Towards Hydrogen Production by Microalgae Biophotolysis : Gas phase Raman-based Analysis for Process Monitoring and Control

Abstract

Microalgae can produce biohydrogen via metabolic processes with light. These processes, called biophotolysis, are potential processes that can contribute to the transition from fossil fuels to biofuels. However, biophotolysis in hydrogen production has not yet reached a commercial scale as it is not economically feasible. Several bottlenecks must be overcome before the commercial potential can be fully achieved. More research is required to produce better microalgae strains for biohydrogen production. This thesis aims to contribute to the research field with a gas analysis method utilizing rotation Raman spectroscopy. The method can analyze typical gases in mixtures of hydrogen production by biophotolysis in laboratory-scale photobioreactors. The non-invasive nature of the method and its capability to detect gas concentrations of 0.1 % or 1000 ppm and below are potential advantages. The main advantage of the non-invasive method is the simple analysis that may reduce the time and labor required with current techniques, such as gas chromatography and mass spectrometry.

Mikrolevät pystyvät tuottamaan biovetyä metabolisesti valon vaikutuksesta. Tällaisia prosesseja kutsutaan biofotolyysiksi ja ne ovat potentiaalisia prosesseja, joiden avulla voidaan tukea siirtymää fossiilisista polttoaineista kohti biopolttoaineita. Biofotolyyttinen vedyntuotanto ei ole vielä saavuttanut kaupallista hyödynnettävyyttä, joka vaatii erilaisten rajoittavien tekijöiden ratkaisemista. Kaupallistaminen vaatii lisää tutkimusta erityisesti mikrolevien kehittämiseksi paremmin vedyntuotantoon soveltuviksi. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää rotaatioraman-spektroskopiaan perustuvan kaasuanalytiikan soveltamista mikrolevien vedyntuotannon tarkoituksiin. Kaasuanalytiikkamenetelmällä voidaan analysoida tyypillisiä vedyntuotannon kaasuseoksia ei-invasiivisesti. Työssä havaittiin, että menetelmällä päästään 0,1 % tai 1000 ppm havaintorajapitoisuuksiin ja sen alapuolelle. Tämä perusteella menetelmä soveltuu tyypillisten laboratoriomittakaavan biofotoreaktorien kaasuanalytiikkaan mikrolevien vedyntuotannossa. Menetelmän etu verrattuna tavanomaisiin tekniikoihin, kuten kaasukromatografia ja massaspektrometria, on analytiikan helppous, joka pienentää analyysiin kuluvaa aikaa sekä tarvittavaa henkilöresurssia.