Algal-mediated carbon dioxide separation in biological hydrogen production

Abstract

The production of hydrogen via dark fermentation generates carbon dioxide, which needs to be separated and re-utilized to minimize the environmental impact. This research investigates the potential of utilizing algae for carbon dioxide sequestration in hydrogen production via dark fermentation. However, algae alone cannot fully use all the carbon dioxide produced, necessitating the implementation of a multistage separation process. This study proposes a purification approach that integrates membrane separation with a photobioreactor in a multistage design layout. Mathematical models were used to simulate the performance efficiency of multistage design layout using MATLAB 2015b (Version 9.3). A detailed parametric analysis and the key parameters influencing the separation efficiency were conducted for each stage. This study explores how reactor geometry, operational dynamics (such as gas transfer rates and light availability), and algae growth impact both CO2 removal and hydrogen purity. An optimization strategy was used to obtain the set of optimal operating and design parameters. Our results have shown a significant improvement in hydrogen purity, increasing from 55% to 99% using this multistage separation process, while CO2 removal efficiency rose from 35% to 85% over a week. This study highlights the potential of combining membrane technology with photobioreactors to enhance hydrogen purification, offering a more sustainable and efficient solution for hydrogen production.

Bei der Herstellung von Wasserstoff durch Dunkelfermentation entsteht Kohlendioxid, das abgetrennt und wiederverwendet werden muss, um die Umweltauswirkungen zu minimieren. Diese Forschungsarbeit untersucht das Potenzial der Nutzung von Algen zur Sequestrierung von Kohlendioxid bei der Wasserstoffproduktion durch Dunkelfermentation. Die Algen allein können jedoch nicht das gesamte produzierte Kohlendioxid nutzen, so dass ein mehrstufiger Abtrennungsprozess erforderlich ist. Diese Studie schlägt einen Reinigungsansatz vor, der die Membrantrennung mit einem Photobioreaktor in einem mehrstufigen Design-Layout integriert. Mathematische Modelle wurden verwendet, um die Leistungseffizienz des mehrstufigen Designs mit MATLAB 2015b (Version 9.3) zu simulieren. Für jede Stufe wurden eine detaillierte parametrische Analyse und die Schlüsselparameter, die die Trennleistung beeinflussen, durchgeführt. In dieser Studie wird untersucht, wie sich die Reaktorgeometrie, die Betriebsdynamik (z. B. Gasübertragungsraten und Lichtverfügbarkeit) und das Algenwachstum sowohl auf die CO2-Entfernung als auch auf die Wasserstoffreinheit auswirken. Eine Optimierungsstrategie wurde eingesetzt, um die optimalen Betriebs- und Konstruktionsparameter zu ermitteln. Unsere Ergebnisse zeigen eine erhebliche Verbesserung der Wasserstoffreinheit, die mit diesem mehrstufigen Trennverfahren von 55 % auf 99 % anstieg, während die CO2-Entfernungseffizienz innerhalb einer Woche von 35 % auf 85 % anstieg. Diese Studie unterstreicht das Potenzial der Kombination von Membrantechnologie mit Photobioreaktoren zur Verbesserung der Wasserstoffreinigung und bietet eine nachhaltigere und effizientere Lösung für die Wasserstoffproduktion.