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方法論記事

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

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DOI:

10.3791/65968

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2024年3月22日

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

この記事について

サマリー

大気汚染は、すべての生物の生活の質に影響を与えます。ここでは、微細藻類バイオテクノロジーを用いたバイオガス処理(二酸化炭素と硫化水素の同時除去)と、半工業的な開放型高速藻類池によるバイオメタン生産、およびその後の処理効率、pH、溶存酸素、微細藻類の成長の分析について説明します。

要約

近年、バイオガスをバイオメタンに精製する技術が数多く登場しています。この浄化には、二酸化炭素や硫化水素などの汚染ガスの濃度が低下し、メタン含有量が増加します。本研究では、養豚業から排出される有機廃棄物から発生するバイオガスを微細藻類の培養技術を用いて処理・精製し、すぐに使えるバイオメタンを得た。培養と精製のために、メキシコのサン・フアン・デ・ロス・ラゴスに22.2m3の露天掘りフォトバイオリアクターと吸収脱着カラムシステムを組み合わせて設置しました。いくつかの再循環液体/バイオガス比(L/G)がテストされ、最高の除去効率が得られました。pH、溶存酸素(DO)、温度、バイオマス成長などの他のパラメータを測定しました。最も効率的なL/Gは1.6と2.5であり、その結果、CO2中の組成はそれぞれ6.8%volと6.6%volで処理されたバイオガス廃液が得られ、H2Sの除去効率は最大98.9%であり、O2汚染値は2%vol未満に維持されました。微細藻類の光合成過程に関与し、酸性であることから可溶化時にpHを変化させる能力があるため、培養中のCO2除去はL/GよりもpHが大きく左右されることが分かりました。DOと温度は、それぞれ光合成の明暗自然サイクルと時刻から予想どおりに振動しました。バイオマスの成長は、CO2と栄養素の供給、および原子炉の収穫によって変化しました。しかし、この傾向は引き続き成長の兆しを見せています。

概要

近年、バイオガスをバイオメタンに精製し、非化石燃料としての利用を促進する技術がいくつか登場し、脱気不可能なメタン排出を軽減しています1。大気汚染は、特に都市部で世界の人口のほとんどに影響を与える問題です。最終的に、世界人口の約92%が汚染された空気を吸っています2。ラテンアメリカでは、大気汚染率は主に燃料の使用によって引き起こされており、2014年には大気汚染の48%が電力および熱生産部門によってもたらされました3。

過去10年間で、大気中の汚染物質と死亡率の増加との関係に関する研究がますます提案されており、特に子供の集団において、両方のデータセットの間に強い相関関係があると主張しています。

大気汚染の継続を回避する方法として、いくつかの戦略が提案されています。その1つが、風力タービンや太陽電池などの再生可能エネルギー源の使用であり、大気中へのCO2放出を減少させます4,5。別の再生可能エネルギー源は、有機物の嫌気性消化の副産物であるバイオガスから来ており、液体有機消化物とともに生成されます6。このガスはガスの混合物で構成されており、その割合は嫌気性消化に使用される有機物(下水汚泥、家畜の糞尿、または農工業バイオ廃棄物)の供給源によって異なります。一般に、これらの割合は、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)、炭化水素(0-200 mg / m3)およびシロキサン(0-41 mg / m3)7,8,9であり、科学界は、これが混合物の再生可能なエネルギー成分であるため、メタンガスに関心を持っています。

ただし、バイオガスは、反応の副生成物が有害で汚染物質になる可能性があるため、得られたとおりに単純に燃焼させることはできません。これにより、混合物を処理および精製してメタンの割合を増やし、残りを減らして、本質的にバイオメタンに変換する必要性が高まります10。このプロセスは、アップグレードとも呼ばれます。現在、この治療法には商用技術がありますが、これらの技術にはいくつかの経済的および環境的欠点があります11、12、13。たとえば、活性炭と水洗浄(ACF-WS)、圧力水洗浄(PWS)、ガス透過(GPHR)、および圧力スイング吸着(PSA)を備えたシステムは、環境への影響の経済的またはその他の欠点を示します。実行可能な代替案(図1)は、微細藻類とフォトバイオリアクターで増殖したバクテリアを組み合わせたような生物学的システムを使用することです。いくつかの利点には、設計と操作のシンプルさ、低い運用コスト、および環境に優しい操作と副産物が含まれます10,13,14。バイオガスがバイオメタンに精製されるとき、後者は天然ガスの代替として使用され得、消化物は、システム10内の微細藻類の成長をサポートするための栄養源として実装され得る。

このアップグレード手順で広く使用されている方法は、運用コストが低く、必要な投資資本が最小限であるため、吸収カラムと組み合わせたオープンレースウェイフォトリアクターでの微細藻類の成長です6。この用途に最も使用されるタイプの軌道面反応器は、高速藻類池(HRAP)であり、これは、藻類ブロスの循環が低出力パドルホイール14を介して発生する浅い軌道面池である。これらの原子炉は、設置に広い面積を必要とし、屋外条件で使用すると汚染の影響を非常に受けやすくなります。バイオガス精製プロセスでは、アルカリ性条件(pH > 9.5)を使用し、汚染を回避しながらCO2およびH2Sの除去を強化するために、より高いpHレベルで繁栄する藻類種を使用することをお勧めします15,16。

この研究は、吸収脱着カラムシステムおよび微細藻類コンソーシアムと組み合わせたHRAPフォトバイオリアクターを使用して、バイオガス処理効率とバイオメタンの最終生産を決定することを目的としています。

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プロトコル

1. システムのセットアップ

注:このプロトコルで記述されているシステムの配管および計装図(P&ID)を 図2に示します。

  1. リアクターのセットアップ
    1. 反応器の安定性を向上させるために、地盤を平らにして圧縮して準備します。
    2. オープンフィールドで、端から3mの細長い穴を2つ掘り、さらに深さ3m2 と1mの穴(通気井と呼ばれる)を掘ります。
    3. 2つのHRAP(図3)を、ジオメンブレンで覆われた金属支持体のスペース内に置きます。各原子炉の運転能力は22.2m3でなければなりません。
    4. 原子炉ごとに1728.42ワット(2.35馬力)のエアポンプを、曝気井が掘られたHRAPのポイントの近くに配置します。
    5. パドルホイール(1103.24ワット[1.5馬力]の電気モーターで動く)を反応器全体に固定して、バイオマスと培地の接触を促進します。
  2. ガス処理のセットアップ(図4)
    1. 6インチのポリ塩化ビニル(PVC)チューブで脱着カラムを構築し、蓋付きの上部から2mのところに入口電流が入り、底面から出口電流が流れます(図2)。
    2. 吸収タンク(VT:2.55 m3)を設置し、ガス状の入口(未処理のバイオガス)電流が底部から11本のディフューザーチューブを介してバブリングされ、嫌気性消化槽からバイオガスブロワー、1インチの回転計、サンプリングポートを通過する4インチのPVCパイプラインを介して供給され、液体はタンクの底にある脱着カラムの後の媒体の再循環から供給されます。液体出口はタンクの側面にあります。CO2を濃縮した媒体をレベル制御カラムに輸送し、ガスはタンク上部の出口から排出され、タンクは1インチのPVCパイプラインに接続され、得られたバイオメタンをバーナーに導いて連続燃焼させます(図2)。
    3. 吸収タンクを4インチのPVCチューブを介して脱着カラムに接続し、両方の操作の間にサンプリングポートを通します(図2)。
    4. 入口が下部にある6インチのPVCチューブでレベルコントロールコラムを構築します。システムのニーズに応じて、2つの出口(バタフライバルブで制御)があります。1つ目は2.5mの高さにあり、2つ目は地面から3mの高さにあります(図2)。
    5. HRAPフォトバイオリアクターを2インチのPVCパイプラインを介して6インチの脱着カラムに接続し、再循環遠心ポンプ(1103.24ワット[1.5馬力])と1インチの回転計を通します(図2)。
    6. レベルコントロールカラムを4インチのPVCチューブに通し、スケジュール40のPVCチューブに接続し、サンプリングポートに通します。次に、フレキシブルPVCチューブの一部に接続し、次に別のスケジュール40PVCチューブ、最後にHRAPフォトバイオリアクターに開く4インチPVCチューブに接続します(図2)。
    7. 脱着カラムのバイパスを2インチPVCパイプラインでセットアップし、サンプリングポートの手前でメインチューブに接続します(図2)。

2. システムの機能テスト

  1. 再循環渦巻ポンプ(1103.24ワット [1.5 hp])
    1. ポンプの最大流量を決定するには、空気の吸引を避けるために少なくとも10分間内部をプライミングし、230Vおよび1相で始動します。
    2. 再循環の流れを1インチの回転計に流してテストします。
  2. バイオガスバブリングシステム
    1. 少なくとも200 mbarに相当する気柱を泡立てるのに必要な力を決定するには、吸収タンクに空気をバブリングして、出力の異なる少なくとも3台のブロワー(485.52ワット[0.66 hp]、1838.74ワット[2.5 hp]、および3309.74ワット[4.5 hp])をテストします。
    2. タンク内の気泡の大きさと分布を目視で確認します。ここで説明する動作条件下では、気泡の予測平均直径は3mmです。

3. 室内条件下での接種と生育

  1. 寒天プレートから15mLの水性ミネラル培地17(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])にArthrospira maximaの純粋な菌株を移します。
  2. フラスコ容量の100%を使用して、無害なジョルダン水性培地で培養を500 mLフラスコにスケールアップし、2000 lmで冷間光を提供し、エアバブリング(0.3 L / minまたは0.6 vvm)による連続混合下で、表面実装デバイス(SMD)2835を備えた発光ダイオード(LED)ランプを使用して、12時間の明/12時間の暗長周期で増殖させます。(約1ヶ月続くステップ)。
  3. 50 L に達するまで、以前の容量の 20% を新しい容量に追加して、スケールアッププロセスを続けます。
  4. 50Lの透明な袋の温室で操作およびJourdanの培地の自然光の条件に文化を合わせなさい(約2か月持続するステップ)。
  5. これらの条件で、最大 5 m3 の HRAP フォトバイオリアクター (約 2 か月続くステップ) までスケーリングを続けます。

4. 屋外環境下での運転開始

  1. これらの5 m3 HRAPフォトバイオリアクターの全容量を、屋外にある13 m3 のHRAPフォトバイオリアクターに追加し、残りの容量をJourdan培地で満たします。パドルホイールで30cm/sの速度で混合を開始し、バッチモードで15日間または0.7 g / Lに達するまで培養します(約1か月続くステップ)。
  2. 成長が0.7 g / Lに達したら、容量を動作中の22.2 m3 HRAPに移し、残りをジョーダン培地で満たし、パドルホイールを30 cm / sの速度に設定します。バイオマスが0.7 g / LおよびpH10に達するまで増殖させます。これらの条件が満たされたら、必要に応じてサンプリングと収穫を開始します。
  3. HRAPフォトバイオリアクターから吸収タンクへの液体再循環を可変流量で開始し、バイオマス生産性を向上させます。2時間後に平均流量3.5 m3/hでバイオガスのバブリングを開始し、培養液に無機炭素を供給します。pHは9以上でなければならないので注意してください。
    注意: 吸収タンクに媒体を再循環させる前に、上記の遠心ポンプをプライミングしてください。
  4. 栄養素の追加:収穫までの栄養状態を毎週監視し、定常状態を仮定して全体的な窒素収支を次のように計算します。
    MNaNO3 = (Mバイオマス x 0.10)/0.12 [g]
    どこ：
    MNaNO3 = 硝酸ナトリウム質量 [g]
    Mバイオマス = 収穫バイオマス [g]
    1.10: 窒素/バイオマスの質量収量16 [g/g]
    1.12: 硝酸ナトリウム中の窒素の質量分率 [g/g]
  5. 窒素収支の結果を使用して、ジョルダン培地を再配合して、Na3PO4·12H2O、MgSO4·7H2O、およびFeSO4·7H2Oの比例量を追加します。重炭酸ナトリウムや塩化ナトリウムをこれ以上添加しないでください。
    注:反応器に添加する前に、栄養素をきれいな水に溶かしてください。
  6. 水分の蒸発を監視し、必要に応じて毎週追加します。

5. サンプリングと分析

  1. バイオガス
    1. 10Lのポリフッ化ビニルバッグを適切な直径のフレキシブルチューブで出口に接続して、吸収タンクの前のサンプリング出口とタンクの後のサンプリング出口からバイオガスをサンプリングします。それぞれを別々のポリフッ化ビニルバッグに入れます。
    2. 圧力トランスダクターをゼロに設定し、安定するのを待って、ポータブルガス分析計を校正します。これを行うには、[ スタート]、[ 次へ]の順に押し、分析計の指示に従って透明なチューブと黄色のチューブを接続します。 [次へ ]を押し、最後に [ガス測定値]を押します。
    3. ポリフッ化ビニルバッグに含まれる各サンプルを分析装置に接続し、[ 次へ ]を押して、システムの両方のポイントからCH4、CO2、O2 、およびH2S濃度を%volとして測定します。
    4. 液体再循環フローをバイオガス生産フローで割ることにより、体積再循環液体/バイオガス比(L / G)を決定します。CO2 および H2S 除去の効率が最も高い対応するガス流量 (m3/h) を計算します。
  2. システム条件(pH、溶存酸素、温度)のオンライン測定
    1. メーカーの仕様に従ってすべてのセンサーを校正します。
    2. pHセンサー、溶存酸素(DO)センサー、温度センサーを各HRAPの液体に配置します。
      メモ: 各センサーのブランドと仕様については、材料表ファイルを参照してください。
    3. pHセンサとDOセンサを、1.4 GHz 64ビットクアッドコアプロセッサで構成されるデータ収集デバイスに接続し、統合開発学習環境(IDLE)2.7で記述された既製のPythonプログラムを保存するポータブルスクリーンに接続します。
      1. 画面からプログラムを開き、各データポイントを保存する時間間隔を指定します(この場合は2分ごと)。
      2. プログラムが収集したデータを自動的に保存するスプレッドシートを作成します。
      3. 「ON」と表示されているボタンをクリックすると、データの保存を開始する準備が整ったことを示します。
      4. データ取得を停止するには、 OFFと表示されているボタンをクリックします。
      5. 情報をダウンロードするには、ユニバーサル シリアル バス (USB) を挿入し、スプレッドシートをインポートします。
    4. 温度センサーをサーモレコーダーに接続して、実験中に記録されたデータを保存します。
  3. 短期間の探索的テスト
    1. 最も効率的なL/Gの決定
      1. 流入するバイオガスの流れを調整して、テストするL / G値(0.5、1、1.5、1.6、2、2.5、3.3、3.4)を選択します。
      2. 前述の機器を使用して、開始時および15分ごとに1時間(60分)の各ガス(CH4、CO2、H 2、H2S、O2、N2)のpHおよび入口および出口濃度を測定します。
      3. 出口の値を比較して最も効率的なL / Gを決定し、実験のニーズに応じて最も便利なものを選択します。
    2. L/G、pH、CO2の関係
      1. 比較するL/Gを少なくとも2つ選択します。
      2. 各L / Gについて、前述の機器を使用して、開始時にコントロールとして、15分ごとに60分間、次に毎時合計5時間、CO2、およびH2S、O2、およびN2 のpHと入口および出口濃度を測定します。
      3. 次式を使用して、CO2 除去率を計算します。
        %CO2 除去 = ((CO2in - CO2out)/(CO2in)) x 100
      4. 結果をグラフ化し、試験した各L/GのpHとCO2 の挙動を比較します。
  4. 培養物 1 リットルあたりのバイオマス重量と 750 nm での吸光度を相関させる検量線18
    1. 藻類培養物をサンプリングして、吸光度を1.0にします。培養物の吸光度が1.0未満の場合は、培養サンプルからろ過(0.45μmフィルター)により水分を抽出します。吸光度が1より大きい場合は、新しい培地を添加することで吸光度を下げることができます。
    2. サンプルを使用して5つの藻類細胞懸濁液を調製し、容量/体積(V/V)の割合(100%、80%、60%、40%、20%)で新しい培地を添加します。
    3. 5つの溶液のうち750 nmの吸光度を、プラスチックキュベットを用いた分光光度計で測定し、記録します(新鮮な培地をブランクにします)。
    4. 10 mLを事前に秤量した0.45 μmフィルターでろ過し、シリカデシケーターで24時間乾燥させ、その後48時間乾燥させて重量を一定にすることで、各懸濁液の培養物1リットルあたりのバイオマス重量を決定します。5 つのソリューションのそれぞれについて、この手順を繰り返します。
      注:高温(60°C以上)は、サンプルを揮発させて重量を変化させる可能性のある特定の主要化合物が失われるため、乾燥には推奨されません。
    5. 重量を確認したら、次の式で反応器内のバイオマス濃度を計算します。
      バイオマス濃度=(バイオマス重量-ろ過重量)×1000/ろ過量[g/L]
    6. スプレッドシートまたはその他のソフトウェアを使用して、750 nmで測定された吸光度の関数として、培養物1リットルあたりのグラム単位のバイオマス重量データの線形回帰を作成します。線形回帰係数は 0.95 より大きくなければなりません。そうでなければ、曲線は役に立たず、プロトコルを繰り返す必要があります。
      注:使用される乾燥方法ではサンプル中の水分を完全に除去できず、水分含有量が5%未満になるため、バイオマス重量として説明されており、ほとんどの方法ほど乾燥重量ではありません19。
  5. バイオマスの成長
    1. 原子炉を毎日監視します。パドルホイールと各培養からのリターンの中間点から1Lのサンプルを採取し、ラボに持ち込みます。
    2. 顕微鏡下でコロニーの成長と培養の純度を確認します。
    3. サンプルの750 nmでの吸光度を分光光度計で測定および記録し、新鮮な培地をブランクにします。
    4. 検量線と比較して、推定バイオマス重量(グラム/リットル)を求めます。
    5. 各軌道面リアクターの成長を記録します。
  6. バイオマス生産 - 収穫
    1. 原子炉を毎日監視します。サンプリング中にバイオマスの成長が0.7 g/Lを超えると、収穫が必要になります。
    2. 両方のHRAPを交互に、反応器の一方の端のセクションの上にポリエステルメッシュを配置し、もう一方の端がメッシュの上の液体を排出するように、柔軟なPVCチューブの端を液体の流れ内に配置します。
    3. 4500 Lから7500 L(反応器のバイオマス飽和度に応じて)をメッシュに排出し、対応するHRAPへの連続的な流れを維持します。バイオマスはメッシュ上に保持されます。
    4. 収穫するには、反応器の上部からメッシュを取り除き、別の表面に置いてバイオマスをこすり落とし、漏斗に入れます。
    5. バイオマスを漏斗に押し込み、清潔で乾燥したメッシュの上に細長い形状を作成します。メッシュを暖かい屋根付きの部屋(34〜36°C)に48〜72時間置きます。
    6. 乾いたら、メッシュからバイオマスを取り除き、計量します。バイオマス収穫濃度をg/L単位で計算するには、次の式を使用します。
      排水量=ポンプ流量×排水時間[L]
      バイオマス収穫量=バイオマス収穫量/排水液量[g/L]

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結果

プロトコルに従って、システムが構築され、テストされ、接種されました。条件を測定して保存し、サンプルを採取して分析しました。プロトコルは、2019年10月から2020年10月までの1年間実施されました。これ以降、HRAPはRT3およびRT4と呼ばれることに注意してください。

バイオメタン生産性
最も高いH2SおよびCO2除去を促進し、その結果、メタン濃度が最高になる条件を決定するために、0.5〜3.4の範囲でいくつかの再循環液体/バイオガス比(L / G)が試されました。これらの結果は、9月25日から9月28日までの期間に、少なくとも60分(1時間)の連続的なバイオガスバブリングの持続時間を持つ実験で得られた。これらの試験中、微細藻類はCO 2を固定し、バクテリアはH2Sを酸化し、メタン(CH4)を濃縮し、本質的にガス混合物を精製した。

...

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ディスカッション

何年にもわたって、この藻類技術は、バイオガスを精製するための過酷で高価な物理化学的手法の代替としてテストされ、使用されてきました。特に、 Arthrospira 属は 、クロレラとともにこの特定の目的のために広く使用されています。しかし、準工業規模で作られる方法論はほとんどなく、この手順に付加価値を与えています。

適切なL/G比を使用して、より低いO2濃度を維持することが重要です。ただし、これはこのプロトコルが適用される地域によって異なります。バイオメタンでは、パイプラインの爆発や腐食の危険性があるため、酸素含有量が厳しく規制されています。欧州連合の一部の国では、1%vol 29,30,31という低い内容を要求しています。一方、メタンは65%vol31を超える濃度でなければなりません。メキシコ...

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開示事項

利益相反。著者らは、利益相反がないことを宣言します。

謝辞

我々は、DGAPA UNAMプロジェクト番号IT100423の部分的な資金提供に感謝する。また、PROANとGSIには、光合成バイオガスのフル設備アップグレードに関する技術的経験を共有することを許可していただいたことに感謝します。ペドロ・パストール・エルナンデス・ゲレロ氏、カルロス・マルティン・シガラ氏、フアン・フランシスコ・ディアス・マルケス氏、マルガリータ・エリザベス・シスネロス・オルティス氏、ロベルト・ソテロ・ブリオネス・メンデス氏、ダニエル・デ・ロス・コボス・バスコンセロス氏の技術サポートに感謝します。この研究の一部は、ISO9001:2015の認証を取得してIIUNAM環境工学研究所で行われました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1"回転計CICLOTECN/A
1"回転計GPIA10-LMA100IA1
吸収タンクEFISA前の設計
送風機 (2.35 HP)エルモ・リーチュレ2BH11007AH01
バイオガス送風機 (2 HP)エルモ・リーチュレ2BH11007AH01
バイオガス組成物測定GeotechBIOGAS 5000
データ収集デバイスLabJack Co.U3-LV
ディフューザーチューブエアロチューブC3060AR
DOセンサーApplisensZ10023525
ドデカ水和三ナトリウム リン酸 Quimica PIMAN / A肥料グレード(温室およびexperior使用)
ドデカ水和物リン酸三ナトリウム Fermont35963分析グレード(実験室内の培養に使用)
デュラポアメンブレン(45&マイクロ;m)メルクミリポアHVLP04700 
電気モーター 1.5 HPWeg00158ET3ERS56C
硫酸第一鉄七水和物Agroquimica SametN/A肥料グレード (温室および経験的使用)
第一鉄七水和物Fermont63593分析グレード (実験室内の培養で使用)
ジオメンブレンGEOSINCEREN/A
マグネシウム硫酸塩七水和物TepeyacN/A肥料グレード (温室および経験的使用)
硫酸マグネシウム七水和物Fermont63623分析グレード (実験室内の培養で使用)
パドルホイールGSI以前の設計
pHセンサーVan London pHoenix715-772-0041
ポータブルスクリーンRasspberryPi 3 B+
再循環遠心ポンプ(1.5 HP)Aquapak ALY 15
重炭酸ナトリウムIndustria del alcaliN/A肥料グレード (温室および経験的使用)
重炭酸ナトリウムフェルモント12903分析グレード (実験室内の培養に使用)
塩化ナトリウムSal ColimaN/A肥料グレード (温室および経験的使用)
塩化ナトリウムフェルモント24912分析グレード(実験室内の培養に使用)
硝酸ナトリウムVitraquimN / A肥料グレード(温室および実験用)
硝酸ナトリウムFermont41903分析グレード(実験室内の培養に使用)
保管プログラム(pH、DO) Pythonソフトウェアの基礎 Python IDLE 2.7
Tedlar バッグSKC Inc.232-25
温度レコーダーT&DTR-52i
紫外可視分光光度計サーモフィッシャー 科学機器GENESYS 10S 
真空ポンプEVAREV-40
の下で作られました 硫酸の下で製造

参考文献

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