Printer Friendly

BIODUJU VALYMO EFEKTYVUMO TYRIMAI NAUDOJANT MIKRODUMBLIU MONORAPHIDIUM GRIFFITHII SUSPENSIJA.

Santrauka. I?kastinio kuro pakeitimas biodujomis ?ymiai suma?ina ter?alu, tokiu kaip KD, S[O.sub.2], N[O.sub.x], bendras koncentracijas aplinkoje. ?aliosios energijos naudojimas ir atitinkamos infrastrukturos pletra daro vis didesne itaka gerinant aplinkos oro kokybe. Bioduju valymo bei metanizacijos procesams pagerinti taikomi sirtingi metodai: cheminiai, fizikiniai, biologiniai. Pagrindiniai i?kylantys sunkumai, taikant biologinius metodus, yra tinkamu mikroorganizmu suspensiju parinkimas ir optimaliu salygu valymo irenginiuose palaikymas.

Atliekant mokslinius tyrimus ir praktineje veikloje naudojamos skirtingos kilmes ir strukturos mikrodumbliu suspensijos biodujoms valyti. Gana auk?ta biologinio valymo potenciala tari Monoraphidium griffithi kultura, iprastai aptinkama gelo vandens telkinuose.

Biologinio valymo metu i? duju absorbuojami pagrindiniai nepageidaujami komponentai - C[O.sub.2], [H.sub.2]S, [O.sub.2], taigi atitinkamai padideja C[H.sub.4]koncentracija--gryninamos biodujos. Vyksantys procesai paremti fotosinteze - esant ?viesos ?altiniui bei teikiant reikalingas maistines med?iagas, mikrodumbliu suspensija atlieka ter?alu absorbento funkcijas.

Tyrimo metu ivertinta bioduju i?eiga i? dvieju skirtingu substratu (nuoteku dumblo ir vi?tu me?lo). Nustatyti pagrindiniai cheminiai ir fizikiniai parametrai: terpes pH, temperatura, oksidacijos-redukcijos potencialas, elektrinis laidis, [BDS.sub.5]. Ivertinus ir palyginus i?siskyrusiu bioduju kiekius nustatyta, jog didesne i?eiga susidaro naudojant nuoteku dumbla, todel ?is substratas naudotas kitu etapu--ivertinant bioduju valymo efektyvuma naudojant Monoraphidium griffithi suspensija. ?iuo etapu nevalytos biodujos praleistos per fotobioreaktoriu, kuriame ideta mikrodumbliu suspensija. Prie? valymo procesus ir po ju nustatyti [CH.sub.4], C[O.sub.2], [H.sub.2]S, [O.sub.2] koncentraciju pokyciai biodujose. Remiantis tyrimo metu gautais rezultatais, pradine metano koncentracija sieke 62 %, galutine 69 %, pradine anglies dioksido - 37 %, galutine - 31 %.

Atlikus eksperimentinius tyrimus ivertinta Monoraphidium griffithi bioduju ter?alu absorbcine geba. Atlikus palyginamaja analize, galima spresti apie ?ios mikrodumbliu kulturos praktini panaudojima biologiniuose valymo procesuose.

Reik?miniai ?od?iai: metanas, biologinis valymas, mikrodumbliu kultura, biodujos, suspensija, fotobioreaktorius.

Ivadas

Biologiniu bioduju valymo metodu praktinis pritaikymas sparciai pleciamas ir tobulinams. Siekiant nustatyti jo pagristuma, atliekami moksliniai eksperimentai. Svarbius tyrimus ?ia tema yra atlike Q. Zhao, M. Persson, R. Ramaraj, N. Dussadee, I. Rawat, R. Ranjith Kumar, T. Mutanda, F. Bux, P. A. Terry, W. Stone, M. Liu, F. Dong, W. Kang, S. Sun, H. Wei, W. Zhang, X. Nie, Y. Guo, T. Huang, Y. Liu, G. Mann, M. Schlegel, R. Schumann. Taigi remiantis moksliniu tyrimu i?vadomis bei rezultatais galima analizuoti ir vertinti efektyviausius biologinio valymo metodus.

I?valytu bioduju kokybei Europoje taikomi grie?ti reikalavimai, t. y. nepageidaujamu komponentu kiekis bendroje maseje turi buti minimalus arba visi?kai pa?alintas.

Bioduju valymas naudojant mikrodumbliu suspensijas ne visais atvejais u?tikrina itin auk?ta bioduju i?valymo efektyvuma, todel svarbu tobulinti tokiu sistemu konstrukcijas, optimizuoti terpiu salygas, parinkti tinkamus mikrodumblius.

Gelame vandenyje placiai paplite mikrodumbliai Monoraphidium griffithi yra priskiriami prie didele absorbcine ter?alu geba turinciu kulturu.

Naudojant nevalytas biodujas kaip anglies dioksido ?altini Monoraphidium griffithii gyvybinei veiklai, pasiekiama dvejopa nauda:

1) i?valytose biodujose nelieka jokiu kenksmingu sudedamuju komponentu;

2) suma?inamos biomases gamybos sanaudos (Hendroko et al. 2013).

Eksperimentiniams tyrimams naudoti vienalasciai mikroorganizmai Monoraphidium griffithii--verpstes formos tiesus arba lenkti mikrodumbliai, kuriu abiejuose galuose yra ry?kus susmailejimai. Lasteliu ilgis -40-68 [micro]m, plotis apie 2 um (Chlorophyceae: Chlorococcales... 2016; Culture Collection... 2013). ?ie mikrodumbliai aptinkami gelo vandens telkiniuose. Lasteliu strukturos bendras vaizdas pateiktas 1 pav.

Pa?ymetina, jog Monoraphidium griffithii vykdomos fotosintezes metu i? neorganiniu med?iagu intensyviai sintetinami baltymai ir lipidai (Chisti 2008). Mikrodumbliai, naudodami saules ar kito ?vieso ?altinio energija anglies dioksida absorbuoja apie 10 kartu efektyviau nei augalai (Ramaraj, Dussadee 2014). Verta pabre?ti, jog mikrodumbliu kiekis dumbliu lastelese lemia tolesni galima ju biomases panaudojima. Pavyzd?iui, ?ie mikrodumbliai yra viena i? ?iuolaikiniu alternatyvu biodyzelino, bioetanolio ir bioduju gamybai.

Dar viena svarbi Monoraphidium griffithii savybe--gebejimas absorbuoti sunkiuosius metalus (Rawat et al. 2011). Be to, mikrodumbliai, naudodami saules energija anglies dioksida absorbuoja apie 10 kartu efektyviau nei augalai (Ramaraj, Dussadee 2014). Taip yra todel, jog jie auga ir dauginasi ?ymiai greiciau nei augalai, be to, nereikia derlingos ?emes ir vandens, taip pat nera poreikio konkuruoti del saules energijos.

Po biologiniu valymo procesu mikrodumbliu kulturos (sukaupta ?iu organizmu biomase) gali buti dar karta efektyviai panaudojamos, t. y. tiekiamos kaip nauja pirmine ?aliava i bioreaktorius arba naudojamos chemijos pramoneje--baltymu, vaistiniu preparatu, augalu apsaugos priemoniu, meliorantu gamyboje (Maier et al. 2015; Mann et al. 2009).

Mokslinio tyrimo tikslas--nustatyti bioduju, i?siskirianciu anaerobi?kai perdirbant nuoteku dumbla ir vi?tu me?la kiekybine ir kokybine sudeti, joms valyti panaudojant mikrodumbliu kulturos Monoraphidium griffithi suspensija.

Metodika

Laboratorinio stendo konstrukcija ir veikimo principas

Eksperimentiams tyrimams sukonstruotas laboratorinis stendas, kurio pagrindiniai elementai: 25 1 talpos bioreaktorius su nuoteku dumblo substratu, duju valymo kolba, ?viesos ?altinis--fluorescencine lempa bei duju sudeties analizatorius INCA 4000. Tyrimui naudoto laboratorinio stendo schema pateikiama 2 pav.

Pa?ymetina, jog siekiant sudaryti intensyvesne bioduju i?eiga pasirinktas bioreaktorius su mechaninio mai?ymo sistema.

1. Nuolatinio veikimo bioreaktorius. Tyrimams naudojamo bioreaktoriaus naudingasis (u?kraunamas) turis sudaro 25 1 (bendras turis--30 1).

2. Bioduju valymo sistema. ?ia sistema sudaro duju praplovimo buteliukas su stiklo filtru ir specialia galvute. Pa?ymetina, jog tyrimams naudotos 500 ml stiklines kolbos galvuteje imontuoti valomu duju ileidimo ir i?leidimo vamzdeliai su lanksciomis ?arnelemis. Valymo kolbos (fotobioreaktoriaus) bendras vaizdas ir struktura pateikta 3 pav.

Mikrodumbliu kulturos Monoraphidium griffithi biomases koncentracija valymo kolboje - 0,046 g/l.

3. ?viesos ?altinis--fluorescencine lempa. Kaip mineta, ?viesos ?altinis yra reikalingas fotosintezei palaikyti. ?iuo atveju pasirinkta fluorescencine lempa, tolygiai ap?viecianti mikrodumbliu suspensija.

4. Duju sudeties analizatorius INCA 4000. Analizatoriumi nustatyta i?siskyrusiu bioduju sudetis dviem etapais, t. y. prie? valyma mikrodumbliais ir po jo.

Bioduju valymo sistemos veikimo principas: i? substrato i?siskyrusios nevalytos dujos nukreipiamos i duju analizatoriu ir nustatomos bioduju komponentu ([CH.sub.4], C[O.sub.2], [H.sub.2]S, [O.sub.2]) koncntracijos prie? valyma. Kitas i?siskyrusiu bioduju srautas pirmiausiai praleid?iamas per fotobioreak-toriuje (stiklineje kolboje) esancia mikrodumbliu suspensija ir tuomet duju analizatoriuje nustatoma sudetis po valymo proceso. Lyginant gautus rezultatus nustatomas valymo mikrodumbliais efektyvumas. Tyrimo trukme--35 paros.

Pradines substrato charakteristikos

Eksperimentiniams tyrimams analizuoti du substratai--nuoteku dumblas ir vi?tu me?las. Bandymai atlikti su skirtingais substratais siekiant i?siai?kinti, kuris i? ju turi auk?tesni bioduju i?eigos potenciala ir kaip nuo terpes salygu priklauso i?siskyrusiu bioduju kiekis, sudetis bei savybes. Pagrindiniai substratu cheminiai ir fizikiniai parametrai, kuriu itaka bioduju i?eigai ivertinta eksperimentinio tyrimo metu: terpes pH, temperatura, biocheminis deguonies sunaudojimas per 5 paras, oksidacijos-redukcijos potencialas, amoniakinis azoto kiekis, anglies ir azoto santykis C:N.

Remiantis 2009 m. u?sienio mokslininku M. Kuglarz ir B. Mrowiec atliktais tyrimais, bioduju i?eiga ?ymiai padidina inokuliantu iterpimas i substrata. Inokuliantai--tai bakteriju, da?niausiai pieno rug?ti produkuojanciu, mi?inys, pagreitinantis ir pagerinantis silosuojamos mases fermentacijos procesus ir ma?inantis mitybiniu med?iagu nuostolius (Kuglarz, Mrowiec 2009). Be to, tokiu budu optimizuojamas anglies ir azoto santykis.

Svarbu i?skirti dar viena savarbu veiksni--amoniakinio azoto kieki, kuris susidaro skylant baltymams. Nuo ?ios med?iagos priklauso bendra bioduju i?eiga. Skirtinguose literaturos ?altiniuose nurodomos gana placios ?ios med?iagos kiekio i?siskyrimo ribos, t. y. 1,7-14 g N-[NH.sub.3]/[dm.sup.3] (Chen et al. 2008).

Dar vienas svarbus veiksnys--organines dalies kiekis substrate. Iki tam tikros ribos padidinus organiniu med?iagu kieki, ?ymiai padideja lengvai skaidomu med?iagu, tokiu kaip riebalai ir baltymai, kiekiai (Buraczewski 1989; Hartmann, Ahring 2005).

Eksperimento metu tirtu substratu sudetis pateikiama 1 lenteleje.

Pradines bioreaktoriu ir juose idetu substratu charakteristikos pateikiamos 2 lenteleje.

Pagrindiniai substratu ?aliavu cheminiai ir fizikiniai parametrai pateikiami 3 lenteleje.

I? 3 lenteles duomenu matyti, jog substrate, kurio ?aliava vi?tu me?las, susidaro rug?tesne terpe, turinti tiesiogines itakos bendrai bioduju i?eigai (bioduju i?eiga ma?eja).

Naudoti prietaisai ir taikyti metodai

Pagrindines substratu fizikines ir chemines charakteristikos, t. y. temperatura, terpes pH, elektrinis laidis bei oksidacijos-redukcijos potencialas, nustatytos naudojant ne?iojamuosius daugiafunkcius aplinkos parametru nustatymo prietaisus. Nustatymo ribos: pH nuo 4 iki 19,99; oksidacijos-redukcijos potencialas (ORP) nuo 600 mV iki 2000 mV; temperatura nuo 20 [degrees]C iki 120 [degrees]C.

Bioduju kokybine sudetis nustatyta analizatoriumi INCA 4000. Bioduju sudeties nustatymo ribos: deguonis--0-25 % (paklaida - [+ or -]1 %), sieros vandenilis - 0-100 ppm (paklaida - [+ or -]5 %), metanas - 0-100 % (paklaida - [+ or -]1 %), anglies dioksidas - 0-100 (paklaida - [+ or -]1 %). Irenginio optimalios darbo salygos: aplinkos temperatura nuo -5 [degrees]C iki +40 [degrees]C, santykinis dregnis iki 95 %.

Gauti rezultatai ir ju analize

Eksperimentinio tyrimo metu nustatyti substratu cheminiai ir fizikiniai parametrai: elektrinis laidis, oksidacijos-redukcijos potencialas, biocheminis deguonies sunaudojimas per 5 paras. Oksidacijos-redukcijos potencialas apibudina substrato pajeguma atiduoti arba prisijungti elektronus. Pa?ymetina, jog substrato i? vi?tu me?lo oksidacijos-redukcijos potencialas yra ?ymiai didesnis nei nuoteku dumblo, o tai velgi daro tiesiogine itaka susidarant rug?tesnei terpei (Chisti 2007).

Siekiant nustatyti [BDS.sub.5], i? paruo?tu substratu paimti 300 ml turio meginiai. Kadangi biocheminis deguonies sunaudojimas nusako deguonies kieki, butina biocheminiam lengvai skylanciu organiniu ter?alu oksidavimui per 5 paras atlikti, pagal gautus rezultatus galima padaryti i?vada, kuriame i? tiriamuju meginiu susidaro didesnis deguonies poreikis oksidacijos procesams.

[BDS.sub.5] verciu palyginimas, atliekant tyrimus su skirtingos sudeties substratais, pateiktas 4 pav.

I? 4 pav. duomenu matyti, jog kai pirmine substrato ?aliava--vi?tu me?las, [BDS.sub.5] yra 1,2 karto didesnis nei naudojant nuoteku dumbla. Vadinasi, organiniams ter?alams oksiduoti reikalingas didesnis deguonies kiekis nei naudojant nuoteku dumbla.

Eksperimentinio tyrimo metu nustacius mikrodumbliu biomases prieaugi po 35 paru, naudojant duju analizatoriu ivertinti ir pagrindiniu bioduju komponentu koncentraciju pokyciai bendros duju sudeties at?vilgiu. ?iu komponentu ([CH.sub.4], C[O.sub.2], [O.sub.2], [H.sub.2]S) koncentraciju kaita, valyti naudojant Monoraphidium griffithii mikrodumblius, pateikta 5-8 pav.

Bioduju valymas mikrodumbliu suspensijomis paremtas dujiniu komponentu disocijacija biologiniuose tirpaluose bei mikrodumbliu savybe absorbuoti C[O.sub.2] jiems prieinama forma (Rosenberg et al. 2008).

C[O.sub.2] i?siskaido i vandenilio jonus [H.sup.+], vandenilio karbonatus (bikarbonatus) HC[O.sub.3] ir atitinkamai i karbonatu jonus C[O.sup.2.sub.3]. Vyksta chemines reakcijos:

C[O.sub.2] (g) [left right arrow] C[O.sub.2](aq) (1)

[H.sub.2]O + C[O.sub.2] (aq) [left right arrow] HC[O.sub.3]~ + [H.sup.+] (2)

HCO.sup.-.sub.3] [left right arrow] C[O.sup.3sub.2] + [H.sup.+] (3)

[H.sub.2]O + [H.sup.+] + [OH.sup.-] (4)

Vandeniniame tirpale esancius bikarbonatus kaip anglies ?altini eukariotiniai mikrodumbliai naudoja gyvybines veiklos procesams vykdyti (Spalding 2008; Jansson, Northen 2010). Kai tirpalo pH yra intervale 6,4-10,3, vandeniniame tirpale dominuoja (>50 %) butent bikarbonatai nedujine C[O.sub.2] forma. I? matavimo rezultatu matyti, jog tirpalo rug?tingumas patenka i nurodyta pH verciu intervala.

Bikarbonatus i savo lasteles efektyviai absorbuoja mikrodumbliai--?ios med?iagos patenka i citoplazma ir chloroplastus (Spalding 2008). Chloroplastuose bikarbonatai transformuojami i C[O.sub.2], kuris pasisavinamas specifinio chloroplasto geno ir fotosintezes enzimo--ribuliozes bifosfato karboksilazes / oksigenazes (Rubisko genas). Taciau del fiksacijos Rubisko vandeniniame tirpale su anglies dioksidu konkuruoja deguonis, ypac esant didesnei jo koncentracijai ir auk?tesnei temperaturai. Tokiomis salygomis Rubisko fermentas sunkiai atskiria [O.sub.2] nuo C[O.sub.2] ir da?niau fiksuoja pirmaji vietoj antrojo. Kai Rubisko fermentas pritraukia deguonies atomus, vyksta oksigenaze, susidaro organines rug?tys, kurios metabolizuojamos i amino rug?ti--glicina. Tarpusavyje jungdamosios glicino rug?tys suformuoja kita amino rug?ti--serina, daranti itaka C[O.sub.2] nuostoliams. Toks anglies praradimas ir tolesniu procesu pokyciai gali ?ymiai suma?inti fotosintezes efektyvuma- esant intensyvesniam ap?viestumui vyksta fotorespiracija ir fotosintezes i?eiga ma?eja, efektyvumas gali suma?eti iki 30-40 % (Zhu et al. 2008). Siekiant suma?inti [O.sub.2] fiksacija su Rubisko fermentu, reikalinga aktyvi tirpale esanciu bikarbonatu absorbcija i mikrodumblius. Tokiu atveju padideja C[O.sub.2] koncentracija ju lastelese ir slopinama fotorespiracija--fotosinteze vyksta intensyviau (Badger, Price 1994). Esant efektyvesnei fotosintezei, sparciau auga ir mikrodumbliu biomase, t. y. 1 g biomases prieaugis susidaro pasisavinant 1,6-2 g C[O.sub.2]. Ivertinus ?iuos procesus, tyrimo metu gauti C[O.sub.2] koncentraciju pokyciai pateikti 5 pav.

Remiantis 5 pav. duomenimis matyti, jog prie? valyma viso tyrimo metu C[O.sub.2] koncentracija kito netolygiai, t. y. per pirmasias 10 dienu ji kito ne?ymiai, taciau penktioliktaja diena susidare ry?kus koncentracijos ?uolis, po kurio C[O.sub.2] koncentracija i?liko auk?ta iki pat tyrimo pabaigos.

O valant biodujas, C[O.sub.2] koncentracija tolygiai ma?ejo. Pradine koncentracija prie? valyma sieke 37 %, o po 35 paru valymo -31 %. Matyti, jog viso tyrimo metu valymo efektyvumas nema?ejo.

6 pav. pateikiami metano koncentraciju pokyciai prie? biologini valyma ir po jo.

I? 6 pav. duomenu matyti, jog nevalant bioduju metano koncentracija yra nepastovi, t. y. ry?kus koncentraciju ?uoliai. Metanizacijos procesai nevyksta, nesusidaro stabilus koncentracijos augimas. Lyginant koncentracijas pirmaja ir paskutine tyrimo dienomis matyti, jog ji lieka prakti?kai tokia pati ~60 % bendro bioduju kiekio.

O praleid?iant biodujas per Monoraphidium griffithi suspensija biodujos gryninamos gana intensyviai. Pradine koncentracija prie? valyma siekia 62 %, galutine po valymo--apie 69 %.

Laboratoriniu tyrimu metu gautus rezultatus lyginant su u?sienio mokslininku pateikiamomis ekperimentinemis vertemis, galima daryti i?vada jog valymo efektyvumas labai stipriai priklauso nuo valymo irenginiu (?iuo atveju - fotobioreaktoriu) konstrukcijos, sandarumo, sudarytos terpes savybiu, tiekiamu bioduju srauto greicio bei sudeties. Remiantis Sirikulrat ir Koonaphapdeelert 2013 m. gautais rezultatais, galima daryti i?vada jog, sudarius optimalias salygas, [CH.sub.4] koncentracija gali buti padidinama iki 17 %, o C[O.sub.2] suma?iama net iki 70 %, lyginant su pradinemis koncentracijomis. Visgi verta pabre?ti, jog ?iuo atveju eksperimentinis tyrimas buvo nuosekliai atliekamas 60 paru ir valymo efektyvumas nesuma?ejo laikui begant.

Deguonies koncentraciju kaita biodujose prie? valyma ir po jo pateikta 7 pav.

I? 7 pav. duomenu matyti, jog prie? valyma deguonies koncentracija i?lieka gana stabili, t. y. 0,8 % (nevertinant 9-16 dienomis staigaus koncentraciju padidejimo, kai ji i?auga iki 1,6 %).

Pa?ymetina, jog mikrodumbliai Monoraphidium griffithii ?ymiai suma?ina [O.sub.2] koncentracija--35-aja tyrimo diena deguonies kiekis buvo minimalus.

Gautas vertes lyginant su 2009 m. mokslininku Mann, Schlegel, Schumann gautais rezultatais matyti (kaip biologinis absorbentas naudoti tie patys mikrodumbliai), jog [O.sub.2] koncentracijos kitimo tendencijos skiriasi. Pagal ?iu mokslininku 2009 m. rezultatus, gautus po 30 paru trukmes eksperimentinio tyrimo, deguonies koncentracija i?augo (iki 5 %). Taigi galima daryti prielaida jog pastaruoju atveju deguonis buvo intensyviai i?skiriamas kaip fotosintezes produktas arba, kaip jau mineta, absorbuojamas Rubisko geno vietoje C[O.sub.2]. Padidejus deguonies koncentracijai, atitinkamai suma?eja metano kiekis del oksidacijos procesu. Be to, deguonis ?ymiai ma?ina valomu bioduju bendra kokybine ir ?ilumine verte, o i?siskyres azotas pasilieka biodujose kaip balastine med?iaga (Hagen et al. 2001).

Net ir nedideli sieros vandenilio kiekiai, esantys biodujose, gali sukelti stipria irenginiu pavir?iu korozija. Del ?ios prie?asties atliekant tyrimus stengiamasi palaikyti kuo pastovesni slegi bei temperatura (Patel et al. 2001).

Pa?ymetina, jog [H.sub.2]S labai gerai disocijuoja biologiniuose tirpaluose, vykstant cheminems reakcijoms (Broderius, Smith 1977):

[H.sub.2] [Saq] [left right arrow] [HS.sup.-.sub.aq] + [H.sup.+.sub.aq] (5)

[HS.sup.-.sub.aq][left right arrow] [S.sup.2-.sub.aq] + [H.sup.+.sub.aq] (6)

[H.sub.2]O [left right arrow] [H.sup.+.sub.aq] + [OH.sup.-.sub.aq]. (7)

I? cheminiu reakciju matyti, jog visu pirma [H.sub.2]S i? molekulines formos pereina i jonini pavidala ([HS.sup.-]), disocijuoja vandens molekules. Pa?ymetina, jog, didejant slegiui, H.sub.2S tirpumas dideja.

Mikrodumbliu prisotintuose vandeniniuose tirpaluose, esant ?viesos ?altiniui, vyksta dar vienas procesas--fotolize, apra?oma bendra chemine i?rai?ka:

[mathematical expression not reproducible]

I? junginio 2[H.sub.2]A (?iuo atveju sieros vandenilio [H.sub.2]S) per oksidacijos procesus i?skiriamas grynas elementas [A.sub.2] siera [S.sub.2]. Kadangi reakcija vyksta mikrodumbliu chloroplastuose, pastarieji gali laisvai pasisavinti i?siskyrusia siera kartu i?valyti i? bioduju [H.sub.2]S.

Pa?ymetina, jog siera yra vienas i? pagrindiniu komponentu, sudaranciu mikrodumbliu sieneles. ?is elementas ieina i daugelio funkciniu ir strukturiniu junginiu sudeti bei yra itin svarbus baltymu sintezei ir aminorug?iu susidarymui (Giordano, Prioretti 2016).

8 pav. pateikta sieros vandenilio koncentracijos kaita prie? biologini valyma ir po jo.

I? 8 pav. duomenu matyti, jog biodujoms valyti naudojant mikrodumbliu suspensija sieros vandenilis gali buti prakti?kai pa?alintas i? bioduju, t. y. fotolizes metu gauta siera pasisavinama gyvybiniams procesams, baltymu sintezei. Kaip mineta, pagrindinis [H.sub.2]S neigiamas poveikis--bioduju apdorojimo irenginiu metaliniu pavir?iu korozijos skatinimas. Remiantis mokslininku duomenimis, da?niausiai ?io nepageidaujamo komponento koncentracija i?valius biodujas nesiekia 3 ppm (Hagen et al. 2001).

I?vados

1. Eksperimenti?kai ivertinti du skirtingi substratai (nuoteku dumblas ir vi?tu me?las). Nustatytos ju fizikines, chemines savybes, pagrindines charakteristikos, darancios itaka bendrai bioduju i?eigai. Nustatyta, jog bioduju i?eiga i? nuoteku dumblo yra didesne nei i? vi?tu me?lo. Pagrindines prie?astys: ma?esnis amoniakinio azoto kiekis dumble (amoniakinio azoto perteklius slopina bioduju i?siskyrima), tinkamesnis anglies ir azoto santykis, ma?esnis terpes rug?tingumas. Pa?ymetina, jog kai substrato ?aliava - vi?tu me?las, susidaro 1,2 karto didesnis deguonies poreikis nei naudojant nuoteku dumbla.

2. Nevalytas biodujas praleidus per Monoraphidium griffithii suspensija po 35 tyrimo paru nustatyta, jog C[O.sub.2] koncentracija suma?ejo nuo 37 % iki 31 %. Kiekviena tyrimo diena fiksuojant C[O.sub.2] koncentracija prie? valyma matyti, jog ji kito netolygiai--i?ry?kejo staigus ?uoliai. Gautus rezultatus lyginant su u?sienio mokslininku pateikiamomis eksperimentinemis vertemis galima daryti i?vada jog prakti?kai turetu buti pasiekiamas ?ymiai didesnis i?valymo efektyvumas--net iki 70 % suma?eti C[O.sub.2] koncentracija, lyginant su pradine. Pagrindines prie?astys--pakankams sistemos sandarumas ir konstrukcija, eksperimento trukme, pastoviu terpes salygu palaikymas, prietaisu jautrumas.

3. Leid?iant biodujas per Monoraphidium griffithii suspensija nustatyti metano koncentracijos pokyciai per 35 paras. [CH.sub.4] koncentracija tyrimo prad?ioje sieke 62 %, po 35 paru - 69 %. I? gautu rezultatu matyti, jog koncentracija augo gana tolygiai. Remiantis mokslininku pateikiamais duomenimis, metano koncentracijos padidejimas gali siekti iki 20 %. Eksperimentinio tyrimo metu gana nedaug padidejo [CH.sub.4] koncentracija, tai galejo ivykti del metano oksidacijos procesu.

4. [O.sub.2] koncentracijos kaita vertinama nevienareik?mi?kai. Remiantis atlikto eksperimentinio tyrimo rezultatais matyti, jog koncentracija tyrimo pabaigoje nesiekia 0,2 %. Monoraphidium griffithi biomases prieaugiui deguonis ?ymios itakos nedaro, nes nera reikalingas gyvybiniams procesams palaikyti. Be to, del fotosintezes deguonies koncentracija gali net padideti. ?iuo atveju kokybine ir ?ilumine bioduju verte i?kart suma?eja. Vertinant [H.sub.2]S, jo kiekis biodujose yra vienas i? ma?iausiu, lyginant su kitu komponentu koncentracijomis. Pradine prie? valyma sieke 300-400 ppm, o galutine--20 ppm. Remiantis Hagen ir kitu mokslininku pateikiamomis vertemis, taikant biologinius valymo metodus sieros vandenilio koncentracija gali suma?eti iki 3 ppm. Taigi eksperimentinio tyrimo metu gautos vertes yra artimos ir pagristos.

Literatura

Badger, M.; Price, G. 1994. The role of carbonic anhydrase in photosynthesis, Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 45: 369-392. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.45.060194.002101

Buraczewski, G. 1989. Metane fermentation [interaktyvus], [?iureta 2016 m. kovo 12 d.]. PWN, Warszawa. Prieiga per interneta: http://www.fao.org/docrep/w7241e/w7241e0fhtm#TopOfPage.

Broderius, S. J.; Smith, L. L. 1977. Direct determination and calculation of aqueous hydrogen sulfide, Analytical Chemistry 49: 424-428. https://doi.org/10.1021/ac50011a024

Chen, Y; Cheng, J. J.; Creamer, K. S. 2008. Inhibition of anaerobic digestion: a review, Bioresource Technology 99(10): 4044-4064. https://doi.Org/10.1016/j.biortech.2007.01.057

Chisti, Y. 2007. Biodiesel frommicroalgae, Biotechnol Advances 25(3): 294-306. https://doi.Org/10.1016/j.biotechadv.2007.02.001

Chisti, Y 2008. Response to Reijnders: do biofuels from microalgae beat biofuels from terrestrial plants?, Trends in Biotechnology 26: 351-352. https://doi.Org/10.1016/j.tibtech.2008.04.002

Chlorophyceae: Chlorococcales. Monoraphidium griffithi [interaktyvus]. 2016 [?iureta 2016 m. kovo 12 d.]. Prieiga per interneta: http://protist.i.hosei.ac.jp/pdb/images/chlorophyta/Monoraphidium/griffithii/griffithii_lc.html

Culture Collection of Autotrophic Organisms. Monoraphidium griffithi [interaktyvus]. 2013 [?iureta 2016 m. kovo 12 d.]. Prieiga per interneta: http://ccala.butbn.cas.cz/cs/node/13503

Giordano, M.; Prioretti, L. 2016. Sulphur and Algae: metabolism, ecology and evolution, Developments in Applied Phycology 6: 185-209.

Hagen, M.; Polman, E.; Jensen, J. K.; Myken, A.; Jonsson, O.; Dahl, A. 2001. Adding gas from biomass to the gasgrid: Report SGC 118. Malmo: Swedish Gas Center. 18 p.

Hartmann, H.; Ahring, B. K. 2005. Anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid waste: influence of co-digestion with manure, Water Research 39(8): 1543-1552. https://doi.Org/10.1016/j.watres.2005.02.001

Hendroko, R.; Salafudin, Wahono, S. K.; Wahyudi, A.; Salundik, Praptiningsih, G. A.; Liwang, T. 2013. Preliminary studies on biological purification system: integrated biogas from small anaerobic digestion and natural microalgae, in the 2nd Natural Pigments Conference for South East Asia (NP-SEA), July 12-13, 2013. Indonesia: R&D Center Universitas Ma Chung Malang.

Jansson, C; Northen, T. 2010. Calcifying cyanobacteria - the potential of biomineralization for carbon capture and storage, Current Opinion in Biotechnology 21: 1-7. https://doi.org/10.1016/jxopbio.2010.03.017

Kuglarz, M.; Mrowiec, B. 2009. Co-digestion of municipal bio-waste and sewage sludge for biogas production, ResearchGate 177-182.

Maier, J. A.; Martinez, C; Kasavajhala, K.; Wickstrom, L.; Hauser, K. E.; Simmerling, C. 2015. ff14SB: improving the accuracy of protein side chain and backbone parameters from ff99SB, Journal of Chemical Theory and Computation 11(8): 3696-3713 [interaktyvus], [?iureta 2016 m. kovo 12 d.]. Prieiga per interneta: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.5b00255

Mann, G.; Schlegel, M.; Schumann, R.; Sakalauskas, A. 2009. Biogas-conditioning with microalgae, Agronomy Research 7(1): 33-38.

Patel, N. C; Abovsky, V; Watanasiri, S. 2001. Calculation of vapor-liquid equilibria for a 10-component system: comparison of EOS, EOS-GE and GE-Henry's law models, Fluid Phase Equilibria 185: 397-405. https://doi.org/10.1016/S0378-3812(01)00498-8

Ramaraj, R.; Dussadee, N. 2014. Biological purification processes for biogas using algae cultures: a review, International Journal of Sustainable Green Energy 4(1-1): 20, 27-29.

Rawat, I.; Ranjith Kumar, R.; Mutanda, T.; Bux, F. 2011. Dual role of microalgae: phycoremediation of domestic wastewater and biomass production for sustainable biofuels production, Applied Energy 88(10): 3411-3424. https://doi.Org/10.1016/j.apenergy.2010.11.025

Rosenberg, J. N.; Oyler, G. A.; Wilkinson, L.; Betenbaugh, M. J. 2008. A green light for engineered algae: redirecting metabolism to fuel a biotechnology revolution, Current Opinion in Biotechnology 19(5): 430-436. https://doi.org/10.1016/jxopbio.2008.07.008

Sirikulrat, K.; Koonaphapdeelert, S. 2013. Capture of Carbon Dioxide in Biogas by using Chlorella sp. in Photobioreactor, in International Graduate Research Conference, 20 December 2013. Chiang Mai University, Department of Environmental Engineering, 210-214.

Spalding, M. 2008. Microalgal carbon-dioxide-concentrating mechanisms: Chlamydomonas inorganic carbon transporters, Journal of Experimental Botany 59: 1463-1473. https://doi.org/10.1093/jxb/erm128

Zhu, X-G.; Long, S.; Ort, D. 2008. What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?, Current Opinion in Biotechnology 19: 153-159. https://doi.org/10.1016/jxopbio.2008.02.004

?ivile BINGELYTE (1), Alvydas ZAGORSKIS (2)

Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Vilnius, Lietuva EI. pa?tas: (1) bingelzivile@gmail.com; (2) alvydas.zagorskis@vgtu.lt

RESEARCH OF BIOGAS PURIFICATION USING MICROALGAE MONORAPHIDIUM GRIFFITHII SUSPENSION

?. Bingelyte, A. Zagorskis

Abstract

Using biogas instead of fossil fuels decreases pollutants such as solid particles, sulphur dioxide, nitrogen oxides concentrations in the environment. Green energy and development of relevant infrastructure improves air quality considerably.

Chemical, physical, biological methods are used for biogas purification. The main difficulties using biological methods are selection of suitable microorganisms' suspensions and making optimal conditions in photobioreactor.

Different origin and structure microalgae suspensions are used applying biological treatment methods. Monoraphidium griffithi, which is widespread in fresh water, has relatively high potential. Microalgae' cultures absorb the main components of biogas--carbon dioxide (C[O.sub.2]) and hydrogen sulphide ([H.sub.2]S). Absorbtion processes are based on photosynthesis. Microalgae absorb specific components of biogas when there are suitable light source and nutrient solvent.

The main purposes of the research are to asses emission of biogas using different substrates (chicken manure and wastewater sludge). Also, it was measured main physical and chemical characteristics of both substrates: acidicy, temperature, redox potential, conductivity, biohemical oxygen demand.

According results of the research, emission from wastewater sludge is greater than from chicken manure so sludge was chosen in teh next stage of the research. The next stage - asssessment of purification efficienty using Monoraphidium grifftihii suspension. Raw biogas was supplied to photobioreacor (with microalgae suspension). Alterations of methane, carbon dioxide, oxygen, hydrogen sulphide concentrations were measured precisely. According to results concentration of methane in the beginning of the researc was 62%, after 35 days--69%. Meanwhile carbon dioxide--37% and 31% by analogy.

Experimental research alows to assess Monoraphidium griffithi absorption capacity of ballast components. Results were compared to different scientists' results which were present in scientific journals and publications. Comparative analysis alows to assess practical possibilities to use Monoraphidium griffithi as biological treatment of raw biogas.

Keywords: methane, biological treatment, microalgae culture, biogas, suspension, photobioreacor.

Caption: 1 pav. Monoraphidium griffithii lasteliu struktura (Chlorophyceae: Chlorococcales... 2016) Fig. 1. Monoraphidium griffithii cell structure (Chlorophyceae: Chlorococcales... 2016)

Caption: 2 pav. Laboratorinio tyrimo stendo principine schema: 1--bioreaktorius; 2--duju sudeties analizatorius INCA 4000; 3 - duju valymo kolba su stiklo filtru (fotobioreaktorius); 4 - ?viesos ?altinis (fluorescencine lempa); 5--nevalytu duju ileidimas; 6--valytu duju i?leidimas; 7--laboratorinis stalas; 8 - duju ileidimo anga Fig. 2. Principal scheme of the lab test display: 1--bioreactor; 2 - gas composition analyser INCA 4000; 3--flask with glass filter for gas cleaning (photobioreactor); 4--light source (fluorescence lamp); 5--inlet of raw gas; 6--outlet of cleaned gas; 7--lab table; 8--outlet vent for gas

Caption: 3 pav. Duju valymo sistema--fotobioreaktorius (autores nuotrauka) Fig. 3. Gas cleaning system--photobioreactor (author's picture)

Caption: 4 pav. Substratu [BDS.sub.5] verciu palyginimas Fig. 4. Value compare of BOD5 substrate

Caption: 5 pav. C[O.sub.2] koncentraciju pokyciai, kai biodujoms valyti naudojama Monoraphidium griffithi kultura Fig. 5. Concentration changes of C[O.sub.2] when Monoraphidium griffithi culture for biogas cleaning is used

Caption: 6 pav. [CH.sub.4] koncentracija biodujose, kai joms valyti naudojama Monoraphidium griffithi kulturos suspensija Fig. 6. Biogas concentration of CH4 when Monoraphidium griffithi culture's suspension for biogas cleaning is used

7 pav. [O.sub.2] koncentracija biodujose, kai joms valyti naudojama Monoraphidium griffithi kulturos suspensija Fig. 7. Biogas concentration of [O'.sub.2] when Monoraphidium griffithi culture's suspension for biogas cleaning is used

Caption: 8 pav. [H.sub.2]S koncentracija biodujose, kai joms valyti naudojama Monoraphidium griffithi kulturos suspensija Fig. 8. Biogas concentration of H2S when Monoraphidium griffithi culture's suspension for biogas cleaning is used
1 lentele. Tiriamuju substratu sudetis
Table 1. Composition of investigative substrate

?aliava          ?aliavos kiekis bioreaktoriuje

Nuoteku dumblas   2,7 kg
Vi?tu me?las      1,25 kg

2 lentele. Pradines bioreaktoriu ir substratu charakteristikos
Table 2. Initial characteristics of bioreactors and substrates

Parametras                 Substrato ?aliava
                           Nuoteku dumblas    Vi?tu me?las

Organines med?iagos
dalis (VS) %               10,07              39,85
Bioreaktoriaus organine
apkrova, g VS/1            10,07              79,90

3 lentele. Pradiniai nuoteku dumblo ir vi?tu me?lo fizikiniai,
cheminiai parametrai
Table 3. Initial physical, chemical parameters of sludge and chicken
manure

PH    Temp.,[degrees]C   Konduktyvumas,     Oksidacijos-redukcijos
                         [micro]S/cm        potencialas, mV

      Substrato ?aliava - nuoteku dumblas
6,92  16,6                 975              -210
      Substrato ?aliava - vi?tu me?las
6,23  23,7               13470               -32,6


Please Note: Illustration(s) are not available due to copyright restrictions.
COPYRIGHT 2017 Vilnius Gediminas Technical University
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2017 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

 
Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Bingelyte, AaAeAeAAivi; Zagorskis, Alvydas
Publication:Science - Future of Lithuania
Article Type:Report
Geographic Code:4EXLT
Date:Aug 1, 2017
Words:4550
Previous Article:Investigation of characteristics of sprayed NI-CR and NI-CR-WC coatings/ Purkstiniu NI-CR ir NI-CR-WC dangu savybiu tyrimas.
Next Article:DETECTION OF OIL PRODUCT ON THE WATER SURFACE WITH THERMAL INFRARED CAMERA.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2018 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters