Yarı Endüstriyel Yüksek Hızlı Alg Havuzlarında Mikroalg-Bakteri Sistemi Kullanılarak Biyogaz Saflaştırılması
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.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (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).
- . Manuel de culture artisanale de spiruline Available from: 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).
- . Perspectives for a european standard on biomethane: a Biogasmax proposal Available from: 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)
- . Biomethane – Oxygen Content Assessment Available from: https://www.gasnetworks.ie/docs/corporate/gas-regulation/Oxygen-concentration-report-17985-AI-RPT-001-Rev-5-Biomethane-review-Penspen.pdf (2018)
- . European biomethane standards for grid injection and vehicle fuel use Available from: https://www.biosurf.eu/wordpress/wp-content/uploads/2015/06/9.-Arthur_Wellinger.pdf (2017)
- . 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) Available from: 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. , (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).
