Waiting
Login processing...

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

Environment

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

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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]

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 bijgevolg de hoogste concentratie methaan bevorderen, werden verschillende recirculatievloeistof/biogasverhoudingen (L/G) geprobeerd in een bereik van 0,5 tot 3,4. Deze resultaten zijn verkregen voor experimenten met een duur van ten minste 60 min (1 uur) continu borrelend biogas in de periode tussen 25 september en 28 september. Tijdens deze tests fixeerden de microalgen de CO 2 en oxideerden de bacteriën de H2S, concentreerden het methaan (CH4) en zuiverden in wezen het gasmengsel.

Rekening houdend met de gemiddelde CO2 -eliminatiecapaciteit van het hele systeem (HRAP-volume + tankinhoud = 24,75m3) en een stabiele biomassaconcentratie van 0,8 g/L, werd een specifieke fixatiesnelheid geschat, resulterend in 65 mgCO2/gbiomassa h, wat lager is dan de maximale theoretische gerapporteerde (300 mgCO2/gbiomassa h). Dit geeft aan dat het biogaszuiveringsproces op basis van microalgenbacteriën geschikt is om te worden verbeterd.

Over het algemeen had biogaszuivering een verhoogde werkzaamheid bij hogere L/G-waarden, waarbij de verwijderingsefficiëntie op of boven 98% voor H2S en minder dan 7,5% vol voor CO2 werd gehandhaafd (Figuur 5, Figuur 6 en Figuur 7). De O2-biomethaanverontreiniging als gevolg van de fotosynthetische productie van dit gas was echter veel hoger bij hogere L/G-waarden, wat een potentieel probleem kan zijn voor commercieel gebruik, aangezien deO2-concentraties volgens de wet vrij laag moeten blijven om het explosiegevaar te verminderen 20. Een andere reden houdt verband met het vermijden van een vermindering van de calorische waarde door O 2-verdunning. In plaats daarvan zou kunnen worden gesteld dat de L/G's 1.6 en 2.5 over het algemeen de meest efficiënte resultaten vertegenwoordigen, met CO2 -concentraties tussen 6,6 % vol en 6,8 % vol, CH4 bij 87 % vol en O2 bij minder dan 1,5 % vol, en met H2S-verwijderingsrendementen van meer dan 98,5 % (figuur 5, figuur 6, en figuur 7). Een vergelijking tussen de verkregen percentages en wat wettelijk wordt geaccepteerd, is te vinden in tabel 1.

Het is interessant om op te merken dat de recirculatievloeistof/biogas-verhouding van 2 een hogere CO2 -concentratie heeft (7,4% vol), zelfs als de waarde tussen de meest efficiënte L/G's ligt; dit kan worden toegeschreven aan het feit dat het werd getest in RT3 in plaats van RT4. In dit geval waren de omstandigheden minder gunstig voor CO2 -verwijdering, mogelijk door een lagere biomassaconcentratie. In totaal bedroeg het gemiddelde biomethaan dat onder deze omstandigheden werd geproduceerd 20,68m3/dag, met een gemiddeld debiet van 4,14m3/h.

De resultaten kunnen variëren afhankelijk van de groeiomstandigheden, het type biogas (synthetisch of echt) en de algen; Serejo et al.21 gebruikten bijvoorbeeld twee synthetische biogasmengsels die een volledig CO2 en N2 gasmengsel simuleerden om te vergelijken met een gewoon biogas gemaakt van 70% vol CH4, 29,5% vol CO2 en 0,5% vol H2S, waarbij het werd gezuiverd door een 180 L HRAP-absorptiekolomsysteem dat Chlorella vulgaris kweekt. In dit artikel test Serejo ook verschillende L/G-verhoudingen, variërend van 0,5 tot 67, in een kleiner maar vergelijkbaar systeem bij lagere pH-waarden en kunstlicht. Volledige verwijdering van H2S en een gemiddeld verwijderingspercentage van 80% in de beste verhoudingen (boven de 15) werd bereikt. Deze verwijderingsefficiënties namen lineair toe met de ratio; De zuurstofverontreiniging nam echter ook toe, wat problemen zou kunnen opleveren voor de algehele kwaliteit van het resulterende biomethaan. De toename van onzeCO2 -verwijderingsefficiëntie was niet lineair; niettemin is een betere CO2 -eliminatie te zien bij grotere verhoudingen. De verklaring is multicausaal, met betrekking tot pH, voedingsomstandigheden in de cultuur en groei van biomassa, evenals het borrelen van biogas.

Het effect van de L/G-verhouding op de prestaties van het biogasopwerkingssysteem werd zonder herhaling geëvalueerd. Het was gerechtvaardigd omdat de tests werden uitgevoerd in een dagelijkse periode van 10.00 tot 13.00 uur (het zou een stabiele zonnestraling en buitentemperatuur induceren); daarom induceerde het bijna optimale groeiomstandigheden voor fotosynthetische micro-organismen, dan kon worden aangenomen dat pH de meest invloedrijke parameter was voor de CO2 -absorptie22 , waarbij ook zeer weinig standaarddeviatie van minder dan 2% werd gerapporteerd voor de tests die het effect van de L/G-verhouding op de CO2 -absorptieverwijderingsefficiëntie beoordeelden.

De reactoren worden aan de buitenkant gekweekt, wat betekent dat, zelfs als het inoculum een zuivere cultuur van Arthrospira maxima-algen was, de kans op besmetting met andere organismen die kunnen overleven in de barre pH-omstandigheden binnen de cultuur groot is. Dat is het geval voor zwaveloxiderende bacteriën23,24. Deze verontreiniging blijkt echter gunstig te zijn voor het uiteindelijke doel van het experiment, aangezien deze bacteriën helpen deH2S uit het biogas te verwijderen, waardoor ze in wezen de leiding nemen over deze taak en helpen bij de kwaliteit van het resulterende biomethaan.

Onder de omgevings- en ionensterkteomstandigheden die tijdens de werking van het systeem heersten, werd de opgeloste H2S door oxisch-abiotische reacties geoxideerd tot polysulfiden en thiosulfaat, waar het na enkele dagen volledig zou moeten worden geoxideerd tot sulfaat25. De verwijdering van H2S door precipitatie met kationen in het waterige voedingsmedium is onbeduidend vanwege de onvoldoende hoeveelheid kationen die aan het systeem worden toegevoerd in vergelijking met de H2S-laadsnelheid (waarbij de molaire verhoudingen van kationen en H2S veel lager zijn dan 2). De afwezigheid van neerslag werd bevestigd door onze visuele inspectie tijdens de uitvoering van het biogasopwerkingsproces. De biologische sulfide-oxidatie is op dit moment niet geverifieerd omdat het systeem openstaat voor de omgeving.

Systeem condities
Opgeloste zuurstof (DO) en pH-variaties werden gemeten in zowel lichte als donkere omstandigheden. Overdag (lichtomstandigheden) nam de DO toe als gevolg van de fotosynthetische productie van zuurstof door de microalgen, terwijl deze 's nachts (donkere omstandigheden) afnam door zowel een gebrek aan fotosynthese als vanwege het heterotrofe metabolisme, dat gebruik maakt van ademhaling (Figuur 8).

De pH-waarden varieerden ook met de aanwezigheid van CO2 in de vloeistof (figuur 8), waarbij de waarde toenam wanneer minder CO2 werd opgelost en de waarde afnam wanneer minder CO2 werd verwijderd; met name zijn er kleinere pieken rond de tijden dat er geen CO2 meer werd verstrekt, die verderop zullen worden besproken. 's Ochtends bereikte de pH zijn piek rond 11:00 uur en de laagste waarden rond 18:00 uur, wat ook consistent is met de fotosynthetische activiteit van algen. Het is belangrijk om de grote daling rond dag 2 onder de aandacht te brengen; de korte verkennende test met de L/G van 1,64 werd uitgevoerd op 29 september, waarbij continu biogas werd geleverd met ongeveer 24 uur (rond dag 1) en het veroorzaakte een enorme destabilisatie in het systeem, waardoor de levering van ureum nodig was om te helpen bij de stikstofterugwinning. De andere korte verkennende test met 1,58 werd uitgevoerd op 5 oktober (rond dag 7), maar onder betere systeemomstandigheden (biogastoevoer tijdens de daglichtperiode), waardoor de pH slechts twee dagen licht afweek van de normale pieken voordat hij terugkeerde naar normaal gedrag.

De kleinere pieken in de pH in figuur 8 kunnen worden toegeschreven aan een periode van zelfregulatie van de algen naar de omgeving tijdens de overgang van fotosynthese naar ademhaling.

Verwijzend naar de korte verkennende tests om pH en L/G te relateren aan CO2 verwijderingspercentages (Figuur 9), hebben we twee verhoudingen getest, 1,64 en 1,58, zoals eerder vermeld. Dit zijn beide gemiddelden van de geregistreerde L/G's tijdens de experimenten. Er kunnen twee verschillende gedragingen worden opgemerkt, waarbij het verwijderingspercentage en de pH bij een verhouding van 1,58 opmerkelijk minder stabiel en veel lager waren dan die geregistreerd voor de verhouding van 1,64.

Dit wordt ondersteund door de biogasopwerking uitgevoerd door Bahr et al.15, door het gebruik van een HRAP-kolomsysteem met een soort Arthrospira maxima-algen . Bahr beoordeelde de verwijderingsefficiëntie van CO2 bij verschillende pH-omstandigheden en stroomsnelheden van mediavloeistof, evenals de verwijdering vanH2S- en O2-verontreiniging , op verschillende synthetische gassamenstellingen, variërend van eenvoudig CO2-N 2 tot biogassamenstellingen met variërende H2S-concentraties (tot 0,5% vol). Ze concludeerden dat bij hogere pH-waarden (variërend van 9-10) en een hoger vloeistofdebiet van kweekmedia (80 ml/min), de CO2 -verwijderingspercentages bijna 100% waren, maar een hogereO2-verontreiniging vertoonden, terwijl bij hogere pH-waarden (variërend van 9-10) en een lagere vloeistofstroomsnelheid van kweekmedia (20 ml/min), de CO2 -verwijderingspercentages dicht bij 100% bleven en er veel minderO2-verontreiniging werd waargenomen. Ze meldden ook volledige verwijdering van H2S in deze omstandigheden.

Evenzo kan DO-oscillatie (figuur 8) worden toegeschreven aan de fotosynthetische activiteit van de algen, aangezien DO overdag toenam als gevolg van de fotosynthetische productie van zuurstof door de microalgen, terwijl het 's nachts afnam door zowel een gebrek aan fotosynthese als vanwege een heterotroof metabolisme, dat gebruik maakt van ademhaling.

De temperatuur in de HRAP-fotobioreactor (RT4) varieerde als gevolg van het tijdstip van de dag en het herfstweer, met een piek op de meeste dagen tussen 23 °C en 28 °C rond 17.00 uur en de laagste waarden tussen 11 °C en 15 °C rond 6.00 uur (figuur 10). Af en toe werd de temperatuur aan de in- en uitlaat van de absorptietank gemeten, wat resulteerde in een gemiddelde temperatuur van respectievelijk 30,1 °C en 32,5 °C. Daarom moet het watergehalte (damp) na behandeling iets hoger zijn (13,5%) dan vóór de biogasbehandeling, ervan uitgaande dat in beide gevallen het vocht in biogas verzadigd raakte. Het wordt sterk aanbevolen om een biogasdroger te installeren voor een optimaal beheer en verder gebruik van gezuiverd biogas.

De gemiddelde L/G die bedoeld was voor de periode tussen 28 september en 10 oktober was 1,6, aangezien de korte tests suggereerden dat deze verhouding betere resultaten zou opleveren; het was echter niet mogelijk om het 's nachts te handhaven vanwege de overmatige verzuring van de microalgencultuur veroorzaakt door een slechte pH-buffercapaciteit van de waterige kweekmedia. Daarom werd alleen overdag biogas naar de absorptietank gevoerd, waarbij de L/G-waarden werden aangepast tot ongeveer 1,5.

Productiviteit van biomassa
De inenting op RT3 werd uitgevoerd op 20 mei 2020 en op RT4 op 27 mei 2020; de tijd tussen de tests (september) en de inenting diende om de cultuur te stabiliseren en operationele problemen op te lossen die zich voordeden, zoals plagen en storingen in het systeem, gezien de wereldwijde pandemie van COVID.

De groei van biomassa werd op twee manieren gemeten: bemonstering en oogst. Voor de toepassing van dit artikel verwijst bemonstering naar de concentratie van biomassa op een bepaald moment in de reactor, terwijl oogsten verwijst naar de productie-efficiëntie van de biomassa, d.w.z. de hoeveelheid biomassa die tijdens het proces is teruggewonnen om groeiremming te voorkomen. De tests werden uitgevoerd van 29 september tot 9 oktober, bij een gemiddelde L/G van 1,5, hoewel een verhouding van 1,6 de voorkeur had; De reden voor het lagere resultaat was te wijten aan de 1,15-ratio die rond dag 11 werd geregistreerd.

Van dag 1 tot dag 11 (van 29 september tot 9 oktober) werd regelmatig bemonstering gedaan (figuur 11), waarbij de groeitrend in beide reactoren zeer vergelijkbaar was: het begon met een hogere concentratie, bereikte de laagste waarde voor het experiment op dag 4 en 5, herstelde zich gestaag in RT4 en met enige variatie in RT3, eindelijk weer laten vallen. Hetzelfde gedrag is te zien in Harvesting, wat vervolgens suggereert dat een gebeurtenis (hoogstwaarschijnlijk een externe factor) de groei van beide culturen tegelijkertijd beïnvloedde.

De oogst (figuur 12) vond semi-regelmatig plaats, waarbij de ene oogst voor RT3 en de volgende oogst voor RT4 werden afgewisseld. Er moet echter rekening worden gehouden met de schaal; Zowel bij de bemonstering als bij de oogst is de variatie tussen de aantallen zeer laag, wat aangeeft dat de gebeurtenis die beide reactoren trof niet kritiek was. De rode stippellijn in figuur 8 geeft de periode aan waarin de reactoren niet werden geoogst; Dit was te wijten aan twee factoren: een paar dagen vielen in het weekend, toen de reactoren helaas niet toegankelijk waren voor bemonstering of oogst (wat ook kan worden bevestigd in figuur 11), en de methodologie vereist dat de reactor met de hoogste concentratie wordt geoogst. In het complex waren er vier reactoren, waarvan er slechts twee (RT3 en RT4) deelnamen aan deze studie, waardoor de dagen na het weekend dagen waren waarop de andere twee reactoren (RT1 en RT2) door het team werden geoogst en er geen oogstgegevens van RT3 en RT4 waren. De oogstgegevens waren ongeveer 50% lager dan de bemonsteringsgegevens; Dit kan zijn omdat de methodologie efficiënter is.

De variatie tussen de waarden per dag was klein (figuur 11), wat verwijst naar een veerkrachtige cultuur die verandering in systeemomstandigheden mogelijk maakt en stabiel blijft. Arthrospira maxima groeit bij voorkeur in sterk koolzuurhoudende media bij een hoge pH en is zeer gevoelig voor NH3-remming 15, wat consistent is met de resultaten in figuur 8. De kalibratie die in augustus 2020 is uitgevoerd, is weergegeven in figuur 13.

Beoordeling na de productie en bijproducten
Om het potentieel van dit gas om schadelijke emissies naar het milieu te verminderen te beoordelen, werd een volledig rapport door een extern bedrijf uitgevoerd, waarin de bevindingen stelden dat het met deze technologie geproduceerde biomethaan de totale directe CO2 -uitstoot met 84% verminderde, vergeleken met het gebruik van het ongezuiverde biogas rechtstreeks uit de anaërobe vergister. Bovendien was de totale warmtecapaciteit die het biomethaan kon leveren, 23.000 kJ hoger dan de warmtecapaciteit van het ruwe biogas, wanneer een levenscyclusanalyse werd uitgevoerd van elektriciteit die werd opgewekt door zowel het ruwe biogas als het gezuiverde biomethaan.

Ten slotte is een bijproduct van dit zuiveringsproces de geoogste microalgen, die, eenmaal droog, een groot aantal toepassingen hebben in andere industrieën, die meer waarde aan de methode zouden kunnen toevoegen en het proces kosteneffectief zouden kunnen maken26. Er werd bijvoorbeeld een onderzoek uitgevoerd naar basilicumgewassen om parameters zoals het aantal bladeren, het verse en droge gewicht van de scheuten en het verse gewicht van de bladeren te evalueren bij gebruik van gedroogde Scenedesmus-biomassa versus een gewone anorganische meststof; Ze vonden vergelijkbare resultaten in deze criteria in zowel biomassa als kunstmest27. Vergelijkbare resultaten werden gevonden in een andere studie waarin ze de groei van vier commerciële gewassen vergeleken met verschillende concentraties van een meststof gemaakt van algenbiomassa gesuspendeerd in water; Zelfs bij lage concentraties (20%) van de meststof bereikten de gewassen maximale groei, vergelijkbaar met chemische meststoffen28.

Figure 1
Figuur 1: Visuele weergave van het biologische proces dat plaatsvindt bij biogaszuivering met behulp van microalgen Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: P&ID diagram voor het systeem beschreven in het protocol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Foto van HRAP's die werden gebruikt tijdens experimenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Absorptietank. (A) Foto's van kweekmedium en biogasinlaten naar absorptietank. (B) Voor- en achteraanzicht van absorptietank. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Korte verkennende tests in RT3 om de L/G-efficiëntie te bepalen. Donkergroen komt overeen met CH4, groen komt overeen met CO2, lichtroze komt overeen met O2 en donkerroze komt overeen met N2. Gemiddelde pH 9,2435; Vloeistofinlaat 60-100 L/min; Gasinlaat 50-120 L/min. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: Korte verkennende tests in RT4 om de L/G-efficiëntie te bepalen. Donkerroze komt overeen met N2, lichtroze komt overeen met O2, donkergroen komt overeen met CO2 en lichtgroen komt overeen met CH4. Gemiddelde pH 9,95; Vloeistofinlaat 116-118 L/min; Gasinlaat 35-75 L/min. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Vergelijking van alle verwijderingspercentages voor H2S in elke L/G tijdens de korte verkennende tests. De L/G's van 0,5, 1, 1,5 en 2 komen overeen met RT3 en 1,6, 2,5, 3,3 en 3,4 met RT4. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: pH- en DO-profiel. pH (donkergroen) en DO-profiel (lichtgroen) voor RT4 tussen 28 september en 10 oktober 2020. Vloeistofinlaat 75-118 L/min; Gasinlaat 57-75 L/min. Gemiddelde voedingsconcentraties voor elk gas: CH4- 60%vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34%vol, O2- 0,6%vol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Verwijderingspercentageprofielen voor CO2 afhankelijk van pH-waarden en L/G. Groen komt overeen met de CO2 -verwijderingspercentages bij de L/G-verhoudingen: 1,58 (donkergroene driehoeken) en 1,64 (lichtgroene cirkels). Roze komt overeen met de pH-waarden bij de L/G-verhoudingen: 1,58 (donkerroze driehoeken) en 1,64 (lichtroze cirkels). Vloeistofinlaat 75-118 L/min; Gasinlaat 57-75 L/min. Gemiddelde voedingsconcentraties voor elk gas: CH4- 60%vol, H2S - 2400 ppmv, CO2- 34%vol, O2- 0,6%vol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Temperatuurprofiel voor RT4 tussen 28 september en 10 oktober 2020. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: Bemonsteringsresultaten voor RT4 (lichtgroene vierkanten) en RT3 (donkergroene cirkels) tussen 28 september en 10 oktober 2020. De L/G-verhoudingen zijn aangegeven met pijlen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 12
Figuur 12: Oogstresultaten voor RT4 (lichtgroene vierkanten) en RT3 (donkergroene cirkels) tussen 28 september en 10 oktober 2020. De L/G-verhoudingen zijn aangegeven met pijlen. In rode stippellijnen wordt de periode weergegeven waarin voor geen van beide reactoren werd geoogst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 13
Figuur 13: De kalibratiecurve uitgevoerd in augustus 2020, waarbij de concentratie van de algencultuur in gram per liter wordt gecorreleerd met de extinctie bij 750 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Component (%vol) Verkregen biogassamenstelling Opgewaardeerde biogassamenstelling Samenstelling van commercieel biomethaan NOM-001-SECRE-2010
CH4 64,2 ± 0,8 85,1 ± 2,0 >84
CO2 33,8 ± 0,1 7.2 ± 1.2 <3
H2S (ppmv) 2539 ± 32 30,5 ± 4,2 <6
O2 0,3 ± 0,1 1,7 ± 0,5 <0,2

Tabel 1: Vergelijkende samenstelling van biogas

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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-verhouding te gebruiken; Dit hangt echter af van de regio waar dit protocol zal worden toegepast. Het zuurstofgehalte in biomethaan is sterk gereguleerd vanwege het risico op explosie en corrosie in de pijpleidingen. Sommige landen in de Europese Unie eisen dat de inhoud zo laag is als 1%vol 29,30,31. Methaan daarentegen moet een concentratie hebben van meer dan 65% vol31. In Mexico is er bijna geen regelgeving met betrekking tot biogas en biomethaan, want het wordt beschouwd als gelijkwaardig aan aardgas, waar volgens de Mexicaanse normen32 het minimumgehalte aan CH4 in biomethaan 84% vol is en een maximaalO2-gehalte van 0,20% vol is toegestaan.

Bovendien bepaalt de pH in grote mate de CO2 -verwijdering, meer dan L/G, tijdens de teelt, en daarom is het van cruciaal belang om de pH gedurende de hele methodologie goed onder controle te houden, vooral tijdens het borrelen van biogas. Het is belangrijk om te begrijpen dat zodra CO2 in de vloeistof is opgelost, er een chemisch evenwicht in het spel is dat rechtstreeks van invloed is op de pH-waarden. Bij de pH-waarden waar deze culturen omheen schommelden (8,5-9,5), zijn bicarbonaten de vorm waarin dit molecuul aanwezig is, met een lichte toename van carbonaten aan de bovenkant van het pH-bereik33. In deze vorm zijn de microalgen ook in staat om de koolstof te metaboliseren tijdens de donkere reacties van fotosynthese om koolhydraten te produceren34. De timing van het borrelen van biogas is ook belangrijk, waarvan het wordt aanbevolen om het borrelen overdag te behouden. Desalniettemin heeft L/G ook invloed op de CO2 -verwijdering en de pH, zoals te zien is in FIG. 5. Het verwijderingspercentage en de pH bij een verhouding van 1,58 waren minder consistent en veel lager dan die van de verhouding van 1,64. Dit gedrag kan worden toegeschreven aan een hogere opname van gas in de recirculatieverhouding (meer gas zorgt voor een kleinere verhouding), waardoor de pH sneller daalde. Er kan echter ook worden gesteld dat de start-pH voor 1,64 hoger was, wat het gebufferde gedrag van CO2 -eliminatie-efficiëntie tijdens deze test bevorderde. L/G wordt in dit protocol gecontroleerd door de hoeveelheid biogas die wordt geborreld; Andere protocollen variëren echter de snelheid van de recirculerende vloeistof, wat ook een optie is. Bovendien is het 's nachts niet mogelijk om biogas te laten borrelen vanwege de verzuring van de kweek en het algenmetabolisme, aangezien er op dit moment geen kunstlicht wordt voorzien.

Een ander fenomeen dat variabiliteit in de validiteit van de resultaten introduceert, is het intermitterende luchtborrelen dat wordt gebruikt om sedimentatie van biomassa in de reactoren te voorkomen, waardoor groeiremming door zuurstofaccumulatie wordt voorkomen. Dit kan echter niet worden vermeden als deze methode wordt gebruikt. Een alternatief voor luchtborrelen is het toevoegen van meer schoepenraderen om de beweging over de lengte van de reactor te verbeteren, wat effectief kan zijn in andere experimenten. Aan de andere kant de uitgestrekte stukken land die nodig zijn voor de installatie van de reactoren, evenals het aanzienlijke waterverbruik om het systeem op te starten en te onderhouden om een eerlijke biomethaanproductiviteit te verkrijgen.

Het is belangrijk op te merken dat dit reguliere bemonsteringsproces gebruikmaakt van de kalibratiecurve voor het gewicht van biomassa - absorptie (figuur 9), waarbij de correlatie tussen de gegevens bijna 1 (0,9995) is; Hoewel de methode misschien niet gebaseerd is op een eerder artikel over dezelfde algen, toont de bepalingscoëfficiënt een sterk statistisch verband dat deze methode betrouwbaar is. Bovendien is het relevant om het belang van zowel bemonstering als oogst te beschrijven in een methodologie als deze. Bemonstering zorgde voor een goed onderhoud van de algencultuur, terwijl het oogsten een drievoudig doel diende: ten eerste werd groeiremming als gevolg van overbevolking van de cultuur vermeden, wat zuurstofophoping zou kunnen veroorzaken35; ten tweede kan het herstel van algenbiomassa leiden tot verdere economische kansen; En tot slot bood het nog een kans om de groeitrend voor de cultuur te meten.

Desalniettemin is het bepalen van de geschikte oogstmomenten (die in dit protocol worden gedefinieerd door de bemonsteringsresultaten) ook een cruciale stap omdat het de biomassa in de reactoren verlaagt. Een lagere biomassaconcentratie beïnvloedt de pH en CO2 -verwijdering als cyclus: bij ongunstige systeemomstandigheden (bijvoorbeeld bij lagere pH-waarden) vertraagt de groei van biomassa, wat op zijn beurt het vermogen van het systeem om CO2 te elimineren verlaagt omdat er minder biomassa is om het te metaboliseren; meer opgeloste CO2 zou de kweekmedia verzuren en de cyclus sluiten36. Veel andere factoren dragen bij aan de groei van de pH en biomassa, die niet over het hoofd mogen worden gezien in deze oversimplificatie van oorzaak-gevolg; De beschikbaarheid van stikstof kan uiterst belangrijk zijn voor Arthrospira maxima-algen, evenals klimaatomstandigheden zoals temperatuur en lichtintensiteit16,36, die niet kunnen worden gecontroleerd in een systeem als dit. De toevoeging van ureum, zoals te zien is in figuur 4, is bijvoorbeeld het bewijs dat stikstof, samen met hogere pH-waarden, een algensysteem kan regulariseren.

Andere beperkingen van deze methode houden verband met de oogstproductiviteit, die in vergelijking met bemonstering ongeveer 50% minder efficiënt is, wat de economische haalbaarheid van het systeem belemmert en de verbetering van filtratietechnieken zou vereisen. De resultaten van het oogstgewicht worden met 6% overschat (zoals achteraf gemeten volgens standaard drooggewichtmethoden), aangezien de droogomstandigheden op dat deel van het protocol niet resulteren in volledige watereliminatie. Wat biomassa betreft, zijn de bemonsteringsresultaten (met inbegrip van de kalibratiecurve) met ten minste 5 % overschat als gevolg van de onvolledige eliminatie van water in de methodologie19; Aangezien de fout echter systematisch is, wordt aanbevolen om alleen door te gaan met een thermogravimetrische analyse om het watergehalte in de cultuur te verifiëren om de resultaten en kalibratiecurve te overwegen en analytische correcties aan te brengen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Belangenverstrengeling. De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflict hebben.

Acknowledgments

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.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Environmental Sciences vloeistof/biogas verhoudingen L/G waterstofsulfide Arthrospira maxima fotosynthetisch absorptie
Biogaszuivering door het gebruik van een microalgenbacterieel systeem in semi-industriële algenvijvers met hoge snelheid
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vega Blanes, M.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter