Yarı Endüstriyel Yüksek Hızlı Alg Havuzlarında Mikroalg-Bakteri Sistemi Kullanılarak Biyogaz Saflaştırılması

Özet

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.

Özet

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 22,2^m3 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 da_CO2'de sırasıyla %6.8 hacim ve %6.6 hacim bileşime sahip arıtılmış bir biyogaz atık suyu ve_H2Siçin %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 fazla_CO2 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.

Giriş

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 oranlar_CH4 (% 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 biyometan^10'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 önlerken_CO2 ve_H2S'nin uzaklaştırılmasını artırmak için alkali koşulların (pH > 9.5) ve daha yüksek pH seviyelerinde gelişen alg türlerinin kullanılması tavsiye edilir^15,16.

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.

Protokol

1. Sistem kurulumu

NOT: Bu protokolde açıklanan sistemin bir boru ve enstrümantasyon şeması (P&ID) Şekil 2'de gösterilmiştir.

1. Reaktör kurulumu
   1. Reaktör stabilitesini artırmak için zemini düzleştirerek ve sıkıştırarak hazırlayın.
   2. Açık bir alanda, iki uzun delik ve uçtan 3 m kazın, ayrıca 3^m2 ve 1 m derinliğinde bir çukur kazın (havalandırma kuyusu olarak bilinir).
   3. Geomembran kaplı metal desteklerin üzerindeki boşluğa iki HRAP (Şekil 3) yerleştirin. Her reaktörün çalışma kapasitesi 22,2^m3 olmalıdır.
   4. Reaktör başına 1728,42 watt'lık (2,35 hp) bir hava pompasını, havalandırma kuyularının kazıldığı HRAP'lerin noktasına yakın yerleştirin.
   5. Biyokütle ve ortam arasındaki teması teşvik etmek için reaktör boyunca bir kürek tekerleği (1103.24 watt [1.5 hp] elektrik motoruyla hareket ettirilir) sabitleyin.
2. Gaz şartlandırma kurulumu (Şekil 4)
   1. Desorpsiyon kolonunu, giriş akımının kapalı üstten 6 m'ye girdiği ve çıkış akımının alttan aktığı 2" polivinil klorür (PVC) tüp ile oluşturun (Şekil 2).
   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 (V_t: 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).
   3. Absorpsiyon tankını, her iki işlem arasında bir örnekleme portundan geçen 4" PVC tüp aracılığıyla desorpsiyon kolonuna bağlayın (Şekil 2).
   4. 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).
   5. 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).
   6. 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).
   7. Desorpsiyon kolonunun baypasını 2" PVC boru hattı ile kurun ve numune alma portundan önce ana boruya bağlayın (Şekil 2).

2. Sistemin fonksiyonel testi

1. Devridaim santrifüj pompa (1103,24 watt [1,5 hp])
   1. Pompanın maksimum debisini belirlemek için, hava emişini önlemek için iç kısmı en az 10 dakika doldurun ve 230 V ve 1 fazda çalıştırın.
   2. Devridaim akışını 1" rotametreden akmasına izin vererek test edin.
2. Biyogaz köpürme sistemi
   1. 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.
   2. 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

1. 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]).
2. 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).
3. 50 L'ye ulaşılana kadar önceki hacmin %20'sini yeni hacme ekleyerek ölçeklendirme işlemine devam edin.
4. Kültürü, 50 L'lik şeffaf çuvallarda (yaklaşık 2 ay süren adım) bir serada doğal ışık çalışma koşullarına ve Jourdan kültür ortamına uyarlayın.
5. Bu koşullarda 5^m3 HRAP fotobiyoreaktörlere kadar ölçeklendirmeye devam edin (adım yaklaşık 2 ay sürer).

4. Sistemin dış ortam koşullarında çalışmaya başlaması

1. Bu 5^m3 HRAP fotobiyoreaktörlerinin tam hacmini, açık havada bulunan 13^m3'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.
2. Büyüme 0,7 g/L'ye ulaştığında, hacmi çalışan 22,2^m3 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.
3. 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.
4. Besin ilavesi: Besin koşullarını hasat boyunca haftalık olarak izleyin ve gösterildiği gibi hesaplanan kararlı durum varsayılarak genel nitrojen dengesi:
   M_NaNO3 = (M_Biyokütle x 0.10)/0.12 [g]
   Nerede:
   M_NaNO3 = Sodyum nitrat kütlesi [g]
   M_Biyokütle = Hasat edilen biyokütle [g]
   1.10: Azot/biyokütle kütle verimi¹⁶ [g/g]
   1.12: Sodyum nitratta azotun kütle oranı [g/g]
5. Azot dengesi sonuçlarıyla, orantılı miktarda_Na3PO4·12H2O, 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.
6. Su buharlaşmasını izleyin ve gerekirse haftalık olarak ekleyin.

5. Örnekleme ve analiz

1. Biyogaz
   1. 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.
   2. 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.
   3. Polivinil florür torbalarında bulunan her bir numuneyi analizöre bağlayın, İleri'ye basın ve_CH4,_CO2,_O2 ve_H2Skonsantrasyonlarını sistemin her iki noktasından %vol olarak ölçün.
   4. 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.
2. Sistem koşullarının çevrimiçi ölçümü (pH, çözünmüş oksijen, sıcaklık)
   1. Tüm sensörleri üreticinin özelliklerine göre kalibre edin.
   2. 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.
   3. 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.
      1. Programı ekrandan açın ve her bir veri noktasını saklamak için zaman aralıklarını belirtin (bu durumda her 2 dakikada bir).
      2. Programın topladığı verileri otomatik olarak depolayacağı bir elektronik tablo oluşturun.
      3. Verileri depolamaya başlamaya hazır olduğunu gösteren AÇIK yazan düğmeye tıklayın.
      4. Veri alımını durdurmak için, KAPALI yazan düğmeye tıklayın.
      5. Bilgileri indirmek için bir evrensel seri veri yolu (USB) takın ve elektronik tabloyu içe aktarın.
   4. Deneyler sırasında kaydedilen verileri saklamak için sıcaklık sensörünü bir termo-kaydediciye bağlayın.
3. Kısa keşif testleri
   1. En verimli L/G'yi belirleyin
      1. 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).
      2. 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.
      3. Çıkış değerlerini karşılaştırarak en verimli L/G'yi belirleyin ve deneyin ihtiyaçlarına göre en uygun olanı seçin.
   2. L/G, pH ve CO₂ arasındaki ilişki
      1. Karşılaştırmak için en az iki L/G seçin.
      2. 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.
      3. Denklemi kullanarak CO₂ kaldırma yüzdelerini hesaplayın:
         %CO₂ kaldırma = ((CO₂girişi - CO₂çıkışı)/(CO₂girişi)) x 100
      4. Sonuçların grafiğini çıkarın ve test edilen L / G'lerin her biri için pH ve CO_2'nin davranışını karşılaştırın.
4. 750 nm'de absorbans ile kültürün litresi başına biyokütle ağırlığını ilişkilendirmek için kalibrasyon eğrisi¹⁸
   1. 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.
   2. Numuneyi kullanarak beş alg hücresi süspansiyonu hazırlayın ve hacim/hacim (V/V) yüzdesinde taze kültür ortamı ekleyin: %100, %80, %60, %40 ve %20.
   3. Beş çözeltinin 750 nm'deki absorbansını plastik küvetler kullanarak bir spektrofotometre ile ölçün ve kaydedin, burada taze kültür ortamı boştur.
   4. 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.
   5. Ağırlığı onayladıktan sonra, reaktör içindeki biyokütle konsantrasyonunu aşağıdaki denklemle hesaplayın:
      Biyokütle konsantrasyonu = (Biyokütle ağırlığı - filtre ağırlığı) x 1000/Filtrelenmiş hacim [g/L]
   6. 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}.
5. Biyokütle büyümesi
   1. Reaktörleri her gün izleyin. Çark ile her kültürden dönüşü arasındaki yarı noktadan 1 L'lik bir numune alın ve laboratuvara getirin.
   2. Mikroskop altında koloni büyümesini ve kültürün saflığını kontrol edin.
   3. Numunelerin 750 nm'deki absorbansı, taze kültür ortamının boş olduğu bir spektrofotometre ile ölçün ve kaydedin.
   4. Litre başına gram cinsinden tahmini biyokütle ağırlığını elde etmek için kalibrasyon eğrisi ile karşılaştırın.
   5. Her bir kanal reaktörünün büyümesini kaydedin.
6. Biyokütle üretimi - hasat
   1. Reaktörleri her gün izleyin. Örnekleme sırasında biyokütle büyümesi 0,7 g/L'nin üzerine çıkarsa, hasat gereklidir.
   2. 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.
   3. 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.
   4. Hasat etmek için, ağı reaktörün tepesinden çıkarın ve biyokütleyi kazımak ve bir huniye yerleştirmek için farklı bir yüzeye yerleştirin.
   5. 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.
   6. 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]

Sonuçlar

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 yüksek_H2Sve_CO2 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, mikroalgler_CO2'yi sabitledi ve bakteriler_H2S'yioksitledi, metanı (_CH4) konsantre etti ve esasen gaz karışımını saflaştırdı.

Tüm sistemin ortalama CO₂ eliminasyon kapasitesi (HRAP hacmi + Tank hacmi = 24.75^m3) 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 kaynaklanan_O2 biyometan kontaminasyonu, daha yüksek L / G değerlerinde çok daha yüksekti, bu da ticari kullanım için potansiyel bir sorun olabilir, çünkü_O2 konsantrasyonları, yasaya göre, patlama riskini azaltmak için oldukça düşük kalması gerekir²⁰. Diğer bir neden, kalorifik değerinin_O2 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

&ID

Tartışma

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 düşük_O2 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 hacimce^31'in %65'inden fazla bir konsantrasyonda olmalıdır. Meksika'da, biyogaz ve biyometan ile ilgili neredeyse hiçbir düzenleme yoktur, çünkü Meksika standartlarına^{göre 32}, biyometandaki minimum_CH4 içeriği %84 hacimdir ve maksimum_O2 içeriği %0.20 hacimdir.

Ek olarak, pH, yetiştirme sırasında L/G'den daha fazla_CO2 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, sistemin_CO2'yi ortadan kaldırma kapasitesini azaltır, çünkü onu metabolize etmek için daha az biyokütle vardır; daha fazla çözünmüş CO₂ kültür ortamını asitleştirir ve^{döngüyü 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 yoğunluğu^16,36 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.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
1" rotametre	CICLOTEC	N/A
1" rotametre	GPI	A10-LMA100IA1
Absorpsiyon tankı	EFISA	Önceki tasarım
Hava üfleyici (2.35 HP)	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
Biyogaz üfleyici (2 HP)	Elmo Rietschle	2BH11007AH01
Biyogaz bileşimi ölçmek	Geotech	BIOGAS 5000
Veri toplama cihazı	LabJack Co.	U3-LV
Difüzör tüpleri	Aero-Tüp	C3060AR
DO sensörü	Z10023525
Dodekahidratlı trisodyum fosfat uygulamaları	Quimica PIMA	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deneyim kullanımı)
Dodekahidratlı trisodyum fosfat	Fermont	35963	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Durapore membranı (45 & mikro; m)	MerckMillipore	HVLP04700
Elektrik motoru 1.5 HP	Weg	00158ET3ERS56C
Demir sülfat heptahidrat	Agroquimica Samet	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deney kullanımı)
Demir sülfat heptahidrat	Fermont	63593	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Geomembran	GEOSINCERE	N/A
Magnezyum sülfat heptahidrat	Tepeyac	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deneysel kullanım)
Magnezyum sülfat heptahidrat	Fermont	63623	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Kürek çarkı	GSI	Önceki tasarım
pH sensörü	Van London pHoenix	715-772-0041
Taşınabilir ekran	Ahududu	Pi 3 B+
Devridaim santrifüj pompa (1.5 HP)	Aquapak	ALY 15
Sodyum bikarbonat	Industria del alcali	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deneyim kullanımı)
Sodyum bikarbonat	Fermont	12903	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Sodyum klorür	Sal Colima	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deneysel kullanım)
Sodyum klorür	Fermont	24912	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Sodyum nitrat	Vitraquim	N/A	Gübre sınıfı (sera ve deney kullanımı)
Sodyum nitrat	Fermont	41903	Analitik sınıf (Laboratuvar içindeki kültürlerde kullanılır)
Depolama programı (pH, DO)	Python Yazılım Vakfı	Python IDLE 2.7
Tedlar çantaları	SKC Inc.	232-25
Sıcaklık kaydedici	T& D	TR-52i
UV-Vis Spektrofotometre	ThermoFisher Bilimsel cihaz	GENESYS 10S
Vakum pompası	EVAR	EV-40