Continuamente agitado digestor anaeróbico para convertir los desechos orgánicos en biogás: configuración del sistema y funcionamiento básico

Summary

A escala de laboratorio digestores anaeróbicos permitirá a los científicos para investigar nuevas formas de optimizar las aplicaciones existentes de la biotecnología anaeróbica y para evaluar el potencial de producción de metano de los diversos residuos orgánicos. Este artículo presenta un modelo generalizado para la construcción, la inoculación, la operación y el seguimiento de una escala de laboratorio se agita continuamente digestor anaeróbico.

Abstract

La digestión anaerobia (DA) es un proceso biotecnológico que se utiliza comúnmente para convertir los desechos orgánicos complejos en una planta de biogás con metano como útiles ^1-3, el portador de energía. Cada vez más, el año está siendo utilizado en los residuos industriales, agrícolas y municipales (agua) las aplicaciones de tratamiento ^4,5. El uso de la tecnología AD permite a los operadores de la planta para reducir los costos de eliminación de residuos y compensar los gastos de energía de servicios públicos. Además de tratar los residuos orgánicos, los cultivos energéticos se están convirtiendo en el metano portador de energía ^6,7. A medida que la aplicación de la tecnología AD amplía para el tratamiento de nuevos sustratos y mezclas de sustrato ^co-8, también lo hace la demanda de una metodología de prueba fiable en el piloto y escala de laboratorio.

Sistemas de digestión anaeróbica tienen una variedad de configuraciones, incluyendo el reactor de depósito continuamente agitado (CSTR), el flujo de tapón (PF), y el reactor anaeróbico por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones ⁹ </sup>. El CSTR se utiliza frecuentemente en la investigación debido a su simplicidad en el diseño y operación, sino también por sus ventajas en la experimentación. En comparación con otras configuraciones, el CSTR proporciona una mayor uniformidad de los parámetros del sistema, tales como temperatura, concentración de la mezcla, química, y la concentración de sustrato. En última instancia, al diseñar un reactor a escala completa, la configuración del reactor óptimo dependerá de la naturaleza de un sustrato dado entre muchas otras consideraciones no técnicas. Sin embargo, todas las configuraciones comparten características fundamentales de diseño y parámetros de operación que hacen que el CSTR apropiado para la mayoría de las evaluaciones preliminares. Si los investigadores y los ingenieros utilizan una corriente del afluente, con concentraciones relativamente altas de sólidos, y luego a escala de laboratorio configuraciones de biorreactores no puede ser alimentado de forma continua, debido a problemas de taponamiento de las bombas a escala de laboratorio con los sólidos, o la sedimentación de sólidos en la tubería. Para ese escenario, con continuos requerimientos de mezcla, a escala de laboratorio biorreactores se alimentan periódicamentey nos referimos a este tipo de configuraciones como se agita continuamente digestores anaeróbicos (CSADs).

Este artículo presenta una metodología general para la construcción, la inoculación, operar y controlar un sistema CSAD con el propósito de poner a prueba la idoneidad de un determinado sustrato orgánico a largo plazo de digestión anaerobia. La sección de construcción de este artículo cubrirá la construcción del sistema de reactor a escala de laboratorio. La sección de la inoculación se explica cómo crear un ambiente anaerobio adecuado para la siembra con un inóculo metanogénica activa. La sección de operación cubrirá la operación, mantenimiento y solución de problemas. La sección de control presentará protocolos de pruebas mediante análisis estándar. El uso de estas medidas es necesaria para las evaluaciones experimentales fiables de idoneidad sustrato para la EA. Este protocolo deberá proporcionar una mayor protección en contra de un error común en los estudios de AD, que es a la conclusión de que el fracaso del reactor fue causado por el sustrato in uso, cuando en realidad era una operación inadecuada del usuario ^10.

Introduction

La digestión anaerobia (DA) es una tecnología madura que supone la conversión biológica de complejos mediada por sustratos de desechos orgánicos en biogás útiles con el metano como fuente de energía. Hay muchos beneficios de tratamiento anaeróbico, incluida la energía mínima y los aportes de nutrientes y la producción de biosólidos reducido en comparación con el tratamiento aeróbico ^10. Además, la versatilidad de la comunidad microbiana mixta inherente a estos sistemas hace que una amplia variedad de sustratos orgánicos adecuados como materias primas ^11,12. De hecho, es debido a estos beneficios que un número creciente de solicitudes de AD se adoptan fuera del tratamiento convencional de aguas residuales municipales, especialmente en los sectores industriales, municipales (por ejemplo, residuos de alimentos), ^4,7,13 y agrícola. AD experimentó su primer principio la proliferación importante en la década de 1980 en respuesta a la crisis energética nacional de la década anterior. A medida que el mundo se enfrenta a una creciente crisis mundial de energía,junto con la degradación del medio ambiente, una mayor concentración se encuentra ahora en las tecnologías de biocombustibles y el concepto de residuos en energía en particular. Por ejemplo, en los EE.UU., la digestión anaerobia puede generar 5,5% de la potencia eléctrica total necesita ^8.

Esto ha aumentado la demanda de bien controlada la investigación experimental en el piloto y escala de laboratorio para evaluar la idoneidad de los nuevos materiales de desecho orgánicos y mezclas de residuos de la digestión anaeróbica ^14. Tenemos la intención de proporcionar un modelo genérico para la construcción, la inoculación, el funcionamiento y la supervisión de un digestor anaerobio a escala de laboratorio que será adecuado para las evaluaciones sólidas. Digestores anaerobios existen en muchas configuraciones diferentes. A pocas configuraciones comunes incluyen: continua-reactor de tanque agitado (CSTR), con alimentación continua del afluente; agita continuamente digestor anaeróbico (CSAD) con la alimentación influente periódico, flujo de pistón (PF), una manta lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB), reactor anaeróbico manta de la migración (Ambr), reactor anaeróbico desconcertado (ABR), y el reactor anaerobio por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones de ^9,15. La configuración de CSTR y CSAD han sido ampliamente adoptados para experimentos a escala de laboratorio, debido a su facilidad de instalación y las condiciones favorables de operación. A causa de mezclado continuo, el tiempo de retención hidráulico (TRH) es igual al tiempo de retención de lodos (SRT). El SRT es el parámetro de diseño importante para los anuncios. La configuración es también conducente a experimentos controlados debido a una mayor uniformidad espacial de parámetros, tales como concentraciones de especies químicas, la temperatura y velocidades de difusión. Hay que señalar, sin embargo, que el óptimo a escala completa de configuración para un digestor anaeróbico depende de las características particulares físicas y químicas del sustrato orgánico entre otros aspectos no técnicos, tales como la calidad del efluente de destino. Por ejemplo, diluir las corrientes de desechos con relativamente alto contenido orgánico soluble y littlpartículas e, como fábrica de cerveza de aguas residuales, por lo general experimentan una mayor conversión de energía en una configuración de flujo ascendente de alta velocidad de biorreactor (por ejemplo, UASB) en lugar de una configuración CSAD. De todos modos, hay parámetros fundamentales de funcionamiento que son esenciales para la digestión exitosa y relevante para todas las configuraciones, lo que justifica una explicación genérica de la utilización de esta configuración.

De hecho, todos los sistemas de anuncios que contienen una comunidad diversa y abierta de los microbios anaerobios serie va a metabolizar el sustrato en metano (la final del producto final con la menor energía libre disponible por electrón). Las vías metabólicas implicadas en este proceso constituye una intrincada red alimentaria vagamente categorizados en cuatro etapas tróficas: hidrólisis; acidogénesis; acetogénesis y metanogénesis. En la hidrólisis, complejos polímeros orgánicos (por ejemplo, los hidratos de carbono, lípidos y proteínas) se descomponen en sus respectivos monómeros (por ejemplo, los azúcares de cadena larga de ácidos grasos y aminoácidos) por hydrolyzing, las bacterias fermentativas. En acidogénesis, estos monómeros son fermentados por bacterias acidogénicas a los ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes, que en acetogénesis, se oxida a acetato e hidrógeno por homoacetogenic y obligatorio que producen hidrógeno-bacterias, respetuosamente ^5. En el paso final de metanogénesis, acetato e hidrógeno se metabolizan a metano por metanógenos acetoclastic y hidrogenotróficas. Es importante reconocer que el proceso general de AD, apoyándose en una serie interconectada de los metabolismos de los diferentes grupos de microbios, dependerá de la función con éxito de cada miembro antes de que el sistema como un todo se realice de manera óptima. El diseño y la construcción de un sistema de biorreactor de AD siempre se debe tener en cuenta la obligación de sellar completamente el biorreactor. Las pequeñas fugas en la parte superior del biorreactor (que separa el espacio de cabeza) o en el sistema de manipulación de gas puede ser difícil de detectar, y por lo tanto, el sistema debe ser preSeguro de prueba antes de su uso. Después de asegurarse de una instalación libre de fugas, fallos con los estudios de digestor anaerobio a menudo provienen de errores durante la inoculación, el cultivo, y la operación del día a día. Como resultado, los digestores tiene una reputación de ser intrínsecamente inestable y propensa a fallos inesperados. ¿Por qué es entonces que a gran escala digestores han estado funcionando en condiciones estables durante décadas ^13? Si no es probable que se derivan del manejo inadecuado por parte del operador, sobre todo durante el período de puesta en marcha durante el cual la comunidad microbiana deben aclimatarse poco a poco a la composición de los residuos orgánicos y la fuerza. Por lo tanto, nuestro objetivo no es sólo para proporcionar una metodología para la construcción de un sistema de AD, pero para aclarar también los procesos de la inoculación, operación y vigilancia de estos sistemas.

La primera sección del artículo se explica cómo construir el reactor de mezcla o el sistema de CSAD, mientras que la segunda sección se aplique un procedimiento para la inoculación con digestor activa methanogbiomasa ENIC. Es más práctico y menos tiempo para inocular con digestores de biomasa metanogénica activa de la. Licor-mezcla o efluente de un digestor operativo que está tratando a un sustrato similar a intentar desarrollar una biomasa suficiente de una incipiente cultura La tercera sección del artículo se cubren las consideraciones de operación, como sustrato de la alimentación, la decantación de efluentes, y solucionar diversos problemas de los reactores. La alimentación de sustrato y decantación de efluentes para este sistema se llevará a cabo en una base semi-continua (es decir, la alimentación periódica y decantación mientras que la mayoría de la biomasa y licor mezclado permanece en el biorreactor). La frecuencia con que se alimenta el digestor / decanta es la prerrogativa del operador. En general, la alimentación / decantación con más frecuencia y en intervalos regulares, promoverá una mayor estabilidad del digestor y la consistencia en el rendimiento entre los ciclos de alimentación. La cuarta sección se presenta un protocolo de monitoreo básico que se utilizará durante la experimental periodo. Varios análisis estándar, que se exponen en los métodos estándar para el Examen de Agua y Aguas Residuales ¹⁶ (Tabla 1, 2), se requerirá para la caracterización del sustrato y el seguimiento adecuado del sistema. Además de las variables medidas, un aspecto importante de seguimiento es comprobar que los componentes del sistema digestor están funcionando correctamente. El mantenimiento regular al sistema digestor anticiparse a los problemas principales del sistema que de otro modo podrían poner en peligro el rendimiento a largo plazo y la estabilidad del digestor. Por ejemplo, un fallo del elemento de calentamiento, dando lugar a un descenso de la temperatura, podría causar la acumulación de ácidos grasos volátiles mediante la reducción de la tasa metabólica de metanógenos. Este problema se agrava si el sistema carecía de alcalinidad suficiente para mantener el pH por encima de los niveles de inhibidores de metanógenos. También es importante para detectar posibles fugas y cerrar después de gotas inesperados en rata producción de biogásES. Por lo tanto, la duplicación en el diseño experimental, por ejemplo, la ejecución de dos biorreactores de lado a lado en las condiciones exactas de funcionamiento, es importante para detectar las pérdidas no esperadas de rendimiento causadas por el mal funcionamiento del sistema, tales como pequeñas fugas.

Protocol

1. Digestor de la Construcción Seleccionar un recipiente digestor que contiene todas las características mostradas en la figura. 1 (un cono no es necesario), y su volumen de trabajo deseado (por lo general entre 1-10 L). Si su embarcación digestor no está equipado con una camisa calentada-agua, colocar el digestor en algún otro entorno de temperatura controlada, tal como un baño de agua caliente o cámara de incubación. Fijar el recipiente en una posición vertical en una zon…

Discussion

El sistema de digestión anaerobia se presenta en este artículo se proporciona una introducción general y algunas pautas básicas para el tratamiento de la mayoría de los sustratos en un contexto experimental. La gran variedad de tipos de sustratos, las configuraciones del digestor, los parámetros de funcionamiento, y también a la ecología única de la comunidad microbiana mixta-que subyace a estos sistemas se opone a esbozar duros indicadores cuantitativos, que se pueden aplicar universalmente. A pesar de todo es…

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