Fotobiologisen vedyn tuotanto syanobakteereista Anaebena variabilis

Original page: http://www.seas.ucla.edu/~pilon/Bioreactor.html

Motivaatio

Teollisuusmaat yleensä ja erityisesti Amerikan yhdysvallat kohtaavat ennennäkemättömän yhdistelmän taloudellisia ja ympäristöhaasteita. Ensinnäkin heillä on valtava haaste vastata kasvaviin energiantarpeisiin lisäämättä ilmakehään sietämättömiä määriä kasvihuonekaasuja ja vaikuttamaan entisestään ilmastoon ja ympäristöön. Halpojen luonnonvarojen varannot, joihin maailma on vedonnut vuosikymmenien ajan, arvioidaan nyt kymmeninä vuosina. Maapallon lämpenemisen todisteet, jotka on jo kerätty ympäri maailmaa ja jotka todennäköisimmin johtuvat teollisesta toiminnasta, lisää stressiä hauraalle tasapainolle, josta olemme nauttineet. Näihin valtavaan haasteeseen vastaamiseksi ja teknologisten ja taloudellisten mahdollisuuksien luomiseksi Yhdysvaltojen tulisi vähentää riippuvuuttaan ulkomaisista fossiilisista polttoaineista ja luottaa enemmän (i) kestävien energian muunto- ja kuljetusjärjestelmien yhdistelmään, (ii) öljytöntä energiaa lähteet ja (iii) uudet tekniikat hiilidioksidin sieppaamiseksi ja muuntamiseksi.

Projektin tavoitteena on suorittaa kattava tutkimus hiilidioksidin vähentämiseksi ja vedyn tuottamiseksi samanaikaisesti. Se tarjoaa halvan, tehokkaan, skaalautuvan, autonomisen ja luotettavan järjestelmän vedyn tuottamiseksi hiilidioksidin mikrobikulutuksesta ja auringonvalon absorptiosta.

Periaate

Sinilevät tuottavat vetyä ja happea (i) kuluttamalla CO2-kaasua hiilenlähteensä ja (ii) absorboimalla aurinkovaloa energianlähteensä.

Anabaena variabilis

Syanobakteerit Anabaena variabilis ovat:

  • Rihmamaisia, heterocystous sinileviä.
  • On korkeat vedyn tuotantokapasiteetin ilman typpeä.
  • Pidetään hyvänä hiilidioksidi kuluttajalle.
  • Noin 5 mm halkaisijaltaan ja 100 mm pitkä.
  • Niiden genomi on sekvensoitu.

Photobioreaktorin kuvaus ja toiminta

Olemme suunnitelleet ja rakentaneet, ja nyt käyttämme täysin instrumentoitua fotobioreaktoria. Seuraavat mittaukset suoritetaan systemaattisesti:

Ympäristö Nestemäisessä vaiheessa

Kaasuvaiheessa
Haittavalon voimakkuus

kaasun sisäänvirtausnopeus
Lämpötila
pH, liuennut O2 nitraatit, ammoniakki
 ulosvirtausnopeus, paine, kaasukoostumus (O2, H2, CO2, ja N2 )

Photobioreaktoria käytetään kahdella vaiheella. Vaihtaminen vaiheesta 1 vaiheeseen 2 tapahtuu, kun nestefaasin nitraattipitoisuudet katoavat.

Vaihe 1: hiilidioksidin kulutus ja bakteerien kasvu

  • nitraatteja ja typpeä.
  • kuplittamalla 95% ilmaa ja 5% CO2 170 ml/min.
  • irradianssi: 65-75 umol/m2/s.

Vaihe 2: vedyn tuotanto

  • ei ole nitraatteja ja typpeä.
  • huuhtelemalla puhtaalla argonilla 45 ml/min.
  • irradianssi: 150 umol/m2/.

Tulokset

 

  • Kasvuvaihe kesti 110 tuntia.
  • H2 tuotantovaiheessa kesti yli viikon.
  • Valo vety energian muuntamisen hyötysuhde saavutetaan 0,5%.
  • Valo biomassan energian muuntamisen hyötysuhde oli 4,7%.

Julkaisut

L. Pilon and H. Berberoğlu, 2014. Photobiological Hydrogen Production. Handbook of Hydrogen Energy, S.A. Sherif, D.Y. Goswami, E.K. Stefanakos, A. Steinfeld, Eds., CRC Press, Taylor and Francis, Boca Raton, FL. ISBN-13: 978-1420054477.

L. Pilon, H. Berberoğlu, and R. Kandilian, 2011. Radiation Transfer in Photobiological CO2 Fixation and Fuel Productionby Microalgae, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, Vol. 112, no. 17, pp. 2639–2660. doi:10.1016/j.jqsrt.2011.07.004 pdf

H. Berberoğlu and L. Pilon, 2010. Maximizing Solar to H2 Energy Conversion Efficiency of Outdoor Photobioreactors Using Mixed Cultures. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 500-510. doi:10.1016/j.ijhydene.2009.11.030 pdf

H. Berberoğlu, P. Gomez, and L. Pilon, 2009. Radiation Characteristics of Botryococcus braunii, Chlorococcum littorale, and Chlorella sp. Used For CO2 Fixation and Biofuel Production, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Vol. 110, pp. 1879–1893. doi: 10.1016/j.jqsrt.2009.04.005 pdf

H. Berberoğlu, J. Jay, and L. Pilon, 2008. Effect of Nutrient Medium on Hydrogen Production of A. variabilis in a Flat Panel Photobioreactor. International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, No.4, pp.1172 – 1184. doi:10.1016/j.ijhydene.2007.12.036 pdf

H. Berberoğlu and L. Pilon, 2007. Experimental Measurements of the Radiation Characteristics of Anabaena variabilis ATCC 29413-U and Rhodobacter sphaeroides ATCC 49419, International Journal of Hydrogen Energy,Vol. 32, No. 18, pp.4772-4785. doi:10.1016/j.ijhydene.2007.08.018 pdf