Algal Biomass Conversion To Low Carbon Energy Agamemnon Koutsospyros, Ph.D. Professor and Graduate Coordinator of Environmental Engineering,  University of New Haven

Christos Christodoulatos, Ph.D. Professor and Director of Center for Environmental Systems,  Stevens Institute of Technology

Presentation Outline • • • • • • • • •

NetZero Energy, Water, Waste Systems View of an Energetics Production Facility Sustainability of Energetics Production Facilities Nutrient and Energy Recovery Integration Options for Anaerobic Digestion and Algal Biomass  Production Processes Algae vs. Other Biofuel Feedstocks Anaerobic Digestion of Algal Biomass Research Tasks  Examples of • Physical‐chemical treatment experiments • Algal growth experiments

• Conclusions  2

Net Zero Energy, Water, Waste • Net Zero Energy   • A facility that generates as  much energy on site as it  consumes

• Net Zero Water • A facility that does not deplete  groundwater and surface water  resources in quantity and  quality by: • Limiting the consumption of  freshwater resources  • Returning water back to the  original watershed 

• Net Zero Waste • A facility that reduces, reuses,  and recovers waste streams,  converting them to resource  values with zero landfill demand

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Systems View of an Energetics Production Facility

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Typical Analysis of an Energetics Production Facility Type I Ecology

• Raw  and other materials • • • • •

Organic precursors Acetic and Nitric acid Various amines Various organic solvents Water

• Energy • Electricity • Heat

• Energetic Materials • Waste streams • Biosolids • Treated wastewater • NH3 nitrates 

Currently material flows in munitions  production facilities follow a linear  Type I Ecology Model   5

Typical Energetic Materials • Nitro‐substituted  organics (nitramines,  nitoaromatics, etc.)  • RDX (Research  Department eXplosive ) • HMX (High Melting  eXplosive ) • NTO (Nitrotriazolone) • DNAN (2,4‐ Dinitroanisole) • NQ (Nitroguanidine)

• Degradation of these  compounds yields high  amounts of nitrates

RDX

HMX

NTO

DNAN

NQ 6

Net Zero Goal and Objectives

Goal

• To aid energetic production facilities attain NetZero  energy, water, and waste

Objectives

• To devise physical‐chemical treatment schemes that  mineralize organic carbon to CO2 and liberate  nitrogen nutrients (ammonia, nitrates) • To design algal bioreactors that utilize the released  products of physical‐chemical treatment processes • To derive biofuels and/or biogas from algal biomass  

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Net Zero Vision • NetZero can be attained by converting energetic production facilities from a  current linear material flow of Type I ecology to a  quasi‐cyclic material flow in  Type II ecology.

Linear Type I Ecology

Quasi‐cyclic Type II Ecology 8

Systems View of a NetZero Facility

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Nutrient and Energy Recovery • Nutrient recovery processes • Physical‐chemical treatment processes to  recover nutrients and reuse  them to cultivate algal biomass

• Energy recovery • Algal biomass cultivation • Algal biomass pre‐treatment to optimize biofuel production • Anaerobic digestion integration (three options)  1. Concentrated algal biomass 2. Disrupted algal biomass 3. Lipid extracted biomass 

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Conceptual Integration Options for Anaerobic Digestion (AD) and Algal Biomass (AB) Production Processes

Nutrient Recovery

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Algae vs. Other Biofuel Feedstocks • Higher photosynthetic  efficiency • Higher lipid content • Higher growth rates • Higher biofuel yields (2,000‐ 5,000 gal/acre/yr) • Lower land requirements • Lower environmental impact • No need for soil • Non‐competitive to  agriculture • Can be used for fuel, feed and  food • Can be used in the production  of many useful products  (plastics, chemical feedstocks,  lubricants, fertilizers, and  even cosmetics) 

http://oakhavenpc.org/cultivating_algae.htm

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Anaerobic Digestion Fundamentals • A complex reductive  environment where diverse  consortia of hydrolytic,  fermentative, and  methanogenic bacteria  convert organic matter to  biogas (60% CH4, 40%  CO2) • Methanogenic conversion  is the rate limiting step • Methanogens are slow  growers with strict  environmental and  nutritional requirements

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Methane Yield of Algal Biomass*

Theoretical Yield calculated by the stoichiometric equation: 

Where a, b, c, d = elemental molar content of C, H, N, O Vm = molar volume of methane = 22.14 L/mol (0 oC, 1 atm) 14

AD of Algal Biomass Challenges Difficult to attain recommended AD loadings (2.4‐8.0 kg VS/m3d) without  concentrating harvested microalgae Certain algal species possess cell walls resistant to anaerobic degradation without cell  disruption pretreatment (Cell disruption pretreatment maybe cost excessive) C/N ratio of most species is well below AD recommended minimum (C/Nmin  20)  to  avoid ammonia and volatile acid toxicity. Saline algal species may cause salinity inhibitory effects High sulfate contents may cause hydrogen sulfide inhibitory effects (COD/SO4  90%     20

Typical Batch Algal Growth Experiments • Experiments performed in 100 mL flasks • Culturing 4 different species • 2 marine algae:  • •

Tetraselmis sp.  Dunaliella tertiolecta

• 2 freshwater algae:  • •

Scencedesmus obliquus  Chlorella vulgaris

• Conditions:  • • • •

Commercial media: ATCC #5, BG‐11 and F2 ‐ 25 ºC ‐ 14:10 h light: dark cycle, ~3700 lux  ‐ 120 rpm

• Commercial media used:  • F2 in seawater  (no C source) • ATCC #5  (organic C source) • BG‐11 (inorganic C source)

• Evaluate algal growth using absorbance,  fluorescence and cell counting on a daily basis

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Tetraselmis sp. (40x OM)

Growth Rate and Doubling Time

Microalgae (Growth medium) Scenedesmus obliquus (ATCC#5) Scendesmus obliquus (BG-11) Dunaliella tertiolecta (F2) Tetraselmis sp. (F2)

Growth rate (μ), day-1 0.53 0.30 0.22 0.16

doubling time (dt), day 1.3 2.3 3.2 4.3

* Experiment still in progress

Growth rate S (ATCC#5) > S (BG‐11) > D > T

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Exponential phase up to: 7 days So far, 13 days* 9 days 11 days

Toxicity Assessment of Untreated Waste and Treated (UV/H2O2) Streams • IMX1

• Protocol  • Adjust pH= 7.00  • Incubation at 25*C, 3700 lux and 14:10 h light: dark cycle ~ 3 days • Monitor fluorescence, absorbance, and color changes Initial test                                           Extended test

24‐well microplate 23

Toxicity Assessment of Untreated EC1 Wastewater Streams on S. obliquus

Growth inhibition effect at all wastewater levels  No growth – no color development 24

Toxicity Assessment of CE1 Treated (UV/Peroxide, 9h) Streams on S. obliquus

Growth enhancement up to 60 % wastewater  compared to 0% 25

Conclusions • NetZero can be attained by converting munitions production  facilities from a current linear material flow of Type I ecology to a   quasi‐cyclic material flow in Type II ecology • Physical‐chemical treatment processes can be used for nutrient  recovery from waste streams that are converted into feed for algal  biomass cultivation • Anaerobic digestion integrated algal biomass production may offer  alternatives for energy recovery in the form of biofuel and or biogas • Up‐to‐date experimental results are encouraging.

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