Summary
大気汚染は、すべての生物の生活の質に影響を与えます。ここでは、微細藻類バイオテクノロジーを用いたバイオガス処理(二酸化炭素と硫化水素の同時除去)と、半工業的な開放型高速藻類池によるバイオメタン生産、およびその後の処理効率、pH、溶存酸素、微細藻類の成長の分析について説明します。
Abstract
近年、バイオガスをバイオメタンに精製する技術が数多く登場しています。この浄化には、二酸化炭素や硫化水素などの汚染ガスの濃度が低下し、メタン含有量が増加します。本研究では、養豚業から排出される有機廃棄物から発生するバイオガスを微細藻類の培養技術を用いて処理・精製し、すぐに使えるバイオメタンを得た。培養と精製のために、メキシコのサン・フアン・デ・ロス・ラゴスに22.2m3の露天掘りフォトバイオリアクターと吸収脱着カラムシステムを組み合わせて設置しました。いくつかの再循環液体/バイオガス比(L/G)がテストされ、最高の除去効率が得られました。pH、溶存酸素(DO)、温度、バイオマス成長などの他のパラメータを測定しました。最も効率的なL/Gは1.6と2.5であり、その結果、CO2中の組成はそれぞれ6.8%volと6.6%volで処理されたバイオガス廃液が得られ、H2Sの除去効率は最大98.9%であり、O2汚染値は2%vol未満に維持されました。微細藻類の光合成過程に関与し、酸性であることから可溶化時にpHを変化させる能力があるため、培養中のCO2除去はL/GよりもpHが大きく左右されることが分かりました。DOと温度は、それぞれ光合成の明暗自然サイクルと時刻から予想どおりに振動しました。バイオマスの成長は、CO2と栄養素の供給、および原子炉の収穫によって変化しました。しかし、この傾向は引き続き成長の兆しを見せています。
Introduction
近年、バイオガスをバイオメタンに精製し、非化石燃料としての利用を促進する技術がいくつか登場し、脱気不可能なメタン排出を軽減しています1。大気汚染は、特に都市部で世界の人口のほとんどに影響を与える問題です。最終的に、世界人口の約92%が汚染された空気を吸っています2。ラテンアメリカでは、大気汚染率は主に燃料の使用によって引き起こされており、2014年には大気汚染の48%が電力および熱生産部門によってもたらされました3。
過去10年間で、大気中の汚染物質と死亡率の増加との関係に関する研究がますます提案されており、特に子供の集団において、両方のデータセットの間に強い相関関係があると主張しています。
大気汚染の継続を回避する方法として、いくつかの戦略が提案されています。その1つが、風力タービンや太陽電池などの再生可能エネルギー源の使用であり、大気中へのCO2放出を減少させます4,5。別の再生可能エネルギー源は、有機物の嫌気性消化の副産物であるバイオガスから来ており、液体有機消化物とともに生成されます6。このガスはガスの混合物で構成されており、その割合は嫌気性消化に使用される有機物(下水汚泥、家畜の糞尿、または農工業バイオ廃棄物)の供給源によって異なります。一般に、これらの割合は、CH4(53%-70%vol)、CO2(30%-47%vol)、N2(0%-3%vol)、H2O(5%-10%vol)、O2(0%-1%vol)、H2S(0-10,000 ppmv)、NH3(0-100 ppmv)、炭化水素(0-200 mg / m3)およびシロキサン(0-41 mg / m3)7,8,9であり、科学界は、これが混合物の再生可能なエネルギー成分であるため、メタンガスに関心を持っています。
ただし、バイオガスは、反応の副生成物が有害で汚染物質になる可能性があるため、得られたとおりに単純に燃焼させることはできません。これにより、混合物を処理および精製してメタンの割合を増やし、残りを減らして、本質的にバイオメタンに変換する必要性が高まります10。このプロセスは、アップグレードとも呼ばれます。現在、この治療法には商用技術がありますが、これらの技術にはいくつかの経済的および環境的欠点があります11、12、13。たとえば、活性炭と水洗浄(ACF-WS)、圧力水洗浄(PWS)、ガス透過(GPHR)、および圧力スイング吸着(PSA)を備えたシステムは、環境への影響の経済的またはその他の欠点を示します。実行可能な代替案(図1)は、微細藻類とフォトバイオリアクターで増殖したバクテリアを組み合わせたような生物学的システムを使用することです。いくつかの利点には、設計と操作のシンプルさ、低い運用コスト、および環境に優しい操作と副産物が含まれます10,13,14。バイオガスがバイオメタンに精製されるとき、後者は天然ガスの代替として使用され得、消化物は、システム10内の微細藻類の成長をサポートするための栄養源として実装され得る。
このアップグレード手順で広く使用されている方法は、運用コストが低く、必要な投資資本が最小限であるため、吸収カラムと組み合わせたオープンレースウェイフォトリアクターでの微細藻類の成長です6。この用途に最も使用されるタイプの軌道面反応器は、高速藻類池(HRAP)であり、これは、藻類ブロスの循環が低出力パドルホイール14を介して発生する浅い軌道面池である。これらの原子炉は、設置に広い面積を必要とし、屋外条件で使用すると汚染の影響を非常に受けやすくなります。バイオガス精製プロセスでは、アルカリ性条件(pH > 9.5)を使用し、汚染を回避しながらCO2およびH2Sの除去を強化するために、より高いpHレベルで繁栄する藻類種を使用することをお勧めします15,16。
この研究は、吸収脱着カラムシステムおよび微細藻類コンソーシアムと組み合わせたHRAPフォトバイオリアクターを使用して、バイオガス処理効率とバイオメタンの最終生産を決定することを目的としています。
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Protocol
1. システムのセットアップ
注:このプロトコルで記述されているシステムの配管および計装図(P&ID)を 図2に示します。
- リアクターのセットアップ
- 反応器の安定性を向上させるために、地盤を平らにして圧縮して準備します。
- オープンフィールドで、端から3mの細長い穴を2つ掘り、さらに深さ3m2 と1mの穴(通気井と呼ばれる)を掘ります。
- 2つのHRAP(図3)を、ジオメンブレンで覆われた金属支持体のスペース内に置きます。各原子炉の運転能力は22.2m3でなければなりません。
- 原子炉ごとに1728.42ワット(2.35馬力)のエアポンプを、曝気井が掘られたHRAPのポイントの近くに配置します。
- パドルホイール(1103.24ワット[1.5馬力]の電気モーターで動く)を反応器全体に固定して、バイオマスと培地の接触を促進します。
- ガス処理のセットアップ(図4)
- 6インチのポリ塩化ビニル(PVC)チューブで脱着カラムを構築し、蓋付きの上部から2mのところに入口電流が入り、底面から出口電流が流れます(図2)。
- 吸収タンク(VT:2.55 m3)を設置し、ガス状の入口(未処理のバイオガス)電流が底部から11本のディフューザーチューブを介してバブリングされ、嫌気性消化槽からバイオガスブロワー、1インチの回転計、サンプリングポートを通過する4インチのPVCパイプラインを介して供給され、液体はタンクの底にある脱着カラムの後の媒体の再循環から供給されます。液体出口はタンクの側面にあります。CO2を濃縮した媒体をレベル制御カラムに輸送し、ガスはタンク上部の出口から排出され、タンクは1インチのPVCパイプラインに接続され、得られたバイオメタンをバーナーに導いて連続燃焼させます(図2)。
- 吸収タンクを4インチのPVCチューブを介して脱着カラムに接続し、両方の操作の間にサンプリングポートを通します(図2)。
- 入口が下部にある6インチのPVCチューブでレベルコントロールコラムを構築します。システムのニーズに応じて、2つの出口(バタフライバルブで制御)があります。1つ目は2.5mの高さにあり、2つ目は地面から3mの高さにあります(図2)。
- HRAPフォトバイオリアクターを2インチのPVCパイプラインを介して6インチの脱着カラムに接続し、再循環遠心ポンプ(1103.24ワット[1.5馬力])と1インチの回転計を通します(図2)。
- レベルコントロールカラムを4インチのPVCチューブに通し、スケジュール40のPVCチューブに接続し、サンプリングポートに通します。次に、フレキシブルPVCチューブの一部に接続し、次に別のスケジュール40PVCチューブ、最後にHRAPフォトバイオリアクターに開く4インチPVCチューブに接続します(図2)。
- 脱着カラムのバイパスを2インチPVCパイプラインでセットアップし、サンプリングポートの手前でメインチューブに接続します(図2)。
2. システムの機能テスト
- 再循環渦巻ポンプ(1103.24ワット [1.5 hp])
- ポンプの最大流量を決定するには、空気の吸引を避けるために少なくとも10分間内部をプライミングし、230Vおよび1相で始動します。
- 再循環の流れを1インチの回転計に流してテストします。
- バイオガスバブリングシステム
- 少なくとも200 mbarに相当する気柱を泡立てるのに必要な力を決定するには、吸収タンクに空気をバブリングして、出力の異なる少なくとも3台のブロワー(485.52ワット[0.66 hp]、1838.74ワット[2.5 hp]、および3309.74ワット[4.5 hp])をテストします。
- タンク内の気泡の大きさと分布を目視で確認します。ここで説明する動作条件下では、気泡の予測平均直径は3mmです。
3. 室内条件下での接種と生育
- 寒天プレートから15mLの水性ミネラル培地17(NaHCO3 [10 g / L]、Na3PO4 ·12H2O [0.033 g / L]、NaNO3 [0.185 g / L]、MgSO4 ·7H2O [0.014 g / L]、FeSO4 ·7H2O [0.0008 g / L]、NaCl [0.4 g / L])にArthrospira maximaの純粋な菌株を移します。
- フラスコ容量の100%を使用して、無害なジョルダン水性培地で培養を500 mLフラスコにスケールアップし、2000 lmで冷間光を提供し、エアバブリング(0.3 L / minまたは0.6 vvm)による連続混合下で、表面実装デバイス(SMD)2835を備えた発光ダイオード(LED)ランプを使用して、12時間の明/12時間の暗長周期で増殖させます。(約1ヶ月続くステップ)。
- 50 L に達するまで、以前の容量の 20% を新しい容量に追加して、スケールアッププロセスを続けます。
- 50Lの透明な袋の温室で操作およびJourdanの培地の自然光の条件に文化を合わせなさい(約2か月持続するステップ)。
- これらの条件で、最大 5 m3 の HRAP フォトバイオリアクター (約 2 か月続くステップ) までスケーリングを続けます。
4. 屋外環境下での運転開始
- これらの5 m3 HRAPフォトバイオリアクターの全容量を、屋外にある13 m3 のHRAPフォトバイオリアクターに追加し、残りの容量をJourdan培地で満たします。パドルホイールで30cm/sの速度で混合を開始し、バッチモードで15日間または0.7 g / Lに達するまで培養します(約1か月続くステップ)。
- 成長が0.7 g / Lに達したら、容量を動作中の22.2 m3 HRAPに移し、残りをジョーダン培地で満たし、パドルホイールを30 cm / sの速度に設定します。バイオマスが0.7 g / LおよびpH10に達するまで増殖させます。これらの条件が満たされたら、必要に応じてサンプリングと収穫を開始します。
- HRAPフォトバイオリアクターから吸収タンクへの液体再循環を可変流量で開始し、バイオマス生産性を向上させます。2時間後に平均流量3.5 m3/hでバイオガスのバブリングを開始し、培養液に無機炭素を供給します。pHは9以上でなければならないので注意してください。
注意: 吸収タンクに媒体を再循環させる前に、上記の遠心ポンプをプライミングしてください。 - 栄養素の追加:収穫までの栄養状態を毎週監視し、定常状態を仮定して全体的な窒素収支を次のように計算します。
MNaNO3 = (Mバイオマス x 0.10)/0.12 [g]
どこ：
MNaNO3 = 硝酸ナトリウム質量 [g]
Mバイオマス = 収穫バイオマス [g]
1.10: 窒素/バイオマスの質量収量16 [g/g]
1.12: 硝酸ナトリウム中の窒素の質量分率 [g/g] - 窒素収支の結果を使用して、ジョルダン培地を再配合して、Na3PO4·12H2O、MgSO4·7H2O、およびFeSO4·7H2Oの比例量を追加します。重炭酸ナトリウムや塩化ナトリウムをこれ以上添加しないでください。
注:反応器に添加する前に、栄養素をきれいな水に溶かしてください。 - 水分の蒸発を監視し、必要に応じて毎週追加します。
5. サンプリングと分析
- バイオガス
- 10Lのポリフッ化ビニルバッグを適切な直径のフレキシブルチューブで出口に接続して、吸収タンクの前のサンプリング出口とタンクの後のサンプリング出口からバイオガスをサンプリングします。それぞれを別々のポリフッ化ビニルバッグに入れます。
- 圧力トランスダクターをゼロに設定し、安定するのを待って、ポータブルガス分析計を校正します。これを行うには、[ スタート]、[ 次へ]の順に押し、分析計の指示に従って透明なチューブと黄色のチューブを接続します。 [次へ ]を押し、最後に [ガス測定値]を押します。
- ポリフッ化ビニルバッグに含まれる各サンプルを分析装置に接続し、[ 次へ ]を押して、システムの両方のポイントからCH4、CO2、O2 、およびH2S濃度を%volとして測定します。
- 液体再循環フローをバイオガス生産フローで割ることにより、体積再循環液体/バイオガス比(L / G)を決定します。CO2 および H2S 除去の効率が最も高い対応するガス流量 (m3/h) を計算します。
- システム条件(pH、溶存酸素、温度)のオンライン測定
- メーカーの仕様に従ってすべてのセンサーを校正します。
- pHセンサー、溶存酸素(DO)センサー、温度センサーを各HRAPの液体に配置します。
メモ: 各センサーのブランドと仕様については、材料表ファイルを参照してください。 - pHセンサとDOセンサを、1.4 GHz 64ビットクアッドコアプロセッサで構成されるデータ収集デバイスに接続し、統合開発学習環境(IDLE)2.7で記述された既製のPythonプログラムを保存するポータブルスクリーンに接続します。
- 画面からプログラムを開き、各データポイントを保存する時間間隔を指定します(この場合は2分ごと)。
- プログラムが収集したデータを自動的に保存するスプレッドシートを作成します。
- 「ON」と表示されているボタンをクリックすると、データの保存を開始する準備が整ったことを示します。
- データ取得を停止するには、 OFFと表示されているボタンをクリックします。
- 情報をダウンロードするには、ユニバーサル シリアル バス (USB) を挿入し、スプレッドシートをインポートします。
- 温度センサーをサーモレコーダーに接続して、実験中に記録されたデータを保存します。
- 短期間の探索的テスト
- 最も効率的なL/Gの決定
- 流入するバイオガスの流れを調整して、テストするL / G値(0.5、1、1.5、1.6、2、2.5、3.3、3.4)を選択します。
- 前述の機器を使用して、開始時および15分ごとに1時間(60分)の各ガス(CH4、CO2、H 2、H2S、O2、N2)のpHおよび入口および出口濃度を測定します。
- 出口の値を比較して最も効率的なL / Gを決定し、実験のニーズに応じて最も便利なものを選択します。
- L/G、pH、CO2の関係
- 比較するL/Gを少なくとも2つ選択します。
- 各L / Gについて、前述の機器を使用して、開始時にコントロールとして、15分ごとに60分間、次に毎時合計5時間、CO2、およびH2S、O2、およびN2 のpHと入口および出口濃度を測定します。
- 次式を使用して、CO2 除去率を計算します。
%CO2 除去 = ((CO2in - CO2out)/(CO2in)) x 100 - 結果をグラフ化し、試験した各L/GのpHとCO2 の挙動を比較します。
- 最も効率的なL/Gの決定
- 培養物 1 リットルあたりのバイオマス重量と 750 nm での吸光度を相関させる検量線18
- 藻類培養物をサンプリングして、吸光度を1.0にします。培養物の吸光度が1.0未満の場合は、培養サンプルからろ過(0.45μmフィルター)により水分を抽出します。吸光度が1より大きい場合は、新しい培地を添加することで吸光度を下げることができます。
- サンプルを使用して5つの藻類細胞懸濁液を調製し、容量/体積(V/V)の割合(100%、80%、60%、40%、20%)で新しい培地を添加します。
- 5つの溶液のうち750 nmの吸光度を、プラスチックキュベットを用いた分光光度計で測定し、記録します(新鮮な培地をブランクにします)。
- 10 mLを事前に秤量した0.45 μmフィルターでろ過し、シリカデシケーターで24時間乾燥させ、その後48時間乾燥させて重量を一定にすることで、各懸濁液の培養物1リットルあたりのバイオマス重量を決定します。5 つのソリューションのそれぞれについて、この手順を繰り返します。
注:高温(60°C以上)は、サンプルを揮発させて重量を変化させる可能性のある特定の主要化合物が失われるため、乾燥には推奨されません。 - 重量を確認したら、次の式で反応器内のバイオマス濃度を計算します。
バイオマス濃度=(バイオマス重量-ろ過重量)×1000/ろ過量[g/L] - スプレッドシートまたはその他のソフトウェアを使用して、750 nmで測定された吸光度の関数として、培養物1リットルあたりのグラム単位のバイオマス重量データの線形回帰を作成します。線形回帰係数は 0.95 より大きくなければなりません。そうでなければ、曲線は役に立たず、プロトコルを繰り返す必要があります。
注:使用される乾燥方法ではサンプル中の水分を完全に除去できず、水分含有量が5%未満になるため、バイオマス重量として説明されており、ほとんどの方法ほど乾燥重量ではありません19。
- バイオマスの成長
- 原子炉を毎日監視します。パドルホイールと各培養からのリターンの中間点から1Lのサンプルを採取し、ラボに持ち込みます。
- 顕微鏡下でコロニーの成長と培養の純度を確認します。
- サンプルの750 nmでの吸光度を分光光度計で測定および記録し、新鮮な培地をブランクにします。
- 検量線と比較して、推定バイオマス重量(グラム/リットル)を求めます。
- 各軌道面リアクターの成長を記録します。
- バイオマス生産 - 収穫
- 原子炉を毎日監視します。サンプリング中にバイオマスの成長が0.7 g/Lを超えると、収穫が必要になります。
- 両方のHRAPを交互に、反応器の一方の端のセクションの上にポリエステルメッシュを配置し、もう一方の端がメッシュの上の液体を排出するように、柔軟なPVCチューブの端を液体の流れ内に配置します。
- 4500 Lから7500 L(反応器のバイオマス飽和度に応じて)をメッシュに排出し、対応するHRAPへの連続的な流れを維持します。バイオマスはメッシュ上に保持されます。
- 収穫するには、反応器の上部からメッシュを取り除き、別の表面に置いてバイオマスをこすり落とし、漏斗に入れます。
- バイオマスを漏斗に押し込み、清潔で乾燥したメッシュの上に細長い形状を作成します。メッシュを暖かい屋根付きの部屋(34〜36°C)に48〜72時間置きます。
- 乾いたら、メッシュからバイオマスを取り除き、計量します。バイオマス収穫濃度をg/L単位で計算するには、次の式を使用します。
排水量=ポンプ流量×排水時間[L]
バイオマス収穫量=バイオマス収穫量/排水液量[g/L]
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Representative Results
プロトコルに従って、システムが構築され、テストされ、接種されました。条件を測定して保存し、サンプルを採取して分析しました。プロトコルは、2019年10月から2020年10月までの1年間実施されました。これ以降、HRAPはRT3およびRT4と呼ばれることに注意してください。
バイオメタン生産性
最も高いH2SおよびCO2除去を促進し、その結果、メタン濃度が最高になる条件を決定するために、0.5〜3.4の範囲でいくつかの再循環液体/バイオガス比(L / G)が試されました。これらの結果は、9月25日から9月28日までの期間に、少なくとも60分(1時間)の連続的なバイオガスバブリングの持続時間を持つ実験で得られた。これらの試験中、微細藻類はCO 2を固定し、バクテリアはH2Sを酸化し、メタン(CH4)を濃縮し、本質的にガス混合物を精製した。
システム全体の平均CO2除去能力(HRAP容量+タンク容量=24.75m3)と安定したバイオマス濃度0.8g/Lを考慮し、比固定率を推定したところ、65mgCO2/gbiomass hとなり、理論報告の最大値(300mgCO2/gbiomass h)よりも低くなりました。これは、微細藻類バクテリアに基づくバイオガス精製プロセスを強化するのに適していることを示しています。
一般に、バイオガス精製は、L/G値が高いほど有効性が高く、H2Sでは98%以上、CO2 では7.5%vol含有量値未満の除去効率を維持しました(図5、 図6、 および図7)。しかし、このガスの光合成生産によるO2 バイオメタン汚染は、より高いL / G値ではるかに高く、爆発のリスクを減らすためにO2 濃度を法律でかなり低く保たなければならないため、商業利用の潜在的な問題になる可能性があります20。別の理由は、O2 希釈による発熱量の減少を回避することに関連しています。代わりに、L / Gs 1.6および2.5は、CO2 濃度が6.6%vol〜6.8%vol、CH4 が87%vol、O2 が1.5%vol未満であり、H2S除去効率が98.5%を超えるなど、全体的に最も効率的な結果であると主張することができます(図5、 図6、 および 図7)。得られたパーセンテージと法律で認められているパーセンテージとの比較を 表1に示します。
興味深いのは、再循環液/バイオガス比 2 は、最も効率的な L/G の間にある場合でも、CO2 濃度 (7.4%vol) が高くなることです。これは、RT4ではなくRT3でテストされたという事実に起因する可能性があります。この場合、おそらくバイオマス濃度が低いため、CO2 除去に不利な条件でした。全体として、これらの条件で生成される平均バイオメタンは20.68 m3/日、平均流量は4.14 m3/hでした。
結果は、成長条件、バイオガスの種類(合成または実在)、および藻類によって異なる場合があります。例えば、Serejoら21は、70%vol CH4、29.5%volCO2および0.5%vol H2Sからなる通常のバイオガスと比較するために、すべてのCO2およびN2ガス混合物をシミュレートする2つの合成バイオガス混合物を使用し、尋常性クロレラを培養する180LのHRAP吸収カラムシステムを介して精製しました。この論文では、Serejoは、より低いpH値と人工照明で、より小さいが同様のシステムで、0.5から67の範囲のさまざまなL / G比もテストします。H2Sの完全除去および最良の比率(15以上)での平均除去率80%が達成された。これらの除去効率は、比率に比例して増加しました。しかし、酸素汚染も増加し、結果として得られるバイオメタン全体の品質に問題が生じる可能性があります。CO2除去効率の向上は直線的ではありませんでした。それにもかかわらず、より大きな比率でより良いCO2除去が見られます。この説明は、pH、培養栄養条件、バイオマスの成長、バイオガスのバブリングなど、多因果関係にあります。
バイオガス精製システムの性能に対するL/G比の影響は、繰り返しなく評価されました。アッセイは10:00から13:00の日周期で行われたため、正当化されました(安定した日射と屋外温度を誘発します)。したがって、光合成微生物にとってほぼ最適な増殖条件を誘導し、pHはCO2 吸収に最も影響を与えるパラメータであると想定できます22 CO2 吸収除去効率に対するL / G比の影響を評価するアッセイでは、2%未満の標準偏差もほとんど報告されていません。
リアクターは外側で培養されているため、接種物がArthrospira maxima藻類の純粋培養であったとしても、培養内の過酷なpH条件で生き残ることができる他の生物による汚染の可能性が高くなります。これは硫黄酸化細菌の場合です23,24。しかし、これらのバクテリアはバイオガスからH2Sを除去するのに役立ち、本質的にこのタスクを担当し、結果として生じるバイオメタンの品質を助けるため、この汚染は実験の最終目的にとって有益であることが証明されています。
システム動作中に優勢な環境およびイオン強度条件下では、溶解したH2Sは、酸素 - 非生物的反応によって多硫化物およびチオ硫酸塩に酸化され、そこで、数日後には、硫酸塩25に完全に酸化されるはずであった。水性栄養媒体中の陽イオンによる沈殿によるH2Sの除去は、H2S負荷速度(2よりもはるかに低いCations/H2Sモル比に達する)と比較して、システムに供給される陽イオンの量が不十分であるため、重要ではない。沈殿物がないことは、バイオガス精製プロセスの実行中に目視検査を行うことで確認されました。生物学的硫化物の酸化は、システムが環境に開放されているため、現時点では検証されていません。
システム条件
溶存酸素(DO)とpHの変動は、明暗条件の両方で測定されました。日中(明るい条件)は微細藻類による酸素の光合成産生によりDOが増加し、夜間(暗い条件)は光合成の不足と呼吸を利用した従属栄養代謝により減少しました(図8)。
pH のレベルは、液体中の CO2 の存在によっても変化し(図 8)、溶解した CO2 が少ないと値が増加し、除去される CO2 が少ないと値が減少します。特に、CO2が供給されていなかった時期の前後には、より小さなピークがあり、これについては後で説明します。午前中、pHは午前11:00頃にピークに達し、最低値は午後18:00頃にピークに達し、藻類の光合成活動とも一致しています。2日目頃の大きな落ち込みに注意を向けることが重要です。9月29日、L/G1.64を用いた短時間の探索的試験を実施し、約24時間(1日目頃)までに連続的にバイオガスを供給したところ、システムが大規模に不安定化し、窒素回収を助けるために尿素の供給が必要になりました。1.58を用いたもう1つの短い探索的試験は、10月5日(7日目頃)に実施されましたが、より良いシステム条件(日中のバイオガス供給)で行われたため、pHは通常のピークからわずかに外れただけで、通常の挙動に戻りました。
図 8 の pH のピークが小さいのは、光合成から呼吸に変化する間に、藻類が環境に対して自己調整する期間に起因している可能性があります。
pH と L/G を CO2 除去率と関連付けるための短い探索的試験 (図 9) を参照して、前述のように 1.64 と 1.58 の 2 つの比率をテストしました。これらは両方とも、実験中に記録されたL / Gの平均です。2 つの異なる挙動が認められ、除去率と pH の比率 1.58 は、1.64 の比率で記録されたものよりも著しく不安定で、はるかに低かったことが示されます。
これは、Arthrospira maxima藻類の種を含むHRAPカラムシステムを使用して、Bahrらによって実施されたバイオガスアップグレード15で裏付けられています。Bahrは、単純なCO2-N 2からさまざまなH2S濃度(最大0.5%vol)のバイオガス組成物まで、いくつかの合成ガス組成物について、さまざまなpH条件と媒体液体流量でのCO2の除去効率、およびH2SおよびO2汚染の除去を評価しました。彼らは、より高いpH値(9〜10の範囲)とより高い培地液体流量(80 mL / min)では、CO2除去率は100%に近いが、より高いO2汚染に見舞われたと結論付け、より高いpH値(9〜10の範囲)およびより低い培地液体流量(20 mL / min)では、CO2除去率は100%に近いままであり、O2汚染ははるかに少ないことが観察されたと結論付けました。彼らはまた、これらの条件下でのH2Sの完全な除去を報告しました。
同様に、DO振動(図8)は、日中は微細藻類による光合成による酸素産生によりDOが増加し、夜間は光合成の不足と呼吸を利用した従属栄養代謝によりDOが減少することから、藻類の光合成活性に起因していると考えられます。
HRAPフォトバイオリアクター(RT4)内の温度は、時間帯や秋の天候によって変化し、ほとんどの日が17:00頃に23°Cから28°Cの間でピークに達し、6:00頃に11°Cから15°Cの間で最低値に達しました(図10)。吸収槽の入口と出口の温度を時々測定したところ、平均温度はそれぞれ30.1°Cと32.5°Cでした。したがって、処理後の含水率(蒸気)は、いずれの場合もバイオガス中の水分が飽和状態に達したと仮定して、バイオガス処理前よりもわずかに高い(13.5%)ものとする。精製されたバイオガスの最適な管理とさらなる使用のために、バイオガス乾燥機を設置することを強くお勧めします。
9月28日から10月10日までの期間に意図された平均L / Gは1.6でした。しかし、水性培地のpH緩衝能力の低さによる微細藻類培養物の過度の酸性化により、夜間にそれを維持することができませんでした。そのため、日中のみバイオガスを吸収槽に供給し、L/G値を1.5程度に調整しました。
バイオマス生産性
RT3の接種は2020年5月20日に、RT4の接種は2020年5月27日に行われました。検査(9月)から接種までの期間は、COVIDの世界的大流行を考慮し、文化を安定させ、疫病やシステムの誤動作など、発生した運用上の問題を解決するのに役立ちました。
バイオマスの成長は、サンプリングと収穫の2つの方法で測定されました。この記事の目的上、サンプリングとは、反応器内の任意の時点でのバイオマスの濃度を指し、収穫とは、バイオマスの生産効率、つまり、成長阻害を回避するためにプロセス中に回収されたバイオマスの量を指します。テストは9月29日から10月9日まで行われ、平均L/Gは1.5でしたが、比率は1.6が望ましいとされています。この数字が下がったのは、11日目頃に1.15倍を記録したためです。
サンプリング(図11)は、1日目から11日目(9月29日から10月9日)まで定期的に行われ、両方の反応器の成長傾向は非常に似ていました:高濃度で始まり、4日目と5日目に実験の最低値に達し、RT4で着実に回復し、RT3でいくらかの変動がありました。 ついに再びドロップ。これとまったく同じ振る舞いが収穫にも見られ、ある出来事(おそらく外的要因)が両方の文化の成長に同時に影響を与えたことを示唆しています。
収穫(図12)は半規則的に行われ、RT3の収穫とRT4の次の収穫が交互に行われました。ただし、規模を考慮する必要があります。サンプリングとハーベスティングの両方で、数値間のばらつきは非常に小さく、両方の原子炉に影響を与えたイベントが重大ではなかったことを示しています。 図8 の赤い点線は、原子炉が回収されなかった期間を示しています。これは2つの要因によるものです:残念ながら、反応器はサンプリングや収穫のためにアクセスできなかった週末の数日間であり(これも 図11で裏付けることができます)、方法論では最高濃度の反応器を収穫する必要があります。複合施設には4つの原子炉があり、そのうち2基(RT3とRT4)のみがこの研究に参加したため、週末の翌日には、他の2つの原子炉(RT1とRT2)がチームによって回収され、RT3とRT4からの収穫データは得られませんでした。収穫データはサンプリングデータよりも約50%少なかった。これは、方法論の効率が低いことが原因である可能性があります。
日ごとの値のばらつきは小さく(図11)、システム条件の変化を許容し、安定している回復力のある文化を示唆しています。 関節呼吸の最大値は 、高pHの高炭酸培地で優先的に増殖し、NH3 阻害15に対して非常に感受性であり、これは 図8に示す結果と一致しています。2020年8月に実施されたキャリブレーションを 図13に示します。
ポストプロダクションのレビューと副産物
このガスが環境への有害な排出を削減する可能性を検討するために、外部企業による完全なレポートが実施され、この技術で生成されたバイオメタンは、嫌気性消化槽から直接精製されていないバイオガスを使用した場合と比較して、直接CO2排出量 を84%削減したことがわかりました。また、バイオガスと精製バイオメタンの両方で発電された電力のライフサイクル分析を行ったところ、バイオメタンが提供できる全体の熱容量は、バイオガスの熱容量よりも23,000kJ高くなりました。
最後に、この精製プロセスの副産物は、収穫された微細藻類であり、乾燥すると、他の産業で無数の用途があり、この方法により多くの価値を付加し、プロセスを費用対効果の高いものにすることができます26。たとえば、バジル作物で研究を行い、乾燥した Scenedesmus バイオマスと通常の無機肥料を使用した場合の葉の数、シュートの新鮮さと乾燥重量、葉の新鮮な重量などのパラメータを評価しました。彼らは、バイオマスと肥料の両方でこれらの基準で同等の結果を見つけました27。同様の結果は、水に懸濁した藻類バイオマスで作られた異なる濃度の肥料を使用した4つの商業作物植物の成長を比較した別の研究でも見つかりました。低濃度(20%)の肥料でも、作物は化学肥料と同等に最大成長に達しました28。
図1:微細藻類を用いたバイオガス精製における生物学的プロセスの視覚的表現 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図2:プロトコルに記述されたシステムのP&ID図。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:実験で使用したHRAPの写真。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:吸収タンク。 (A)培養液と吸収槽へのバイオガス入口の写真。(B)吸収槽の正面図と背面図。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:L/G効率を決定するためのRT3での短い探索的テスト。 濃い緑色はCH4に相当し、緑色はCO2に相当し、淡いピンク色はO2に相当し、濃いピンク色はN2に対応する。平均pH 9.2435;液体入口 60-100 L/min;ガス入口 50-120 L/min. この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:L/G効率を決定するためのRT4での短い探索的テスト。濃いピンク色はN2に相当し、薄いピンク色はO2に相当し、濃い緑色はCO2に相当し、薄緑色はCH4に相当する。平均pH 9.95;液体入口 116-118 L/min;ガス入口 35-75 L/min. この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:短期間の探索的試験における各L/GにおけるH2 Sのすべての除去率の比較。0.5、1、1.5、2 の L/G は RT3 に対応し、1.6、2.5、3.3、3.4 は RT4 に対応します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図8:pHおよびDOプロファイル。 2020年9月28日から10月10日までのRT4のpH(濃い緑)とDO(薄緑)のプロファイル。液体入口 75-118 L/min;ガス入口 57-75 L/min.各ガスの平均供給濃度:CH4- 60%vol、H2S - 2400 ppmv、CO2- 34%vol、O2- 0.6%vol。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図9:pHレベルとL/GによるCO2 の除去率プロファイル。 緑は、L/G比でのCO2 除去率(1.58(濃い緑色の三角形)と1.64(薄緑色の円)に相当します。ピンクは、L/G比のpH値(1.58(濃いピンクの三角形)と1.64(薄いピンクの円)に相当します。液体入口 75-118 L/min;ガス入口 57-75 L/min.各ガスの平均供給濃度:CH4- 60%vol、H2S - 2400 ppmv、CO2- 34%vol、O2- 0.6%vol。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図10:2020年9月28日から10月10日までのRT4の温度プロファイル。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図11:2020年9月28日から10月10日までのRT4(薄緑色の四角)とRT3(濃い緑色の円)のサンプリング結果。L/G比は矢印で示しています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図12:2020年9月28日から10月10日までのRT4(薄緑色の四角)とRT3(濃い緑色の円)の収集結果。L/G比は矢印で示しています。赤色の点線は、いずれの原子炉も収穫がなかった期間を示しています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図13:2020年8月に実施した検量線で、藻類培養物の濃度(グラム/リットル)と750 nmでの吸光度を相関させています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| コンポーネント (%vol) | 得られたバイオガス組成物 | アップグレードされたバイオガス組成 | 商業用バイオメタン組成物NOM-001-SECRE-2010 |
| チャンネル4 | 64.2 ± 0.8 | 85.1 ± 2.0 | >84 |
| CO2 (二酸化炭素) | 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 |
表1:バイオガスの比較組成
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Discussion
何年にもわたって、この藻類技術は、バイオガスを精製するための過酷で高価な物理化学的手法の代替としてテストされ、使用されてきました。特に、 Arthrospira 属は 、クロレラとともにこの特定の目的のために広く使用されています。しかし、準工業規模で作られる方法論はほとんどなく、この手順に付加価値を与えています。
適切なL/G比を使用して、より低いO2濃度を維持することが重要です。ただし、これはこのプロトコルが適用される地域によって異なります。バイオメタンでは、パイプラインの爆発や腐食の危険性があるため、酸素含有量が厳しく規制されています。欧州連合の一部の国では、1%vol 29,30,31という低い内容を要求しています。一方、メタンは65%vol31を超える濃度でなければなりません。メキシコでは、バイオガスとバイオメタンに関する規制はほとんどありません、なぜならそれは天然ガスと同等であると考えられているからです、メキシコの基準32によると、バイオメタン中のCH4の最小含有量は84%volであり、最大O2含有量は0.20%volです。
さらに、pHは培養中のCO2 除去をL/Gよりも大きく左右するため、特にバイオガスバブリング中は、方法論全体でpHを適切に制御することが重要です。CO2 が液体に可溶化すると、pHレベルに直接影響を与える化学平衡が作用していることを理解することが重要です。これらの培養物が振動するpHレベル(8.5〜9.5)では、重炭酸塩はこの分子が存在する形態であり、pH範囲の上限で炭酸塩がわずかに増加します33。この形態では、微細藻類は光合成の暗反応中に炭素を代謝して炭水化物を生成することもできる34。バイオガスの泡立ちのタイミングも重要であり、日中の泡立ちを維持することが推奨されます。それにもかかわらず、L/Gは、図5に見られるように、CO2 除去およびpHにも影響を与える。除去率と pH は 1.58 の比率で、1.64 の比率で記録されたものよりも一貫性が低く、はるかに低かった。この挙動は、再循環比のガスの摂取量が多いため(ガスが多いほど比率が小さくなります)、pHの低下が速くなったことに起因している可能性があります。しかし、1.64 の開始 pH の方が高かったため、この試験中の CO2 除去効率の緩衝挙動が有利であったとも言えます。このプロトコルのL / Gは、バブリングされるバイオガスの量によって制御されます。ただし、他のプロトコルでは再循環液体の速度が異なり、これもオプションです。さらに、培養液の酸性化や藻類の代謝により、夜間にバイオガスを泡立てることができず、現時点では人工光が提供されないためです。
結果の妥当性にばらつきをもたらすもう一つの現象は、反応器内のバイオマス沈降を避けるために間欠的な空気バブリングが使用され、酸素蓄積による成長阻害を防ぐことです。ただし、この方法を使用すると、これは回避できません。エアバブリングの代替案は、反応器の長さに沿った動きを改善するためにパドルホイールを追加することであり、これは他の実験で効果的である可能性があります。一方、原子炉の設置に必要な広大な土地と、公正なバイオメタン生産性を得るためにシステムの始動と維持に大量の水が消費されます。
この定期的なサンプリングプロセスでは、データ間の相関がほぼ1(0.9995)であるバイオマス重量-吸光度の検量線(図9)が使用されることに注意することが重要です。この方法は、同じ藻類に関する以前の記事に基づいていない可能性がありますが、決定係数は、この方法が信頼できるという強い統計的関連性を示しています。さらに、このような方法論では、サンプリングと収穫の両方の重要性を説明することが適切です。サンプリングは藻類培養物の適切な維持を可能にし、収穫は3つの目的を果たしました:第一に、酸素蓄積を引き起こす可能性のある培養物の過密による成長阻害を回避しました35。第二に、藻類バイオマスの回復は、さらなる経済的機会につながる可能性があります。そして最後に、文化の成長傾向を測定する別の機会が与えられました。
それにもかかわらず、収穫の適切な時期(このプロトコルではサンプリング結果によって定義される)を決定することも、反応器内のバイオマスを低下させるため、重要なステップです。バイオマス濃度が低いと、サイクルとしてのpHとCO2の除去に影響を与えます:好ましくないシステム条件(たとえば、より低いpH値)では、バイオマスの成長が遅くなり、代謝するバイオマスが少なくなるため、CO2を除去するシステムの能力が低下します。さらに溶解したCO2は、培地を酸性化し、サイクル36を閉じるであろう。pHとバイオマスの成長には他の多くの要因が寄与していますが、この因果関係の過度の単純化では見落とされるべきではありません。窒素の利用可能性は、Arthrospira maxima藻類にとって非常に重要であり、温度や光強度16,36などの気候条件も、このようなシステムでは制御できません。例えば、図4に見られるように、尿素を添加すると、窒素と高いpH値が藻類系を規則化できることが証明されています。
この方法のその他の制限は、サンプリングと比較すると約50%効率が低く、システムの経済的実現可能性を妨げ、ろ過技術の改善を必要とする収穫生産性に関連しています。収穫重量の結果は、プロトコルのその部分の乾燥条件が完全な水分除去をもたらさないことを考えると、6%過大評価されています(標準的な乾燥重量法に従って後で測定)。バイオマスのトピックでは、方法論における水の不完全な除去のために、サンプリング結果(検量線を含む)が少なくとも5%過大評価されています19。ただし、誤差は体系的なものであるため、熱重量分析を進めて培養中の水分含有量を検証し、結果と検量線の分析的修正を検討し、行うことのみを推奨します。
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Disclosures
利益相反。著者らは、利益相反がないことを宣言します。
Acknowledgments
我々は、DGAPA UNAMプロジェクト番号IT100423の部分的な資金提供に感謝する。また、PROANとGSIには、光合成バイオガスのフル設備アップグレードに関する技術的経験を共有することを許可していただいたことに感謝します。ペドロ・パストール・エルナンデス・ゲレロ氏、カルロス・マルティン・シガラ氏、フアン・フランシスコ・ディアス・マルケス氏、マルガリータ・エリザベス・シスネロス・オルティス氏、ロベルト・ソテロ・ブリオネス・メンデス氏、ダニエル・デ・ロス・コボス・バスコンセロス氏の技術サポートに感謝します。この研究の一部は、ISO9001:2015の認証を取得してIIUNAM環境工学研究所で行われました。
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 |
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