Jämförelse av Skala i en Photoreaktorsystem för alger Remediation av avloppsvatten
Summary
En experimentell metod presenteras för att jämföra prestandan hos små (100 L) och stora (1000 L) skala reaktorer utformade för alger sanering av deponier avloppsvatten. Systemegenskaper, inklusive yta till volym, uppehållstid, biomassadensitet, och avloppsvatten foder koncentrationer kan justeras baserat på ansökan.
Abstract
En experimentell metod presenteras för att jämföra resultatet för två olika stora reaktorer avsedda för rening av avloppsvatten. I denna studie är ammoniak bort, kväverening och algtillväxt jämfört under en 8-veckors period i parade uppsättningar av små (100 L) och stora (1000 L) reaktorer utformade för alger sanering av deponier avloppsvatten. Innehållet i de små och storskaliga reaktorer blandades före början av varje vecka testa intervall för att bibehålla motsvarande initiala förhållanden över de två skalor. Systemegenskaper, inklusive yta till volym, uppehållstid, biomassadensitet, och avloppsvatten foder koncentrationer kan justeras för att bättre utjämna förhållanden förekommer på båda skalorna. Under den korta åtta veckor representativ tidsperiod, börjar ammoniak och totalkvävehalterna varierade från 3,1 till 14 mg NH3-N / L och 8,1 till 20,1 mg N / L, respektive. Utförandet av behandlingssystemet utvärderades baserat pådess förmåga att avlägsna ammoniak och totalt kväve och att producera algbiomassa. Medelvärde ± standardavvikelse av ammoniak avlägsnande, fullständigt avlägsnande av kväve och biomassatillväxthastigheter var 0,95 ± 0,3 mg NH3-N / l / dag, 0,89 ± 0,3 mg N / l / dag, och 0,02 ± 0,03 g biomassa / l / dag, respektive. Alla fartyg visade ett positivt samband mellan den initiala ammoniakkoncentrationen och ammoniak avverkning (R2 = 0,76). Jämförelse av processeffektivitet och produktions värden som uppmätts i reaktorer av annan skala kan vara användbara vid bestämning av om lab-skala experimentella data är lämpliga för prediktion av kommersiell skala produktionsvärden.
Introduction
Översättning av bänkskaledata till storskaliga tillämpningar är ett viktigt steg i kommersialiseringen av bioprocesser. Produktionseffektivitet i småskaliga reaktorsystem, särskilt de som fokuserar på användningen av mikroorganismer, har visat sig konsekvent över förutsäga effektiviteten som förekommer i kommersiell skala system 1, 2, 3, 4. Utmaningar finns också i skala upp foto odling av alger och cyanobakterier från laboratorieskala till större system i syfte att tillverka värdefulla produkter, såsom kosmetika och läkemedel, för produktion av biobränslen, och för behandling av avloppsvatten. Efterfrågan på storskalig produktion algbiomassan växer med den framväxande industrin för alger i biobränsle, läkemedel / nutraceuticals, och djurfoder 5. Den metod som beskrivs idetta manuskript syftar till att utvärdera inverkan av ökande skala av en fotosyntetisk reaktorsystem på tillväxt av biomassa hastighet och avlägsnande av näringsämnen. Systemet presenteras här använder alger att sanera lakvatten avloppsvatten men kan anpassas för en mängd olika tillämpningar.
Produktionseffektivitet av storskaliga system ofta förutsägas med hjälp av mindre skaleförsök; dock måste flera faktorer beaktas för att bestämma riktigheten av dessa påståenden, då skala har visat sig påverka prestanda för bioprocesser. Till exempel, Junker (2004) presenterade resultat från en jämförelse mellan åtta olika storlekar jäsningsreaktorer, som sträcker sig från 30 L till 19.000 L, som visade att den faktiska produktiviteten i pilot- eller kommersiella skalor var nästan alltid lägre än de värden förutsägas med hjälp små -Scale studier 4. Skillnader i kärlet dimension, blanda makt, agitation typ, näringskvalitet, och gasöverföring förutsågs att varaviktigaste orsakerna till den minskade produktiviteten fyra. På samma sätt har det visat sig i algtillväxt reaktorer att tillväxten av biomassa och biomassa relaterade produkter är nästan alltid reduceras när skala ökar 6.
Biologiska, fysikaliska och kemiska faktorer förändras med storleken på en reaktor, med många av dessa faktorer som påverkar mikrobiell aktivitet vid små skalor annorlunda än på större skala 2, 7. Eftersom de flesta fullskalesystem för alger, såsom löpbanor dammar, existerar utomhus, är en biologisk faktor att beakta att mikrobiella arter och bakteriofager kan införas från den omgivande miljön, vilka kan ändra de mikrobiella arter närvarande och således den mikrobiella funktion av systemet. Aktiviteten av den mikrobiella miljön kommer också att vara känslig för miljöfaktorer, såsom ljus och temperatur. Mass överföring av gaser och flytande rörelser ärexempel på fysiska faktorer som påverkas i skala upp av mikrobiella processer. Att uppnå perfekt blandning i små reaktorer är lätt; Men med ökande skala, blir det en utmaning att konstruera ideala blandningsförhållanden. Vid större skalor, reaktorer är mer benägna att ha döda zoner, icke-ideal blandning och minskad effektivitet i massöverföring 2. Eftersom alger är fotosyntetiska organismer, måste kommersiell tillväxt hänsyn till förändringar i ljusexponering på grund av förändringar i vattendjup och yta när ökande volym. Hög biomassadensitet och / eller låga överföringshastigheter massa kan orsaka minskad CO 2 koncentrationer och ökade O 2 halter, vilka båda kan leda till tillväxthämning biomassa 8. Kemiska faktorer i ett algtillväxt systemet drivs av pH dynamik vattenmiljön 2, vilket följaktligen påverkas av förändringar i pH-buffrande föreningar, såsom löst CO <sub> 2 och karbonat arter. Dessa faktorer förvärras av komplexa interaktioner mellan de biologiska, fysikaliska och kemiska faktorer, ofta i oförutsägbara sätt 9.
Denna studie visar en parad reaktorsystem som syftar till att reglera och jämföra tillväxtbetingelser i kärl av två olika skalor. Experimentprotokollet fokuserar på att kvantifiera lakvatten behandling och algtillväxt; dock kan det anpassas för att övervaka andra mätvärden såsom förändringar i den mikrobiella miljön över tiden eller CO2 kvarstad potential alger. Protokollet som presenteras här är utformad för att utvärdera effekten av skalan på algtillväxt och avlägsnande av kväve i ett lakvatten behandlingssystemet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Systemets prestanda:
Under en 8-veckors studie, var produktiviteten hos små och stora fartyg i ett system jämförs. I denna studie kväve och ammoniak avverkningshastigheter och biomassa tillväxttakt användes som mått på produktiviteten i behandlingssystemet. Systemet drevs som en semi-satsvis reaktor, där varje vecka drevs under diskreta förhållanden. Representativa resultat redogöra för de första 8 veckorna av systemdriften, men en fullständig undersökning skulle sträcka sig my…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Sand deponering i Felton, DE för att dela sina kunskaper och lakvatten.
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 |
References
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. d. C., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. . Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , (2008).
- Clesceri, L. S., et al. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- . . Statistics for Macintosh v.23.0. , (2015).
- Devore, J. L. . Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
