Continuamente agitada digestor anaeróbico para converter resíduos orgânicos em biogás: Configuração do Sistema e Operação Básica

Summary

Laboratório escala biodigestores permitem aos cientistas para pesquisar novas formas de otimização de aplicações existentes de biotecnologia anaeróbia e avaliar o potencial de produção de metano de vários resíduos orgânicos. Este artigo apresenta um modelo generalizado para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de uma escala laboratorial continuamente agitada digestor anaeróbico.

Abstract

A digestão anaeróbia (DA) é um bioprocesso que é comumente usado para converter resíduos orgânicos complexos em um biogás úteis com o metano como o portador de energia ^1-3. Cada vez mais, AD está sendo usado em resíduos industriais, agrícolas e urbanos (água) aplicações de tratamento de ^4,5. O uso da tecnologia AD permite que os operadores para reduzir os custos de eliminação de resíduos e compensar as despesas de utilidade de energia. Além disso para o tratamento de resíduos orgânicos, as culturas de energia estão a ser convertida em energia a transportadora metano ^6,7. Como a aplicação de tecnologia AD amplia para o tratamento de substratos novos e co-substrato misturas ^8, o mesmo acontece com a demanda por uma metodologia de teste de confiança ao piloto e à escala laboratorial.

Sistemas de digestão anaeróbia ter uma variedade de configurações, incluindo o reactor de tanque continuamente agitado (CSTR), o fluxo de ficha (PF), eo reactor anaeróbio lote sequenciação (ASBR) configurações ⁹ </sup>. O CSTR é bastante utilizado em pesquisas devido à sua simplicidade no projeto e operação, mas também por suas vantagens em experimentação. Em comparação com outras configurações, o CSTR proporciona uma maior uniformidade de parâmetros do sistema, tais como temperatura, concentração, a mistura química, e concentração do substrato. Em última análise, ao projetar um reator em escala total, a configuração do reator ideal vai depender do caráter de um determinado substrato entre muitas outras considerações não-técnicos. No entanto, todas as configurações compartilham características fundamentais do projeto e parâmetros operacionais que tornam o CSTR apropriado para avaliações mais preliminares. Se os investigadores e engenheiros usar um fluxo afluente com concentrações relativamente elevadas de sólidos, em seguida, configurações escala laboratório de reactores biológicos não pode ser alimentado continuamente devido a problemas de entupimento escala laboratório bombas com sólidos ou sedimentação de sólidos em tubos. Para esse cenário com contínuas exigências de mistura, escala laboratório biorreatores são alimentados periodicamentee nós nos referimos a essas configurações como continuamente agitada digestores anaeróbios (CSADs).

Este artigo apresenta uma metodologia geral para a construção, inoculando, operação e monitoramento de um sistema CSAD com a finalidade de testar a adequação de um determinado substrato orgânico a longo prazo de digestão anaeróbia. A seção de construção deste artigo abrange a construção do sistema de reator de escala de laboratório. A seção de inoculação irá explicar como criar um ambiente anaeróbico adequado para semear com um inóculo ativo metanogênica. A seção operacional irá cobrir a operação, manutenção e solução de problemas. A seção de monitoramento irá introduzir protocolos de ensaio por meio de análises padrão. O uso dessas medidas é necessário para avaliações confiáveis ​​experimentais de adequação do substrato para a AD. Este protocolo deve proporcionar uma maior protecção contra um erro comum feito em estudos AD, que é de concluir que a falha do reator foi causado pelo substrato in uso, quando na realidade foi a operação do usuário impróprio ^10.

Introduction

A digestão anaeróbia (DA) é uma tecnologia madura, envolvendo a conversão biológica mediada por complexos substratos de resíduos orgânicos em biogás úteis com o metano como transportador de energia. Há muitos benefícios de tratamento anaeróbio, incluindo um mínimo de energia e nutrientes e produção de biossólidos reduzido em comparação ao tratamento aeróbio ^10. Além disso, a versatilidade da comunidade microbiana misto inerente a estes sistemas torna uma grande variedade de substratos orgânicos adequados como matérias-primas ^11,12. De fato, é devido a esses benefícios que um número crescente de pedidos de AD estão sendo adotadas fora do tratamento de esgoto convencional municipal, particularmente nos sectores industrial, municipais (por exemplo, resíduos de alimentos) e agrícola ^4,7,13. AD experimentou seu primeiro grande proliferação início na década de 1980 em resposta à crise nacional de energia da década anterior. Enquanto o mundo enfrenta uma crise energética global crescente,juntamente com a degradação ambiental, maior foco agora está sendo colocado em tecnologias de biocombustíveis eo conceito de lixo em energia, em particular. Por exemplo, em os EUA, a digestão anaeróbia pode gerar 5,5% da potência eléctrica total necessita de ^8.

Isso aumentou a demanda para o bem-controlado de pesquisa experimental para o piloto e em escala de laboratório para avaliar a adequação de novos materiais de resíduos orgânicos e misturas de resíduos de digestão anaeróbia ^14. Nós pretendemos fornecer um modelo genérico para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de um digestor anaeróbio à escala laboratorial, que será adequado para avaliações robustos. Digestores anaeróbicos existir em várias configurações diferentes. Algumas configurações comuns incluem:-continuamente reator tanque agitado (CSTR), com alimentação contínua influente; continuamente agitada digestor anaeróbico (CSAD) com alimentação influente periódico; fluxo plug (PF), de fluxo ascendente com manta de lodo anaeróbio (UASB); reator anaeróbio de manta de migrar (AMBR); reator compartimentado anaeróbio (ABR) e reator anaeróbio de batelada seqüencial (ASBR) configurações ^9,15. A configuração do CSTR e CSAD têm sido amplamente adotado para laboratório de experimentos em escala, devido à sua facilidade de configuração e condições operacionais favoráveis. Devido a mistura contínua, o tempo de retenção hidráulica (TRH) é igual ao tempo de retenção de lamas (TSA). A SRT é o parâmetro de projeto importante para anúncios. A configuração é também favorável à experiências controladas por causa de uma maior uniformidade espacial dos parâmetros, tais como concentrações químicas espécies, temperatura, e as taxas de difusão. Deve-se notar, no entanto, que a configuração em grande escala óptima para um digestor anaeróbico depende das qualidades particulares físicas e químicas do substrato orgânico entre outros aspectos não técnicos, tais como a qualidade do efluente alvo. Por exemplo, diluir fluxos de resíduos com relativamente alto teor orgânico solúvel e littlpartículas electrónicos, tais como cerveja de águas residuais, tipicamente experiência de conversão de energia maior numa configuração bioreactor de alta taxa de fluxo ascendente (por exemplo, UASB) em vez de uma configuração CSAD. Independentemente disso, há parâmetros operacionais fundamentais que são essenciais à digestão bem-sucedida e relevantes para todas as configurações, o que justifica uma explicação genérica de usar essa configuração.

Na verdade, todo sistema de AD contendo uma comunidade diversa, aberto de microorganismos anaeróbicos irá série metabolizar o substrato em metano (a final do produto final com a menor energia disponível gratuitamente por elétron). As vias metabólicas envolvidas neste processo constituem uma intricada teia alimentar vagamente classificados em quatro estágios tróficos: hidrólise, acidogênese; acetogénese e metanogênese. Em hidrólise, complexos de polímeros orgânicos (por exemplo, hidratos de carbono, lípidos e proteínas) são desagregadas aos seus respectivos monómeros (por exemplo, açúcares, ácidos gordos de cadeia longa, e aminoácidos) por HYDrolyzing, as bactérias fermentativas. Em acidogênese, estes monómeros são fermentadas por bactérias acidogênicas para ácidos gordos voláteis (AGV) e álcoois, que, em acetogénese, são oxidado para acetato e hidrogénio por homoacetogenic e obrigatório hidrogénio produtoras de bactérias, respeitosamente ^5. No passo final de metanogênese, acetato e hidrogénio são metabolizados em metano por metanógenos acetoclástica e hydrogenotrophic. É importante reconhecer que o processo geral do anúncio, baseando-se uma série interligada de metabolismos por diferentes grupos de micróbios, vai depender da função bem sucedida de cada membro antes que o sistema como um todo será um desempenho óptimo. O projeto ea construção de um sistema biorreator AD deve sempre levar em consideração a exigência para fechar completamente o biorreator. Vazamentos pequenos no topo do bioreactor (que separa o espaço superior) ou no sistema de tratamento de gás pode ser difícil de detectar, e, por conseguinte, o sistema deve ser prescerteza testado antes da utilização. Depois de garantir uma instalação livre de vazamentos, falhas com estudos digestor anaeróbico muitas vezes resultam de erros durante a inoculação, cultura e dia-a-dia operação. Como resultado, digestores têm uma reputação como sendo intrinsecamente instável e propensa ao fracasso inesperado. Por que é então que em escala biodigestores foram operados sob condições estáveis ​​por décadas ^{de 13?} O fracasso é provável que resultam de manuseio impróprio por parte do operador, especialmente durante o período de inicialização durante o qual a comunidade microbiana deve lentamente aclimatar para a composição de resíduos orgânicos e força. Portanto, nosso objetivo não é apenas para fornecer uma metodologia para a construção de um sistema de AD, mas também para elucidar os processos de inoculação, operação e monitoramento desses sistemas.

A primeira seção do artigo irá explicar como construir o CSTR ou sistema CSAD, enquanto a segunda seção irá fornecer um procedimento para digestor inoculação com ativo methanogbiomassa enic. É mais prático e menos demorado para inocular digestores com biomassa metanogênica activo a partir da. Misto licor ou efluente de um digestor de funcionamento que é o tratamento de um substrato semelhante a tentar desenvolver um biomassa suficiente a partir de uma cultura incipiente A terceira seção do artigo abrange considerações operacionais, como substrato de alimentação, decantação de efluentes, e solucionar problemas de reatores diferentes. Alimentando substrato e decantação do efluente para este sistema será conduzida numa base semi-contínua (isto é, alimentando periódica e decantação, enquanto a maioria da biomassa e licor misto permanece no bioreactor). A freqüência em que o digestor é alimentado / decantado é prerrogativa do operador. Em geral, alimentando / decantação mais frequentemente e com intervalos regulares vai promover uma maior estabilidade do digestor e consistência de desempenho entre ciclos de alimentação. A quarta secção irá introduzir um protocolo de controlo básico a ser utilizado durante o experimental período. Várias análises padrão, que são descritas no Standard Methods para o Exame de Água e de Águas Residuais ¹⁶ (Tabela 1, 2), serão necessários para a caracterização do substrato e sistema de monitoramento adequado. Além dos parâmetros medidos, um aspecto importante da monitorização é verificar que os componentes do sistema digestor estão a funcionar correctamente. A manutenção regular para o sistema digestor vai antecipar os problemas principais do sistema que poderiam comprometer o desempenho a longo prazo e estabilidade do digestor. Por exemplo, uma falha do elemento de aquecimento, levando a uma queda na temperatura, pode causar a acumulação de ácidos gordos voláteis através da redução da taxa metabólica de metanogenos. Este problema seria composto se o sistema não tinha a alcalinidade suficiente para manter o pH acima dos níveis de inibição para metanogenos. É também importante para detectar e fechar possíveis vazamentos depois de quedas inesperadas na produção de biogás ratoes. Portanto, a duplicação dentro do projeto experimental, por exemplo, executar dois biorreatores lado a lado nas condições de funcionamento exatas, é importante para detectar perdas inesperados de desempenho causadas por mau funcionamento do sistema, tais como pequenos vazamentos.

Protocol

1. Construção digestor Selecione um vaso digestor que contém todas as características mostradas na fig. 1 (um cone não é necessária), eo seu volume de trabalho desejado (tipicamente entre 1-10 L). Se o seu vaso do digestor não está equipado com uma camisa aquecida-água, coloque o digestor em algum ambiente de temperatura controlada outro, tal como um banho de água aquecida ou câmara de incubação. Fixar o vaso numa posição vertical em uma área com espaço suficiente …

Discussion

O sistema de digestão anaeróbia apresentada neste artigo fornece uma introdução geral e algumas orientações básicas para o tratamento da maioria dos substratos em um contexto experimental. A grande variedade de tipos de substrato, configurações do digestor, parâmetros de funcionamento, e também a ecologia única da comunidade misto-microbiana subjacente a estes sistemas se opõe delineando rígidos métricas quantitativas, que podem ser aplicados universalmente. Apesar de toda a variabilidade isso, todos os s…

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