השוואת סולם ב כור מערכת פוטוסינתזה משיקום אצות של שפכים
Summary
מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של קטן (100 ליטר) וגדול (1,000 ליטר) בהיקף כורה המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים על פי בקשה.
Abstract
מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של שני כורים בגדלים שונים המיועדים לטיפול בשפכים. במחקר זה, הסרת אמוניה, סילוק חנקן וצמיחת אצות מושוות במשך 8 שבועות בסטים לזווג של קטן (100 ליטר) וגדולים (1,000 ליטר) כורים המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. תוכן של כורים בקנה מידה קטן וגדול היו מעורבים לפני תחילת כל מרווח בדיקות שבועי כדי לשמור על תנאי התחלה שווה על פני שני סולמות. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים טוב יותר להשוואת תנאים המתרחשים בשני הסולמות. בתקופת 8 שבועות נציג זמן קצר, אמוניה החל וריכוזי חנקן הכולל נע בין 3.1-14 מ"ג NH 3 -N / L, ו 8.1-20.1 מ"ג N / L, בהתאמה. הביצועים של מערכת הטיפול העריכו התבססו עליכולתו כדי להסיר אמוניה חנקן כללי לייצר ביומסה של אצות. ממוצע ± סטיית תקן של הסרת אמוניה, סילוק חנקן כולל ושיעורי צמיחה ביומסה היה 0.95 ± 0.3 מ"ג NH 3 -N / L / יום, 0.89 ± 0.3 מ"ג N / L / יום, ו- 0.02 ± 0.03 גרם ביומסה / L / יום, בהתאמה. כל הכלי הראה כי קיים קשר חיובי בין שיעור הסרת ריכוז אמונית אמוניה הראשוני (R 2 = 0.76). השוואת יעילות תהליך ההפקה נמדדה בכורים לגודל שונה עשויה להיות שימושית בקביעה אם נתוני ניסוי בקנה מידת המעבדה מתאימים תחזית של ערכי הפקה בקנה מידה מסחרית.
Introduction
תרגום של נתוני ספסל בקנה מידה ליישומים בקנה מידה גדולים יותר הוא צעד מפתח המסחור של bioprocesses. יעילות הייצור במערכות הכור בקנה מידה קטן, במיוחד אלה התמקדות השימוש של מיקרואורגניזמים, הוכחו מעל בעקביות לנבא יעילות המתרחשים במערכות בקנה מידה מסחרי 1, 2, 3, 4. אתגרים קיימים גם בגמלון פוטוסינתטיים הטיפוח של אצות כחוליות מסולם במעבדה למערכות גדולות לצורך ייצור מוצרים בעלי ערך גבוה, כגון מוצרי קוסמטיקה ותרופות, לייצור דלק ביולוגי, וכן לטיפול בשפכים. הביקוש לייצור ביומסה אצות בקנה מידה גדול גדל עם תעשיית המתעוררים עבור אצות דלק ביולוגי, תרופות / נוטרה, ובעלי חיים להאכיל 5. המתודולוגיה המתוארתכתב היד הזה נועד להעריך את ההשפעה של הגדלת היקף של כור מערכת פוטוסינתזה על קצב הצמיחה ביומסה והסרה מזינה. המערכת המוצגת כאן משתמשת אץ שמטרתן לתקן התשטיפים שפכים הטמנה אבל יכול להיות מותאם עבור מגוון רחב של יישומים.
יעילות הייצור של מערכות בקנה מידה גדול הם חזו לעתים קרובות באמצעות ניסויים בקנה מידה קטן יותר; עם זאת, מספר גורמים יש לקחת בחשבון כדי לקבוע את רמת הדיוק של תחזיות אלו, כמו סולם הוכח להשפיע על הביצועים של bioprocesses. לדוגמה, יונקר (2004) הציגו תוצאות מהשוואה בין שמונה כורים תסיסה בגדלים שונים, הנעים בין 30 L 19,000 L, אשר הראו כי התפוקה בפועל-מאזני מסחר pilot- או היה כמעט תמיד נמוך יותר הערכים החזויים באמצעות קטנים מחקרים -scale 4. אי שוויון בממד כלי, ערבוב הספקת כוח, סוג התסיסה, איכות מזין, והעברת גז נחזה להיותגורמים עיקריים הפרודוקטיביות 4 הירד. בדומה לכך, הוכח בכורי גידול אצים כי צמיחה ביומסה ומוצרים נלווים ביומסה מופחתים כמעט תמיד כאשר קנו מידה היא גדלה 6.
גורמים ביולוגיים, פיזיים, כימיים לשנות עם בגודל של הכור, עם רבים של גורמים אלה משפיעים פעילות חיידקית בקני מידה קטנים באופן שונה מאשר בקני מידה גדול 2, 7. מאחר שמערכות בהיקף המלא ביותר עבור אצות, כגון ברכות מסילה, קיימים בחוץ, גורם ביולוגי אחד שיש לקחת בחשבון הוא כי מינים ופאג'ים חיידקים ניתן הציגו מהסביבה, אשר עשויים לשנות את המינים של החיידקים נוכחיים ובכך הפונקציה מיקרוביאלי של מערכת. הפעילות של קהילת החיידקים גם תהיה רגישה לגורמים סביבתיים, כגון אור וטמפרטורה. העברות המוניות של גזים ותנועה זורמת הםדוגמאות של גורמים פיזיים כי מושפעים למעלה בסולם של תהליכים מיקרוביאליים. השיג ערבוב אידיאלי בכורים קטנים הוא קל; עם זאת, עם היקף הולך וגדל, הוא הופך להיות אתגר להנדס תנאים אידיאליים ללישה. בקני מידה גדולים, כורים נוטים יותר יש אזורים מתים, ערבוב הלא אידיאלי, יעילות מופחתת ומסה 2. מאז אצות הן אורגניזמים פוטוסינתטיים, צמיחה מסחרית חייבת להביא בחשבון את שינויי חשיפה לאור עקב שינויים בעומק מים ושטח פנים כאשר הם מגבירים את עוצמת קול. צפיפות ביומסה גבוהה ו / או העברת שיעורי מסה נמוכה יכול לגרום לירידה CO 2 ריכוזים וריכוזי O 2 גדל, אשר שניהם עלולה לגרום לעיכוב הצמיחה ביומסה 8. גורמים כימיים במערכת גידול אצות מונעים על ידי הדינמיקה pH של הסביבה המימית 2, המושפע מכך משינויים תרכובות חציצה pH כגון CO מומס <sub> מינים 2 ו קרבונט. גורמים אלה הולכים ומתרבים בגלל יחסי גומלין מורכבים בין הגורמים ביולוגיים, פיסיים, כימיים, לעתים קרובות בדרכים בלתי צפויות 9.
מחקר זה מציג כור מערכת לזווג שנועדה להסדיר ולהשוות תנאי גידול כלי השיט של שני סולמות שונים. פרוטוקול הניסוי מתמקד לכימות טיפול תשטיפים גידול אץ; עם זאת, יכולים להיות מותאם אותו לעקוב אחר מדדים אחרים כגון שינויי קהילת החיידקים לאורך זמן או פוטנציאל קיבוע CO 2 של אצות. הפרוטוקול המובא כאן נועד להעריך את ההשפעה של סולם על צמיחת אצות סילוק חנקן במערכת טיפול תשטיפים.
Protocol
Representative Results
Discussion
ביצועי המערכת:
במהלך מחקר בן 8 שבועות, את הפרודוקטיביות של הכלים קטנה בקנה המידה גדולה במערכת הושוותה. בחנקן במחקר זה ושיעורי הסרת אמוניה ושיעורי הצמיחה ביומסה שימשו כמדדים של הפרודוקטיביות של מערכת הטיפול. המערכת הופעלה כמו כור ח?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות מטמנת Sandtown ב פלטון, DE לשיתוף ידע התשטיפים שלהם.
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).
