Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Biogaszuivering door het gebruik van een microalgenbacterieel systeem in semi-industriële algenvijvers met hoge snelheid

3.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/65968

⸱

22 maart 2024

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

In dit artikel

Samenvatting

Luchtverontreiniging heeft invloed op de kwaliteit van leven van alle organismen. Hier beschrijven we het gebruik van microalgenbiotechnologie voor de behandeling van biogas (gelijktijdige verwijdering van kooldioxide en waterstofsulfide) en de productie van biomethaan door middel van semi-industriële open algenvijvers met hoge snelheid en de daaropvolgende analyse van behandelingsefficiëntie, pH, opgeloste zuurstof en microalgengroei.

Samenvatting

In de afgelopen jaren zijn er een aantal technologieën ontstaan om biogas te zuiveren tot groen gas. Deze zuivering omvat een vermindering van de concentratie van vervuilende gassen zoals kooldioxide en waterstofsulfide om het methaangehalte te verhogen. In deze studie gebruikten we een microalgenkweektechnologie om biogas geproduceerd uit organisch afval van de varkensindustrie te behandelen en te zuiveren om kant-en-klaar biomethaan te verkrijgen. Voor de teelt en zuivering werden in San Juan de los Lagos, Mexico, twee fotobioreactoren van 22,2m3 met open vijver in combinatie met een absorptie-desorptiekolomsysteem opgesteld. Verschillende recirculatievloeistof/biogasverhoudingen (L/G) werden getest om de hoogste verwijderingsrendementen te verkrijgen; andere parameters, zoals pH, opgeloste zuurstof (DO), temperatuur en biomassagroei, werden gemeten. De meest efficiënte L/G's waren 1,6 en 2,5, wat resulteerde in een behandeld biogaseffluent met een samenstelling van respectievelijk 6,8% vol en 6,6% vol in CO2, en verwijderingsrendementen voor H2S tot 98,9%, evenals het handhaven van O 2-verontreinigingswaarden van minder dan 2% vol. We ontdekten dat pH in grote mate bepalend is voor de verwijdering van CO2, meer dan L/G, tijdens de teelt vanwege de deelname aan het fotosyntheseproces van microalgen en het vermogen om de pH te variëren wanneer ze worden opgelost vanwege de zure aard. DO, en de temperatuur oscilleerden zoals verwacht op basis van respectievelijk de licht-donker natuurlijke cycli van fotosynthese en het tijdstip van de dag. De groei van biomassa varieerde met de toevoer van CO2 en nutriënten en met de oogst van reactoren; De trend bleef echter klaar voor groei.

Inleiding

In de afgelopen jaren zijn er verschillende technologieën ontstaan om biogas te zuiveren tot biomethaan, waarbij het gebruik ervan als niet-fossiele brandstof wordt bevorderd en zo de uitstoot van onontluchtbaar methaan wordt verminderd1. Luchtvervuiling is een probleem dat het grootste deel van de wereldbevolking treft, vooral in verstedelijkte gebieden; Uiteindelijk ademt ongeveer 92% van de wereldbevolking vervuilde luchtin 2. In Latijns-Amerika worden de luchtverontreinigingspercentages voornamelijk veroorzaakt door het gebruik van brandstoffen, waarbij in 2014 48% van de luchtverontreiniging werd veroorzaakt door de elektriciteits- en warmteproductiesector3.

In het afgelopen decennium zijn er steeds meer studies voorgesteld over de relatie tussen verontreinigende stoffen in de lucht en de toename van sterftecijfers, met het argument dat er een sterke correlatie is tussen beide datasets, met name bij kinderen.

Om te voorkomen dat de luchtverontreiniging voortduurt, zijn verschillende strategieën voorgesteld; een daarvan is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, waaronder windturbines en fotovoltaïsche cellen, die de uitstoot van CO2 in de atmosfeer verminderen 4,5. Een andere hernieuwbare energiebron is biogas, een bijproduct van de anaërobe vergisting van organisch materiaal, geproduceerd samen met een vloeibaar organisch digestaat6. Dit gas bestaat uit een mengsel van gassen en hun verhoudingen zijn afhankelijk van de bron van organisch materiaal dat wordt gebruikt voor anaërobe vergisting (zuiveringsslib, rundveemest of agro-industrieel bioafval). Over het algemeen zijn deze verhoudingen 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), koolwaterstoffen (0-200 mg/m3) en siloxanen (0-41 mg/m3)7,8,9, waarbij de wetenschappelijke gemeenschap geïnteresseerd is in het methaangas omdat dit de hernieuwbare energetische component van het mengsel is.

Biogas kan echter niet zomaar worden verbrand zoals het is verkregen, omdat de bijproducten van de reactie schadelijk en verontreinigend kunnen zijn; Dit verhoogt de noodzaak om het mengsel te behandelen en te zuiveren om het percentage methaan te verhogen en de rest te verlagen, waardoor het in wezen wordt omgezet in biomethaan10. Dit proces wordt ook wel upgraden genoemd. Hoewel er momenteel commerciële technologieën voor deze behandeling zijn, hebben deze technologieën verschillende economische en ecologische nadelen 11,12,13. Systemen met actieve kool en waterreiniging (ACF-WS), hogedrukreiniging (PWS), gaspermeatie (GPHR) en drukschommelingsadsorptie (PSA) hebben bijvoorbeeld enkele economische of andere nadelen van milieu-impact. Een levensvatbaar alternatief (figuur 1) is het gebruik van biologische systemen, zoals systemen die microalgen combineren met bacteriën die in fotobioreactoren worden gekweekt; Enkele voordelen zijn de eenvoud van ontwerp en bediening, de lage bedrijfskosten en de milieuvriendelijke werking en bijproducten 10,13,14. Wanneer biogas wordt gezuiverd tot biomethaan, kan dit laatste worden gebruikt als vervanging voor aardgas en kan het digestaat worden gebruikt als een bron van voedingsstoffen om de groei van microalgen in het systeem te ondersteunen10.

Een methode die veel wordt gebruikt bij deze opwaarderingsprocedure is de groei van microalgen in fotoreactoren met open toevoerkanalen in combinatie met een absorptiekolom vanwege de lagere bedrijfskosten en het minimale benodigde investeringskapitaal6. Het meest gebruikte type raceway-reactor voor deze toepassing is de high-rate algenvijver (HRAP), een ondiepe drijfkanaalvijver waar de circulatie van de algenbouillon plaatsvindt via een schoepenrad met laag vermogen14. Deze reactoren hebben grote oppervlakken nodig voor hun installatie en zijn zeer gevoelig voor besmetting bij gebruik in de buitenlucht; bij biogaszuiveringsprocessen wordt geadviseerd om alkalische omstandigheden (pH > 9,5) te gebruiken en algensoorten te gebruiken die gedijen bij hogere pH-waarden om de verwijdering van CO2 en H2S te verbeteren en verontreiniging te voorkomen15,16.

Dit onderzoek was gericht op het bepalen van de efficiëntie van de biogasbehandeling en de uiteindelijke productie van biomethaan met behulp van HRAP-fotobioreactoren in combinatie met een absorptie-desorptiekolomsysteem en een microalgenconsortium.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Opzet van het systeem

OPMERKING: Een leiding- en instrumentatiediagram (P&ID) van het systeem dat in dit protocol wordt beschreven, wordt weergegeven in afbeelding 2.

  1. Opstelling van de reactor
    1. Bereid de grond voor door deze waterpas te maken en te verdichten om de stabiliteit van de reactor te verbeteren.
    2. Graaf op een open veld twee langwerpige gaten en graaf op 3 m van het einde verder een gat van 3m2 en 1 m diep (bekend als een beluchtingsput).
    3. Plaats twee HRAP's (Figuur 3) in de ruimte op met geomembraan bedekte metalen steunen. Elke reactor moet een bedrijfscapaciteit hebben van 22,2m3.
    4. Plaats een luchtpomp per reactor van 1728,42 watt (2,35 pk) dicht bij het punt van de HRAP's waar de beluchtingsputten zijn gegraven.
    5. Bevestig een schoepenrad (bewogen door een elektromotor van 1103,24 watt [1,5 pk") over de reactor om het contact tussen biomassa en media te bevorderen.
  2. Opstelling voor gasbehandeling (figuur 4)
    1. Bouw de desorptiekolom met een 6" polyvinylchloride (PVC) buis, waarbij de inlaatstroom 2 m van de afgedekte bovenkant binnenkomt en de uitlaatstroom van onderaf stroomt (Figuur 2).
    2. Plaats de absorptietank (Vt: 2,55 m3), waar de gasvormige inlaatstroom (onbehandeld biogas) vanaf de bodem door 11 diffusorbuizen wordt geblazen en van de anaërobe vergister komt via een 4" PVC-pijpleiding die door een biogasblazer, een 1" rotameter en een bemonsteringspoort gaat, terwijl de vloeistof uit de mediarecirculatie komt na de desorptiekolom op de bodem van de tank. De vloeistofuitlaat bevindt zich aan de zijkant van de tank. Het transporteert de met CO2 -verrijkte media naar de niveauregelkolom en het gas verlaat de uitlaat aan de bovenkant van de tank, die is verbonden met een 1" PVC-pijpleiding om het verkregen biomethaan naar een brander te leiden voor continue verbranding (Figuur 2).
    3. Sluit de absorptietank aan op de desorptiekolom via een PVC-buis van 4 inch, die tussen beide bewerkingen door een bemonsteringspoort gaat (Figuur 2).
    4. Bouw de niveauregelkolom met een 6" PVC-buis waar de inlaat zich aan de onderkant bevindt. Het heeft twee uitgangen (bediend met vlinderkleppen), afhankelijk van de behoeften van het systeem; de eerste bevindt zich op een hoogte van 2,5 m en de tweede op 3 m van de grond (figuur 2).
    5. Sluit de HRAP-fotobioreactoren via een 2" PVC-pijpleiding aan op de 6" desorptiekolom, door een recirculatiecentrifugaalpomp (1103,24 watt [1,5 pk]) en een 1" rotameter (Figuur 2).
    6. Sluit de niveauregelkolom via een 4" PVC-buis aan op een schema 40 PVC-buis, die door een bemonsteringspoort gaat. Sluit het vervolgens aan op een deel van de flexibele PVC-buis, gevolgd door nog een schema 40 PVC-buis en ten slotte een 4" PVC-buis, die uitkomt op de HRAP-fotobioreactoren (Figuur 2).
    7. Stel de bypass van de desorptiekolom in met een PVC-pijpleiding van 2 inch en sluit deze aan op de hoofdbuis vóór de bemonsteringspoort (Figuur 2).

2. Functioneel testen van het systeem

  1. Recirculatie centrifugaalpomp (1103,24 watt [1,5 pk])
    1. Om het maximale debiet van de pomp te bepalen, vult u de binnenkant gedurende ten minste 10 minuten om luchtaanzuiging te voorkomen en start u deze op 230 V en 1 fase.
    2. Test de recirculatiestroom door deze door de 1" rotameter te laten stromen.
  2. Biogas borrelsysteem
    1. Om de kracht te bepalen die nodig is om ten minste een luchtkolom gelijk aan 200 mbar te laten borrelen, test u ten minste 3 ventilatoren met verschillende vermogens (485,52 watt [0,66 pk], 1838,74 watt [2,5 pk] en 3309,74 watt [4,5 pk]) door lucht in de absorptietank te laten borrelen.
    2. Controleer visueel de grootte en verdeling die wordt bereikt door de luchtbellen in de tank. Onder de hier beschreven bedrijfsomstandigheden is de voorspelde gemiddelde diameter van de bellen 3 mm.

3. Inenting en groei onder binnenomstandigheden

  1. Breng een zuivere stam van Arthrospira maxima over van agarplaten naar 15 ml waterig mineraal medium17 (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]).
  2. Schaal de kweek op tot kolven van 500 ml met onschadelijk waterig medium van Jourdan, met behulp van 100% van het volume van de kolf, en laat deze groeien in 12 uur licht/12 uur donkere fotoperioden met behulp van light emitting diode (LED)-lampen met opbouwapparaat (SMD) 2835 dat tijdens koud licht levert bij 2000 lm en onder continue menging door luchtborrelen (0,3 l/min of 0,6 vvm). (stap van ongeveer 1 maand).
  3. Ga door met het opschalingsproces door 20% van het vorige volume toe te voegen aan het nieuwe volume totdat 50 L is bereikt.
  4. Pas de kweek aan het natuurlijke licht en de Jourdan-kweekmedia in een kas aan in transparante zakken van 50 L (stap van ongeveer 2 maanden).
  5. Ga in deze omstandigheden door met opschalen tot 5m3 HRAP fotobioreactoren (stap van ongeveer 2 maanden).

4. Operationele start van het systeem onder buitenomstandigheden

  1. Voeg het volledige volume van deze 5m3 HRAP fotobioreactoren toe aan HRAP's fotobioreactoren van 13m3 die zich buiten bevinden en vul de rest van het volume met Jourdan kweekmedium. Begin met het mengen door een schoepenrad met een snelheid van 30 cm/s en kweek gedurende 15 dagen in batchmodus of totdat het 0,7 g/L bereikt (stap duurt ongeveer 1 maand).
  2. Zodra de groei 0,7 g/l bereikt, brengt u het volume over naar de werkende 22,2 m3 HRAP, vult u de rest met Jourdan-media en stelt u het schoepenrad in op een snelheid van 30 cm/s. Laat de biomassa groeien tot 0,7 g/L en een pH van 10; Zodra aan deze voorwaarden is voldaan, begint u indien nodig met bemonsteren en oogsten.
  3. Start de vloeistofrecirculatie van de HRAP-fotobioreactor naar de absorptietank met variabel debiet om de productiviteit van de biomassa te verhogen. Begin met het borrelen van biogas met een gemiddeld debiet van 3,5 m3/h na 2 uur om anorganische koolstof aan de cultuur te leveren. Let op de pH, want deze moet boven de 9 blijven.
    NOTITIE: Voordat u de media door de absorptietank laat recirculeren, moet u de hierboven beschreven centrifugaalpomp vullen.
  4. Toevoeging van voedingsstoffen: Controleer wekelijks de voedingscondities tijdens de oogst en de algehele stikstofbalans, uitgaande van een stabiele toestand, berekend zoals weergegeven:
    MNaNO3 = (MBiomassa x 0,10)/0,12 [g]
    Waar:
    MNaNO3 = Natriumnitraatmassa [g]
    MBiomassa = Geoogste biomassa [g]
    1.10: Massaopbrengst stikstof/biomassa16 [g/g]
    1.12: Massafractie van stikstof in natriumnitraat [g/g]
  5. Met de resultaten van de stikstofbalans herformuleert u de Jourdan-media om de proportionele hoeveelheid Na3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O en FeSO4·7H2O toe te voegen. Voeg geen natriumbicarbonaat of natriumchloride meer toe.
    NOTITIE: Los de voedingsstoffen op in schoon water voordat u ze aan de reactoren toevoegt.
  6. Controleer de waterverdamping en voeg indien nodig wekelijks toe.

5. Bemonstering en analyse

  1. Biogas
    1. Bemonstering van het biogas uit de bemonsteringsuitgang vóór de absorptietank en uit de bemonsteringsuitgang na de tank door een polyvinylfluoridezak van 10 liter met een flexibele buis met de juiste diameter op de uitlaat aan te sluiten; Plaats ze allemaal in aparte polyvinylfluoridezakken.
    2. Kalibreer de draagbare gasanalysator door de druktransductor op nul te zetten en te wachten op stabilisatie. Doe dit door op Start en vervolgens op Volgende te drukken en een doorzichtige buis en een gele buis aan te sluiten volgens de instructies van de analysator. Druk op Volgende en tot slot, Gasmetingen.
    3. Sluit elk monster in de polyvinylfluoridezakken aan op de analysator, druk op Volgende en meet de CH4-, CO2-,O2 - enH2S-concentraties als %vol vanaf beide punten van het systeem.
    4. Bepaal de volumetrische recirculatievloeistof/biogasverhouding (L/G) door de vloeistofrecirculatiestroom te delen door de biogasproductiestroom. Bereken de overeenkomstige gasstroom (m3/h) die de hoogste efficiëntie van CO2 en H2S verwijdering biedt.
  2. Online meten van systeemcondities (pH, opgeloste zuurstof, temperatuur)
    1. Kalibreer alle sensoren volgens de specificaties van de fabrikant.
    2. Plaats een pH-sensor, een sensor voor opgeloste zuurstof (DO) en een temperatuursensor in de vloeistof van elke HRAP.
      NOTITIE: Raadpleeg voor het merk en de specificaties van elk van de sensoren het bestand Materiaaltabel.
    3. Sluit de pH- en DO-sensoren aan op een apparaat voor gegevensverzameling dat bestaat uit een 1,4 GHz 64-bits quad-coreprocessor die is aangesloten op een draagbaar scherm waarop een kant-en-klaar Python-programma is opgeslagen dat is geschreven in Integrated Development and Learning Environment (IDLE) 2.7.
      1. Open het programma via het scherm en geef de tijdsintervallen aan om elk datapunt op te slaan (in dit geval elke 2 minuten).
      2. Maak een spreadsheet waarin het programma automatisch de verzamelde gegevens opslaat.
      3. Klik op de knop met de tekst AAN, wat aangeeft dat het klaar is om te beginnen met het opslaan van gegevens.
      4. Om de gegevensverzameling te stoppen, klikt u op de knop met de tekst UIT.
      5. Als u de informatie wilt downloaden, plaatst u een USB (Universal Serial Bus) en importeert u de spreadsheet.
    4. Sluit de temperatuursensor aan op een thermorecorder om de gegevens op te slaan die tijdens de experimenten zijn geregistreerd.
  3. Korte verkennende tests
    1. Bepaal de meest efficiënte L/G
      1. Regel de inkomende biogasstroom om de te testen L/G-waarde te selecteren (0,5, 1, 1,5, 1,6, 2, 2,5, 3,3, 3,4).
      2. Meet de pH en de inlaat- en uitlaatconcentraties van elk gas (CH4, CO2, H2S, O2, N2) aan het begin en elke 15 min gedurende een uur (60 min), met behulp van de eerder beschreven instrumenten.
      3. Bepaal de meest efficiënte L/G door de uitlaatwaarden te vergelijken en kies degene die het meest geschikt is op basis van de behoeften van het experiment.
    2. Relatie tussen L/G, pH en CO2
      1. Kies ten minste twee L/G's om te vergelijken.
      2. Meet voor elke L/G de pH en de inlaat- en uitlaatconcentraties van CO2 en van H2S, O2 en N2 als controle aan het begin, elke 15 min gedurende 60 min, en vervolgens elk uur gedurende in totaal 5 uur, met behulp van de eerder beschreven instrumenten.
      3. Bereken de CO2 - verwijderingspercentages met behulp van de vergelijking:
        %CO2 verwijdering = ((CO2in - CO2uit)/(CO2in)) x 100
      4. Maak een grafiek van de resultaten en vergelijk het gedrag van de pH en CO2 voor elk van de geteste L/G's.
  4. Kalibratiecurve om het gewicht van biomassa per liter cultuur te correleren met de extinctie bij 750 nm18
    1. Bemonstert de algencultuur om te proberen een absorptie van 1.0 te krijgen. Als de cultuur een extinctie van minder dan 1,0 heeft, onttrek dan water door filtratie (0,45 μm filter) uit een kweekmonster. Als de absorptie groter is dan 1, kan deze worden verminderd door een nieuw kweekmedium toe te voegen.
    2. Bereid vijf algencelsuspensies met behulp van het monster en voeg vers kweekmedium toe, in volume/volume (V/V) percentage: 100%, 80%, 60%, 40% en 20%.
    3. Meet en registreer de extinctie bij 750 nm van de vijf oplossingen met een spectrofotometer met behulp van plastic cuvetten, waarbij het verse kweekmedium de blanco is.
    4. Bepaal het biomassagewicht per liter cultuur van elke suspensie door 10 ml door een eerder gewogen filter van 0,45 μm te filteren en het monster gedurende 24 uur en later 48 uur in een silica-exsiccator te drogen om een constant gewicht te garanderen. Herhaal deze stap voor elk van de vijf oplossingen.
      OPMERKING: Een hogere temperatuur (boven 60 °C) wordt niet aanbevolen voor het drogen vanwege het verlies van bepaalde belangrijke verbindingen die kunnen vervluchtigen en het gewicht van het monster kunnen veranderen.
    5. Nadat u het gewicht hebt bevestigd, berekent u de biomassaconcentratie in de reactor met de vergelijking:
      Biomassaconcentratie = (Biomassagewicht - filtergewicht) x 1000/Gefilterd volume [g/L]
    6. Maak een lineaire regressie van de biomassagewichtsgegevens in gram per liter cultuur als functie van de absorptie gemeten bij 750 nm met behulp van een spreadsheet of andere software. De lineaire regressiecoëfficiënt moet groter zijn dan 0,95; Anders is de curve niet nuttig en moet het protocol worden herhaald.
      OPMERKING: Het wordt beschreven als biomassagewicht en niet als droog gewicht als de meeste methoden, omdat de gebruikte droogmethode geen volledige verwijdering van water in het monster mogelijk maakt, waardoor een watergehalte van minder dan 5% overblijft19.
  5. Groei van biomassa
    1. Bewaak de reactoren elke dag. Neem een monster van 1 liter halverwege tussen het schoepenrad en de terugkeer van elke cultuur en breng het naar het laboratorium.
    2. Controleer de koloniegroei en zuiverheid van de cultuur onder de microscoop.
    3. Meet en registreer de extinctie bij 750 nm van de monsters met een spectrofotometer, waarbij het verse kweekmedium de blanco is.
    4. Vergelijk met de kalibratiecurve om het geschatte gewicht van de biomassa in gram per liter te verkrijgen.
    5. Noteer de groei van elke toevoerkanaalreactor.
  6. Productie van biomassa - oogsten
    1. Bewaak de reactoren elke dag. Als de groei van biomassa tijdens de bemonstering boven de 0,7 g/l komt, moet worden geoogst.
    2. Plaats afwisselend tussen beide HRAP's een polyester gaas op een sectie aan het ene uiteinde van de reactor en plaats een uiteinde van een flexibele PVC-buis in de stroom van de vloeistof, zodat het andere uiteinde de vloeistof bovenop het gaas afvoert.
    3. Giet tussen 4500 L en 7500 L (afhankelijk van de biomassaverzadiging van de reactor) af op het gaas, waarbij een continue stroom terug naar de overeenkomstige HRAP wordt gehandhaafd. De biomassa wordt vastgehouden op het gaas.
    4. Om te oogsten, verwijdert u het gaas van de bovenkant van de reactor en plaatst u het op een ander oppervlak om de biomassa eraf te schrapen en in een trechter te plaatsen.
    5. Duw de biomassa door de trechter om langwerpige vormen te creëren bovenop een schoon en droog gaas; zet het gaas 48-72 uur in een warme, overdekte ruimte (34-36 °C).
    6. Eenmaal droog, verwijder je de biomassa uit het gaas en weeg je het. Bereken de geoogste biomassaconcentratie in g/L met deze vergelijkingen:
      Volume afgetapte vloeistof = Pompdebiet x Afvoertijd [L]
      Concentratie van geoogste biomassa = Biomassagewicht van geoogste biomassa/Volume afgevoerde vloeistof [g/L]

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Volgens het protocol werd het systeem gebouwd, getest en ingeënt. De omstandigheden werden gemeten en opgeslagen, en de monsters werden genomen en geanalyseerd. Het protocol werd een jaar uitgevoerd, beginnend in oktober 2019 en duurde tot oktober 2020. Het is belangrijk om te vermelden dat vanaf hier de HRAP's RT3 en RT4 zullen worden genoemd.

Productiviteit van biomethaan
Om de omstandigheden te bepalen die de hoogsteH2S- en CO2 -verwijdering en bijg...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Door de jaren heen is deze algentechnologie getest en gebruikt als alternatief voor de harde en dure fysisch-chemische technieken om biogas te zuiveren. Met name het geslacht Arthrospira wordt veel gebruikt voor dit specifieke doel, samen met Chlorella. Er zijn echter maar weinig methodieken die op semi-industriële schaal worden gemaakt, wat waarde toevoegt aan deze procedure.

Het is van cruciaal belang om lagereO2-concentraties te handhaven door de juiste L/G-verh...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Belangenverstrengeling. De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflict hebben.

Dankbetuigingen

Wij danken DGAPA UNAM project nummer IT100423 voor de gedeeltelijke financiering. We danken ook PROAN en GSI voor het feit dat we technische ervaringen hebben kunnen delen over hun fotosynthetische biogasopwaardering van volledige installaties. De technische ondersteuning van Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez en Daniel de los Cobos Vasconcelos wordt zeer gewaardeerd. Een deel van dit onderzoek is uitgevoerd bij IIUNAM Environmental Engineering Laboratory met een ISO 9001:2015 certificaat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1" rotameterCICLOTECN/A
1" rotameterGPIA10-LMA100IA1
Absorption tankEFISAGemaakt volgens eerder ontwerp
Luchtblazer (2,35 HP)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogasblazer (2 HP)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogas samenstellingsmaatGeotechBIOGAS 5000
GegevensverzamelingsapparaatLabJack Co.U3-LV
DiffuseerbuizenAero-TubeC3060AR
DO sensorApplisensZ10023525
Dodecahydraat trisodiumfosfaat Quimica PIMAN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
Dodecahydraat trisodiumfosfaat Fermont35963Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
Durapore membraan (45 µm)MerckMilliporeHVLP04700 
Elektrische motor 1,5 HPWeg00158ET3ERS56C
Ferrosulfaat heptahydraatAgroquimica SametN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
Ferrosulfaat heptahydraatFermont63593Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
GeomembraanGEOSINCEREN/A
Magnesiumsulfaat heptahydraatTepeyacN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
Magnesiumsulfaat heptahydraatFermont63623Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
Paddle wheelGSIGemaakt volgens eerder ontwerp
pH sensorVan London pHoenix715-772-0041
Draagbare schermRasspberryPi 3 B+
Recirculatiecentrifugaalpomp (1,5 HP)Aquapak ALY 15
NatriumbicarbonaatIndustria del alcaliN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
NatriumbicarbonaatFermont12903Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
NatriumchlorideSal ColimaN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
NatriumchlorideFermont24912Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
NatriumnitraatVitraquimN/AMeststofkwaliteit (kas- en experimenteel gebruik)
NatriumnitraatFermont41903Analytische kwaliteit (Gebruikt in culturen in het laboratorium)
Opslagprogramma (pH, DO) Python Software Foundation Python IDLE 2.7
Tedlar zakkenSKC Inc.232-25
TemperatuurrecorderT&DTR-52i
UV-Vis spectrofotometerThermoFisher Scientific instrumentGENESYS 10S 
VacuumpompEVAREV-40

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

BiomethaanproductieBedrijf van FotobioreactorenKoolstofdioxideremissieWaterstofsulfideremissieVloeistof-gasverhoudingArthrospira maximaBiomassagroei
Biogaszuivering door het gebruik van een microalgenbacterieel systeem in semi-industriële algenvijvers met hoge snelheid
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.