Summary
Hava kirliliği tüm organizmaların yaşam kalitesini etkiler. Burada, biyogazın arıtılması (karbondioksit ve hidrojen sülfürün aynı anda uzaklaştırılması) ve yarı endüstriyel açık yüksek oranlı alg havuzları yoluyla biyometan üretimi ve ardından arıtma verimliliği, pH, çözünmüş oksijen ve mikroalg büyümesinin analizi için mikroalg biyoteknolojisinin kullanımını açıklıyoruz.
Abstract
Son yıllarda, biyogazı biyometana saflaştırmak için bir dizi teknoloji ortaya çıkmıştır. Bu saflaştırma, metan içeriğini artırmak için karbondioksit ve hidrojen sülfür gibi kirletici gazların konsantrasyonunda bir azalma gerektirir. Bu çalışmada, kullanıma hazır biyometan elde etmek için domuz endüstrisinden gelen organik atıklardan üretilen biyogazı arıtmak ve saflaştırmak için bir mikroalg yetiştirme teknolojisi kullandık. Yetiştirme ve saflaştırma için, Meksika'nın San Juan de los Lagos kentinde bir absorpsiyon-desorpsiyon kolon sistemi ile birleştirilmiş iki adet 22,2m3 açık havuz fotobiyoreaktörü kuruldu. En yüksek giderme verimliliğini elde etmek için çeşitli devridaim sıvı/biyogaz oranları (L/G) test edilmiştir; pH, çözünmüş oksijen (DO), sıcaklık ve biyokütle büyümesi gibi diğer parametreler ölçüldü. En verimli L/G'ler 1.6 ve 2.5 idi, bu daCO2'de sırasıyla %6.8 hacim ve %6.6 hacim bileşime sahip arıtılmış bir biyogaz atık suyu veH2Siçin %98.9'a kadar giderme verimlilikleri ve ayrıca O2 kirlilik değerlerinin %2'den az hacim ile korunmasıyla sonuçlandı. pH'ın, mikroalglerin fotosentetik sürecine katılımı ve asidik yapısı nedeniyle çözündüğünde pH'ı değiştirme kabiliyeti nedeniyle, yetiştirme sırasında L/G'den daha fazlaCO2 giderimini büyük ölçüde belirlediğini bulduk. DO ve sıcaklık, sırasıyla fotosentezin aydınlık-karanlık doğal döngülerinden ve günün saatinden beklendiği gibi salındı. Biyokütle büyümesi, CO2 ve besin beslemesinin yanı sıra reaktör hasadı ile değişiyordu; Bununla birlikte, eğilim büyümeye hazır olmaya devam etti.
Introduction
Son yıllarda, biyogazı biyometana saflaştırmak, fosil olmayan yakıt olarak kullanımını teşvik etmek ve dolayısıyla yok edilemez metan emisyonlarını azaltmak için çeşitli teknolojiler ortaya çıkmıştır1. Hava kirliliği, özellikle kentleşmiş bölgelerde, dünya nüfusunun çoğunu etkileyen bir sorundur; Sonuçta, dünya nüfusunun yaklaşık %92'si kirli hava solumaktadır2. Latin Amerika'da hava kirliliği oranları çoğunlukla yakıt kullanımından kaynaklanmaktadır ve 2014 yılında hava kirliliğinin %48'i elektrik ve ısı üretim sektöründen kaynaklanmaktadır3.
Son on yılda, havadaki kirleticiler ile ölüm oranlarındaki artış arasındaki ilişki üzerine giderek daha fazla çalışma önerilmiş ve özellikle çocuk popülasyonlarında her iki veri seti arasında güçlü bir korelasyon olduğu savunulmuştur.
Hava kirliliğinin devam etmesini önlemenin bir yolu olarak çeşitli stratejiler önerilmiştir; Bunlardan biri, atmosfere CO2 salınımını azaltan rüzgar türbinleri ve fotovoltaik hücreler dahil olmak üzere yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasıdır 4,5. Başka bir yenilenebilir enerji kaynağı, sıvı bir organik çürütme6 ile birlikte üretilen organik maddenin anaerobik çürütmesinin bir yan ürünü olan biyogazdan gelir. Bu gaz, gazların bir karışımından oluşur ve oranları, anaerobik çürütme için kullanılan organik madde kaynağına (kanalizasyon çamuru, sığır gübresi veya tarımsal-endüstriyel biyolojik atık) bağlıdır. Genel olarak, bu oranlarCH4 (% 53 -% 70 hacim), CO2 (% 30 -% 47 hacim),N2 (% 0 -% 3 hacim), H2O (% 5 -% 10 hacim), O2 (% 0 -% 1 hacim), H2S (0-10.000 ppmv), NH3 (0-100 ppmv), hidrokarbonlar (0-200 mg / m3) ve siloksanlar (0-41 mg / m3) 7,8,9, burada bilim camiası metan gazı ile ilgilenmektedir, çünkü bu karışımın yenilenebilir enerjik bileşenidir.
Bununla birlikte, biyogaz elde edildiği gibi basitçe yakılamaz, çünkü reaksiyonun yan ürünleri zararlı ve kirletici olabilir; Bu, metan yüzdesini artırmak ve geri kalanını azaltmak için karışımı işleme ve saflaştırma ihtiyacını artırır, esasen onu biyometan10'a dönüştürür. Bu işlem aynı zamanda yükseltme olarak da bilinir. Şu anda bu işlem için ticari teknolojiler olmasına rağmen, bu teknolojilerin çeşitli ekonomik ve çevresel dezavantajları vardır 11,12,13. Örneğin, aktif karbon ve su yıkama (ACF-WS), basınçlı su yıkama (PWS), gaz geçirgenliği (GPHR) ve basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) içeren sistemler, çevresel etkinin bazı ekonomik veya diğer dezavantajlarını sunar. Uygulanabilir bir alternatif (Şekil 1), fotobiyoreaktörlerde yetiştirilen mikroalgleri ve bakterileri birleştirenler gibi biyolojik sistemlerin kullanılmasıdır; Bazı avantajlar arasında tasarım ve kullanımın basitliği, düşük işletme maliyetleri ve çevre dostu operasyonları ve yan ürünleri yer alır 10,13,14. Biyogaz biyometana saflaştırıldığında, ikincisi doğal gazın yerine kullanılabilir ve digestat, sistemde mikroalg büyümesini desteklemek için bir besin kaynağı olarak uygulanabilir10.
Bu yükseltme prosedüründe yaygın olarak kullanılan bir yöntem, daha düşük işletme maliyetleri ve gereken minimum yatırım sermayesi nedeniyle bir absorpsiyon kolonu ile birleştirilmiş açık kanal fotoreaktörlerinde mikroalglerin büyümesidir6. Bu uygulama için en çok kullanılan kanal reaktörü türü, alg suyunun sirkülasyonunun düşük güçlü bir kürek tekerleği14 aracılığıyla gerçekleştiği sığ bir kanal havuzu olan yüksek oranlı alg havuzudur (HRAP). Bu reaktörler kurulumları için geniş alanlara ihtiyaç duyar ve dış ortam koşullarında kullanıldığında kirlenmeye karşı çok hassastır; biyogaz arıtma işlemlerinde, kontaminasyonu önlerkenCO2 veH2S'nin uzaklaştırılmasını artırmak için alkali koşulların (pH > 9.5) ve daha yüksek pH seviyelerinde gelişen alg türlerinin kullanılması tavsiye edilir15,16.
Bu araştırma, bir absorpsiyon-desorpsiyon kolon sistemi ve bir mikroalg konsorsiyumu ile birleştirilmiş HRAP fotobiyoreaktörleri kullanarak biyogaz arıtma verimliliklerini ve biyometanın nihai üretimini belirlemeyi amaçladı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sistem kurulumu
NOT: Bu protokolde açıklanan sistemin bir boru ve enstrümantasyon şeması (P&ID) Şekil 2'de gösterilmiştir.
- Reaktör kurulumu
- Reaktör stabilitesini artırmak için zemini düzleştirerek ve sıkıştırarak hazırlayın.
- Açık bir alanda, iki uzun delik ve uçtan 3 m kazın, ayrıca 3m2 ve 1 m derinliğinde bir çukur kazın (havalandırma kuyusu olarak bilinir).
- Geomembran kaplı metal desteklerin üzerindeki boşluğa iki HRAP (Şekil 3) yerleştirin. Her reaktörün çalışma kapasitesi 22,2m3 olmalıdır.
- Reaktör başına 1728,42 watt'lık (2,35 hp) bir hava pompasını, havalandırma kuyularının kazıldığı HRAP'lerin noktasına yakın yerleştirin.
- Biyokütle ve ortam arasındaki teması teşvik etmek için reaktör boyunca bir kürek tekerleği (1103.24 watt [1.5 hp] elektrik motoruyla hareket ettirilir) sabitleyin.
- Gaz şartlandırma kurulumu (Şekil 4)
- Desorpsiyon kolonunu, giriş akımının kapalı üstten 6 m'ye girdiği ve çıkış akımının alttan aktığı 2" polivinil klorür (PVC) tüp ile oluşturun (Şekil 2).
- Gaz halindeki giriş (işlenmemiş biyogaz) akımının alttan 11 difüzör tüpü aracılığıyla köpürtüldüğü ve anaerobik çürütücüden bir biyogaz üfleyici, bir 1" rotametre ve bir örnekleme portundan geçen 4" PVC boru hattı aracılığıyla geldiği absorpsiyon tankını (Vt: 2.55 m3) kurun, sıvı ise tankın altındaki desorpsiyon kolonundan sonra ortam devridaiminden gelir. Sıvı çıkışı, tankın yan tarafında bulunur. CO2 ile zenginleştirilmiş ortamı seviye kontrol kolonuna taşır ve gaz, elde edilen biyometanı sürekli yanması için bir brülöre iletmek için 1" PVC boru hattına bağlı olan tankın tepesindeki çıkıştan çıkar (Şekil 2).
- Absorpsiyon tankını, her iki işlem arasında bir örnekleme portundan geçen 4" PVC tüp aracılığıyla desorpsiyon kolonuna bağlayın (Şekil 2).
- Seviye kontrol kolonunu, girişin altta bulunduğu 6" PVC boru ile oluşturun. Sistemin ihtiyacına bağlı olarak iki çıkışa (kelebek vana ile kontrollü) sahiptir; birincisi yerden 2,5 m, ikincisi ise yerden 3 m yükseklikte yer almaktadır (Şekil 2).
- HRAP fotobiyoreaktörlerini 2" PVC boru hattı üzerinden 6" desorpsiyon kolonuna bağlayın, bir devridaim santrifüj pompasından (1103.24 watt [1.5 hp]) ve 1" rotametreden geçin (Şekil 2).
- Seviye kontrol kolonunu 4" PVC borudan bir program 40 PVC boruya bağlayın ve bir örnekleme portundan geçin. Ardından, esnek PVC borunun bir kısmına, ardından başka bir program 40 PVC boruya ve son olarak HRAP fotobiyoreaktörlerine açılan 4" PVC boruya bağlayın (Şekil 2).
- Desorpsiyon kolonunun baypasını 2" PVC boru hattı ile kurun ve numune alma portundan önce ana boruya bağlayın (Şekil 2).
2. Sistemin fonksiyonel testi
- Devridaim santrifüj pompa (1103,24 watt [1,5 hp])
- Pompanın maksimum debisini belirlemek için, hava emişini önlemek için iç kısmı en az 10 dakika doldurun ve 230 V ve 1 fazda çalıştırın.
- Devridaim akışını 1" rotametreden akmasına izin vererek test edin.
- Biyogaz köpürme sistemi
- En az 200 mbar'a eşdeğer bir hava sütununu köpürtmek için gereken kuvveti belirlemek için, farklı güçlere sahip en az 3 üfleyiciyi test edin (485,52 watt [0,66 hp], 1838,74 watt [2,5 hp] ve 3309,74 watt [4,5 hp]) absorpsiyon tankına hava köpürterek.
- Tankın içindeki hava kabarcıklarının ulaştığı boyutu ve dağılımı görsel olarak doğrulayın. Burada açıklanan çalışma koşulları altında, kabarcıkların tahmin edilen ortalama çapı 3 mm'dir.
3. İç mekan koşullarında aşılama ve büyüme
- Agar plakalarından 15 mL sulu mineral ortama17 (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]).
- Şişe hacminin %100'ünü kullanarak kültürü zararsız Jourdan sulu ortam ile 500 mL'lik şişelere ölçeklendirin ve 2000 lm'de soğukken ışık sağlayan ve hava köpürtme (0,3 L/dak veya 0,6 vvm) ile sürekli karıştırma sağlayan yüzey montaj cihazı (SMD) 2835 ile ışık yayan diyot (LED) lambalar kullanarak 12 saat ışık/12 saat karanlık fotoperiyotlarda büyümesine izin verin. (yaklaşık 1 ay süren adım).
- 50 L'ye ulaşılana kadar önceki hacmin %20'sini yeni hacme ekleyerek ölçeklendirme işlemine devam edin.
- Kültürü, 50 L'lik şeffaf çuvallarda (yaklaşık 2 ay süren adım) bir serada doğal ışık çalışma koşullarına ve Jourdan kültür ortamına uyarlayın.
- Bu koşullarda 5m3 HRAP fotobiyoreaktörlere kadar ölçeklendirmeye devam edin (adım yaklaşık 2 ay sürer).
4. Sistemin dış ortam koşullarında çalışmaya başlaması
- Bu 5m3 HRAP fotobiyoreaktörlerinin tam hacmini, açık havada bulunan 13m3'lük HRAP fotobiyoreaktörlerine ekleyin ve hacmin geri kalanını Jourdan kültür ortamı ile doldurun. 30 cm/s hızında bir çarkla karıştırmaya başlayın, 15 gün boyunca veya 0,7 g/L'ye ulaşana kadar (yaklaşık 1 ay süren adım) parti modunda uygulayın.
- Büyüme 0,7 g/L'ye ulaştığında, hacmi çalışan 22,2m3 HRAP'ye aktarın, geri kalanını Jourdan medyası ile doldurun ve çarkı 30 cm/s hıza ayarlayın. Biyokütlenin 0,7 g/L'ye ve pH değeri 10'a ulaşana kadar büyümesine izin verin; Bu koşullar yerine getirildikten sonra, gerekirse numune almaya ve hasada başlayın.
- Biyokütle verimliliğini artırmak için HRAP fotobiyoreaktöründen absorpsiyon tankına değişken akışta sıvı devridaimi başlatın. Kültüre inorganik karbon sağlamak için 2 saat sonra ortalama 3,5 m3/s akışta biyogaz köpürmeye başlayın. 9'un üzerinde kalması gerektiğinden pH'a dikkat edin.
NOT: Ortamı emme tankından geçirmeden önce, yukarıda açıklanan santrifüj pompayı doldurun. - Besin ilavesi: Besin koşullarını hasat boyunca haftalık olarak izleyin ve gösterildiği gibi hesaplanan kararlı durum varsayılarak genel nitrojen dengesi:
MNaNO3 = (MBiyokütle x 0.10)/0.12 [g]
Nerede:
MNaNO3 = Sodyum nitrat kütlesi [g]
MBiyokütle = Hasat edilen biyokütle [g]
1.10: Azot/biyokütle kütle verimi16 [g/g]
1.12: Sodyum nitratta azotun kütle oranı [g/g] - Azot dengesi sonuçlarıyla, orantılı miktardaNa3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O ve FeSO4·7H2Oeklemek için Jourdan ortamını yeniden formüle edin. Daha fazla sodyum bikarbonat veya sodyum klorür eklemeyin.
NOT: Besinleri reaktörlere eklemeden önce temiz suda çözün. - Su buharlaşmasını izleyin ve gerekirse haftalık olarak ekleyin.
5. Örnekleme ve analiz
- Biyogaz
- Biyogazı, absorpsiyon tankından önce numune alma çıkışından ve tanktan sonra numune alma çıkışından, 10 L'lik bir polivinil florür torbasını uygun çapta esnek bir tüp ile çıkışa bağlayarak numune alın; Her birini ayrı polivinil florür torbalarına koyun.
- Basınç transdüktörünü sıfıra ayarlayarak ve stabilizasyonu bekleyerek portatif gaz analizörünü kalibre edin. Bunu, Başlat'a, ardından İleri'ye basarak ve analizör tarafından talimat verildiği gibi şeffaf bir tüp ve sarı bir tüp bağlayarak yapın. İleri'ye ve son olarak Gaz Okumaları'na basın.
- Polivinil florür torbalarında bulunan her bir numuneyi analizöre bağlayın, İleri'ye basın veCH4,CO2,O2 veH2Skonsantrasyonlarını sistemin her iki noktasından %vol olarak ölçün.
- Sıvı devridaim akışını biyogaz üretim akışına bölerek hacimsel devridaim sıvı/biyogaz oranını (L/G) belirleyin. CO2 ve H2 S gideriminde en yüksek verimliliği sunan karşılık gelen gaz akışını (m3/h) hesaplayın.
- Sistem koşullarının çevrimiçi ölçümü (pH, çözünmüş oksijen, sıcaklık)
- Tüm sensörleri üreticinin özelliklerine göre kalibre edin.
- Her HRAP'nin sıvısına bir pH sensörü, bir çözünmüş oksijen (DO) sensörü ve bir sıcaklık sensörü yerleştirin.
NOT: Sensörlerin her birinin markası ve teknik özellikleri için Malzeme Tablosu dosyasını inceleyin. - pH ve çözünmüş oksijen sensörlerini, Entegre Geliştirme ve Öğrenme Ortamı (IDLE) 2.7'de yazılmış önceden hazırlanmış bir Python programını depolayan taşınabilir bir ekrana bağlı 1,4 GHz 64 bit dört çekirdekli işlemciden oluşan bir veri toplama cihazına bağlayın.
- Programı ekrandan açın ve her bir veri noktasını saklamak için zaman aralıklarını belirtin (bu durumda her 2 dakikada bir).
- Programın topladığı verileri otomatik olarak depolayacağı bir elektronik tablo oluşturun.
- Verileri depolamaya başlamaya hazır olduğunu gösteren AÇIK yazan düğmeye tıklayın.
- Veri alımını durdurmak için, KAPALI yazan düğmeye tıklayın.
- Bilgileri indirmek için bir evrensel seri veri yolu (USB) takın ve elektronik tabloyu içe aktarın.
- Deneyler sırasında kaydedilen verileri saklamak için sıcaklık sensörünü bir termo-kaydediciye bağlayın.
- Kısa keşif testleri
- En verimli L/G'yi belirleyin
- Test edilecek L/G değerini seçmek için gelen biyogaz akışını düzenleyin (0.5, 1, 1.5, 1.6, 2, 2.5, 3.3, 3.4).
- Her bir gazın (CH4, CO2, H2S, O2, N2) pH'ını ve giriş ve çıkış konsantrasyonlarını başlangıçta ve bir saat (60 dakika) boyunca her 15 dakikada bir, daha önce açıklanan aletleri kullanarak ölçün.
- Çıkış değerlerini karşılaştırarak en verimli L/G'yi belirleyin ve deneyin ihtiyaçlarına göre en uygun olanı seçin.
- L/G, pH ve CO2 arasındaki ilişki
- Karşılaştırmak için en az iki L/G seçin.
- Her L / G için, başlangıçta kontrol olarak pH ve CO2 ve H2S,O2 ve N2 giriş ve çıkış konsantrasyonlarını ölçün, 60 dakika boyunca her 15 dakikada bir ve daha sonra her saat toplam 5 saat, daha önce açıklanan aletleri kullanarak.
- Denklemi kullanarak CO2 kaldırma yüzdelerini hesaplayın:
%CO2 kaldırma = ((CO2girişi - CO2çıkışı)/(CO2girişi)) x 100 - Sonuçların grafiğini çıkarın ve test edilen L / G'lerin her biri için pH ve CO2'nin davranışını karşılaştırın.
- En verimli L/G'yi belirleyin
- 750 nm'de absorbans ile kültürün litresi başına biyokütle ağırlığını ilişkilendirmek için kalibrasyon eğrisi18
- 1.0'lık bir absorbans elde etmek için alg kültürünü örnekleyin. Kültürün absorbansı 1.0'ın altındaysa, bir kültür örneğinden filtrasyon (0.45 μm filtre) ile suyu ekstrakte edin. Absorbans 1'den büyükse, taze bir kültür ortamı eklenerek azaltılabilir.
- Numuneyi kullanarak beş alg hücresi süspansiyonu hazırlayın ve hacim/hacim (V/V) yüzdesinde taze kültür ortamı ekleyin: %100, %80, %60, %40 ve %20.
- Beş çözeltinin 750 nm'deki absorbansını plastik küvetler kullanarak bir spektrofotometre ile ölçün ve kaydedin, burada taze kültür ortamı boştur.
- Daha önce tartılmış 0,45 μm'lik bir filtreden 10 mL'yi filtreleyerek ve sabit bir ağırlık sağlamak için numuneyi bir silika desikatörde 24 saat ve daha sonra 48 saat kurutarak her süspansiyonun litre kültür başına biyokütle ağırlığını belirleyin. Beş çözümün her biri için bu adımı yineleyin.
NOT: Uçup gidebilecek ve numunenin ağırlığını değiştirebilecek bazı temel bileşiklerin kaybı nedeniyle kurutma için daha yüksek bir sıcaklık (60 °C'nin üzerinde) önerilmez. - Ağırlığı onayladıktan sonra, reaktör içindeki biyokütle konsantrasyonunu aşağıdaki denklemle hesaplayın:
Biyokütle konsantrasyonu = (Biyokütle ağırlığı - filtre ağırlığı) x 1000/Filtrelenmiş hacim [g/L] - Bir elektronik tablo veya başka bir yazılım kullanarak 750 nm'de ölçülen absorbansın bir fonksiyonu olarak, kültürün litresi başına gram cinsinden biyokütle ağırlık verilerinin doğrusal bir regresyonunu yapın. Doğrusal regresyon katsayısı 0,95'ten büyük olmalıdır; Aksi takdirde, eğri kullanışlı değildir ve protokol tekrarlanmalıdır.
NOT: Kullanılan kurutma yöntemi, numunedeki suyun tamamen uzaklaştırılmasına izin vermediğinden ve %5'ten daha az su içeriği bıraktığından, çoğu yöntem kadar kuru ağırlık değil, biyokütle ağırlığı olarak tanımlanır19.
- Biyokütle büyümesi
- Reaktörleri her gün izleyin. Çark ile her kültürden dönüşü arasındaki yarı noktadan 1 L'lik bir numune alın ve laboratuvara getirin.
- Mikroskop altında koloni büyümesini ve kültürün saflığını kontrol edin.
- Numunelerin 750 nm'deki absorbansı, taze kültür ortamının boş olduğu bir spektrofotometre ile ölçün ve kaydedin.
- Litre başına gram cinsinden tahmini biyokütle ağırlığını elde etmek için kalibrasyon eğrisi ile karşılaştırın.
- Her bir kanal reaktörünün büyümesini kaydedin.
- Biyokütle üretimi - hasat
- Reaktörleri her gün izleyin. Örnekleme sırasında biyokütle büyümesi 0,7 g/L'nin üzerine çıkarsa, hasat gereklidir.
- Her iki HRAP arasında dönüşümlü olarak, reaktörün bir ucundaki bir bölümün üstüne bir polyester ağ yerleştirin ve esnek bir PVC borunun bir ucunu sıvının akışına yerleştirin, böylece diğer uç ağın üstündeki sıvıyı boşaltır.
- 4500 L ila 7500 L arasında (reaktörün biyokütle doygunluğuna bağlı olarak) ağ üzerine boşaltın ve ilgili HRAP'ye sürekli bir akış sağlayın. Biyokütle ağ üzerinde tutulacaktır.
- Hasat etmek için, ağı reaktörün tepesinden çıkarın ve biyokütleyi kazımak ve bir huniye yerleştirmek için farklı bir yüzeye yerleştirin.
- Temiz ve kuru bir ağın üzerinde uzun şekiller oluşturmak için biyokütleyi huniden itin; ağı 48-72 saat boyunca ılık, kapalı bir odaya (34-36 °C) yerleştirin.
- Kuruduktan sonra biyokütleyi ağdan çıkarın ve tartın. Hasat edilen biyokütle konsantrasyonunu g/L cinsinden şu denklemlerle hesaplayın:
Boşaltılan sıvının hacmi = Pompa debisi x Tahliye süresi [L]
Hasat edilen biyokütle konsantrasyonu = Hasat edilen biyokütlenin biyokütle ağırlığı/Boşaltılan sıvının hacmi [g/L]
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Protokolün ardından sistem kuruldu, test edildi ve aşılandı. Koşullar ölçüldü ve saklandı ve numuneler alındı ve analiz edildi. Protokol, Ekim 2019'da başlayıp Ekim 2020'ye kadar süren bir yıl boyunca gerçekleştirildi. Buradan itibaren HRAP'lerin RT3 ve RT4 olarak anılacağını belirtmek önemlidir.
Biyometan üretkenliği
En yüksekH2SveCO2 giderimini ve sonuç olarak en yüksek metan konsantrasyonunu destekleyen koşulları belirlemek için, 0,5 ila 3,4 aralığında birkaç devridaim sıvı/biyogaz oranı (L/G) denenmiştir. Bu sonuçlar, 25 Eylül ile 28 Eylül arasındaki dönemde en az 60 dakika (1 saat) sürekli biyogaz köpürmesi olan deneyler için elde edilmiştir. Bu testler sırasında, mikroalglerCO2'yi sabitledi ve bakterilerH2S'yioksitledi, metanı (CH4) konsantre etti ve esasen gaz karışımını saflaştırdı.
Tüm sistemin ortalama CO2 eliminasyon kapasitesi (HRAP hacmi + Tank hacmi = 24.75m3) ve 0.8 g / L'lik kararlı bir biyokütle konsantrasyonu göz önüne alındığında, rapor edilen maksimum teorik değerden (300 mgCO2 / gbiyokütle h) daha düşük olan 65 mgCO2 / gbiyokütle h ile sonuçlanan spesifik bir fiksasyon oranı tahmin edildi. Bu, mikroalg-bakterilere dayalı biyogaz saflaştırma işleminin geliştirilmeye uygun olduğunu gösterir.
Genel olarak, biyogaz saflaştırma, daha yüksek L / G değerlerinde etkinliği artırmış,H2Siçin% 98 veya üzerinde ve CO2 için% 7.5'ten daha az hacim içeriği değerlerini korumuştur (Şekil 5, Şekil 6 ve Şekil 7). Bununla birlikte, bu gazın fotosentetik üretiminden kaynaklananO2 biyometan kontaminasyonu, daha yüksek L / G değerlerinde çok daha yüksekti, bu da ticari kullanım için potansiyel bir sorun olabilir, çünküO2 konsantrasyonları, yasaya göre, patlama riskini azaltmak için oldukça düşük kalması gerekir20. Diğer bir neden, kalorifik değerininO2 seyreltmesi ile azaltılmasından kaçınılmasıyla bağlantılıdır. Bunun yerine, L / Gs 1.6 ve 2.5'in,CO2 konsantrasyonlarının %6.6 hacim ile %6.8 arasında,CH4'ün %87 hacimde ve O2'nin %1.5'ten az hacimde olduğu ve ayrıca %98.5'in üzerindeH2S giderme verimliliği sunduğu genel olarak en verimli sonuçları temsil ettiği söylenebilir (Şekil 5, Şekil 6, ve Şekil 7). Elde edilen yüzdeler ile yasalarca kabul edilenler arasında bir karşılaştırma Tablo 1'de bulunabilir.
2'lik devridaim sıvısı/biyogaz oranının, değer en verimli L/G'ler arasında yer alsa bile daha yüksek birCO2 konsantrasyonuna (%7.4 hacim) sahip olduğunu belirtmek ilginçtir; bu, RT4 yerine RT3'te test edilmiş olmasına bağlanabilir. Bu durumda, muhtemelen daha düşük bir biyokütle konsantrasyonu nedeniyle CO2 giderimi için koşullar daha az elverişliydi. Genel olarak, bu koşullarda üretilen ortalama biyometan, ortalama 4,14m3/s akış hızı ile 20,68m3/gün'e ulaştı.
Sonuçlar, büyüme koşullarına, biyogazın türüne (sentetik veya gerçek) ve alglere bağlı olarak değişebilir; örneğin, Serejo ve ark.21, %70 hacimCH4, %29.5 hacim CO2 ve %0.5 hacimH2S'den yapılmış normal bir biyogazla karşılaştırmak için tüm CO2 ve N2 gaz karışımını simüle eden iki sentetik biyogaz karışımı kullandı ve onu 180 L'lik bir HRAP absorpsiyonlu kolon sistemi ile saflaştırdı Chlorella vulgaris. Bu yazıda Serejo, daha düşük pH değerlerinde ve yapay aydınlatmada daha küçük ama benzer bir sistemde 0,5 ila 67 arasında değişen farklı L / G oranlarını da test ediyor. H2S'nin tam uzaklaştırılması ve en iyi oranlarda (15'in üzerinde) ortalama %80'lik bir uzaklaştırma yüzdesi elde edildi. Bu kaldırma verimlilikleri, oran ile doğrusal olarak artmıştır; Bununla birlikte, ortaya çıkan biyometanın genel kalitesinde sorunlara yol açabilecek oksijen kirliliği de artmıştır. CO2 giderim verimliliğimizdeki artış doğrusal değildi; bununla birlikte, daha büyük oranlarla daha iyi bir CO2 eliminasyonu görülebilir. Açıklama, pH, kültür besin koşulları ve biyokütle büyümesinin yanı sıra biyogaz köpürmesini içeren çok nedenlidir.
L/G oranının biyogaz yükseltme sisteminin performansı üzerindeki etkisi tekrar edilmeden değerlendirilmiştir. Tahliller 10:00 ila 13:00 saatleri arasında günlük bir periyotta gerçekleştirildiği için haklıydı (sabit güneş ışınımı ve dış ortam sıcaklığına neden olacaktı); bu nedenle, fotosentetik mikroorganizmalar için neredeyse optimal büyüme koşullarını indükledi, daha sonra pH'ın CO2 absorpsiyonu22 üzerinde en etkili parametre olduğu varsayılabilir ve burada L / G oranının COüzerindeki etkisini değerlendiren testler için %2'den daha düşük çok az standart sapma bildirildi 2 absorpsiyon giderme verimliliği.
Reaktörler dışarıda yetiştirilir, bu da aşı saf bir Arthrospira maxima alg kültürü olsa bile, kültür içindeki sert pH koşullarında hayatta kalabilen diğer organizmalarla kontaminasyon olasılığının yüksek olduğu anlamına gelir. Kükürt oksitleyici bakteriler için durum böyledir23,24. Bununla birlikte, bu kontaminasyonun deneyin nihai amacı için faydalı olduğu kanıtlanmıştır, çünkü bu bakterilerH2S'ninbiyogazdan uzaklaştırılmasına yardımcı olur, esasen bu görevin sorumluluğunu üstlenir ve elde edilen biyometanın kalitesine yardımcı olur.
Sistemin çalışması sırasında hakim olan çevresel ve iyonik mukavemet koşulları altında, çözünmüşH2S, oksik-abiyotik reaksiyonlarla polisülfitlere ve tiyosülfata oksitleniyordu, burada birkaç gün sonra tamamen sülfat25'e oksitlenmesi gerekiyordu. Sulu besleyici ortamda katyonlarla çökeltme yoluylaH2Sgiderimi,H2Syükleme hızına kıyasla sisteme beslenen katyon miktarının yetersiz olması nedeniyle önemsizdir (Katyonlar /H2Smolar oranlarına 2'den çok daha düşük ulaşır). Çökeltilerin yokluğu, biyogaz yükseltme işleminin gerçekleştirilmesi sırasında yaptığımız görsel incelemeyle doğrulandı. Sistem çevreye açık olduğu için biyolojik sülfür oksidasyonu şu anda doğrulanmamıştır.
Sistem koşulları
Çözünmüş oksijen (DO) ve pH değişimleri hem aydınlık hem de karanlık koşullarda ölçülmüştür. Gün boyunca (ışık koşulları), mikroalgler tarafından fotosentetik oksijen üretimi nedeniyle DO artarken, geceleri (karanlık koşullar), hem fotosentez eksikliği hem de solunumu kullanan heterotrofik metabolizma nedeniyle azalmıştır (Şekil 8).
pH seviyeleri ayrıca sıvı içindeki CO2 varlığına göre değişmiştir (Şekil 8), daha az CO2 çözüldüğünde değer artar ve daha az CO2 çıkarıldığında azalır; özellikle, daha fazla CO2'nin sağlanmadığı zamanlarda daha küçük zirveler vardır ve bunlar daha sonra tartışılacaktır. Sabahları pH, saat 11:00 civarında zirveye ve 18:00 civarında en düşük değerlere ulaştı ve bu da alg fotosentetik aktivitesi ile tutarlı. 2. gündeki büyük düşüşe dikkat çekmek önemlidir; 1.64'lük L/G kullanılarak yapılan kısa keşif testi 29Eylül'de gerçekleştirildi ve yaklaşık 24 saat (yaklaşık 1. günde) sürekli biyogaz sağladı ve sistemde büyük bir istikrarsızlığa neden oldu ve nitrojen geri kazanımına yardımcı olmak için üre tedarikini gerektirdi. 1.58 kullanılarak yapılan diğer kısa keşif testi, 5 Ekim'de (yaklaşık 7. günde) gerçekleştirildi, ancak daha iyi sistem koşullarında (gün ışığı döneminde biyogaz temini), bu nedenle pH, normal davranışa dönmeden önce iki gün boyunca normal zirvelerden sadece biraz saptı.
Şekil 8'deki pH'daki daha küçük pikler, fotosentezden solunuma geçerken alglerin çevreye kendi kendini düzenleme dönemine bağlanabilir.
pH ve L/G'yi CO2 giderme yüzdeleri ile ilişkilendirmek için yapılan kısa keşif testlerine atıfta bulunarak (Şekil 9), daha önce bahsedildiği gibi 1.64 ve 1.58 olmak üzere iki oranı test ettik. Bunların her ikisi de deneyler sırasında kaydedilen L / G'lerin ortalamalarıdır. 1.58 oranındaki uzaklaştırma yüzdesinin ve pH'ın, 1.64 oranı için kaydedilenlerden önemli ölçüde daha az kararlı ve çok daha düşük olduğu iki farklı davranış not edilebilir.
Bu, Bahr ve ark.15 tarafından gerçekleştirilen biyogaz yükseltmesinde, bir Arthrospira maxima alg türü ile bir HRAP kolon sistemi kullanılarak desteklenir. Bahr, sadece CO2-N 2'den değişen H2S konsantrasyonlarına (hacim% 0,5'e kadar) sahip biyogaz bileşimlerine kadar çeşitli sentetik gaz bileşimlerinde farklı pH koşullarında ve ortam sıvı akış hızlarında CO2 giderme verimliliklerini ve ayrıca H2S veO2 kontaminasyonunun giderilmesini değerlendirdi. Daha yüksek pH değerlerinde (9-10 aralığında) ve daha yüksek kültür ortamı sıvı akış hızında (80 mL / dak), CO2 giderme yüzdelerinin% 100'e yakın olduğu, ancak daha yüksekO2 kontaminasyonuna maruz kaldığı, daha yüksek pH değerlerinde (9-10 aralığında) ve daha düşük kültür ortamı sıvı akış hızı (20 mL / dak), CO2 giderme yüzdeleri% 100'e yakın kaldı ve çok daha azO2 kontaminasyonu gözlendi. Ayrıca bu koşullardaH2S'nin tamamen çıkarıldığını bildirdiler.
Benzer şekilde, DO salınımı (Şekil 8) alglerin fotosentetik aktivitesine bağlanabilir, çünkü gün boyunca mikroalgler tarafından fotosentetik oksijen üretimi nedeniyle DO artarken, geceleri hem fotosentez eksikliği hem de solunumu kullanan heterotrofik metabolizma nedeniyle azalmıştır.
HRAP fotobiyoreaktöründeki (RT4) sıcaklık, günün saatine ve sonbahar havasına bağlı olarak değişmiş, çoğu gün 17:00 civarında 23 °C ile 28 °C arasında zirve yapmış ve 6:00 civarında 11 °C ile 15 °C arasında en düşük değerlere ulaşmıştır (Şekil 10). Absorpsiyon tankının giriş ve çıkışındaki sıcaklık zaman zaman ölçüldü ve bu da sırasıyla 30.1 °C ve 32.5 °C'lik bir ortalama sıcaklıkla sonuçlandı. Bu nedenle, her iki durumda da biyogazdaki nemin doygunluğa ulaştığı varsayılarak, arıtmadan sonra su içeriği (buhar) biyogaz arıtmasından öncekinden biraz daha yüksek (%13,5) olacaktır. Saflaştırılmış biyogazın optimum yönetimi ve daha fazla kullanımı için bir biyogaz kurutucu kurulması şiddetle tavsiye edilir.
28 Eylül ile 10 Ekim arasındaki dönem için amaçlanan ortalama L / G 1.6 idi, çünkü kısa testler bu oranın daha iyi sonuçlar vereceğini öne sürdü; bununla birlikte, sulu kültür ortamının zayıf pH tamponlama kapasitesinin neden olduğu mikroalg kültürünün aşırı asitlenmesi nedeniyle geceleri muhafaza etmek mümkün değildi. Bu nedenle, sadece gündüz saatlerinde, biyogaz absorpsiyon tankına beslendi ve L / G değerleri yaklaşık 1.5'e ayarlandı.
Biyokütle verimliliği
RT3'teki aşılama 20 Mayıs 2020'de ve RT4'te 27 Mayıs 2020'de yapıldı; testler (Eylül) ile aşılama arasındaki süre, COVID küresel salgını göz önüne alındığında, kültürü stabilize etmeye ve sistemdeki vebalar ve arızalar gibi ortaya çıkan operasyonel sorunları çözmeye hizmet etti.
Biyokütle büyümesi iki şekilde ölçüldü: örnekleme ve hasat. Bu makalenin amaçları doğrultusunda, örnekleme, reaktördeki herhangi bir zamanda biyokütle konsantrasyonunu ifade ederken, hasat, biyokütlenin üretim verimliliğini, yani büyüme inhibisyonunu önlemek için işlem sırasında geri kazanılan biyokütle miktarını ifade eder. Test, 29 Eylül'den 9 Ekim'e kadar, 1.6'lık bir oran tercih edilmesine rağmen, ortalama 1.5 L/G'de yapıldı; Daha düşük sonuçlanmasının nedeni, 11. gün civarında kaydedilen 1,15 oranından kaynaklandı.
Örnekleme (Şekil 11), her iki reaktördeki büyüme eğiliminin çok benzer olduğu 1. günden 11. güne (29 Eylül'den 9 Ekim'e kadar) düzenli olarak yapıldı: daha yüksek bir konsantrasyonla başladı, 4. ve 5. günlerde deney için en düşük değere ulaştı, RT4'te istikrarlı bir şekilde toparlandı ve RT3'te bazı değişikliklerle, Sonunda tekrar düşüyor. Aynı davranış Hasat'ta da görülür, bu da bir olayın (büyük olasılıkla bir dış faktör) her iki kültürün büyümesini aynı anda etkilediğini gösterir.
Hasat (Şekil 12), RT3 için bir hasat ve RT4 için bir sonraki hasat dönüşümlü olarak yarı düzenli olarak yapıldı. Ancak, ölçek dikkate alınmalıdır; Hem örneklemede hem de hasatta, sayılar arasındaki varyasyon çok düşüktür, bu da her iki reaktörü de etkileyen olayın kritik olmadığını gösterir. Şekil 8'deki kırmızı noktalı çizgi, reaktörlerin hasat edilmediği süreyi gösterir; bunun iki faktörü vardı: birkaç gün, ne yazık ki, reaktörlerin örnekleme veya hasat için erişilebilir olmadığı (Şekil 11'de de doğrulanabilir) ve metodoloji, en yüksek konsantrasyona sahip reaktörün hasat edilmesini gerektiriyordu. Komplekste, bu çalışmaya sadece ikisinin (RT3 ve RT4) katıldığı dört reaktör vardı, hafta sonundan sonraki günleri, diğer iki reaktörün (RT1 ve RT2) ekip tarafından hasat edildiği ve RT3 ve RT4'ten hasat verisi elde edilmediği günler. Hasat verileri, örnekleme verilerinden yaklaşık% 50 daha azdı; Bunun nedeni, metodolojinin verimliliğinin daha düşük olması olabilir.
Her gün değerler arasındaki fark küçüktü (Şekil 11), bu da sistem koşullarında değişikliğe izin veren ve sabit kalan esnek bir kültüre işaret ediyor. Arthrospira maxima tercihen yüksek pH'da yüksek karbonatlı ortamlarda büyür ve Şekil 8'de gösterilen sonuçlarla tutarlı olanNH3 inhibisyonu15'e karşı oldukça hassastır. Ağustos 2020'de gerçekleştirilen kalibrasyon Şekil 13'te gösterilmektedir.
Post prodüksiyon incelemesi ve yan ürünler
Bu gazın çevreye zararlı emisyonları azaltma potansiyelini gözden geçirmek için, bu teknoloji ile üretilen biyometanın toplam doğrudanCO2 emisyonlarını %84 oranında azalttığını belirten bulguların bulunduğu bir dış şirket tarafından tam bir rapor hazırlandı. Ek olarak, hem ham biyogaz hem de saflaştırılmış biyometan tarafından üretilen elektriğin yaşam döngüsü analizi ile alındığında, biyometanın sağlayabildiği toplam ısı kapasitesi, ham biyogazın ısı kapasitesinden 23.000 kJ daha yüksekti.
Son olarak, bu saflaştırma işleminin bir yan ürünü, kuruduktan sonra diğer endüstrilerde sayısız uygulamaya sahip olan, yönteme daha fazla değer katabilecek ve işlemi uygun maliyetli hale getirebilecek hasat edilmiş mikroalglerdir26. Örneğin, normal bir inorganik gübreye karşı kurutulmuş Scenedesmus biyokütlesi kullanıldığında yaprak sayısı, sürgün taze ve kuru ağırlığı ve yaprak taze ağırlığı gibi parametreleri değerlendirmek için fesleğen bitkileri üzerinde bir çalışma yapılmıştır; Bu kriterlerde hem biyokütle hem de gübrede karşılaştırılabilir sonuçlar buldular27. Suda asılı duran alg biyokütlesinden yapılmış bir gübrenin farklı konsantrasyonlarını kullanırken dört ticari mahsul bitkisinin büyümesini karşılaştırdıkları başka bir çalışmada da benzer sonuçlar bulundu; Gübrenin düşük konsantrasyonlarında (% 20) bile, mahsuller kimyasal gübrelerle karşılaştırılabilir şekilde maksimum büyümeye ulaştı28.
Şekil 1: Mikroalgler kullanılarak biyogaz saflaştırılmasında meydana gelen biyolojik sürecin görsel temsili Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Protokolde açıklanan sistem için P&ID diyagramı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Deney sırasında kullanılan HRAP'lerin fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Absorpsiyon tankı. (A) Absorpsiyon tankına kültür ortamı ve biyogaz girişlerinin fotoğrafları. (B) Absorpsiyon tankının önden ve arkadan görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: L/G verimliliğini belirlemek için RT3'te kısa keşif testleri. Koyu yeşilCH4'e, yeşilCO'ya2, açık pembeO2'ye ve koyu pembeN2'ye karşılık gelir. Ortalama pH 9.2435; Sıvı girişi 60-100 L / dak; Gaz girişi 50-120 L/dak. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: L/G verimliliğini belirlemek için RT4'te kısa keşif testleri. Koyu pembeN2'ye, açık pembeO2'ye, koyu yeşil CO2'ye ve açık yeşilCH4'e karşılık gelir. Ortalama pH 9.95; Sıvı girişi 116-118 L / dak; Gaz girişi 35-75 L/dak. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Kısa keşif testleri sırasında her bir L/G'de H2S için tüm kaldırma yüzdelerinin karşılaştırılması. 0.5, 1, 1.5 ve 2'nin L/G'leri RT3'e ve 1.6, 2.5, 3.3 ve 3.4'ün RT4'e karşılık gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: pH ve DO profili. RT4 için pH (koyu yeşil) ve DO (açık yeşil) profili 28 Eylül ile 10 Ekim 2020 arasında. Sıvı girişi 75-118 L / dak; Gaz girişi 57-75 L/dak. Her gaz için ortalama besleme konsantrasyonları:CH4-%60 hacim,H2S- 2400 ppmv, CO2 - %34 hacim, O2 - %0,6 hacim. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: pH seviyelerine ve L/G'ye bağlı olarakCO2 için uzaklaştırma yüzdesi profilleri. Yeşil, L / G oranlarında CO2 giderme yüzdelerine karşılık gelir: 1.58 (koyu yeşil üçgenler) ve 1.64 (açık yeşil daireler). Pembe, L/G oranlarındaki pH değerlerine karşılık gelir: 1.58 (koyu pembe üçgenler) ve 1.64 (açık pembe daireler). Sıvı girişi 75-118 L / dak; Gaz girişi 57-75 L/dak. Her gaz için ortalama besleme konsantrasyonları:CH4-%60 hacim,H2S- 2400 ppmv, CO2 - %34 hacim, O2 - %0,6 hacim. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: RT4 için sıcaklık profili 28 Eylül ile 10 Ekim 2020 arasında. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11: 28 Eylül ile 10 Ekim 2020 tarihleri arasında RT4 (açık yeşil kareler) ve RT3 (koyu yeşil daireler) için örnekleme sonuçları. L/G oranları oklarla gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 12: 28 Eylül ile 10 Ekim 2020 tarihleri arasında RT4 (açık yeşil kareler) ve RT3 (koyu yeşil daireler) için hasat sonuçları. L/G oranları oklarla gösterilir. Kırmızı noktalı çizgilerle, her iki reaktör için de hasat yapılmadığı dönem gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 13: Ağustos 2020'de gerçekleştirilen ve alg kültürünün litre başına gram cinsinden konsantrasyonunu 750 nm'deki absorbansla ilişkilendiren kalibrasyon eğrisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Bileşen (%vol) | Elde edilen biyogaz bileşimi | Yükseltilmiş biyogaz bileşimi | Ticari biyometan Bileşimi NOM-001-SECRE-2010 |
| BÖLÜM4 | 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 |
Tablo 1: Biyogazın karşılaştırmalı bileşimleri
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yıllar boyunca, bu alg teknolojisi test edilmiş ve biyogazı saflaştırmak için sert ve pahalı fizikokimyasal tekniklere alternatif olarak kullanılmıştır. Özellikle, Arthrospira cinsi, Chlorella ile birlikte bu özel amaç için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu prosedüre değer katan yarı endüstriyel ölçekte yapılmış birkaç metodoloji vardır.
Uygun L/G oranını kullanarak daha düşükO2 konsantrasyonlarını korumak çok önemlidir; Ancak bu, bu protokolün uygulanacağı bölgeye bağlıdır. Oksijen içeriği, boru hatlarında patlama ve korozyon riski nedeniyle biyometanda yoğun bir şekilde düzenlenir. Avrupa Birliği'ndeki bazı ülkeler içeriklerin %1 hacim 29,30,31 kadar düşük olmasını talep etmektedir. Metan ise hacimce31'in %65'inden fazla bir konsantrasyonda olmalıdır. Meksika'da, biyogaz ve biyometan ile ilgili neredeyse hiçbir düzenleme yoktur, çünkü Meksika standartlarınagöre 32, biyometandaki minimumCH4 içeriği %84 hacimdir ve maksimumO2 içeriği %0.20 hacimdir.
Ek olarak, pH, yetiştirme sırasında L/G'den daha fazlaCO2 giderimini büyük ölçüde belirler, bu nedenle metodoloji boyunca, özellikle biyogaz köpürmesi sırasında pH'ın uygun şekilde kontrol edilmesi kritik öneme sahiptir. CO2 sıvı içinde çözündüğünde, pH seviyelerini doğrudan etkileyen kimyasal bir denge olduğunu anlamak önemlidir. Bu kültürlerin (8.5-9.5) etrafında salındığı pH seviyelerinde, bikarbonatlar, pH aralığının33 üst ucunda hafif bir karbonat artışı ile bu molekülün bulunduğu formdur. Bu formda, mikroalgler ayrıca karbonhidrat üretmek için fotosentezin karanlık reaksiyonları sırasında karbonu metabolize edebilir34. Biyogaz köpürmesinin zamanlaması da önemlidir ve gündüz köpürmesinin sürdürülmesi tavsiye edilir. Bununla birlikte, L/G, ŞEK. 5'te görülebileceği gibi,CO2 giderimini ve pH'ı da etkiler. Çıkarma yüzdesi ve 1.58 oranındaki pH, 1.64 oranı için kaydedilenlerden daha az tutarlı ve çok daha düşüktü. Bu davranış, devridaim oranında daha yüksek bir gaz alımına bağlanabilir (daha fazla gaz daha küçük bir oran oluşturur), bu da pH'ı daha hızlı bir oranda düşürür. Bununla birlikte, 1.64 için başlangıç pH'ının daha yüksek olduğu ve bu test sırasında CO2 eliminasyon verimliliklerinin tamponlanmış davranışını desteklediği de iddia edilebilir. Bu protokoldeki L/G, köpürtülen biyogaz miktarı ile kontrol edilir; Bununla birlikte, diğer protokoller de bir seçenek olan dolaşımdaki likit oranını değiştirir. Ayrıca, kültürün asitlenmesi ve alg metabolizması nedeniyle geceleri biyogaz köpürtmek mümkün değildir, çünkü şu anda yapay ışık sağlanmamaktadır.
Sonuçların geçerliliğinde değişkenlik yaratan bir başka fenomen, reaktörlerde biyokütle sedimantasyonunu önlemek için kullanılan ve oksijen birikimi ile büyümenin inhibisyonunu önleyen aralıklı hava köpürmesidir. Bununla birlikte, bu yöntem kullanılırsa bundan kaçınılamaz. Hava köpürmesine bir alternatif, diğer deneylerde etkili olabilecek reaktörün uzunluğu boyunca hareketi iyileştirmek için daha fazla kürek tekerleği eklemektir. Öte yandan, reaktörlerin kurulumu için ihtiyaç duyulan geniş arazi alanlarının yanı sıra, adil biyometan üretkenliği elde etmek için sistemi başlatmak ve sürdürmek için önemli miktarda su tüketimi.
Bu düzenli örnekleme işleminin, veriler arasındaki korelasyonun neredeyse 1 (0.9995) olduğu biyokütle ağırlığı - absorbans kalibrasyon eğrisini (Şekil 9) kullandığına dikkat etmek önemlidir; Yöntem, aynı alglerle ilgili önceki bir makaleye dayanmasa da, belirleme katsayısı, bu yöntemin güvenilir olduğuna dair güçlü bir istatistiksel bağlantı göstermektedir. Ayrıca, bunun gibi bir metodolojide hem numune almanın hem de hasadın önemini açıklamak önemlidir. Örnekleme, alg kültürünün uygun şekilde korunmasına izin verirken, hasat üçlü bir amaca hizmet etti: birincisi, oksijen birikimine neden olabilecek kültürün aşırı kalabalıklaşması nedeniyle büyüme inhibisyonunu önledi35; ikincisi, alg biyokütlesinin geri kazanılması daha fazla ekonomik fırsata yol açabilir; Ve son olarak, kültürün büyüme eğilimini ölçmek için başka bir fırsat verdi.
Bununla birlikte, hasat için uygun anların belirlenmesi (bu protokolde örnekleme sonuçlarıyla tanımlanır) da reaktörlerdeki biyokütleyi düşürdüğü için kritik bir adımdır. Daha düşük bir biyokütle konsantrasyonu, pH ve CO2 giderimini bir döngü olarak etkiler: elverişsiz sistem koşullarında (örneğin, daha düşük pH değerlerinde), biyokütle büyümesi yavaşlar ve bu da, sisteminCO2'yi ortadan kaldırma kapasitesini azaltır, çünkü onu metabolize etmek için daha az biyokütle vardır; daha fazla çözünmüş CO2 kültür ortamını asitleştirir vedöngüyü kapatır 36. pH ve biyokütle büyümesine katkıda bulunan diğer birçok faktör, neden-sonucun bu aşırı basitleştirilmesinde göz ardı edilmemelidir; nitrojen mevcudiyeti, Arthrospira maxima alglerinin yanı sıra sıcaklık ve ışık yoğunluğu16,36 gibi iklim koşulları için son derece önemli olabilir ve bu da bunun gibi bir sistemde kontrol edilemez. Örnek olarak, Şekil 4'te görüldüğü gibi üre ilavesi, daha yüksek pH değerleri ile birlikte nitrojenin bir alg sistemini düzenli hale getirebileceğinin kanıtıdır.
Bu yöntemin diğer sınırlamaları, örneklemeye kıyasla yaklaşık %50 daha az verimli olan, sistemin ekonomik fizibilitesini engelleyen ve filtrasyon tekniklerinin iyileştirilmesini gerektiren hasat verimliliği ile ilgilidir. Hasat ağırlığı sonuçları, protokolün bu kısmındaki kurutma koşullarının suyun tamamen ortadan kaldırılmasıyla sonuçlanmadığı göz önüne alındığında, %6 oranında fazla tahmin edilmiştir (standart kuru ağırlık yöntemleri izlenerek daha sonra ölçüldüğü gibi). Biyokütle konusunda, örnekleme sonuçları (kalibrasyon eğrisi dahil), metodolojide suyun eksik bir şekilde ortadan kaldırılması nedeniyle en az %5 oranında fazla tahmin edilmektedir19; Bununla birlikte, hata sistematik olduğundan, sonuçlarda ve kalibrasyon eğrisinde analitik düzeltmeleri dikkate almak ve yapmak için kültürdeki su içeriğini doğrulamak için yalnızca bir termogravimetrik analize devam edilmesi önerilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması. Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Kısmi finansman için DGAPA UNAM projesi IT100423'e teşekkür ederiz. Ayrıca, tam kurulumları yükselten fotosentetik biyogaz ile ilgili teknik deneyimleri paylaşmamıza izin verdikleri için PROAN ve GSI'ye teşekkür ederiz. Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martin Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez ve Daniel de los Cobos Vasconcelos'un teknik desteği büyük beğeni topluyor. Bu araştırmanın bir kısmı ISO 9001:2015 sertifikasına sahip IIUNAM Çevre Mühendisliği Laboratuvarı'nda yapılmıştır.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bailón, L., Hinge, J. Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , Danish Technological Institute, Aarhus. (2012).
- 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).
- Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas -- a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jourdan, J. P. Manuel de culture artisanale de spiruline. , https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006).
- 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).
- Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
- Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
- 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).
- 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).
- Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , John Wiley & Sons. (2013).
- 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).
- 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).
