Comparaison de l'échelle dans un système de réacteur photosynthétique pour algales assainissement des eaux usées
Summary
Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances de la petite (100 L) et de grande taille (1000 L) échelle des réacteurs conçus pour les algues d'assainissement de la décharge des eaux usées. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustées en fonction de l'application.
Abstract
Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances des deux réacteurs de tailles différentes conçus pour le traitement des eaux usées. Dans cette étude, l'élimination de l'ammoniac, l'élimination de l'azote et la croissance des algues sont comparés sur une période de 8 semaines dans des ensembles appariés de petits (100 L) et grandes (1000 L) des réacteurs conçus pour l'assainissement des algues de la décharge des eaux usées. Contenu des petits et de grands réacteurs à l'échelle ont été mélangés avant le début de chaque intervalle de test hebdomadaire pour maintenir des conditions initiales équivalents dans les deux échelles. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustés pour mieux égaliser les conditions se produisant à deux échelles. Au cours de la semaine 8 période de temps représentative court, à partir de l' ammoniac et les concentrations totales en azote ont varié de 3,1 à 14 mg de NH 3 -N / L, et de 8,1 à 20,1 mg N / L, respectivement. La performance du système de traitement a été évaluée sur la basesa capacité à éliminer l'ammoniac et l'azote total et de produire de la biomasse algale. Moyenne ± écart – type de l' élimination de l' ammoniac, l' élimination totale d'azote et les taux de croissance de la biomasse étaient de 0,95 ± 0,3 mg de NH 3 -N / L / jour, 0,89 ± 0,3 mg N / L / jour et 0,02 ± 0,03 g biomasse / L / jour, respectivement. Tous les navires ont montré une relation positive entre le taux initial de suppression de la concentration d'ammoniac et de l' ammoniac (R 2 = 0,76). Comparaison des l'efficacité des processus et des valeurs de production mesurées dans les réacteurs d'échelle différente peut être utile pour déterminer si l'échelle du laboratoire des données expérimentales est approprié pour la prédiction des valeurs de production à l'échelle commerciale.
Introduction
Traduction des données de référence à l'échelle de grandes applications à grande échelle est une étape clé dans la commercialisation de bioprocédés. L' efficacité de la production dans les systèmes de réacteurs à petite échelle, en particulier ceux qui se concentrent sur l'utilisation de micro – organismes, ont été montrés pour prévoir de manière systématique sur l' efficacité qui se produisent dans les systèmes à l' échelle commerciale 1, 2, 3, 4. Les défis existent également dans l'intensification de la culture photosynthétique des algues et des cyanobactéries de l'échelle du laboratoire à des systèmes plus importants dans le but de fabriquer des produits à haute valeur ajoutée, tels que les cosmétiques et les produits pharmaceutiques, pour la production de biocarburants, et pour le traitement des eaux usées. La demande pour la production d' algues biomasse à grande échelle est de plus en plus avec l'industrie émergente pour les algues en biocarburants, les produits pharmaceutiques / nutraceutiques et les aliments du bétail 5. La méthodologie décrite dansce manuscrit vise à évaluer l'influence de l'augmentation échelle d'un système de réacteur photosynthétique sur le taux de croissance de la biomasse et de l'élimination des nutriments. Le système présenté ici utilise des algues pour assainir les lixiviats de décharge des eaux usées, mais peuvent être adaptés pour une variété d'applications.
l'efficacité de la production de systèmes à grande échelle sont souvent prédits en utilisant de plus petites expériences à l'échelle; Cependant, plusieurs facteurs doivent être pris en considération pour déterminer l'exactitude de ces prédictions, comme on l'a montré échelle pour affecter les performances des bioprocédés. Par exemple, Junker (2004) a présenté les résultats d'une comparaison des huit réacteurs de fermentation de différentes tailles, allant de 30 L à 19.000 L, qui a montré que la productivité réelle au-pilotes ou commerciales échelles était presque toujours inférieures aux valeurs prévues à l'aide petite études -Scale 4. Inégalités dans la dimension de la cuve, la puissance de mélange, le type d'agitation, de la qualité des éléments nutritifs, et le transfert de gaz ont été prévus pour être leles principales causes de la diminution de la productivité 4. De même, il a été montré dans les réacteurs de la croissance d'algues que la croissance de la biomasse et de produits apparentés sont presque toujours réduits lorsque l' échelle est augmentée 6.
Les facteurs biologiques, physiques et chimiques changent avec la taille d'un réacteur, avec un grand nombre de ces facteurs qui influent sur l' activité microbienne à petite échelle différente de celle à plus grande échelle 2, 7. Comme la plupart des systèmes à grande échelle pour les algues, tels que les étangs de chemin de roulement, existe à l'extérieur, un facteur biologique à considérer est que les espèces et les bactériophages microbiens peuvent être introduits dans le milieu environnant, ce qui peut modifier les espèces microbiennes présentes et donc la fonction microbienne du système. L'activité de la communauté microbienne sera également sensible à des facteurs environnementaux, tels que la lumière et la température. les transferts de masse des gaz et des mouvements fluides sontdes exemples de facteurs physiques qui sont influencés dans l'échelle jusqu'à des processus microbiens. La réalisation de mélange idéal dans les petits réacteurs est facile; cependant, avec une échelle de plus en plus, il devient un défi de concevoir des conditions idéales de mélange. A plus grande échelle, les réacteurs sont plus susceptibles d'avoir des zones mortes, mélange non-idéal, et une efficacité réduite dans le transfert de masse 2. Depuis les algues sont des organismes photosynthétiques, la croissance commerciale doit tenir compte des changements dans l'exposition la lumière en raison de changements dans la profondeur de l'eau et de la surface lors de l'augmentation du volume. Haute densité de la biomasse et / ou des taux de transfert de masse faible peut entraîner une diminution des concentrations de CO 2 et l' augmentation des concentrations de O 2, les deux qui peuvent résulter de l'inhibition de la croissance de la biomasse 8. Les facteurs chimiques dans un système de croissance des algues sont entraînés par la dynamique du pH du milieu aquatique 2, qui est par conséquent affectée par des changements dans les composés de tamponnement du pH , tels que du CO dissous <sub> 2 et de carbonate espèces. Ces facteurs sont aggravés par des interactions complexes entre les facteurs biologiques, physiques et chimiques, souvent de façon imprévisible 9.
Cette étude présente un système de réacteur jumelé conçu pour réguler et comparer les conditions de croissance dans les vaisseaux de deux échelles différentes. Le protocole expérimental se concentre sur la quantification de traitement des lixiviats et la croissance des algues; cependant, il pourrait être adapté pour surveiller d' autres paramètres tels que les changements dans la communauté microbienne dans le temps ou le potentiel de séquestration du CO 2 des algues. Le protocole présenté ici a été conçu pour évaluer l'effet de l'échelle sur la croissance des algues et élimination de l'azote dans un système de traitement des lixiviats.
Protocol
Representative Results
Discussion
La performance du système:
Au cours d'une étude de 8 semaines, la productivité des navires à petite et grande échelle dans un système ont été comparés. Dans cet azote de l'étude et les taux d'élimination de l'ammoniac et des taux de croissance de la biomasse ont été utilisés comme mesures de la productivité du système de traitement. Le système a été exploité comme un réacteur semi-discontinu, où chaque semaine a été utilisé dans des conditions discrètes…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier le Sandtown Landfill à Felton, DE pour partager leurs connaissances et les lixiviats.
Materials
| Aquarium Tank | Any 100+L aquarium tank with optically clear glass can be used | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Overhead mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Plastic or glass, lab grade, 125-200mL | |
| Transfer Pumps | Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen – Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45µm filters |
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