvenientes económicos o de otro tipo de impacto ambiental. Una alternativa viable (Figura 1) es el uso de sistemas biológicos como los que combinan microalgas y bacterias cultivadas en fotobiorreactores; Algunas ventajas incluyen la simplicidad de diseño y operación, los bajos costos operativos y sus operaciones y subproductos respetuosos con el medio ambiente 10,13,14. Cuando el biogás se purifica a biometano, este último se puede utilizar como sustituto del gas natural, y el digestato se puede implementar como una fuente de nutrientes para apoyar el crecimiento de microalgas en el sistema10.
Un método ampliamente utilizado en este procedimiento de mejora es el crecimiento de microalgas en fotorreactores de canalización abierta junto con una columna de absorción debido a los menores costos de operación y al mínimo capital de inversión necesario6. El tipo de reactor de canalización más utilizado para esta aplicación es el estanque de algas de alta velocidad (HRAP), que es un estanque de canalización poco profundo donde la circulación del caldo de algas se produce a través de una rueda de paletas de baja potencia14. Estos reactores necesitan grandes superficies para su instalación y son muy susceptibles a la contaminación si se utilizan en condiciones exteriores; en los procesos de purificación de biogás, se aconseja utilizar condiciones alcalinas (pH > 9,5) y el uso de especies algales que prosperen en niveles de pH más altos para mejorar la eliminación de CO2 yH2S evitando la contaminación15,16.
Esta investigación tuvo como objetivo determinar las eficiencias del tratamiento del biogás y la producción final de biometano utilizando fotobiorreactores HRAP acoplados a un sistema de columna de absorción-desorción y un consorcio de microalgas.

<table><tbody><tr><td>Rotámetro de 1"</td><td>CICLOTEC</td><td>N/A Rotámetro</td><td></td></tr><tr>de<td>1"</td><td>GPI</td><td>A10-LMA100IA1</td><td></td></tr><tr><td>Tanque de absorción</td><td>EFISA</td><td>Fabricado bajo diseño</td><td></td>anterior</tr><tr><td>Soplador de aire (2.35 HP)</td><td>Elmo Rietschle</td><td>2BH11007AH01</td><td></td></tr><tr><td>Soplador de biogás (2 HP)</td><td>Elmo Rietschle</td><td>2BH11007AH01</td><td></td></tr><tr><td>Composición del biogás medir</td><td>Geotech</td><td>BIOGAS 5000</td><td></td></tr><tr><td>Dispositivo de adquisición de datos</td><td>LabJack Co.</td><td>U3-LV</td><td></td></tr><tr><td>Tubos difusores</td><td>Aero-Tube</td><td>C3060AR</td><td></td></tr><tr><td>sensor de oxígeno disuelto</td><td>Aplicaciones</td><td>Z10023525</td><td></td></tr><tr><td>Fosfato trisódico dodecahidratado&nbsp;</td><td>Química PIMA</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experiencia)</td></tr><tr><td>Fosfato trisódico dodecahidratado&nbsp;</td><td>Fermont</td><td>35963</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Membrana Durapore (45 &micro; m)</td><td>MerckMillipore</td><td>HVLP04700&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Motor eléctrico 1.5 HP</td><td>Weg</td><td>00158ET3ERS56C</td><td></td></tr><tr><td>Sulfato ferroso heptahidratado</td><td>Agroquímica Samet</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experimentador)</td></tr><tr><td>Sulfato ferroso heptahidratado</td><td>Fermont</td><td>63593</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Geomembrana</td><td>GEOSINCERE</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Magnesio sulfato heptahidratado</td><td>Tepeyac</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experiencia)</td></tr><tr><td>Sulfato de magnesio heptahidratado</td><td>Fermont</td><td>63623</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Rueda de paletas</td><td>GSI</td><td>Fabricado bajo diseño</td><td></td>previo</tr><tr><td>Sensor de pH</td><td>Van London pHoenix</td><td>715-772-0041</td><td></td></tr><tr><td>Pantalla portátil</td><td>Rasspberry</td><td>Pi 3 B+</td><td></td></tr><tr><td>Bomba centrífuga de recirculación (1,5 CV)</td><td>Aquapak&nbsp;</td><td>ALY 15</td><td></td></tr><tr><td>Bicarbonato de sodio</td><td>Industria del alcali</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experimentador)</td></tr><tr><td>Bicarbonato de sodio</td><td>Fermont</td><td>12903</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Cloruro de sodio</td><td>Sal Colima</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experimentador)</td></tr><tr><td>Cloruro de sodio</td><td>Fermont</td><td>24912</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Nitrato de sodio</td><td>Vitraquim</td><td>N/A</td><td>Grado de fertilizante (uso en invernadero y experimentador)</td></tr><tr><td>Nitrato de sodio</td><td>Fermont</td><td>41903</td><td>Grado analítico (Utilizado en cultivos dentro del laboratorio)</td></tr><tr><td>Programa de almacenamiento (pH, OD)</td><td>&nbsp; Fundación de Software Python&nbsp;</td><td>Bolsos Python IDLE 2.7</td><td></td></tr><tr><td>Tedlar</td><td>SKC Inc.</td><td>232-25</td><td></td></tr><tr><td>Registrador de temperatura</td><td>T& D</td><td>TR-52i</td><td></td></tr><tr><td>Espectrofotómetro UV-Vis</td><td>ThermoFisher Instrumento científico</td><td>GENESYS 10S&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de vacío</td><td>EVAR</td><td>EV-40</td><td></td></tr></tbody></table>

purificación de biogás mediante el uso de un sistema de microalgas-bacterias en estanques semiindustriales de algas de alta tasa

Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds

En los últimos años, han surgido una serie de tecnologías para purificar el biogás en biometano. Esta purificación conlleva una reducción de la concentración de gases contaminantes como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno para aumentar el contenido de metano. En este estudio, utilizamos una tecnología de cultivo de microalgas para tratar y purificar el biogás producido a partir de residuos orgánicos de la industria porcina para obtener biometano listo para usar. Para el cultivo y la purificación, se instalaron dos fotobiorreactores de estanque abierto de 22,2m3 acoplados a un sistema de columna de absorción-desorción en San Juan de los Lagos, México. Se probaron varias relaciones líquido/biogás de recirculación (L/G) para obtener las mayores eficiencias de eliminación; se midieron otros parámetros, como el pH, el oxígeno disuelto (OD), la temperatura y el crecimiento de la biomasa. Los L/G más eficientes fueron 1.6 y 2.5, resultando un efluente de biogás tratado con una composición de 6.8%vol y 6.6%vol en CO2, respectivamente, y eficiencias de remoción paraH2S de hasta 98.9%, además de mantener valores de contaminación deO2 menores a 2%vol. Encontramos que el pH determina en gran medida la eliminación deCO2 , más que L/G, durante el cultivo debido a su participación en el proceso fotosintético de las microalgas y su capacidad para variar el pH cuando se solubiliza debido a su naturaleza ácida. El oxígeno disuelto y la temperatura oscilaron como se esperaba entre los ciclos naturales de luz-oscuridad de la fotosíntesis y la hora del día, respectivamente. El crecimiento de la biomasa varió con la alimentación con CO2 y nutrientes, así como con la recolección en reactores; sin embargo, la tendencia seguía siendo preparadas para el crecimiento.

La contaminación del aire afecta la calidad de vida de todos los organismos. Aquí, describimos el uso de la biotecnología de microalgas para el tratamiento de biogás (eliminación simultánea de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno) y la producción de biometano a través de estanques semiindustriales abiertos de algas de alta tasa y el posterior análisis de la eficiencia del tratamiento, el pH, el oxígeno disuelto y el crecimiento de microalgas.

Purificación de biogás mediante el uso de un sistema de microalgas-bacterias en estanques semiindustriales de algas de alta tasa

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of ...

Nuestra investigación se centra en el desarrollo de biotecnología de microalgas sostenible y viable para el biometano. Demostramos que fue posible escalar el filtro de biogás a cierta escala industrial en otras condiciones. El proceso de escalado tiene como objetivo tratar mayores flujos de biogás en instalaciones más pequeñas con el objetivo de hacerlo más viable económicamente. Adicionalmente, el proceso busca promover condiciones de operación que puedan conducir a una mayor producción de valor por parte de los productos extraídos de la biomasa de microalgas.A través de un proceso a gran escala expuesto a condiciones exteriores, hemos descubierto varias especies de microalgas que nos permiten operar el filtro de microalgas de manera eficiente. También hemos identificado las condiciones óptimas de operación que conducen a una mayor concentración volumétrica de biometano. Pudimos escalar con éxito el filtro de microalgas a operaciones a gran escala e identificar las condiciones óptimas de funcionamiento para que los fotobiorreactores y el filtro de microalgas alcancen concentraciones de metano de hasta el 85% de volumen.El uso de otras especies de microalgas en las mismas condiciones de funcionamiento podría mejorar la eficiencia del rendimiento del filtro de microalgas. En primavera verano, el aumento de la temperatura ayudará a la eficiencia del sistema.

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