Continu agité digesteur anaérobie pour convertir les déchets organiques en biogaz: configuration du système et le fonctionnement de base

Summary

L'échelle du laboratoire digesteurs anaérobies permettre aux scientifiques de la recherche de nouvelles façons d'optimiser les applications existantes de la biotechnologie anaérobie et d'évaluer le potentiel du méthane production de divers déchets organiques. Cet article présente un modèle généralisé pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un laboratoire échelle agité en continu digesteur anaérobie.

Abstract

La digestion anaérobie (DA) est un bioprocédé qui est couramment utilisé pour convertir les déchets organiques complexes en biogaz utiles avec du méthane comme le vecteur énergétique ^1-3. De plus en plus, AD est utilisé dans l'industrie, les déchets agricoles et municipaux (eau) des applications de traitement ^4,5. L'utilisation de la technologie AD permet aux exploitants de réduire les coûts d'élimination des déchets et de compenser les dépenses des services publics d'énergie. En plus de traiter les déchets organiques, les cultures énergétiques sont convertis en le méthane vecteur d'énergie ^6,7. Comme l'application de la technologie AD élargit pour le traitement de nouveaux substrats et co-substrat mélanges ^8, tout comme la demande pour une méthodologie de test fiable sur le pilote et l'échelle du laboratoire.

Des systèmes de digestion anaérobie ont une variété de configurations, y compris le réacteur à réservoir agité en continu (CSTR), les flux de bouchon (PF), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) ⁹ configurations </sup>. Le CSTR est fréquemment utilisé dans la recherche en raison de sa simplicité dans la conception et le fonctionnement, mais aussi pour ses avantages en matière d'expérimentation. Comparé à d'autres configurations, le CSTR fournit une plus grande uniformité des paramètres du système, comme la température, le mélange, la concentration chimique et la concentration du substrat. En fin de compte, lors de la conception d'un réacteur à pleine échelle, la configuration du réacteur optimal dépendra de la nature d'un substrat donné parmi beaucoup d'autres considérations non techniques. Cependant, toutes les configurations de partager les caractéristiques de conception fondamentaux et des paramètres de fonctionnement qui rendent le CSTR approprié pour la plupart des évaluations préliminaires. Si les chercheurs et les ingénieurs utilisent un courant affluent avec des concentrations relativement élevées de matières solides, puis configurations de bioréacteurs à l'échelle du laboratoire ne peut pas être alimenté en continu en raison de problèmes de brancher l'échelle du laboratoire pompes avec des solides ou le dépôt des solides dans la tubulure. Pour ce scénario avec les exigences continues de mélange, de laboratoire échelle des bioréacteurs sont alimentés régulièrementet nous nous référons à des configurations telles que continuellement agité digesteurs anaérobies (CSADs).

Cet article présente une méthodologie générale pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un système de CSAD pour le but de tester l'aptitude d'un substrat organique donné à long terme la digestion anaérobie. La section de la construction de cet article portera sur la construction du système de réacteur de laboratoire échelle. La section inoculation allons vous expliquer comment créer un environnement anaérobie approprié pour le semis avec un inoculum actif méthanogène. La section de fonctionnement couvrira exploitation, l'entretien et le dépannage. La section de surveillance présentera protocoles d'essai en utilisant des analyses standard. L'utilisation de ces mesures est nécessaire pour des évaluations fiables des expériences d'aptitude substrat pour AD. Ce protocole devrait fournir une meilleure protection contre une erreur commune faite dans les études AD, qui est de conclure que l'échec du réacteur a été provoqué par le substrat in utilisation, alors qu'en réalité il était mauvaise opération de l'utilisateur ^10.

Introduction

La digestion anaérobie (AD) est une technologie mature impliquant la conversion biologique de médiation complexes substrats de déchets organiques en biogaz utiles avec du méthane comme source d'énergie. Il ya de nombreux avantages de traitement anaérobie, y compris un minimum d'énergie et les apports de nutriments et la réduction de la production des biosolides par rapport au traitement aérobie ^10. En outre, la polyvalence de la communauté microbienne mixte inhérent à ces systèmes rend une grande variété de substrats organiques appropriés en tant que matières premières ^11,12. En effet, elle est due à ces avantages qu'un nombre croissant de demandes d'AD sont en cours d'adoption en dehors du traitement conventionnel des eaux usées municipales, en particulier dans les secteurs industriels, municipaux (par exemple, les déchets alimentaires), et de l'agriculture ^4,7,13. AD a connu son premier commencement prolifération dans les années 1980 en réponse à la crise de l'énergie nationale de la décennie précédente. Comme le monde est confronté à une crise de l'énergie mondiale croissante,couplé à la dégradation de l'environnement, mettre davantage l'accent est maintenant mis sur les technologies des biocarburants et le concept des déchets à l'énergie en particulier. Par exemple, aux États-Unis, la digestion anaérobie peut générer 5,5% de la puissance électrique totale doit ^8.

Cela a augmenté la demande pour le bien-contrôlé de recherche expérimentale sur le pilote et l'échelle du laboratoire pour évaluer la pertinence des nouveaux matériaux de déchets organiques et les mélanges de déchets pour la digestion anaérobie ^14. Nous avons l'intention de fournir un modèle générique pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un digesteur anaérobie à l'échelle laboratoire qui sera adapté pour les évaluations robustes. Les digesteurs anaérobies existent dans de nombreuses configurations différentes. Quelques configurations communs comprennent: continu-réacteur à réservoir agité (CSTR) avec une alimentation continue affluents; agité en continu digesteur anaérobie (CSAD) avec l'alimentation affluent périodique; écoulement piston (PF), refoulement de boue anaérobie blanchet (UASB); anaérobie réacteur à lit de la migration (Ambr); anaérobie réacteur à chicanes (ABR), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) ^9,15 configurations. La configuration CSTR et CSAD ont été largement adopté pour l'échelle du laboratoire des expériences en raison de sa facilité de configuration et les conditions d'exploitation favorables. Raison de mélange continu, le temps de rétention hydraulique (HRT) est égal au temps de rétention des boues (SRT). Le SRT est le paramètre important de la conception de l'ADS. La configuration est également propice à des expériences contrôlées en raison d'une plus grande uniformité spatiale des paramètres, tels que les concentrations des espèces chimiques, la température, et les taux de diffusion. Il convient de noter, cependant, que la pleine échelle optimale de configuration pour un digesteur anaérobie repose sur les qualités physiques et chimiques particulières du substrat organique parmi d'autres aspects non techniques, tels que la qualité des effluents cible. Par exemple, diluer les flux de déchets avec teneur relativement élevée en organique soluble et littlparticules e, tels que la brasserie des eaux usées, généralement l'expérience de conversion énergétique dans une configuration de haut-débit ascendant bioréacteur (par exemple, UASB) plutôt que d'une configuration CSAD. Peu importe, il ya des paramètres d'exploitation fondamentaux qui sont essentiels à la digestion réussie et pertinente à toutes les configurations, qui justifient une explication générique de cette configuration.

En effet, chaque système AD contenant une société diverse, communauté ouverte de microbes anaérobies série métaboliser le substrat pour le méthane (la finale du produit final avec le moins d'énergie disponible gratuitement par électron). Les voies métaboliques impliquées dans ce processus constituent un réseau alimentaire complexe vaguement classés en quatre étapes trophiques: l'hydrolyse; acidogénèse; acétogénèse et méthanogénèse. Dans l'hydrolyse, complexes polymères organiques (par exemple, des hydrates de carbone, des lipides et des protéines) sont répartis à leurs monomères respectifs (par exemple, les sucres, les acides gras à longue chaîne, et les acides aminés) par hydrolyzing, bactéries fermentaires. En acidogénèse, ces monomères sont fermentés par les bactéries acidogènes à des acides gras volatils (AGV) et les alcools, qui acétogénèse, sont en outre oxydés en acétate et d'hydrogène par homoacetogenic et obligatoire hydrogène bactéries productrices, respectueusement ^5. Dans l'étape finale de la méthanogénèse, l'acétate et l'hydrogène sont métabolisés au méthane par les méthanogènes acetoclastic et hydrogénotrophe. Il est important de reconnaître que le processus de AD globale, en s'appuyant sur une série interconnectée des métabolismes par les différents groupes de microbes, dépendra de la fonction réussie de chaque membre avant que le système dans son ensemble de manière optimale. La conception et la construction d'un système de bioréacteur AD devrait toujours prendre en considération l'obligation de sceller complètement le bioréacteur. Les petites fuites dans le top du bioréacteur (séparation l'espace de tête) ou dans le système de gaz de traitement peut être difficile à détecter, et donc le système doit être la pressionvous testé avant son utilisation. Après s'être assuré une installation sans fuite, échecs avec des études de digesteurs anaérobies souvent attribuables à des erreurs lors de l'inoculation, la culture, et au jour le jour le fonctionnement. En conséquence, les digesteurs ont une réputation comme étant intrinsèquement instable et enclin à l'échec inattendu. Pourquoi est-il alors que la pleine échelle digesteurs ont été opérés dans des conditions stables pendant des décennies ^13? L'échec est susceptible de provenir de mauvaise manipulation par l'opérateur, en particulier pendant la période de démarrage au cours de laquelle la communauté microbienne doit s'acclimater lentement à la composition des déchets organiques et de la force. Par conséquent, notre objectif n'est pas seulement de fournir une méthodologie pour construire un système AD, mais aussi d'élucider les processus de l'inoculation, l'exploitation et la surveillance de ces systèmes.

La première section de l'article va vous expliquer comment construire le CSTR ou d'un système CSAD, tandis que la deuxième section d'une procédure de digesteur inoculation avec actif methanogbiomasse ENIC. Il est plus pratique et moins de temps pour inoculer digesteurs de biomasse avec méthanogène actif de la. De la liqueur mixte ou de l'effluent d'un digesteur d'exploitation qui est le traitement d'un substrat similaire à celle de tenter de développer une biomasse suffisante à partir d'une culture naissante La troisième section de l'article portera sur des considérations d'exploitation, tels que substrat d'alimentation, la décantation des effluents, et le dépannage des problèmes de réacteurs différents. Nourrir substrat et la décantation des effluents de ce système sera réalisée sur une base semi-continu (c.-à-alimentation périodique et décantation alors que la plupart de la biomasse et de la liqueur mixte reste dans le bioréacteur). La fréquence à laquelle le digesteur est alimenté / décanté est la prérogative de l'opérateur. En général, l'alimentation / décantation plus fréquemment et à intervalles réguliers de promouvoir une plus grande stabilité digesteur et la cohérence de la performance entre les cycles d'alimentation. La quatrième section présentera un protocole de surveillance de base à utiliser lors de l'expériencepériode rimentale. Plusieurs analyses standard, qui sont décrites dans les méthodes normalisées pour l'examen de l'eau et des eaux usées ¹⁶ (tableau 1, 2), sera nécessaire pour la caractérisation du substrat et le suivi correct du système. En plus des variables mesurées, un aspect important de la surveillance est de vérifier que les composants du système de digestion fonctionnent correctement. L'entretien régulier du système digesteur anticiper les problèmes majeurs du système qui pourraient autrement mettre en péril la performance à long terme et la stabilité du digesteur. Par exemple, une défaillance de l'élément chauffant, ce qui conduit à une baisse de la température, peut provoquer l'accumulation d'acides gras volatils en réduisant le taux métabolique de bactéries méthanogènes. Ce problème serait aggravé si le système n'avait pas alcalinité suffisante pour maintenir le pH au-dessus des niveaux d'inhibition pour les méthanogènes. Il est également important de détecter et fermer les fuites possibles après des chutes inattendues chez le rat la production de biogazes. Par conséquent, la duplication dans la conception expérimentale, par exemple, l'exécution de deux bioréacteurs side-by-side dans les conditions de fonctionnement exactes, est important pour détecter les pertes de performances inattendues causées par un dysfonctionnement du système, tels que les petites fuites.

Protocol

1. Construction digesteur Sélectionnez un navire digesteur qui contient toutes les caractéristiques indiquées dans la Fig. 1 (un cône n'est pas nécessaire), et votre volume de travail souhaité (typiquement entre 1-10 L). Si votre bateau digesteur n'est pas équipé d'une veste chauffée d'eau, placez le digesteur dans un autre environnement à température contrôlée, comme un bain d'eau chauffée ou de la chambre d'incubation. Fixez le navire dans une…

Discussion

Le système de digestion anaérobie présenté dans cet article fournit une introduction générale et quelques directives de base pour le traitement de la plupart des substrats dans un contexte expérimental. La grande variété de types de substrats, les configurations de digestion, les paramètres de fonctionnement, et aussi l'écologie unique de la communauté microbienne mixte qui sous-tend ces systèmes empêche décrivant durs mesures quantitatives, qui peuvent être appliqués universellement. Malgré toute …

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