Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

זיהום אוויר משפיע על איכות החיים של כל האורגניזמים. במאמר זה נתאר את השימוש בביוטכנולוגיה של מיקרו-אצות לטיפול בביו-גז (סילוק סימולטני של פחמן דו-חמצני ומימן גופרתי) ואת ייצור הביו-מתאן באמצעות בריכות אצות פתוחות חצי-תעשייתיות בקצב גבוה, וניתוח עוקב של יעילות הטיפול, pH, חמצן מומס וגידול מיקרו-אצות.

Abstract

בשנים האחרונות התפתחו מספר טכנולוגיות לטיהור ביו-גז לביו-מתאן. טיהור זה כרוך בהפחתת ריכוז הגזים המזהמים כגון פחמן דו חמצני ומימן גופרתי כדי להגדיל את תכולת המתאן. במחקר זה השתמשנו בטכנולוגיית גידול מיקרו-אצות כדי לטפל ולטהר ביו-גז המופק מפסולת אורגנית מתעשיית החזירים כדי להשיג ביו-מתאן מוכן לשימוש. לצורך גידול וטיהור הוקמו בסן חואן דה לוס לאגוס, מקסיקו, שני פוטוביוריאקטורים באורך 22.2 מ'3 בריכות פתוחות יחד עם מערכת טורי ספיחה של ספיגה. מספר יחסי נוזל/ביוגז במחזור (L/G) נבדקו כדי להשיג את יעילות ההסרה הגבוהה ביותר; נמדדו פרמטרים אחרים, כגון pH, חמצן מומס (DO), טמפרטורה וצמיחת ביומסה. ה-L/Gs היעילים ביותר היו 1.6 ו-2.5, והתוצאה הייתה שפכי ביו-גז מטופלים בהרכב של 6.8%vol ו-6.6%volב-CO2, בהתאמה, ויעילות סילוק עבור H2S עד 98.9%, כמו גם שמירה על ערכי זיהום O2 של פחות מ-2%vol. מצאנו כי pH קובע במידה רבה את סילוקCO2 , יותר מאשר L/G, במהלך הגידול, בגלל השתתפותו בתהליך הפוטוסינתזה של מיקרו-אצות ויכולתו לשנות pH כאשר הוא מסיס בשל טבעו החומצי. DO, והטמפרטורה התנודדה כצפוי מהמחזורים הטבעיים של אור-חושך של פוטוסינתזה והשעה ביום, בהתאמה. גידול הביומסה השתנה עםCO2 והזנת חומרים מזינים, כמו גם קצירת כורים; עם זאת, המגמה נותרה דרוכה לצמיחה.

Introduction

בשנים האחרונות התפתחו מספר טכנולוגיות לטיהור ביו-גז לביו-מתאן, המקדמות את השימוש בו כדלק שאינו מאובנים, ובכך מפחיתות פליטות מתאן בלתי ניתנות לפירוק1. זיהום אוויר הוא בעיה המשפיעה על רוב אוכלוסיית העולם, במיוחד באזורים עירוניים; בסופו של דבר, כ-92% מאוכלוסיית העולם נושמת אוויר מזוהם2. באמל"ט שיעורי זיהום האוויר נוצרים בעיקר כתוצאה משימוש בדלקים, כאשר בשנת 2014 48% מזיהום האוויר נגרם על ידי מגזר ייצור החשמל והחום3.

בעשור האחרון הוצעו יותר ויותר מחקרים על הקשר בין מזהמים באוויר לבין העלייה בשיעורי התמותה, הטוענים כי קיים מתאם חזק בין שני מערכי הנתונים, במיוחד בקרב אוכלוסיות ילדים.

כדרך להימנע מהמשך זיהום האוויר, הוצעו מספר אסטרטגיות; אחד מהם הוא שימוש במקורות אנרגיה מתחדשים, כולל טורבינות רוח ותאים פוטו-וולטאיים, המפחיתים את שחרור ה-CO2 לאטמוספירה 4,5. מקור אנרגיה מתחדשת נוסף מגיע מביוגז, תוצר לוואי של עיכול אנאירובי של חומר אורגני, המיוצר יחד עם עיכול אורגני נוזלי6. גז זה מורכב מתערובת של גזים, והפרופורציות שלהם תלויות במקור החומר האורגני המשמש לעיכול אנאירובי (בוצת ביוב, זבל בקר או פסולת ביולוגית אגרו-תעשייתית). באופן כללי, פרופורציות אלה הן CH4 (53%-70%vol), CO2 (30%-47%vol), N2 (0%-3%vol), H2O (5%-10%vol), O2 (0%-1%vol), H2S (0-10,000 ppmv), NH3 (0-100 ppmv), פחמימנים (0-200 mg/m3) ו siloxanes (0-41 mg/m3)7,8,9, כאשר הקהילה המדעית מעוניינת בגז המתאן מכיוון שזהו המרכיב האנרגטי המתחדש של התערובת.

עם זאת, לא ניתן פשוט לשרוף ביוגז כפי שהושג מכיוון שתוצרי הלוואי של התגובה יכולים להיות מזיקים ומזהמים; זה מעלה את הצורך לטפל ולטהר את התערובת כדי להגדיל את אחוז המתאן ולהקטין את השאר, ולמעשה להמיר אותו לביו-מתאן10. תהליך זה ידוע גם בשם שדרוג. למרות שכיום קיימות טכנולוגיות מסחריות לטיפול זה, לטכנולוגיות אלו מספר חסרונות כלכליים וסביבתיים 11,12,13. לדוגמה, מערכות עם שטיפת פחמן ומים פעילה (ACF-WS), שטיפת מים בלחץ (PWS), חלחול גז (GPHR) וספיחת נדנדה בלחץ (PSA) מציגות חסרונות כלכליים או אחרים של השפעה סביבתית. חלופה מעשית (איור 1) היא שימוש במערכות ביולוגיות כמו אלה שמשלבות מיקרו-אצות וחיידקים שגדלים בפוטו-ביוריאקטורים; כמה יתרונות כוללים את פשטות התכנון והתפעול, עלויות התפעול הנמוכות, ואת התפעול הידידותי לסביבה שלה ואת תוצרי הלוואישלה 10,13,14. כאשר ביו-גז מטוהר לביו-מתאן, האחרון יכול לשמש כתחליף לגז טבעי, והעיכול יכול להיות מיושם כמקור של חומרי מזון לתמיכה בצמיחת מיקרו-אצות במערכת10.

שיטה נפוצה בהליך שדרוג זה היא גידול מיקרו-אצות בפוטריאקטורים של מסלולים פתוחים יחד עם עמודת ספיגה בשל עלויות התפעול הנמוכות יותר והון ההשקעה המינימלי הדרוש6. הסוג הנפוץ ביותר של כור מסלול עבור יישום זה הוא בריכת אצות בקצב גבוה (HRAP), שהיא בריכת מסלול רדודה שבה הסירקולציה של מרק האצות מתרחשת באמצעות גלגל משוטיםבעל כוח נמוך 14. כורים אלה זקוקים לשטחים גדולים להתקנתם והם רגישים מאוד לזיהום אם משתמשים בהם בתנאי חוץ; בתהליכי טיהור ביוגז, מומלץ להשתמש בתנאים בסיסיים (pH > 9.5) ובשימוש בזני אצות המשגשגים ברמות pH גבוהות יותר כדי לשפר את הסרת CO2 ו- H2S תוך הימנעות מזיהום15,16.

מחקר זה נועד לקבוע את יעילות הטיפול בביו-גז ואת הייצור הסופי של ביו-מתאן באמצעות פוטו-ביוריאקטורים של HRAP בשילוב עם מערכת עמודות ספיחה וקונסורציום מיקרו-אצות.

Protocol

1. הגדרת המערכת

הערה: דיאגרמת צנרת ומכשור (P&ID) של המערכת המתוארת בפרוטוקול זה מוצגת באיור 2.

  1. הקמת כור
    1. הכינו את הקרקע על ידי פילוס ודחיסה שלה כדי לשפר את יציבות הכור.
    2. בשדה פתוח, חופרים שני חורים מוארכים ו-3 מ' מהסוף, בהמשך חופרים בור בעומק 3 מ'ו-1 מ' (המכונה באר אוורור).
    3. מקמו שני HRAPs (איור 3) בתוך החלל על תמיכות מתכת מכוסות גיאומברנה. כל כור חייב להיות בעל כושר פעולה של 22.2 מ '3.
    4. מקם משאבת אוויר לכל כור של 1728.42 וואט (2.35 כ"ס) קרוב לנקודה של HRAPs שבו נחפרו בארות האוורור.
    5. תקן גלגל משוטים (הנע על ידי מנוע חשמלי של 1103.24 וואט [1.5 כ"ס]) על פני הכור כדי לקדם מגע בין ביומסה למדיה.
  2. מערך טיפול בגזים (איור 4)
    1. בנו את עמוד הספיחה עם צינור פוליוויניל כלוריד (PVC) בגודל 6 אינץ', שבו זרם הכניסה נכנס 2 מ' מהחלק העליון המכוסה, וזרם היציאה זורם מלמטה (איור 2).
    2. הגדר את מיכל הספיגה (Vt: 2.55 m3), שבו זרם הכניסה הגזי (ביו-גז לא מטופל) מבעבע מלמטה דרך 11 צינורות דיפיוזר ומגיע מהמעכל האנאירובי דרך צינור PVC "4 העובר דרך מפוח ביוגז, רוטמטר "1 ויציאת דגימה, בעוד שהנוזל מגיע ממחזור המדיה לאחר עמוד הספיחה בתחתית המיכל. שקע הנוזל ממוקם בצד המיכל. הוא מוביל את המדיה המועשרת ב-CO2 לעמודת בקרת הרמה, והגז יוצא מהשקע בחלק העליון של המיכל, אשר מחובר לצינור PVC בגודל 1 אינץ' כדי להוביל ביו-מתאן שהתקבל למבער לצורך בעירתו הרציפה (איור 2).
    3. חברו את מיכל הספיגה לעמוד הספיחה דרך צינור PVC בגודל 4 אינץ', העובר דרך יציאת דגימה בין שתי הפעולות (איור 2).
    4. בנה את עמוד בקרת הרמה עם צינור PVC בגודל 6 אינץ' שבו הכניסה ממוקמת בתחתית. יש לו שני שקעים (נשלט עם שסתומי פרפר), בהתאם לצרכים של המערכת; הראשון נמצא בגובה של 2.5 מ' והשני במרחק של 3 מ' מהקרקע (איור 2).
    5. חבר את הפוטוביוריאקטורים של HRAP דרך צינור PVC בגודל 2 אינץ' לעמודת ספיחה בגודל 6 אינץ', העוברת דרך משאבה צנטריפוגלית של סירקולציה (1,103.24 ואט [1.5 כ"ס]) ורוטומטר "1 (איור 2).
    6. חבר את עמודת בקרת הרמה דרך צינור PVC בגודל 4 אינץ' לצינור PVC 40, העובר דרך יציאת דגימה. לאחר מכן, חברו אותו לחלק של צינורות PVC גמישים, לאחר מכן צינור PVC נוסף בלוח זמנים 40, ולבסוף, צינור PVC בגודל 4 אינץ', שנפתח לפוטוביוריאקטורים של HRAP (איור 2).
    7. הגדר את המעקף של עמוד הספיחה עם צינור PVC בגודל 2 אינץ' וחבר אותו לצינור הראשי לפני יציאת הדגימה (איור 2).

2. בדיקה פונקציונלית של המערכת

  1. משאבה צנטריפוגלית מחזור (1103.24 ואט [1.5 כ"ס])
    1. כדי לקבוע את קצב הזרימה המרבי של המשאבה, יש לכוון את החלק הפנימי למשך 10 דקות לפחות כדי למנוע שאיבת אוויר ולהפעיל אותו במתח של 230 וולט ופאזה אחת.
    2. בדוק את זרימת הסירקולציה על ידי מתן אפשרות לה לזרום דרך רוטמטר 1 אינץ '.
  2. מערכת ביוגז מבעבע
    1. כדי לקבוע את הכוח הדרוש לבעבוע לפחות עמוד אוויר שווה ערך ל-200 mbar, בדוק לפחות 3 מפוחים בעלי הספקים שונים (485.52 וואט [0.66 כ"ס], 1838.74 וואט [2.5 כ"ס] ו-3309.74 וואט [4.5 כ"ס]) על ידי הזרמת אוויר מבעבע לתוך מיכל הספיגה.
    2. ודא חזותית את הגודל והפיזור שאליהם מגיעות בועות האוויר בתוך המיכל. בתנאי ההפעלה המתוארים כאן, הקוטר הממוצע החזוי של הבועות הוא 3 מ"מ.

3. חיסון וצמיחה בתנאי פנים

  1. העבר זן טהור של Arthrospira maxima מלוחות אגר ל 15 מ"ל של מינרל מימי בינוני17 (NaHCO3 [10 גרם / ליטר], Na3PO4 ·12H2O [0.033 גרם / ליטר], NaNO3 [0.185 גרם / ליטר], MgSO4 ·7H2O [0.014 גרם / ליטר], FeSO4 ·7H2O [0.0008 גרם / ליטר], NaCl [0.4 גרם / ליטר]).
  2. הרחב את התרבית לצלוחיות של 500 מ"ל עם תווך מימי בלתי מזיק של Jourdan, תוך שימוש ב-100% מנפח הבקבוקון, ותן לו לגדול בפוטו-תקופות כהות של 12 שעות / 12 שעות באמצעות מנורות דיודה פולטות אור (LED) עם התקן הרכבה משטחית (SMD) 2835 המספק אור קר ב-2,000 לומן ובערבוב מתמשך על ידי בעבוע אוויר (0.3 ליטר/דקה או 0.6 vvm). (צעד שנמשך כחודש).
  3. המשך את תהליך ההרחבה על-ידי הוספת 20% מהנפח הקודם לנפח החדש עד שתגיע ל- 50 ליטר.
  4. התאימו את התרבות לתנאי הפעולה של האור הטבעי ולאמצעי התרבות בחממה בשקים שקופים של 50 ליטר (צעד שנמשך כחודשיים).
  5. המשך להגדיל בתנאים אלה עד 5 מ'3 פוטוביוריאקטורים HRAP (שלב שנמשך כחודשיים).

4. התחלה תפעולית של המערכת בתנאי חוץ

  1. הוסף את הנפח המלא של פוטוביוריאקטורים אלה של 5 מ' 3 HRAP לפוטוביוריאקטורים של HRAP של 13 מ' 3 הממוקמים בחוץ ומלא את שאר הנפח במדיום תרבית Jourdan. התחילו לערבב דרך גלגל ההנעה במהירות של 30 ס"מ לשנייה, וטפחו במצב אצווה במשך 15 יום או עד שהוא מגיע ל-0.7 גרם/ליטר (צעד שנמשך כחודש).
  2. ברגע שהצמיחה מגיעה ל-0.7 גרם לליטר, מעבירים את הנפח ל-HRAPהפועל 22.2 מ', מלאו את השאר במדיית ז'ורדאן וכוונו את גלגל ההנעה במהירות של 30 ס"מ לשנייה. תן לביומסה לגדול עד שהיא מגיעה ל -0.7 גרם / ליטר ו- pH של 10; ברגע שתנאים אלה מתקיימים, התחל לדגום ולקצור, במידת הצורך.
  3. התחל את מחזור הנוזלים מהפוטוביוריאקטור HRAP למיכל הספיגה בזרימה משתנה כדי להגדיל את פרודוקטיביות הביומסה. התחילו לבעבע ביוגז בזרימה ממוצעת של 3.5 מ' 3/שעה לאחר שעתיים כדי לספק פחמן אנאורגני לתרבית. שימו לב ל- pH מכיוון שהוא חייב להישאר מעל 9.
    הערה: לפני מחזור המדיה דרך מיכל הספיגה, יש להפעיל את המשאבה הצנטריפוגלית שתוארה לעיל.
  4. תוספת תזונתית: עקוב אחר תנאי החומרים המזינים מדי שבוע במהלך הקציר ומאזן החנקן הכולל בהנחה שהמצב היציב מחושב כפי שמוצג:
    MNaNO3 = (Mביומסה x 0.10)/0.12 [g]
    איפה:
    MNaNO3 = מסת נתרן חנקתי [g]
    M ביומסה = ביומסה שנקטפה [g]
    1.10: תפוקת מסה של חנקן/ביומסה16 [גרם/גרם]
    1.12: חלק מסה של חנקן בחנקת נתרן [g/g]
  5. עם תוצאות מאזן החנקן, נסח מחדש את מדיית Jourdan כדי להוסיף את הכמות הפרופורציונלית של Na3PO4·12H2O, MgSO4·7H2O, ו- FeSO4·7H2O. אין להוסיף עוד סודיום ביקרבונט או נתרן כלורי.
    הערה: יש להמיס את החומרים המזינים במים נקיים לפני הוספתם לכורים.
  6. יש לעקוב אחר אידוי המים ולהוסיף מדי שבוע במידת הצורך.

5. דגימה וניתוח

  1. ביוגז
    1. דגימת הביוגז ממוצא הדגימה לפני מיכל הספיגה וממוצא הדגימה לאחר המיכל על ידי חיבור שקית פוליוויניל פלואוריד 10 ליטר לשקע עם צינור גמיש בקוטר מתאים; הניחו כל אחד מהם בשקיות פוליוויניל פלואוריד נפרדות.
    2. כיול מנתח הגז הנייד על ידי הגדרת מתמר הלחץ לאפס והמתנה לייצוב. עשה זאת על ידי לחיצה על התחל, ולאחר מכן על הבא, וחיבור צינור שקוף וצינור צהוב כפי שהורה המנתח. לחץ על הבא ולבסוף, קריאות גז.
    3. חבר כל דגימה הכלולה בשקיות הפוליוויניל פלואוריד לאנלייזר, לחץ על הבא ומדוד את ריכוזי CH4, CO2, O2 ו- H2S כ- %vol משתי נקודות המערכת.
    4. קבע את יחס המחזור הנפחי בין נוזל לביוגז (L/G) על ידי חלוקת זרימת מחזור הנוזל בזרימת ייצור הביוגז. חשב את זרימת הגז המתאימה (m3/h) המציגה את היעילות הגבוהה ביותר של הסרת CO2 ו- H2S.
  2. מדידה מקוונת של תנאי המערכת (pH, חמצן מומס, טמפרטורה)
    1. כיול כל החיישנים בהתאם למפרט היצרן.
    2. מקם חיישן pH, חיישן חמצן מומס (DO) וחיישן טמפרטורה בנוזל של כל HRAP.
      הערה: לקבלת המותג והמפרטים עבור כל אחד מהחיישנים, עיין בקובץ טבלת החומרים.
    3. חבר את חיישני ה- pH וה- DO להתקן רכישת נתונים המורכב ממעבד ארבע ליבות במהירות 1.4 GHz 64 סיביות המחובר למסך נייד המאחסן תוכנית Python מוכנה מראש שנכתבה בסביבת פיתוח ולמידה משולבת (IDLE) 2.7.
      1. פתח את התוכנית דרך המסך וציין את מרווחי הזמן לאחסון כל נקודת נתונים (במקרה זה, כל 2 דקות).
      2. צור גיליון אלקטרוני שבו התוכנית תאחסן באופן אוטומטי את הנתונים שהיא אוספת.
      3. לחץ על הכפתור שקורא ON, המציין שהוא מוכן להתחיל לאחסן נתונים.
      4. כדי לעצור את איסוף הנתונים, לחץ על הכפתור שקורא OFF.
      5. כדי להוריד את המידע, הכנס אפיק טורי אוניברסלי (USB) וייבא את הגיליון האלקטרוני.
    4. חבר את חיישן הטמפרטורה למקליט תרמי כדי לאחסן את הנתונים שהוקלטו במהלך הניסויים.
  3. מבחני גישוש קצרים
    1. קבע את ה- L/G היעיל ביותר
      1. לווסת את זרימת הביוגז הנכנסת כדי לבחור את ערך L/G שייבדק (0.5, 1, 1.5, 1.6, 2, 2.5, 3.3, 3.4).
      2. מדוד את ה- pH ואת ריכוזי הכניסה והיציאה של כל גז (CH4, CO2, H2S, O2, N2) בהתחלה וכל 15 דקות במשך שעה (60 דקות), באמצעות המכשירים שתוארו קודם לכן.
      3. קבע את L / G היעיל ביותר על ידי השוואת ערכי היציאה ובחר את הנוח ביותר בהתאם לצרכי הניסוי.
    2. הקשר בין L / G, pH ו- CO2
      1. בחר לפחות שני L / G להשוואה.
      2. עבור כל L/G, מדוד את ה- pH ואת ריכוזי הכניסה והיציאה של CO2, ושל H2S, O2 ו- N2 כבקרה בהתחלה, כל 15 דקות במשך 60 דקות, ולאחר מכן כל שעה בסך הכל 5 שעות, באמצעות המכשירים שתוארו קודם לכן.
      3. חשב את אחוזי הסרת CO2 באמצעות המשוואה:
        הסרת CO2 = ((CO2אינץ' - CO2החוצה)/(CO2אינץ')) x 100
      4. גרף את התוצאות והשווה את ההתנהגות של pH ו- CO2 עבור כל L / G של נבדק.
  4. עקומת כיול למתאם משקל ביומסה לליטר תרבית לעומת ספיגה ב-750 ננומטר18
    1. דגמו את תרבית האצות כדי לנסות לקבל ספיגה של 1.0. אם לתרבית יש ספיגה מתחת ל-1.0, יש לחלץ מים על ידי סינון (מסנן של 0.45 מיקרומטר) מדגימת תרבית. אם הספיגה גדולה מ-1, ניתן להפחית אותה על ידי הוספת מדיום תרבית טרי.
    2. הכינו חמישה תרחיפים של תאי אצות באמצעות הדגימה והוסיפו מדיום תרבית טרי, באחוזי נפח/נפח (V/V): 100%, 80%, 60%, 40% ו-20%.
    3. מדוד ורשום את הספיגה ב- 750 ננומטר מתוך חמש התמיסות באמצעות ספקטרופוטומטר באמצעות קוביות פלסטיק, כאשר מדיום התרבית הטרי הוא החסר.
    4. קבע את משקל הביומסה לליטר תרבית של כל תרחיף על ידי סינון 10 מ"ל דרך מסנן ששקל בעבר 0.45 מיקרומטר וייבוש הדגימה במייבש סיליקה למשך 24 שעות ולאחר מכן 48 שעות כדי להבטיח משקל קבוע. חזור על שלב זה עבור כל אחד מחמשת הפתרונות.
      הערה: טמפרטורה גבוהה יותר (מעל 60°C) אינה מומלצת לייבוש עקב אובדן של תרכובות מפתח מסוימות שעלולות לנדיף ולשנות את משקל הדגימה.
    5. לאחר אישור המשקל, חשב את ריכוז הביומסה בתוך הכור באמצעות המשוואה:
      ריכוז ביומסה = (משקל ביומסה - משקל מסנן) x 1000/נפח מסונן [g/L]
    6. בצע רגרסיה ליניארית של נתוני משקל הביומסה בגרמים לליטר תרבית כפונקציה של הספיגה הנמדדת ב -750 ננומטר באמצעות גיליון אלקטרוני או כל תוכנה אחרת. מקדם הרגרסיה הליניארית צריך להיות גדול מ -0.95; אחרת, העקומה אינה שימושית, ויש לחזור על הפרוטוקול.
      הערה: הוא מתואר כמשקל ביומסה ולא כמשקל יבש כמו רוב השיטות מכיוון ששיטת הייבוש בה נעשה שימוש אינה מאפשרת הסרה מלאה של מים בדגימה, ומשאירה תכולת מים של פחות מ -5% 19.
  5. גידול ביומסה
    1. לפקח על הכורים כל יום. לוקחים דגימה של 1 ליטר מנקודת האמצע בין גלגל המשוטים לחזרתו מכל תרבית ומביאים אותה למעבדה.
    2. בדוק את צמיחת המושבה ואת טוהר התרבות תחת המיקרוסקופ.
    3. מדוד ורשום את הספיגה ב- 750 ננומטר של הדגימות באמצעות ספקטרופוטומטר, כאשר מדיום התרבית הטרי הוא הריק.
    4. השווה עם עקומת הכיול כדי לקבל את משקל הביומסה המשוער בגרמים לליטר.
    5. תעד את הצמיחה של כל כור מרוץ.
  6. ייצור ביומסה - קציר
    1. לפקח על הכורים כל יום. אם גידול הביומסה עולה מעל 0.7 גרם לליטר במהלך הדגימה, יש צורך בקציר.
    2. לסירוגין בין שני HRAPs, מניחים רשת פוליאסטר על גבי קטע בקצה אחד של הכור ומניחים קצה של צינור PVC גמיש בתוך זרימת הנוזל כך שהקצה השני מנקז את הנוזל על גבי הרשת.
    3. מסננים בין 4500 ליטר ל-7500 ליטר (תלוי ברוויה הביומסה של הכור) אל הרשת, תוך שמירה על זרימה רציפה חזרה ל-HRAP המתאים. הביומסה תישמר על הרשת.
    4. כדי לקצור, הסירו את הרשת מראש הכור והניחו אותה על משטח אחר כדי לגרד את הביומסה והכניסו אותה למשפך.
    5. לדחוף את הביומסה דרך המשפך כדי ליצור צורות מוארכות על גבי רשת נקייה ויבשה; הניחו את הרשת בחדר חם ומקורה (34-36 מעלות צלזיוס) למשך 48-72 שעות.
    6. לאחר הייבוש, להסיר את הביומסה מן הרשת ולשקול אותו. חשב את ריכוז הביומסה שנקצר בגרם / ליטר באמצעות המשוואות הבאות:
      נפח הנוזל המנוקז = קצב זרימת המשאבה x זמן ניקוז [L]
      ריכוז ביומסה שנקצר = משקל ביומסה של ביומסה שנקטפה/נפח נוזל מנוקז [g/L]

תוצאות

בהתאם לפרוטוקול, המערכת נבנתה, נבדקה וחוסנה. התנאים נמדדו ואוחסנו, והדגימות נלקחו ונותחו. הפרוטוקול בוצע במשך שנה, החל מאוקטובר 2019 ונמשך עד אוקטובר 2020. חשוב להזכיר שמכאן והלאה, HRAPs יכונו RT3 ו-RT4.

פרודוקטיביות ביו-מתאן
על מנת לקבוע את התנאים המקדמים את סילוק H2S

Discussion

לאורך השנים, טכנולוגיית אצות זו נבדקה ושימשה כחלופה לטכניקות הפיזיקוכימיות הקשות והיקרות לטיהור ביוגז. בפרט, הסוג Arthrospira נמצא בשימוש נרחב למטרה ספציפית זו, יחד עם כלורלה. עם זאת, ישנן מתודולוגיות מעטות הנעשות בקנה מידה תעשייתי למחצה, מה שמוסיף ערך להליך זה.

חיוני ל?...

Disclosures

ניגוד עניינים. המחברים מצהירים כי אין להם ניגוד עניינים.

Acknowledgements

אנו מודים לפרויקט DGAPA UNAM מספר IT100423 על המימון החלקי. אנו מודים גם ל-PROAN ול-GSI על שאפשרו לנו לחלוק חוויות טכניות בנוגע לביו-גז הפוטוסינתטי שלהם המשדרגים מתקנים מלאים. התמיכה הטכנית של פדרו פסטור הרננדס גררו, קרלוס מרטין סיגאלה, חואן פרנסיסקו דיאז מארקס, מרגריטה אליזבת סיסנרוס אורטיז, רוברטו סוטרו בריונס מנדז ודניאל דה לוס קובוס ואסקונסלוס מוערכת מאוד. חלק ממחקר זה נעשה במעבדה להנדסה סביבתית IIUNAM עם תעודת ISO 9001:2015.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
1" rotameterCICLOTECN/A
1" rotameterGPIA10-LMA100IA1
Absorption tankEFISAMade under previous design
Air blower (2.35 HP)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogas blower (2 HP)Elmo Rietschle2BH11007AH01
Biogas composition measureGeotechBIOGAS 5000
Data-acquisition deviceLabJack Co.U3-LV
Diffuser tubesAero-TubeC3060AR
DO sensorApplisensZ10023525
Dodecahydrated trisodium phosphate Quimica PIMAN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Dodecahydrated trisodium phosphate Fermont35963Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Durapore membrane (45 µm)MerckMilliporeHVLP04700 
Electric motor 1.5 HPWeg00158ET3ERS56C
Ferrous sulfate heptahydrateAgroquimica SametN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Ferrous sulfate heptahydrateFermont63593Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
GeomembraneGEOSINCEREN/A
Magnesium sulfate heptahydrateTepeyacN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Magnesium sulfate heptahydrateFermont63623Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Paddle wheelGSIMade under previous design
pH sensorVan London pHoenix715-772-0041
Portable screenRasspberryPi 3 B+
Recirculation centrifugal pump (1.5 HP)Aquapak ALY 15
Sodium bicarbonateIndustria del alcaliN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium bicarbonateFermont12903Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium chlorideSal ColimaN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium chlorideFermont24912Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Sodium nitrateVitraquimN/AFertilizer grade (greenhouse and experior use)
Sodium nitrateFermont41903Analytical grade (Used in cultures inside the laboratory)
Storing program (pH, DO) Python Software Foundation Python IDLE 2.7
Tedlar bagsSKC Inc.232-25
Temperature recorderT&DTR-52i
UV-Vis SpectrophotometerThermoFisher Scientific instrumentGENESYS 10S 
Vacuum pumpEVAREV-40

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Bailón, L., Hinge, J. . Report: Biogas and Bio-Syngas Upgrading. , (2012).
  8. 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).
  9. Soreanu, G., Béland, M., Falletta, P. Approaches concerning siloxane removal from biogas -- a review. Canadian Biosystems Engineering. 53, 8.1-8.18 (2011).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. . Manuel de culture artisanale de spiruline Available from: https://www.scribd.com/document/513003475/Manuel-de-Culture-Artisanale-de-Spiruline (2006)
  18. 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).
  19. Sukarni, S. Thermogravimetric analysis of the combustion of marine microalgae Spirulina platensis and its blend with synthetic waste. Heliyon. 6 (9), e04902 (2020).
  20. Kundu, S., Zanganeh, J., Moghtaderi, B. A review on understanding explosions from methane-air mixture. J Loss Prev Process Ind. 40, 507-523 (2016).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Posadas, E., et al. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogas upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Res. 12, 221-229 (2015).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. lvarez-González, A., et al. Can microalgae grown in wastewater reduce the use of inorganic fertilizers. J Environ Manage. 323, 116224 (2022).
  28. 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).
  29. . 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)
  30. . 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)
  31. . 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)
  32. . 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)
  33. 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).
  34. Masojídek, J., Torzillo, G., Koblížek, M. Photosynthesis in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture. , (2013).
  35. 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).
  36. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

205L GArthrospira maxima

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved