システムのセットアップと基本操作：バイオガスに有機性廃棄物を変換するために連続的に攪拌した嫌気性消化
Summary
実験室規模の嫌気性消化は、科学者が嫌気性バイオテクノロジーの既存のアプリケーションを最適化する新しい方法を研究するために、様々な有機性廃棄物のメタン生成ポテンシャルを評価することができます。この資料では、継続的に嫌気性消化の攪拌実験室規模の建設、接種、操作、および監視するための一般的なモデルを導入しています。
Abstract
嫌気性消化（AD）は、一般に1から3のエネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機廃棄物を変換するために使用されるバイオプロセスです。ますます、ADは4,5、工業、農業、および一般廃棄物（水）処理アプリケーションで使用されています。 AD技術の使用は、植物の演算子は、廃棄物処理コストを削減し、エネルギーの光熱費を相殺することができます。有機性廃棄物の治療に加えて、エネルギー作物は、エネルギーキャリアメタン6,7に変換されています。 ADテクノロジーのアプリケーションは、新しい基板との共同基質混合物8の治療のために広げるようにパイロットと実験室規模で信頼できるテスト方法への需要を行います。
嫌気性消化システムは、連続攪拌タンク反応器（CSTR）、プラグフロー（PF）、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター（ASBR）構成9を含む様々な構成を持っている</suP>。 CSTRは頻繁に起因する設計と運用において、そのシンプルさにだけでなく、実験でその利点のための研究で使用されています。他の構成に比べ、CSTRは、混合温度などのシステム·パラメータ、、、化学物質濃度、基質濃度のより均一性を提供しています。最終的には、フルスケールの原子炉を設計する際に、最適な原子炉の構成は、他の多くの非技術的な考慮事項の中で与えられた基板の特性に依存します。しかし、すべての構成は、ほとんどの予備的評価のための適切なCSTRをレンダリングする基本的な設計上の特徴、および、動作パラメーターを共有しています。研究者やエンジニアは、固体の比較的高濃度で流入ストリームを使用する場合は、ラボスケールリアクターの構成が原因で固体で実験室規模のポンプの問題を抜き差しチューブ中の固形分の沈降に連続的に供給することはできません。連続混合要件とそのシナリオでは、実験室規模のリアクターを定期的に供給され、我々は継続的に攪拌した嫌気性消化（CSADs）などの構成を参照してください。
この記事では、建設接種、運用、および長期の嫌気性消化のために与えられた有機基質の適合性をテストする目的で、CSADシステムを監視するための一般的な方法論を提示します。この記事の建設セクションでは、ラボスケールリアクターシステムを構築して説明します。接種セクションでは、アクティブなメタン接種して播種に適した嫌気性の環境を作成する方法を説明します。操作部は操作、保守、およびトラブルシューティングを説明します。モニタリング·セクションは、標準的な分析を用いて試験プロトコルを紹介します。これらの措置の利用は、ADの基質適合性、信頼性の高い実験的な評価が必要である。このプロトコルは、原子炉の故障が基板によって引き起こされたと結論することでADの研究で行われた一般的な間違い、に対して強力な保護を提供する必要があります私は本当にそれは不適切なユーザの操作10であったnが使用。
Introduction
嫌気性消化（AD）は、エネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機性廃棄物の基質の生物学的に媒介変換を含む成熟した技術です。好気性処理10に比べて最小限のエネルギーや栄養素の入力および縮小ソリッド生産を含む嫌気性処理の多くの利点があります。さらに、これらのシステムに固有の混合微生物群集の多様性は、原料11,12のような適当な有機基質の多種多様をレンダリングします。確かに、それは、ADのアプリケーションの増加は、特に工業では、従来の下水処理の外で採用されていることを市町村のこれらの利点によるものである（例えば、食品廃棄物）と、農業部門4,7,13。 ADは、以前の十年の国家エネルギー危機に対応して1980年に最初の主要な増殖の始まりを経験しました。世界は、成長しているグローバルなエネルギー危機に直面しているとして環境の悪化と相まって、より大きな焦点は、現在バイオ燃料技術、特に廃棄物のエネルギーの概念上に配置されています。たとえば、米国では、嫌気性消化は、総電力の5.5％を生成することができます8を必要とします。
これは、新しい有機性廃棄物と嫌気性消化14廃棄物の混合物の適合性を評価するために、パイロットと実験室スケールでよく制御された実験的研究の需要が増加している。我々は、建設、接種、操作、および堅牢な評価のための適しているであろう実験室規模の嫌気性消化の監視のための一般的なモデルを提供する予定です。嫌気性消化は、さまざまな構成で存在しています。継続的に定期的に流入する栄養と嫌気性消化（CSAD）を攪拌し;プラグフロー（PF）、上向流嫌気性スラッジブランケット（U連続流入給餌と槽型反応器（CSTR）を連続的に攪拌した：いくつかの一般的な構成は次のとおりASB）、嫌気性移行ブランケット炉（AMBR）嫌気困惑原子炉（ABR）、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター（ASBR）構成9,15。 CSTRとCSAD構成が広く設定し、良好な動作条件の容易さのために実験室規模の実験のために採用されています。ため、連続混合、水理学的滞留時間（HRT）は、汚泥滞留時間（SRT）と等しくなります。 SRTは、ADSのための重要な設計パラメータである。構成もあるためそのような化学種の濃度、温度、および拡散速度などのパラメータの大空間的均一性の制御実験を助長している。これは、嫌気性消化のために最適なフルスケールの設定は、ターゲット放流水質などの他の非技術的な側面の間で有機基板の特定の物理的および化学的性質に依存していること、しかし、留意すべきである。例えば、比較的高い水溶性有機コンテンツやlittlと廃棄物の流れを希釈このような醸造廃水などの電子微粒子は、通常、高レートの上昇流リアクターの構成（例えば、UASB）ではなくCSAD設定に大きなエネルギー変換を体験。かかわらず、成功した消化に欠かせないと、この設定を使用しての一般的な解明を正当化するすべての構成、に関連する基本的な動作パラメータがあります。
確かに、嫌気性微生物の多様性、オープンなコミュニティを含むすべてのADシステムでは、メタン（電子あたりの使用可能な最小自由エネルギーを持つ最終製品の最終的な）に基板を連続的に代謝されます。 ; acidogenesis、acetogenesisおよびメタン加水分解：このプロセスに関与する代謝経路は、大まかに4栄養段階に分類し、複雑な食物網を構成しています。加水分解では、複雑な有機ポリマー（例えば、炭水化物、脂質、タンパク質）は、HYDによって、それぞれのモノマー（例えば、糖、長鎖脂肪酸、アミノ酸）に分解される、発酵菌をrolyzing。 acidogenesisでは、これらのモノマーはacetogenesisでは、さらに丁重5 homoacetogenicと義務的水素生産菌によって酢酸と水素に酸化される揮発性脂肪酸（VFAを）とアルコールに酸生成細菌によって発酵されています。メタン生成の最終段階では、酢酸と水素がacetoclasticとhydrogenotrophicメタン、メタンに代謝されています。それは全体としてシステムが最適に実行される前に全体的なADのプロセスは、微生物の異なるグループによる代謝の相互接続されたシリーズに頼ることによって、各メンバーの正常な機能に依存していることを認識することが重要です。 ADバイオリアクターシステムの設計と建設は、常に完全にバイオリアクターを密封するために考慮要件を取る必要があります。バイオリアクターの上部（ヘッドスペースを分離する）、またはガスハンドリングシステムの小さな漏れを検出することは難しいかもしれない、したがって、システムが圧力でなければなりません必ず使用前にテストされています。リークフリーのセットアップを確認した後、嫌気性消化の研究と失敗が頻繁に接種、培養し、日常の操作中にエラーに起因します。その結果、消化は、本質的に不安定で、予期しない障害が発生しやすいものとして評価されています。なぜそれが本格的な消化が何十年も13の安定した条件下で動作されていることをしますか？失敗は、特に微生物群集が徐々に有機性廃棄物の組成と強さに順応しなければならない時にスタートアップ期間中に、オペレータが不適切な取り扱いに起因する可能性があります。したがって、私たちの目標は、ADシステムを構築するための方法論を提供するだけでなく、予防接種、操作、およびこれらのシステムの監視のプロセスを解明する。
2番目のセクションはアクティブmethanogで消化接種するための手順を提供しながら、記事の最初のセクションでは、CSTRまたはCSADシステムを構築する方法について説明しますenicバイオマス。それは初期の培養液から十分なバイオマスを開発しようとするよりも、同様の基板を処理されているオペレーティング·消化の混合酒や廃水からのアクティブなメタン生成バイオマスを蒸解釜に接種するために時間がかかり、より実用的と少なくなります。記事の第三節では廃液をデカントし、様々な原子炉の問題をトラブルシューティングする、そのような基質を供給するように動作上の考慮事項を説明します。基板を供給し、このシステムの排水デカントは（すなわち、周期的な摂食とバイオマスとの混合酒のほとんどは、バイオリアクター内に留まりながら、デカント）半連続的に実施されます。消化をデカント/供給されている周波数は、オペレータの特権です。一般的に、より頻繁にそして定期的に供給/デカントと供給サイクル間の性能でより消化の安定性と一貫性を推進していきます。第四節では、EXPE時に使用する基本的な監視プロトコルを紹介しますrimental期間。 水と廃水 16（ 表1、2） の検討のための標準法に概説されているいくつかの標準的な分析は、基板と適切なシステム監視の特性評価に必要となります。測定された変数に加えて、モニタリングの重要な側面は、消化システムのコンポーネントが正しく機能していることを確認することです。消化システムの定期メンテナンスは、特に消化の長期的なパフォーマンスと安定性を損なう可能性がある主要なシステムの問題を先取りします。例えば、温度の低下につながる発熱体の障害は、メタンの代謝率を減らすことにより、揮発性脂肪酸の蓄積を引き起こす可能性があります。システムは、メタン菌に対する阻害レベルを超えるpHを維持するのに十分なアルカリ性に欠けていた場合は、この問題は悪化するだろう。これは、バイオガスの生産ラットの予期しないドロップした後、リークの可能性を検出し、クローズすることも重要であるES。したがって、別の実験デザイン内の重複は、例えば、正確な動作条件の下にある2つのバイオリアクターのサイドバイサイドを実行すると、このような小さなリークなどのシステムの誤動作によって引き起こされる予期せぬパフォーマンスの損失を検出することが重要です。
Protocol
Discussion
この記事で紹介した嫌気性消化システムは、実験的なコンテキストで一般的な紹介と、ほとんどの基板の治療のためのいくつかの基本的なガイドラインを提供しています。基板の種類、消化の構成、動作パラメータ、また、これらのシステムの基礎となるミックスド·微生物群集のユニークな生態系の多種多様な普遍的に適用することができるハード定量的なメトリクスを、アウトライン排?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究では、食と農の国立研究所（NIFA）、助成金番号2007-35504-05381を通じて米国農務省によってサポートされているサポートされています。noを付与することによって。 USDA NIFAからコーネル大学農業試験場の連邦式ファンドを通じて、NYSERDAとNYC-123444から58872。
Materials
| Reactor Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Heated Recirculator | VWR Scientific | 13271-063 VWR | For use with a heating jacket reactor system |
| Variable Speed Electric Lab Stirrer | Cleveland Mixer Co. | (Model 5VB) | This mixer model facilitates mounting with a ring stand |
| Wet-Type Precision Gas Meter | Ritter Gasmeters | (Model TG-01) | This model needs a minimum flow of (0.1 L/h) and can handle a maximum flow of 30 L/h |
| Gas Bubbler | Chemglass | (Model AF-0513-20) | |
| Gas Sampling Tube | Chemglass | (Model CG-1808) | |
| Axial Impeller | Lightnin’ | R04560-25 Cole-Parmer | Impeller blades with 7.9375 mm bore diameter |
| Impeller Shaft | Grainger | 2EXC9 Grainger | 1.83 m stainless steel rod with 7.9375 mm O.D. (needs to be cut to appropriate size) |
| Cast Iron Support Stands | American Educational Products | (Model 7-G16) | For mixer mounting |
| Three-Prong Extension Clamp | Talon | 21572-803 VWR | For mixer mounting |
| Regular Clamp Holder | Talon | 21572-501 VWR | For mixer mounting |
| Peristaltic Pump | Masterflex | WU-07523-80 Cole-Parmer | For effluent decanting |
| L/S Standard Pump Head | Masterflex | EW-07018-21 Cole-Parmer | For effluent decanting -accessory to peristaltic pump |
| L/S Precision Pump Tubing | Masterflex | EW-06508-18 Cole-Parmer | For effluent decanting – accessory to peristaltic pump |
| Analysis Equipment/Reagents | Company | Catalogue number | Comments |
| pH Analysis | |||
| pH Meter | Thermo Fisher Scientific – Orion | 1212000 | |
| Total and Volatile Solids Analysis (Standard Methods: 2540-B,E) | |||
| Glass Vacuum Dessicator | Kimax | WU-06536-30 Cole-Parmer | |
| Porcelain Evaporating Dishes | VWR | 89038-082 VWR | |
| Lab Oven | Thermo Fisher Scientific | (Model 13-246-516GAQ) | |
| Medium Chamber Muffle Furnace | Barnstead/ Thermolyne | F6010 Thermo Scientific | |
| Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C) | |||
| Large Capacity Variable Speed Centrifuge | Sigma | WU-17451-00 Cole-Parmer | |
| Laboratory Hot Plate | Thermo Scientific | (Model HP53013A) | |
| Large Condenser | Kemtech America | (Model C150190) | |
| Acetic Acid Reagent [CAS: 64-19-7] | Alfa Aesar | AA33252-AK | |
| Chemical Oxygen Demand (Standard Methods: 5520-C) | |||
| COD Block Heater | HACH | (Model DRB-200) | |
| Borosilicate Culture Tubes | Pyrex | (Model 9825-13) | |
| Potassium Dichromate Reagent [CAS: 7778-50-9] | Avantor Performance Materials | 3090-01 | |
| Mercury II Sulfate Reagent [CAS: 7783-35-9] | Avantor Performance Materials | 2640-04 | |
| Ferroin Indicator Solution [CAS: 14634-91-4] | Ricca Chemical | R3140000-120C | |
| Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9] | Alfa Aesar | 13448-36 | |
| Gas Composition by Gas Chromatography Analysis | |||
| Gas Chromatograph | SRI Instruments | Model 8610C | Must be equipped with a thermal conductibility detector (TCD), using below mentioned column and carrier gas operated at an isothermal temperature of 105°C |
| Helium Gas | Airgas | He HP300 | To be used as the carrier gas |
| Packed-Column | Restek | 80484-800 | To be used for N2, CH4, and CO2 separation |
References
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