Purificação de Biogás através do Uso de um Sistema Microalga-Bacteriano em Lagoas Semi-Industriais de Algas de Alta Taxa

Resumo

A poluição do ar impacta a qualidade de vida de todos os organismos. Aqui, descrevemos o uso da biotecnologia de microalgas para o tratamento de biogás (remoção simultânea de dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio) e a produção de biometano através de lagoas de algas semi-industriais abertas de alta taxa e subsequente análise da eficiência do tratamento, pH, oxigênio dissolvido e crescimento de microalgas.

Resumo

Nos últimos anos, várias tecnologias surgiram para purificar o biogás em biometano. Esta purificação implica uma redução na concentração de gases poluentes como dióxido de carbono e sulfeto de hidrogénio para aumentar o teor de metano. Neste estudo, utilizou-se uma tecnologia de cultivo de microalgas para tratar e purificar o biogás produzido a partir de resíduos orgânicos da suinocultura para obtenção de biometano pronto para uso. Para cultivo e purificação, dois fotobiorreatores de lagoa aberta de 22,2^m3 acoplados a um sistema de coluna de absorção-dessorção foram instalados em San Juan de los Lagos, México. Várias relações líquido/biogás de recirculação (L/G) foram testadas para obter as maiores eficiências de remoção; outros parâmetros, como pH, oxigênio dissolvido (OD), temperatura e crescimento da biomassa, foram medidos. Os L/Gs mais eficientes foram 1,6 e 2,5, resultando em um efluente de biogás tratado com composição de 6,8%vol e 6,6%vol em CO₂, respectivamente, e eficiências de remoção para H₂S de até 98,9%, além de manter valores de contaminação por O₂ inferiores a 2% vol. Verificamos que o pH determina grandemente a remoção de CO₂ , mais do que L/G, durante o cultivo, devido à sua participação no processo fotossintético de microalgas e sua capacidade de variar o pH quando solubilizado devido à sua natureza ácida. OD e temperatura oscilaram como esperado a partir dos ciclos naturais claro-escuro da fotossíntese e da hora do dia, respectivamente. O crescimento da biomassa variou com a alimentação com CO₂ e nutrientes, bem como com a colheita em reator; no entanto, a tendência manteve-se preparada para o crescimento.

Introdução

Nos últimos anos, várias tecnologias têm surgido para purificar o biogás em biometano, promovendo seu uso como combustível não fóssil, mitigando, assim, as emissões indesizáveis de metano¹. A poluição do ar é um problema que afeta a maior parte da população mundial, particularmente em áreas urbanizadas; Em última análise, cerca de 92% da população mundial respira ar poluído². Na América Latina, os índices de poluição do ar são gerados principalmente pelo uso de combustíveis, sendo que, em 2014, 48% da poluição do ar foi provocada pelo setor de produção de eletricidade e calor³.

Na última década, mais e mais estudos sobre a relação entre poluentes no ar e o aumento das taxas de mortalidade têm sido propostos, argumentando que há uma forte correlação entre ambos os conjuntos de dados, particularmente em populações infantis.

Como forma de evitar a continuação da poluição atmosférica, várias estratégias têm sido propostas; uma delas é o uso de fontes renováveis de energia, incluindo turbinas eólicas e células fotovoltaicas, que diminuem a liberação de CO₂ na atmosfera ^4,5. Outra fonte de energia renovável provém do biogás, subproduto da digestão anaeróbia da matéria orgânica, produzida juntamente com um digestato orgânico líquido⁶. Esse gás é composto por uma mistura de gases e suas proporções dependem da fonte de matéria orgânica utilizada para digestão anaeróbia (lodo de esgoto, esterco bovino ou biorresíduos agroindustriais). Geralmente, essas proporções são 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), hidrocarbonetos (0-200 mg/m³) e siloxanos (0-41 mg/m³)^7,8,9, onde a comunidade científica está interessada no gás metano por ser este o componente energético renovável da mistura.

No entanto, o biogás não pode ser simplesmente queimado como obtido porque os subprodutos da reação podem ser nocivos e contaminantes; Isso aumenta a necessidade de tratar e purificar a mistura para aumentar a porcentagem de metano e diminuir o restante, essencialmente convertendo-o em biometano¹⁰. Esse processo também é conhecido como atualização. Embora atualmente existam tecnologias comerciais para esse tratamento, essas tecnologias apresentam diversos inconvenientes econômicos e ambientais 11,12,13. Por exemplo, sistemas com lavagem de carvão ativado e água (ACF-WS), lavagem sob pressão de água (PWS), permeação de gás (GPHR) e adsorção por oscilação de pressão (PSA) apresentam algumas desvantagens econômicas ou outras de impacto ambiental. Uma alternativa viável (Figura 1) é o uso de sistemas biológicos como os que combinam microalgas e bactérias cultivadas em fotobiorreatores; Algumas vantagens incluem a simplicidade de projeto e operação, o baixo custo operacional e suas operações e subprodutos ecologicamente corretos 10,13,14. Quando o biogás é purificado em biometano, este pode ser utilizado como substituto do gás natural, e o digerido pode ser implementado como fonte de nutrientes para apoiar o crescimento de microalgas no sistema¹⁰.

Um método amplamente utilizado neste procedimento de atualização é o crescimento de microalgas em fotorreatores de pista aberta acoplado a uma coluna de absorção, devido aos menores custos de operação e ao mínimo capital de investimento necessário⁶. O tipo de reator de pista de corrida mais utilizado para esta aplicação é o lago de algas de alta taxa (HRAP), que é um lago de pista raso onde a circulação do caldo de algas ocorre através de uma roda de remo de baixa potência¹⁴. Esses reatores necessitam de grandes áreas para sua instalação e são muito suscetíveis à contaminação se utilizados em condições externas; em processos de purificação de biogás, recomenda-se o uso de condições alcalinas (pH > 9,5) e o uso de espécies de algas que prosperam em níveis mais elevados de pH para aumentar a remoção de CO₂ e H₂S, evitando contaminação^15,16.

Este trabalho teve como objetivo determinar a eficiência do tratamento de biogás e a produção final de biometano utilizando fotobiorreatores HRAP acoplados a um sistema de coluna de absorção-dessorção e um consórcio de microalgas.

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Protocolo

1. Configuração do sistema

NOTA: Um diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID) do sistema descrito neste protocolo é mostrado na Figura 2.

1. Montagem do reator
   1. Prepare o solo nivelando-o e compactando-o para melhorar a estabilidade do reator.
   2. Em um campo aberto, cavar dois buracos alongados e 3 m do final, cavar ainda um buraco de 3 m² e 1 m de profundidade (conhecido como poço de aeração).
   3. Coloque dois HRAPs (Figura 3) dentro do espaço sobre suportes metálicos cobertos por geomembrana. Cada reator deve ter uma capacidade operacional de 22,2 m³.
   4. Coloque uma bomba de ar por reator de 1728,42 watts (2,35 hp) perto do ponto dos HRAPs onde os poços de aeração foram cavados.
   5. Fixe uma roda de pá (movida por um motor elétrico de 1103,24 watts [1,5 cv]) através do reator para promover o contato entre biomassa e meio.
2. Configuração do tratamento de gases (Figura 4)
   1. Construa a coluna de dessorção com um tubo de policloreto de vinila (PVC) de 6", onde a corrente de entrada entra a 2 m do topo coberto e a corrente de saída flui do fundo (Figura 2).
   2. Configure o tanque de absorção (V_t: 2,55 m³), onde a corrente de entrada gasosa (biogás não tratado) é borbulhada do fundo através de 11 tubos difusores e vem do digestor anaeróbio através de uma tubulação de PVC de 4" passando por um soprador de biogás, um rotâmetro de 1" e uma porta de amostragem, enquanto o líquido vem da recirculação do meio após a coluna de dessorção no fundo do tanque. A saída de líquido está localizada na lateral do tanque. Ele transporta o meio enriquecido com CO₂ para a coluna de controle de nível, e o gás sai da saída na parte superior do tanque, que é conectado a uma tubulação de PVC de 1" para conduzir o biometano obtido a um queimador para sua combustão contínua (Figura 2).
   3. Conecte o tanque de absorção à coluna de dessorção através de um tubo de PVC de 4", passando por uma porta de amostragem entre as duas operações (Figura 2).
   4. Construa a coluna de controle de nível com um tubo de PVC de 6" onde a entrada está localizada na parte inferior. Possui duas saídas (controladas com válvulas borboleta), dependendo das necessidades do sistema; o primeiro está localizado a uma altura de 2,5 m e o segundo a 3 m do solo (Figura 2).
   5. Conectar os fotobiorreatores HRAP através de uma tubulação de PVC de 2" à coluna de dessorção de 6", passando por uma bomba centrífuga de recirculação (1103,24 watts [1,5 hp]) e um rotâmetro de 1" (Figura 2).
   6. Conecte a coluna de controle de nível através de um tubo de PVC de 4" a um tubo de PVC programável de 40, passando por uma porta de amostragem. Em seguida, conecte-o a uma porção de tubo de PVC flexível, seguido de outro tubo de PVC de 40 e, por fim, um tubo de PVC de 4", que se abre para os fotobiorreatores HRAP (Figura 2).
   7. Montar o bypass da coluna de dessorção com tubulação de PVC de 2" e conectá-la ao tubo principal antes da porta de amostragem (Figura 2).

2. Teste funcional do sistema

1. Bomba centrífuga de recirculação (1103,24 watts [1,5 cv])
   1. Para determinar a vazão máxima da bomba, prima o interior por pelo menos 10 min para evitar a sucção de ar e ligue-o em 230 V e 1 fase.
   2. Teste o fluxo de recirculação deixando-o fluir através do rotâmetro de 1".
2. Sistema de borbulhamento de biogás
   1. Para determinar a força necessária para borbulhar pelo menos uma coluna de ar equivalente a 200 mbar, teste pelo menos 3 sopradores com potências diferentes (485,52 watts [0,66 cv], 1838,74 watts [2,5 cv] e 3309,74 watts [4,5 cv]) borbulhando ar no tanque de absorção.
   2. Verifique visualmente o tamanho e a distribuição alcançada pelas bolhas de ar no interior do tanque. Nas condições operacionais aqui descritas, o diâmetro médio previsto das bolhas é de 3 mm.

3. Inoculação e crescimento em condições internas

1. Transferir uma cepa pura de Arthrospira maxima de placas de ágar para 15 mL de meio mineral aquoso¹⁷ (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. Ampliar a cultura para frascos de 500 mL com meio aquoso Jourdan inócuo, utilizando 100% do volume do frasco, e deixá-la crescer em fotoperíodos de 12 h claros/12 h escuros usando lâmpadas de diodo emissor de luz (LED) com dispositivo de montagem de superfície (SMD) 2835 fornecendo luz enquanto fria a 2000 lm e sob mistura contínua por borbulhamento de ar (0,3 L/min ou 0,6 vvm). (passo com duração em torno de 1 mês).
3. Continue o processo de expansão adicionando 20% do volume anterior ao novo volume até que 50 L sejam atingidos.
4. Adaptar a cultura às condições de luz natural de operação e meio de cultura Jourdan em estufa em sacos transparentes de 50 L (etapa com duração em torno de 2 meses).
5. Continuar escalando nestas condições até 5 m³ fotobiorreatores HRAP (etapa com duração em torno de 2 meses).

4. Início operacional do sistema em condições externas

1. Adicione o volume total desses fotobiorreatores HRAP de 5 m³ aos fotobiorreatores HRAP de 13 m³ localizados ao ar livre e preencha o restante do volume com meio de cultura Jourdan. Iniciar a mistura através de uma roda de remo a uma velocidade de 30 cm/s, cultivando em modo batelada por 15 dias ou até atingir 0,7 g/L (etapa com duração em torno de 1 mês).
2. Quando o crescimento atingir 0,7 g/L, transfira o volume para o HRAP operacional^{de 22,2 m 3} , preencha o restante com o meio Jourdan e ajuste a roda de remo a uma velocidade de 30 cm/s. Deixe a biomassa crescer até atingir 0,7 g/L e pH 10; Uma vez atendidas essas condições, iniciar a amostragem e a colheita, se necessário.
3. Iniciar a recirculação do líquido do fotobiorreator HRAP para o tanque de absorção em vazão variável para aumentar a produtividade da biomassa. Comece a borbulhar o biogás a uma vazão média de 3,5 m³/h após 2 h para fornecer carbono inorgânico à cultura. Preste atenção ao pH, pois ele deve permanecer acima de 9.
   OBS: Antes de recircular o meio através do tanque de absorção, acione a bomba centrífuga descrita acima.
4. Adição de nutrientes: Monitorar as condições de nutrientes semanalmente durante a colheita e o balanço geral de nitrogênio assumindo o estado estacionário calculado como mostrado:
   M_NaNO3 = (M_Biomassa x 0,10)/0,12 [g]
   Onde:
   M_NaNO3 = Massa de nitrato de sódio [g]
   M_Biomassa = Biomassa colhida [g]
   1.10: Produção em massa de azoto/biomassa¹⁶ [g/g]
   1.12: Fracção mássica de azoto em nitrato de sódio [g/g]
5. Com os resultados do balanço de nitrogênio, reformule o meio Jourdan para adicionar a quantidade proporcional de Na₃PO₄·12H₂O, MgSO₄·7H₂O e FeSO₄·7H₂O. Não adicione mais bicarbonato de sódio ou cloreto de sódio.
   NOTA: Dissolva os nutrientes em água limpa antes de adicioná-los aos reatores.
6. Monitore a evaporação da água e adicione semanalmente, se necessário.

5. Amostragem e análise

1. Biogás
   1. Recolher amostras do biogás da saída de recolha antes do reservatório de absorção e da saída de recolha após o reservatório, ligando um saco de fluoreto de polivinilo de 10 L à saída com um tubo flexível de diâmetro adequado; Coloque cada um em sacos separados de fluoreto de polivinila.
   2. Calibrar o analisador de gás portátil ajustando o transdutor de pressão a zero e aguardando estabilização. Faça isso pressionando Iniciar, depois Avançar e conectando um tubo transparente e um tubo amarelo, conforme as instruções do analisador. Pressione Next e, finalmente, Gas Readings.
   3. Conecte cada amostra contida nos sacos de fluoreto de polivinila ao analisador, pressione Avançar e meça as concentrações de CH₄, CO₂, O₂ e H₂S em %vol de ambos os pontos do sistema.
   4. Determinar a relação líquido/biogás de recirculação volumétrica (L/G) dividindo o fluxo de recirculação de líquido pelo fluxo de produção de biogás. Calcular o fluxo de gás correspondente (m³/h) que apresenta a maior eficiência de remoção de CO₂ e H₂S.
2. Medição on-line das condições do sistema (pH, oxigênio dissolvido, temperatura)
   1. Calibrar todos os sensores de acordo com as especificações do fabricante.
   2. Coloque um sensor de pH, um sensor de oxigênio dissolvido (OD) e um sensor de temperatura no líquido de cada HRAP.
      NOTA: Para a marca e as especificações de cada um dos sensores, consulte o arquivo Tabela de materiais.
   3. Conecte os sensores de pH e DO a um dispositivo de aquisição de dados que consiste em um processador quad-core de 64 bits de 1,4 GHz conectado a uma tela portátil que armazena um programa Python pré-fabricado escrito em Integrated Development and Learning Environment (IDLE) 2.7.
      1. Abra o programa através da tela e indique os intervalos de tempo para armazenar cada ponto de dados (neste caso, a cada 2 min).
      2. Crie uma planilha onde o programa armazenará automaticamente os dados coletados.
      3. Clique no botão que lê ON, indicando que está pronto para começar a armazenar dados.
      4. Para interromper a aquisição de dados, clique no botão que lê OFF.
      5. Para baixar as informações, insira um barramento serial universal (USB) e importe a planilha.
   4. Conecte o sensor de temperatura a um termoregistrador para armazenar os dados registrados durante os experimentos.
3. Testes exploratórios curtos
   1. Determine o L/G mais eficiente
      1. Regular o fluxo de biogás de entrada para selecionar o valor L/G a ser testado (0,5, 1, 1,5, 1,6, 2, 2,5, 3,3, 3,4).
      2. Medir o pH e as concentrações de entrada e saída de cada gás (CH₄, CO₂, H₂S, O₂, N₂) no início e a cada 15 min por uma hora (60 min), utilizando os instrumentos descritos anteriormente.
      3. Determine o L/G mais eficiente comparando os valores de saída e escolha o mais conveniente de acordo com as necessidades do experimento.
   2. Relação entre L/G, pH e CO₂
      1. Escolha pelo menos dois L/G's para comparar.
      2. Para cada L/G, medir o pH e as concentrações de entrada e saída de CO₂ e de H₂S, O₂ e N₂ como controle no início, a cada 15 min por 60 min e, em seguida, a cada hora por um total de 5 h, usando os instrumentos descritos anteriormente.
      3. Calcule as porcentagens de remoção de CO₂ usando a equação:
         %CO₂ remoção = ((CO₂in - CO₂out)/(CO₂in)) x 100
      4. Representar graficamente os resultados e comparar o comportamento do pH e CO₂ para cada um dos L/G's testados.
4. Curva de calibração para correlacionar peso de biomassa por litro de cultura versus absorbância a 750 nm¹⁸
   1. Amostra da cultura de algas para tentar obter uma absorbância de 1,0. Se a cultura tiver uma absorbância inferior a 1,0, extrair água por filtração (filtro de 0,45 μm) de uma amostra de cultura. Se a absorbância for maior que 1, ela pode ser diminuída pela adição de um meio de cultura fresco.
   2. Preparar cinco suspensões de células de algas usando a amostra e adicionar meio de cultura fresco, em porcentagem volume/volume (V/V): 100%, 80%, 60%, 40% e 20%.
   3. Medir e registrar a absorbância a 750 nm das cinco soluções com um espectrofotômetro usando cubetas plásticas, onde o meio de cultura fresco é o branco.
   4. Determinar o peso da biomassa por litro de cultura de cada suspensão filtrando 10 mL através de um filtro de 0,45 μm previamente pesado e secando a amostra em um exsicador de sílica por 24 h e depois 48 h para garantir um peso constante. Repita esta etapa para cada uma das cinco soluções.
      NOTA: Uma temperatura mais alta (acima de 60 °C) não é recomendada para a secagem devido à perda de certos compostos chave que poderiam volatilizar e alterar o peso da amostra.
   5. Uma vez confirmado o peso, calcule a concentração de biomassa dentro do reator com a equação:
      Concentração de biomassa = (Peso da biomassa - peso do filtro) x 1000/Volume filtrado [g/L]
   6. Faça uma regressão linear dos dados de peso da biomassa em gramas por litro de cultura em função da absorbância medida a 750 nm usando uma planilha ou qualquer outro software. O coeficiente de regressão linear deve ser maior que 0,95; caso contrário, a curva não é útil e o protocolo deve ser repetido.
      NOTA: É descrito como peso de biomassa e não como peso seco como a maioria dos métodos, pois o método de secagem utilizado não permite a remoção total de água na amostra, deixando um teor de água inferior a 5%¹⁹.
5. Crescimento de biomassa
   1. Monitore os reatores todos os dias. Pegue uma amostra de 1 L do ponto médio entre a roda de remos e seu retorno de cada cultura e leve-a ao laboratório.
   2. Verificar o crescimento da colônia e a pureza da cultura ao microscópio.
   3. Medir e registar a absorbância a 750 nm das amostras com um espectrofotómetro, onde o meio de cultura fresco é o branco.
   4. Comparar com a curva de calibração para obter o peso estimado da biomassa em gramas por litro.
   5. Registre o crescimento de cada reator de pista.
6. Produção de biomassa - colheita
   1. Monitore os reatores todos os dias. Se o crescimento da biomassa for superior a 0,7 g/L durante a amostragem, a colheita é necessária.
   2. Alternando entre ambos os HRAPs, coloque uma malha de poliéster em cima de uma seção em uma extremidade do reator e coloque uma extremidade de um tubo de PVC flexível dentro do fluxo do líquido para que a outra extremidade drene o líquido em cima da malha.
   3. Escorra entre 4500 L a 7500 L (dependendo da saturação de biomassa do reator) para a malha, mantendo um fluxo contínuo de volta para o HRAP correspondente. A biomassa será retida na malha.
   4. Para colher, retire a malha do topo do reator e coloque-a em uma superfície diferente para raspar a biomassa e colocá-la em um funil.
   5. Empurre a biomassa através do funil para criar formas alongadas em cima de uma malha limpa e seca; Coloque a malha em uma sala quente e coberta (34-36 °C) por 48-72 h.
   6. Depois de seca, retire a biomassa da malha e pese-a. Calcular a concentração de biomassa colhida em g/L com estas equações:
      Volume de líquido drenado = Vazão da bomba x Tempo de drenagem [L]
      Concentração de biomassa colhida = Peso da biomassa colhida/Volume de líquido drenado [g/L]

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Resultados

Seguindo o protocolo, o sistema foi construído, testado e inoculado. As condições foram medidas e armazenadas, e as amostras foram retiradas e analisadas. O protocolo foi realizado por um ano, com início em outubro de 2019 e duração até outubro de 2020. É importante mencionar que, a partir de agora, os HRAPs serão chamados de RT3 e RT4.

Produtividade de biometano
Para determinar as condições que promovem a maior remoção de H₂S e CO₂ e, con...

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Discussão

Ao longo dos anos, esta tecnologia de algas tem sido testada e usada como uma alternativa às técnicas físico-químicas ásperas e caras para purificar o biogás. Particularmente, o gênero Arthrospira é amplamente utilizado para este fim específico, juntamente com Chlorella. Existem poucas metodologias, no entanto, que são feitas em escala semi-industrial, o que agrega valor a esse procedimento.

É fundamental manter concentrações mais baixas de O₂ usando a...

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Materiais

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