Zastosowanie dwukolumnowej adsorpcyjnej chromatografii gazowej do rozdzielania i oznaczania gazów powstających podczas fermentacyjnego wytwarzania bio-wodoru

• Autorzy: Rybarczyk P. , Makoś P. , Kamiński M.

Warianty tytułu

EN

Application of dual-column gas chromatography for separation and determination of gas mixtures formed during fermentative bio-hydrogen formation processes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Bio-wodór może być otrzymywany m.in. w wyniku przetwarzania biomasy ligno-celulozowej (BMLC) w procesach fermentacji ciemnej, realizowanej w atmosferze beztlenowej, lub o niskiej zawartości tlenu, najczęściej w atmosferze azotu. Ważne znaczenie w badaniach optymalizacji warunków ciemnej fermentacji ma analityka składu powstających w procesie mieszanin gazów, które - poza wodorem, zawierają głównie: CO2, CH4 oraz niewielkie stężenia O2. Wyniki wcześniejszych naszych badań pokazują, że z wykorzystaniem długiej (6.5 m) kolumny pakowanej adsorbentem Porapak Q o ziarnach wypełnienia 100 – 120 MESH, przy zastosowaniu azotu jako gazu nośnego, możliwe jest rozdzielenie w warunkach izotermicznych oraz oznaczenie w/w składników mieszanin gazowych z wykorzystaniem detektora cieplno-przewodnościowego (TCD), przy czasie analizy ok. 10 minut. W niniejszej pracy przedstawiono układ aparatu, porównawcze wyniki rozdzielania oraz korzystną metodykę analityczną oznaczania w/w składników gazowych z zastosowaniem dwóch równolegle usytuowanych i stosowanych naprzemiennie kolumn pakowanych, jednej z polimerowym adsorbentem typu Porapak Q oraz drugiej z sitem molekularnym 5 A. Porównano zastosowanie azotu albo helu jako gazu nośnego. Zastosowano dwa szeregowo połączone detektory – detektor cieplno-przewodnościowy o średniej czułości oraz detektor płomieniowo-jonizacyjny (FID), charakteryzujący się niskim progiem wykrywalności i możliwością oznaczania śladowych zawartości lotnych węglowodorów i innych lotnych organicznych składników obecnych w gazie fermentacyjnym, także innego typu niż pochodzącym z fermentacji ciemnej. Studia i badania tej pracy doprowadziły do wniosków, dotyczących korzystnych zasad postępowania w zakresie analityki mieszanin gazowych z fermentacji ciemnej i innego rodzaju fermentacji, zarówno w zakresie w/w głównych składników mieszanin gazowych obecnych w gazach fermentacyjnych, jak i w zakresie badania śladowych zawartości w gazach fermentacyjnych takich składników, jak CO, COS, NH3, PH3, SO2 oraz różnych lotnych związków organicznych, obecnych nad płynną powierzchnią w bioreaktorze fermentacji.

EN

Bio-hydrogen can be obtained e.g. as a result of processing of ligno-cellulosic biomass (BMLC) in so-called dark fermentation, carried out in an anaerobic atmosphere or with low oxygen content, most often in a nitrogen atmosphere. The analytical composition of the gas mixtures formed in the process, H2, CO2, CH4 and low concentrations of O2 is extremely important in the perspective of the dark fermentation optimization. Our previous research results show that using a column packed with Porapak Q adsorbent with packing grains of 100 - 120 MESH and using nitrogen as the carrier gas, it is possible to fully separate under isothermal conditions and determine the components of the gas mixtures tested using a thermal conductivity detector (TCD) with an analysis time of about 10 minutes. This work presents the apparatus layout, comparative separation results and a favorable analytical methodology for determining the aforementioned gaseous components using two packed columns arranged in parallel and used alternately, one with a Porapak Q type polymer adsorbent and the other with granular zeolite, the so-called 5 A molecular sieve. The use of nitrogen or helium as a carrier gas was compared. Two detectors connected in series were used - a universal thermal conductivity detector of medium sensitivity and a flame ionization detector (FID), enabling highly sensitive detection and trace determination content of volatile hydrocarbons and other volatile organic components present in the fermentation gas, also other than those originated during the dark fermentation. The presented studies and research of this work have led to conclusions regarding favorable rules of conducting the analysis of gas mixtures from dark fermentation and other types of fermentation, both in terms of the above-mentioned main components of gas mixtures present in fermentation gases, as well as in the field of testing trace content in fermentation gases with emphasis on CO, COS, NH3, PH3, SO2 and various volatile organic compounds found above the liquid surface in the fermentation bioreactor.

Słowa kluczowe

PL

procesy fermentacyjne; otrzymywanie biopaliw gazowych lub ciekłych; biowodór; analityka techniczna procesowa; skład fazy gazowej; adsorpcyjna chromatografia gazowa

EN

fermentative processes; generation of gaseous or liquid biofuels; biohydrogen; technical process analytics; gas phase composition; adsorption gas chromatography

• Wydawca: Publishing House of Siedlce University of Natural Sciences and Humanities
• Czasopismo: Camera Separatoria
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 10, No. 2
• Strony: 105--114
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rybarczyk P.

• Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Makoś P.

• Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

autor

Kamiński M.

• Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

Bibliografia

• [1] S. Manish, R. Banerjee, Comparison of biohydrogen production processes, International Journal of Hydrogen Energy 33 (2008) 279-286.
• [2] I.K. Kapdan, F. Kargi, Bio-hydrogen production from waste materials. Enzyme Microbial Technology 38 (2006) 569-582.
• [3] Y. Ren, J. Wang, Z. Liu, Y. Ren, G. Li, Hydrogen production from the monomeric sugars hydrolyzed from hemicellulose by Enterobacter aerogenes, Renewable Energy 34 (2009) 2774-2779.
• [4] P. Rybarczyk, K. Kucharska, R. Pawłowicz, M. Kamiński, Analiza składu fazy gazowej wytwarzanej podczas fermentacji ciemnej, Camera Separatoria 9, 2 (2017) 73-81.
• [5] K. Kucharska, E. Słupek, M. Kamiński, Biokonwersja materiałów odpadowych do wodoru na drodze fermentacji ciemnej z wykorzystaniem Enterobacter aerogenes, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna 24 (2019) 4-13.
• [6] M. Kamiński, R. Kartanowicz, D. Jastrzębski, M.M. Kamiński, Determination of carbon monoxide, methane and carbon dioxide in refinery hydrogen gas and air by gas chromatography, Journal of Chromatography A 989 (2003) 288-283.
• [7] Z. Witkiewicz, W. Wardencki, Chromatografia gazowa – teoria i praktyka, PWN, Warszawa 2018.,
• [8]G. Boczkaj, M. Kamiński, Ocena przydatności i optymalizacja warunków rozdzielania w chromatografii gazowej bez oddziaływań sorpcyjnych (EC-GC), Camera Separatoria, 5, 1 (2013) 5-10.
• [9] L. R. Snyder, J. J. Kirkland, J. W. Dolan Introduction to Modern Liquid Chromatography, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2010, Hoboken, New Jersey.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).