Kontinuierlich-gerührt anaeroben Faulbehälter zu Bio-Abfälle in Biogas umwandeln: System-Setup und Grundlagen der Bedienung

Summary

Labor-Faultürmen den Wissenschaftlern ermöglichen, neue Wege der Optimierung bestehender Anwendungen von anaeroben biotechnologische Forschung und die Methan bildende Potenzial von verschiedenen organischen Abfällen zu bewerten. Dieser Artikel stellt eine verallgemeinerte Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab kontinuierlich gerührt anaeroben Faulbehälter.

Abstract

Anaerobe Vergärung (AD) ist eine Bioprozess, die häufig verwendet wird, um komplexe organische Abfälle in ein nützliches Biogas umwandeln mit Methan als Energieträger ^3.1. Zunehmend wird AD in industriellen, landwirtschaftlichen und kommunalen Abfällen (Wasser-) Behandlung Anwendungen ^4,5 verwendet. Die Verwendung von AD-Technologie ermöglicht Anlagenbetreibern Entsorgungskosten reduzieren und ausgleichen Energieversorger Aufwendungen. Neben der Behandlung von organischen Abfällen, werden Energiepflanzen in die Energieträger Methan ^6,7 umgewandelt. Da die Anwendung der AD-Technologie erweitert für die Behandlung von neuen Substraten und Co-Substrat-Gemische ^8, auch die Nachfrage nach einer zuverlässigen Testmethode in der Pilot-und Labormaßstab.

Vergärung Systeme verfügen über eine Vielzahl von Konfigurationen, einschließlich der kontinuierlichen Rührkessel (CSTR), Plug-Flow (PF) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen ⁹ </sup>. Der CSTR wird häufig in der Forschung aufgrund seiner Einfachheit in Design und Bedienung, sondern auch für seine Vorteile in der Erprobung. Im Vergleich mit anderen Konfigurationen, stellt die CSTR eine größere Einheitlichkeit der Systemparameter, wie z. B. Temperatur, Mischung, chemische Konzentration, und Substratkonzentration. Letztlich bei der Gestaltung eines Full-Scale-Reaktor, wird die optimale Konfiguration Reaktor auf den Charakter eines gegebenen Substrats unter vielen anderen nicht-technischen Erwägungen abhängen. Allerdings teilen sich alle Konfigurationen grundlegende Design-Merkmale und die Betriebsparameter, die den CSTR für die meisten vorläufigen Abschätzungen zu machen. Wenn ein Forscher und Ingenieure Zulaufstrom verwendet mit relativ hohen Konzentrationen von Feststoffen, kann dann im Labormaßstab Bioreaktor Konfigurationen nicht kontinuierlich aufgrund von Verstopfungen Probleme im Labormaßstab Pumpen mit Feststoffen oder Ablagern von Feststoffen innerhalb Schlauch zugeführt werden. Aus diesem Szenario unter ständigem Mischen Anforderungen werden im Labormaßstab Bioreaktoren regelmäßig gefüttertund beziehen wir uns auf solche Konfigurationen als ständig gerührt Faultürmen (CSADs).

Dieser Artikel stellt eine allgemeine Methodik für die Konstruktion, Impfen, Betrieb und Überwachung eines CSAD System zum Zwecke der Prüfung der Eignung eines organischen Substrats für eine langfristige anaeroben Vergärung. Der Bau dieses Artikels umfassen die Errichtung der Laborreaktor System. Die Impfung Abschnitt wird erklärt, wie eine anaerobe Umgebung geeignet für die Aussaat mit einer aktiven methanogenen Impfstoff zu schaffen. Das operative Abschnitt werden die Bedienung, Wartung und Fehlerbehebung. Die Überwachung Abschnitt stellt Ihnen Prüfprotokolle unter Verwendung von Standard-Analysen. Die Verwendung dieser Maßnahmen ist ausreichend für eine zuverlässige Experimenten zur Beurteilung der Eignung für AD Substrats. Dieses Protokoll sollte einen größeren Schutz gegen ein häufiger Fehler in AD-Studien gemacht, die zu dem Schluss, dass Reaktor Versagen durch das Substrat verursacht worden ist, biete ichn Einsatz, wenn es wirklich falsche User-Betrieb ¹⁰ war.

Introduction

Vergärung (AD) ist eine ausgereifte Technologie mit den biologisch vermittelte Umwandlung von komplexen organischen Abfälle in nützliche Substrate Biogas mit Methan als Energieträger. Es gibt viele Vorteile der anaeroben Behandlung, einschließlich der minimalen Energie-und Nährstoffzufuhr und reduzierte Biofeststoffe Produktion im Vergleich zu aeroben Behandlung ^10. Darüber hinaus macht die Vielseitigkeit des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft innewohnenden zu diesen Systemen eine Vielzahl von organischen Substraten geeignet als Einsatzstoffe ^11,12. Tatsächlich ist es aufgrund dieser Vorteile, dass eine wachsende Zahl von Anwendungen für die AD wird außerhalb der konventionellen kommunalen Abwasserreinigung, insbesondere in den industriellen, städtischen (zB Speisereste), ^4,7,13 und Landwirtschaft verabschiedet. AD erlebte seine erste große Verbreitung zu Beginn in den 1980er Jahren als Reaktion auf die nationale Energiekrise des vergangenen Jahrzehnts. Die Welt steht vor einer wachsenden globalen Energiekrise,gekoppelt mit Umweltzerstörung, wird mehr Aufmerksamkeit nun auf Biokraftstoff-Technologien und dem Waste-to-Energie-Konzept insbesondere platziert. Zum Beispiel in den USA, können anaerobe Vergärung erzeugt 5,5% der gesamten elektrischen Energie benötigt ^8.

Dies hat die Nachfrage nach gut kontrollierten experimentellen Forschung an der Pilot-und Labor-Maßstab vergrößert, um die Eignung der neuen organischen Reststoffen und Abfällen Mischungen für die anaerobe Vergärung ¹⁴ zu beurteilen. Wir beabsichtigen, ein generisches Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab anaeroben Faulbehälter, die als geeignet für robuste Abschätzungen liefern. Biogasanlagen gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Ein paar gemeinsame Konfigurationen beinhalten die: Tankreaktor (CSTR) mit kontinuierlicher Zulauf Fütterung kontinuierlich gerührt; ständig gerührt Faulbehälters (CSAD) mit periodischen Zulauf Fütterung; Plug-Flow (PF), Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB); anaeroben wandernde Decke Reaktor (AMBR); anaeroben Reaktor verwirrt (ABR) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen ^9,15. Der CSTR und CSAD Konfiguration wurden weitgehend für Labor-Experimente durch seine einfache Einrichtung und günstigen Betriebsbedingungen angenommen. Durch kontinuierliches Mischen, ist die hydraulische Verweilzeit (HRT) gleich der Schlammverweilzeit (SRT). Die SRT ist die wichtige Design-Parameter für ADS. Die Konfiguration ist auch förderlich für kontrollierte Experimente, weil eine größere räumliche Gleichförmigkeit von Parametern, wie z. B. chemische Spezies Konzentration, die Temperatur und Diffusionsraten. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die optimale Full-Scale-Konfiguration für eine anaerobe digester auf den speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften des organischen Substrats unter anderem nicht-technische Aspekte, wie Soll Ablaufqualität abhängt. Zum Beispiel, verdünnen Abfallströme mit relativ hohen Gehalt löslichen organischen und little Partikel, wie zB Abwasser in der Brauerei, in der Regel mehr erleben Energieumwandlung in einem High-Rate Upflow Bioreaktor-Konfiguration (zB UASB) statt einer CSAD Konfiguration. Unabhängig davon gibt es grundlegende Betriebsparameter, die wesentlich für erfolgreiche Verdauung und relevant für alle Konfigurationen, die eine generische Explikation mit dieser Konfiguration zu rechtfertigen sind.

In der Tat wird jeder Anzeige-System enthält eine vielfältige, offene Gemeinschaft von anaeroben Mikroben seriell verstoffwechseln das Substrat zu Methan (das letzte End-Produkt mit der niedrigsten verfügbaren freien Energie pro Elektron). Die Stoffwechselwege in diesen Prozess eingebunden bilden ein komplexes Nahrungsnetz locker in vier trophische Stufen eingeteilt: Hydrolyse, Säurebildung; Acetogenese; und Methanogenese. In Hydrolyse werden von organischen Polymeren (z. B. Kohlenhydrate, Lipide und Proteine) bis auf die jeweiligen Monomere (z. B. Zucker, langkettige Fettsäuren und Aminosäuren) durch hyd defektrolyzing, fermentative Bakterien. In Acidogenese, werden diese Monomere von säurebildenden Bakterien flüchtigen Fettsäuren (VFAs) und Alkohole, die im Acetogenese, ferner zu Acetat und Wasserstoff werden homoacetogenic und obligatorische Wasserstoff-produzierenden Bakterien oxidiert, respektvoll ⁵ fermentiert. Im letzten Schritt der Methanogenese werden Acetat und Wasserstoff zu Methan und acetoklastische hydrogenotrophe methanogenen metabolisiert. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Gesamtanzahl AD-Prozesses, indem auf eine miteinander verbundene Reihe von Stoffwechsel von verschiedenen Gruppen von Mikroben, werden über die erfolgreiche Funktion jedes Elements ab, bevor das System als Ganzes optimal ausführen soll. Die Konzeption und den Bau eines AD-Bioreaktor-System sollte immer in Betracht ziehen, um die Anforderung vollständig zu versiegeln den Bioreaktor. Klein Löcher in der Oberseite des Bioreaktors (Trennen des Headspace) oder in der Gasphase-Handling-System kann es schwierig sein zu erkennen, und daher sollte das System Druckunterschiedesicher, dass vor dem Einsatz überprüft. Nachdem sichergestellt wurde, eine leckfreie Setup, Ausfälle mit anaeroben Faulbehälter Studien resultieren oft aus Fehlern bei der Impfung, Kultivierung, und Tag für Tag den Betrieb. Als Ergebnis haben Fermenter einen Ruf als intrinsisch instabil und anfällig für unerwartete Ausfälle. Warum ist es dann, dass Full-Scale Fermentern unter stabilen Bedingungen für Jahrzehnte ¹³ operiert worden? Das Scheitern ist wahrscheinlich durch unsachgemäße Handhabung durch den Bediener ergeben sich, vor allem während des Starts, während der die mikrobielle Gemeinschaft langsam auf die organischen Abfälle Zusammensetzung und Stärke muss akklimatisieren. Deshalb ist es unser Ziel, nicht nur eine Methodik für den Aufbau eines AD-System bieten, sondern auch Aufklärung der Prozesse der Impfung, den Betrieb und die Überwachung dieser Systeme.

Der erste Abschnitt des Artikels wird erklärt, wie die CSTR oder CSAD System zu konstruieren, während der zweite Abschnitt wird ein Verfahren für die Fermenter aktive Impfung mit methanog bietenENIC Biomasse. Es ist praktischer und weniger zeitaufwendig zu Faulbehälter mit aktiver Biomasse aus methanogenen impfen die Mixed-Schnaps oder Abwasser eines Betriebssystems Kocher, der eine ähnliche Behandlung von Substrat, als zu versuchen, um eine ausreichende Biomasse aus einer beginnenden Kultur entwickeln wird. Der dritte Abschnitt des Artikels wird decken die Überlegungen, wie Fütterung Substrat, Dekantieren Abwasser und Behebung verschiedener Probleme Reaktor. Zuführen Substrat und Dekantieren Abstrom für dieses System wird auf der semi-kontinuierlicher Basis durchgeführt werden (dh periodische Zuführen und Dekantieren, während die meisten der Biomasse und gemischte Flüssigkeit bleibt im Bioreaktor). Die Häufigkeit, in der die digester gefüttert / dekantiert ist das Vorrecht des Betreibers. In der Regel wird Fütterung / Dekantieren häufiger und in regelmäßigen Abständen für eine stärkere Fermenter Stabilität und Konsistenz in der Leistung zwischen Fütterung Zyklen. Der vierte Abschnitt stellt eine grundlegende Monitoring-Protokoll, um während der Erfah verwendet werdenrimentellen Periode. Mehrere Standard-Analysen, die in Standard-Methoden zur Prüfung von Wasser und Abwasser ¹⁶ (Tabelle 1, 2) beschrieben werden, werden für die Charakterisierung des Substrats und der richtigen System-Monitoring erforderlich. Zusätzlich zu den Messgrößen, ist ein wichtiger Aspekt der Überwachung, um zu überprüfen, dass die Kochersystem Komponenten ordnungsgemäß funktionieren. Die regelmäßige Wartung, um den Fermenter System zuvorzukommen großen System Probleme, die sonst gefährden könnten die langfristige Performance und Stabilität des Kochers. Zum Beispiel könnte ein Ausfall des Heizelements, was zu einem Absinken der Temperatur, die Ansammlung von flüchtigen Fettsäuren durch Verringerung der metabolischen Rate von methanogenen verursachen. Dieses Problem würde verstärkt, wenn das System nicht über ausreichende Alkalität, den pH oben hemmende Ebenen für Methanogenen aufrecht zu erhalten. Es ist auch wichtig zu erkennen und zu schließen, mögliche Leckagen nach unerwarteten Rückgang der Biogasproduktion Rattees. Daher Überschneidungen innerhalb des experimentellen Designs durch, zum Beispiel laufen zwei Bioreaktoren Side-by-Side unter die genauen Einsatzbedingungen, ist wichtig, unerwartete Performance-Verluste, die durch Fehlfunktionen des Systems, wie zum Beispiel kleine Lecks verursacht werden.

Protocol

1. Digester Construction Wählen Sie einen Gärbehälter, die alle Funktionen in Bild enthält. 1 (ein Kegel ist nicht notwendig), und den gewünschten Arbeitsvolumen (in der Regel zwischen 1-10 L). Wenn Ihr Kessel angesaugt wird nicht mit einer beheizten Wasser-Jacke ausgestattet, stellen Sie den Fermenter in einer anderen Umgebung mit kontrollierter Temperatur, wie z. B. einem beheizten Wasserbad oder Inkubationskammer. Sichern des Behälters in einer vertikalen Position in einem …

Discussion

Die anaerobe Vergärung System in diesem Artikel vorgestellten bietet eine allgemeine Einführung und einige grundlegende Richtlinien für die Behandlung von den meisten Substraten in einem experimentellen Kontext. Die Vielfalt der Arten Substrat, Fermenter-Konfigurationen, Betriebsparameter und auch die einzigartige Ökologie des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft hinter diesen Systemen schließt umreißt harte quantitative Kennzahlen, die universell eingesetzt werden können. Trotz all dieser Variabilität, folgen a…

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