För att förstärka flotationen vid skörd av mikroalger har aggregering genom uppvärmning av vattnet provats med framgång. Chlorella vulgaris och Scenedesmus obliquus har varit testorganismer.
Av: Jörgen Hanaeus
Termisk aggregering har föreslagits som ett miljövänligt och ekonomiskt sätt att förbättra villkoren för skörd av mikroalger genom löst luft-flotation. Mikroalgerna Chlorella vulgaris och Scenedesmus obliquus valdes ut för försök i lab med temperaturer 25-90 ºC. Andra varierade parametrar var pH, omrörningshastighet, koncentrationen av mikroalger samt flotationstiden.
Jämfört med övriga parametrar visade sig (den ökande) temperaturen ha det största inflytandet på skördeutfallet. S.obliquus kunde skördas med en effektivitet av 88 % och C. vulgaris med 47 % .
Bakgrund
Mikroalger är encelliga organismer som vanligen kan växa i avloppsvatten och utgör en lovande substans för biobränsle pga högt lipidinnehåll, kort växtcykel, hög biomasseproduktion och – i jämförelse med t ex korn och sojabönor – ringa behov av odlingsbar markyta.
Skördandet av alger bedöms vara det dyraste processteget och stå för ca 30 % av kostnaderna för biobränsleframställning. Det beror i sin tur på låg koncentration av alger i vattenfas, den är lägre än 2 g/L i fotobioreaktorer och ännu lägre i öppna dammar. Det är alltså intressant att förbättra skördeprocessen. Flera metoder har provats, såsom centrifugering, filtrering, sedimentering och flockning. Hög energiinsats/låg effektivitet, tidskrävande eller dyra är karakteristika som gör metoderna orationella för industriell produktion.
Flotation har också använts, i kombination med ytaktiva ämnen, och visat på kort skördetid och hög effektivitet. De ytaktiva ämnena kan dock utgöra ett miljöproblem i sig. Termisk aggregering eller flockning är en miljövänligare och förhållandevis billig metod, som testas i denna studie.
Försök
Mikroalgerna Chlorella vulgaris och Scenedesmus obliquus valdes till försöken med termisk aggregering. De processparametrar som varierades var temperatur (25-90 ºC) omrörningshastighet (800-2400 rpm), pH 3-9, mikroalgkoncentration (0,039-0,156 g/L) och flotationstid (5-15 min). Försöken genomfördes i en Box-Behnken design för optimering.
Den fotobioreaktor som användes hade diametern 25 cm och höjden 1 m. Algerna odlades till stationär växt (< 5 % tillväxt dagligen). För att simulera odling i öppen damm späddes algkulturerna till 0,26 mg/L.
De uttagna algkulturerna värmdes i vattenbad till 50-90 ºC under en timme och återplacerades i rumstemperatur (23 ºC) innan flotationsförsöken. Den fria energin för algcellerna uppmättes
och gav information om hydrofobt/hydrofilt tillstånd.
Flotationen utfördes efter omrörning i en 1 L flotationscell med luftflödet 180 L/h. Skördeeffektiviteten angavs i % enligt: (ODin-ODut)/ODin där ODin är initiell absorbans och ODut är utgående absorbans (svarande mot resterande algkoncentration); för C.vulgaris 540 nm och för S.obliquus 680 nm. Värdena analyserades med Plackett-Burman design och Box-Behnken design.
Resultat
Den första försöksserien gav en ökning av skördeeffektiviteten från ca 3 till 22 % för C. vulgaris när aggregeringstemperaturen steg från 25 till 70 ºC. Vid 80 ºC blev skördeeffektiviteten 47 %.
För S.obliquus stiger skördeeffektiviteten från ca 3 till 88 % när aggregationstemperaturen steg från 25 till 70 ºC. Huvuddelen av ökningen skedde mellan 60 och 70 ºC och vidare föruppvärmning gav obetydlig skördeökning.
Förklaringen tros vara att algernas Z-potential minskade vid temperaturökningen och att mikroalgcellernas ytor då skiftade från att vara hydrofila till hydrofoba varvid attraktionskraften mellan flotationsbubbla och algpartikel ökade.
Aggregeringstemperaturen hade den klart största påverkan på skördeeffektiviteten av de undersökta parametrarna. Därnäst kom flotationstiden, sedan omrörningshastigheten med negativt förtecken; denna fick alltså sänkas.
Slutsatser
Optimala skördeförhållanden med testade parametrar var för Scenedesmus obliquus, som lyckades bäst: temperatur 70 ºC (i stort sett likvärdigt med resultatet vid 90 ºC vilket gör valet enkelt), flotationstid 13,5 minuter och omrörarhastighet 1,41 rpm.
Värmeekonomin är kritisk och kan utgå från återvinning i processen eller från kombination med spillvärme.
Källa: Zou, X1), Xu, K.1), Wen, H.1), Xue, Y.1), Qu, Y.1) & Li, Y.2) (2019): Efficient microalgae harvesting using a thermal flotation method with response surface methodology conditions. Water Science & Technology, 80.3, pp 426-436.
Författarna från:
School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China
Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas, Ministry of ducation, Xi’an 710054, China
Kontakt: liyanp01@chd.edu.cn
