Purificación de biogás mediante el uso de un sistema de microalgas-bacterias en estanques semiindustriales de algas de alta tasa
Summary
La contaminación del aire afecta la calidad de vida de todos los organismos. Aquí, describimos el uso de la biotecnología de microalgas para el tratamiento de biogás (eliminación simultánea de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno) y la producción de biometano a través de estanques semiindustriales abiertos de algas de alta tasa y el posterior análisis de la eficiencia del tratamiento, el pH, el oxígeno disuelto y el crecimiento de microalgas.
Abstract
En los últimos años, han surgido una serie de tecnologías para purificar el biogás en biometano. Esta purificación conlleva una reducción de la concentración de gases contaminantes como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno para aumentar el contenido de metano. En este estudio, utilizamos una tecnología de cultivo de microalgas para tratar y purificar el biogás producido a partir de residuos orgánicos de la industria porcina para obtener biometano listo para usar. Para el cultivo y la purificación, se instalaron dos fotobiorreactores de estanque abierto de 22,2m3 acoplados a un sistema de columna de absorción-desorción en San Juan de los Lagos, México. Se probaron varias relaciones líquido/biogás de recirculación (L/G) para obtener las mayores eficiencias de eliminación; se midieron otros parámetros, como el pH, el oxígeno disuelto (OD), la temperatura y el crecimiento de la biomasa. Los L/G más eficientes fueron 1.6 y 2.5, resultando un efluente de biogás tratado con una composición de 6.8%vol y 6.6%vol en CO2, respectivamente, y eficiencias de remoción paraH2S de hasta 98.9%, además de mantener valores de contaminación deO2 menores a 2%vol. Encontramos que el pH determina en gran medida la eliminación deCO2 , más que L/G, durante el cultivo debido a su participación en el proceso fotosintético de las microalgas y su capacidad para variar el pH cuando se solubiliza debido a su naturaleza ácida. El oxígeno disuelto y la temperatura oscilaron como se esperaba entre los ciclos naturales de luz-oscuridad de la fotosíntesis y la hora del día, respectivamente. El crecimiento de la biomasa varió con la alimentación con CO2 y nutrientes, así como con la recolección en reactores; sin embargo, la tendencia seguía siendo preparadas para el crecimiento.
Introduction
En los últimos años, han surgido varias tecnologías para purificar el biogás a biometano, promoviendo su uso como combustible no fósil, mitigando así las emisiones de metano no aireables1. La contaminación del aire es un problema que afecta a la mayor parte de la población mundial, particularmente en las zonas urbanizadas; En definitiva, alrededor del 92% de la población mundial respira aire contaminado2. En América Latina, las tasas de contaminación del aire son generadas principalmente por el uso de combustibles, ya que en 2014, el 48% de la contaminación del aire fue provocada por el sector de producción de electricidad y calor3.
En la última década, cada vez se han propuesto más estudios sobre la relación entre los contaminantes en el aire y el aumento de las tasas de mortalidad, argumentando que existe una fuerte correlación entre ambos conjuntos de datos, particularmente en poblaciones infantiles.
Como una forma de evitar que continúe la contaminación del aire, se han propuesto varias estrategias; uno de ellos es el uso de fuentes de energía renovables, incluyendo turbinas eólicas y células fotovoltaicas, que disminuyen la liberación deCO2 a la atmósfera 4,5. Otra fuente de energía renovable proviene del biogás, un subproducto de la digestión anaeróbica de la materia orgánica, producido junto con un digestato orgánico líquido6. Este gas está compuesto por una mezcla de gases, y sus proporciones dependen de la fuente de materia orgánica utilizada para la digestión anaeróbica (lodos de depuradora, estiércol de ganado o biorresiduos agroindustriales). Generalmente, estas proporciones sonCH4 (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), hidrocarburos (0-200 mg/m3) y siloxanos (0-41 mg/m3)7,8,9, donde la comunidad científica está interesada en el gas metano ya que es el componente energético renovable de la mezcla.
Sin embargo, el biogás no puede quemarse simplemente como se obtuvo, ya que los subproductos de la reacción pueden ser nocivos y contaminantes; Esto plantea la necesidad de tratar y purificar la mezcla para aumentar el porcentaje de metano y disminuir el resto, convirtiéndolo esencialmente en biometano10. Este proceso también se conoce como actualización. A pesar de que, en la actualidad, existen tecnologías comerciales para este tratamiento, estas tecnologías tienen varios inconvenientes económicos y ambientales 11,12,13. Por ejemplo, los sistemas con carbón activado y lavado con agua (ACF-WS), lavado con agua a presión (PWS), permeación de gas (GPHR) y adsorción por oscilación de presión (PSA) presentan algunos inconvenientes económicos o de otro tipo de impacto ambiental. Una alternativa viable (Figura 1) es el uso de sistemas biológicos como los que combinan microalgas y bacterias cultivadas en fotobiorreactores; Algunas ventajas incluyen la simplicidad de diseño y operación, los bajos costos operativos y sus operaciones y subproductos respetuosos con el medio ambiente 10,13,14. Cuando el biogás se purifica a biometano, este último se puede utilizar como sustituto del gas natural, y el digestato se puede implementar como una fuente de nutrientes para apoyar el crecimiento de microalgas en el sistema10.
Un método ampliamente utilizado en este procedimiento de mejora es el crecimiento de microalgas en fotorreactores de canalización abierta junto con una columna de absorción debido a los menores costos de operación y al mínimo capital de inversión necesario6. El tipo de reactor de canalización más utilizado para esta aplicación es el estanque de algas de alta velocidad (HRAP), que es un estanque de canalización poco profundo donde la circulación del caldo de algas se produce a través de una rueda de paletas de baja potencia14. Estos reactores necesitan grandes superficies para su instalación y son muy susceptibles a la contaminación si se utilizan en condiciones exteriores; en los procesos de purificación de biogás, se aconseja utilizar condiciones alcalinas (pH > 9,5) y el uso de especies algales que prosperen en niveles de pH más altos para mejorar la eliminación de CO2 yH2S evitando la contaminación15,16.
Esta investigación tuvo como objetivo determinar las eficiencias del tratamiento del biogás y la producción final de biometano utilizando fotobiorreactores HRAP acoplados a un sistema de columna de absorción-desorción y un consorcio de microalgas.
Protocol
Representative Results
Discussion
A lo largo de los años, esta tecnología de algas ha sido probada y utilizada como alternativa a las duras y costosas técnicas fisicoquímicas para purificar el biogás. Particularmente, el género Arthrospira es ampliamente utilizado para este propósito específico, junto con Chlorella. Sin embargo, son pocas las metodologías que se realizan a escala semi-industrial, lo que agrega valor a este procedimiento.
Es fundamental mantener concentraciones deO2 más ba…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos al proyecto número IT100423 de la DGAPA UNAM por el financiamiento parcial. También agradecemos a PROAN y GSI por permitirnos compartir experiencias técnicas sobre sus instalaciones completas de mejora de biogás fotosintético. Se agradece el apoyo técnico de Pedro Pastor Hernández Guerrero, Carlos Martín Sigala, Juan Francisco Díaz Márquez, Margarita Elizabeth Cisneros Ortiz, Roberto Sotero Briones Méndez y Daniel de los Cobos Vasconcelos. Una parte de esta investigación se realizó en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental del IIUNAM con certificado ISO 9001:2015.
Materials
| 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
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