ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית
Summary
מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות עוררה digester אנאירובי.
Abstract
עיכול אנאירובי (AD) היא Bioprocess המשמש בדרך כלל להמיר פסולת אורגניות מורכבות לתוך ביוגז שימושיים עם מתאן הספק האנרגיה 1-3. יותר ויותר לספירה נמצא בשימוש פסולת תעשייתי, חקלאי, ועירוניים (מים) במהלך טיפולים 4,5. השימוש בטכנולוגיה מאפשר לספירה מפעילי תחנת להפחית עלויות סילוק פסולת השירות לקזז הוצאות האנרגיה. בנוסף לטיפול פסולת אורגנית, גידולי האנרגיה נמצאים להמרה מתאן האנרגיה המוביל 6,7. כמו יישום של טכנולוגיית לספירה מרחיב לטיפול של מצעים חדשים ושיתוף המצע תערובות 8, כך גם הביקוש מתודולוגיה בדיקות אמין על הטייס ואת קנה המידה-במעבדה.
מערכות עיכול אנאירובי יש מגוון של תצורות, כולל הכור הטנק זז כל הזמן (CSTR), זרימת תקע (PF), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9 </sup>. CSTR משמש לעתים קרובות במחקר, בשל הפשטות בתכנון המבצע, אלא גם על יתרונותיה של ניסויים. לעומת תצורות אחרות, CSTR מספק אחידות רבה יותר של פרמטרים במערכת, כגון טמפרטורה, ריכוז ערבוב, כימיים, ריכוז המצע. בסופו של דבר, בעת תכנון הכור בקנה מידה מלא, תצורת הכור האופטימלי יהיה תלוי אופיו של מצע מסוים בין שיקולים רבים אחרים פחות טכניים. עם זאת, תצורות לשתף את כל תכונות עיצוב בסיסיות ופרמטרים ההפעלה להבהיר את CSTR מתאים הערכות ראשוניות ביותר. אם חוקרים ומהנדסים להשתמש בזרם influent עם ריכוזים גבוהים יחסית של מוצקים, אז במעבדה בקנה מידה תצורות bioreactor לא ניתן להגיש ברציפות עקב בעיות חיבור של המעבדה בהיקף משאבות עם מוצקים או שיקוע של מוצקים בצינור. עבור תרחיש זה עם דרישות ערבוב רציף, מעבדה בקנה מידה bioreactors ניזונים מעת לעתואנחנו מתייחסים תצורות כגון digesters אנאירוביים שהסעירו ברציפות (CSADs).
מאמר זה מציג מתודולוגיה כללית בנייה, יחסנו, הפעלה ופיקוח על מערכת CSAD לצורך בדיקת התאמתם של מצע אורגני ניתן לעיכול ארוך טווח אנאירובי. בסעיף הבנייה של מאמר זה יכסה בניית מערכת המעבדה בהיקף הכור. סעיף חיסון יסביר כיצד ליצור סביבה אנאירובית מתאים עם זריעת הבידוד methanogenic פעיל. סעיף ההפעלה יכסה, תפעול ותחזוקה, ופתרון בעיות. בסעיף בקרה יציג בדיקות פרוטוקולים באמצעות ניתוח סטנדרטי. השימוש באמצעים אלה הוא הכרחי עבור הערכות ניסיוניים אמינים של התאמה מצע של אלצהיימר. פרוטוקול זה אמור לספק הגנה טובה יותר מפני טעות נפוצה שנעשו מחקרים לספירה, שהיא להסיק כישלון כור נגרם על ידי המצע אניהשימוש n, כאשר באמת זה היה מבצע המשתמש לא נאות 10.
Introduction
עיכול אנאירובי (AD) היא טכנולוגיה בשלה מעורבים בתיווך המרה ביולוגית של מורכבות מצעים פסולת אורגנית אל תוך ביוגז שימושיים עם מתאן כנשא אנרגיה. ישנם יתרונות רבים של טיפול אנאירובי, כולל אנרגיה מינימלית ותשומות מזין מופחת ייצור biosolids בהשוואה לטיפול אירובית 10. בנוסף, את הרבגוניות של קהילת חיידקים מעורבת הגלום במערכות אלו הופך מגוון רחב של מצעים אורגניים מתאימים כמו ממקורות 11,12. אכן, בשל היתרונות הללו, כי מספר גדל והולך של יישומים עבור לספירה הם מאומצים מחוץ טיפול קונבנציונלי שפכים עירוניים, בעיקר את ענפי התעשייה, עירוניים (כגון: פסולת מזון), וחקלאי 4,7,13. AD חווה תחילת התפשטות הגדול הראשון שלה בשנת 1980 בתגובה למשבר האנרגיה הלאומית של העשור הקודם. כל העולם עומד בפני משבר האנרגיה העולמי הולך וגדל,יחד עם הידרדרות הסביבה, התמקדות רבה יותר בימים אלה מונחת על טכנולוגיות דלק ביולוגי ואת המושג פסולת אל האנרגיה בפרט. לדוגמה, בארצות הברית, עיכול אנאירובי יכולים להפיק 5.5% של החשמל בסך הכל צריך 8.
זו הגדילה את הביקוש מחקר מבוקר היטב ניסיוני ב הטייס ואת בקנה מידה מעבדה כדי לבחון את התאמת חדשים חומרי פסולת אורגנית ותערובות פסולת עבור עיכול אנאירובי 14. אנו מתכוונים לספק מודל גנרי בנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של digester מעבדה בקנה מידה אנאירובי כי יהיה מתאים הערכות חזקים. Digesters אנאירוביים קיים בתצורות שונות. כמה תצורות נפוצות כוללות: ברציפות, עוררה הכור מיכל (CSTR) עם האכלה influent מתמשך, רצוף עורר digester אנאירובי (CSAD) עם האכלה influent תקופתי; זרימת תקע (PF), שמיכה upflow בוצה אנארוביים (UASB); נודדות אנאירובי שמיכה כור (AMBR); הכור מבולבל אנאירובי (ABR), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9,15. תצורת CSTR ו CSAD אומצו באופן נרחב על מעבדת ניסויים בקנה מידה בגלל קלות ההתקנה בתנאי הפעלה נוחים. בגלל ערבוב רציף, זמן השמירה הידראולי (HRT) שווה לזמן בוצה השמירה (SRT). SRT היא פרמטר חשוב בעיצוב מודעות. התצורה היא גם תורמת ניסויים מבוקרים בשל אחידות מרחבית גדולה יותר של פרמטרים, כגון מינים ריכוזים כימיים, טמפרטורה, ושיעורי דיפוזיה. יש לציין, עם זאת, תצורה האופטימלי בקנה מידה מלא של digester אנאירובי תלוי התכונות הפיסיקליות והכימיות המיוחדות של המצע האורגני בין היבטים פחות טכניים אחרים, כגון איכות השפכים היעד. כך, למשל, לדלל זרמים פסולת עם תכולה גבוהה יחסית littl אורגני מסיסחלקיקים אלקטרוניים, כגון מבשלת שפכים, בדרך כלל חווים המרת אנרגיה רבה יותר תצורה גבוהה שיעור upflow bioreactor (למשל, UASB) ולא תצורת CSAD. ללא קשר, יש פרמטרים ההפעלה הבסיסיים החיוניים לעיכול מוצלח ורלוונטי לכל התצורות, המצדיקים בהסבר כללי השימוש בתצורה זו.
אכן, בכל מערכת לספירה ובה קהילה מגוונת, פתוחה של חיידקים אנאירוביים יהיה סדרתי לעכל את המצע כדי מתאן (סופי המוצר הסופי עם האנרגיה הנמוכה ביותר פנוי לכל אלקטרונים). על מסלולים מטבוליים המעורבים בתהליך זה מהווה מארג מזון מורכב מסווג באופן רופף לארבעה שלבים trophic: הידרוליזה; acidogenesis; acetogenesis וכן methanogenesis. ב הידרוליזה, פולימרים אורגניים מורכבים (למשל, פחמימות, שומנים וחלבונים) מפורקים על מונומרים של כל אחד מהם (למשל, סוכרים, ארוכות שרשרת חומצות שומן וחומצות אמינו) על ידי hydrolyzing, חיידקים תסיסה. ב acidogenesis, מונומרים אלה מותסס על ידי חיידקים acidogenic לחומצות שומן נדיפות (VFAs) ו אלכוהול, אשר acetogenesis, הם מתחמצנים עוד יותר אצטט ומימן על ידי מימן לייצור חיידקים homoacetogenic ומחייב, בכבוד 5. בשלב האחרון של methanogenesis, אצטט ומימן עוברים מטבוליזם על ידי מתאן methanogens acetoclastic ו hydrogenotrophic. חשוב להבין כי תהליך לספירה הכללית, על ידי הסתמכות על סדרת ביניהם של חילוף חומרים על ידי קבוצות שונות של חיידקים, יהיה תלוי בתפקוד מוצלח של כל חבר לפני המערכת כולה יהיה לבצע בצורה אופטימלית. עיצוב ובנייה של מערכת bioreactor לספירה צריך תמיד לקחת בחשבון את הדרישה כדי לאטום לחלוטין bioreactor. דליפות קטנות העליון של bioreactor (הפרדת אמיץ) או במערכת הגז הטיפול עלול להיות קשה לזהות, ולכן המערכת צריכה להיות פרהנבדק בטוח לפני השימוש. לאחר הבטחת ההתקנה ללא דליפה, כשלים עם מחקרים digester אנאירובי קרובות נובעות שגיאות במהלך חיסון, culturing, ואת היום יום המבצע. כתוצאה מכך, digesters יש מוניטין של להיות לא יציב באופן מהותי ונוטים כישלון צפוי. למה זה אז בקנה מידה מלא digesters כבר פעלו בתנאים יציבים במשך עשרות שנים 13? כישלון הוא עשוי לנבוע טיפול לא נכון על ידי המפעיל, במיוחד בתקופת ההפעלה שבהן הקהילה חיידקים חייב להסתגל לאט להרכב פסולת אורגנית חוזק. לכן, המטרה שלנו היא לא רק לספק מתודולוגיה לבניית מערכת לספירה, אבל גם כדי להבהיר את תהליכי חיסון, הפעלה וניטור של מערכות אלה.
בחלק הראשון של המאמר יסביר כיצד לבנות CSTR או מערכת CSAD, בעוד החלק השני יספק הליך digester עם חיסון פעיל methanogenic ביומסה. זה מעשי יותר ופחות זמן רב כדי לחסן digesters עם ביומסה methanogenic פעיל מ מעורב אלכוהול או שפכים של digester ההפעלה היא טיפול מצע דומה, מאשר לנסות לפתח ביומסה מספיק מהתרבות המתהווה. החלק השלישי של המאמר יכסה שיקולים הפעלה, כגון מצע האכלה, decanting בשפכים, וכן פתרון בעיות הכור שונים. האכלה המצע decanting בשפכים עבור מערכת זו תתבצע על בסיס חצי רציפה (כלומר, האכלה תקופתית decanting בעוד רוב ביומסה ומשקאות חריפים מעורבת נשאר bioreactor). התדירות שבה digester מוזן / יצק הוא בסמכותו של המפעיל. באופן כללי, הזנת / decanting תכופה יותר במרווחים קבועים תקדם יציבות digester יותר עקביות בביצועים בין מחזורי האכלה. השער הרביעי יציג פרוטוקול ניטור בסיסי לשמש במהלך experimental נקודה. ניתוח רגיל, כמה, אשר המתוארים השיטות הסטנדרטיות לבדיקת מים ושפכים 16 (טבלה 1, 2), יידרש לאפיון של המצע ואת מערכת ניטור תקין. בנוסף המשתנים הנמדדים, היבט חשוב של פיקוח הוא לבדוק את רכיבי המערכת digester מתפקד כיאות. תחזוקה שוטפת למערכת digester שתסכל בעיות במערכת הגדולות שעלולות לסכן את הביצועים לאורך זמן ואת היציבות של digester. לדוגמה, כשל של גוף החימום, מה שמוביל לירידה בטמפרטורה, עלול לגרום הצטברות של חומצות שומן נדיפות על ידי הפחתת קצב חילוף החומרים של methanogens. בעיה זו יהיה מורכב אם המערכת חסרה בסיסיות מספיק כדי לשמור על רמות pH מעל מעכבות עבור methanogens. כמו כן, חשוב לזהות ולסגור דליפות אפשריות לאחר ירידות בלתי צפויות עכברוש ייצור ביוגזES. לכן, שכפול בתוך עיצוב ניסיוני על ידי, למשל, פועל שני bioreactors Side-by-side ובתנאי עבודה מדויקים, חשוב לזהות הפסדים גבוהים צפויים שנגרמו על ידי תקלות במערכת, כגון דליפות קטנות.
Protocol
Discussion
מערכת עיכול אנאירובי שהוצג במאמר זה מספק מבוא כללי ועוד כמה הנחיות בסיסיות לטיפול ברוב מצעים במסגרת ניסיונית. מגוון רחב של סוגי המצע, תצורות digester, פרמטרים הפועלים, וכן את האקולוגיה הייחודית של הקהילה מעורבים חיידקים אלה שבבסיס מערכות מונע מתאר מדדים כמותיים קשיחים, ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך נתמך על ידי משרד החקלאות האמריקאי באמצעות המכון הלאומי המזון והחקלאות (NIFA), מספר מענק 2007-35504-05381, על ידי מענק לא. 58872 מ NYSERDA ו-NYC 123444 באמצעות כספים פדרליים אוניברסיטת קורנל תחנה חקלאית של ניסוי נוסחה NIFA USDA.
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 |
Referências
- Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. Solids retention in anaerobic waste treatment systems. J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).
- McCarty, P. L., Smith, D. P. Anaerobic wastewater treatment. Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).
- Lettinga, G. Anaerobic digestion and wastewater treatment systems. Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).
- De Baere, L. Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art. Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).
- Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Domínguez-Espinosa, R. Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).
- Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. Methane fermentation of energy crops – maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification. Biomass & Bioenergy. 5, 261-278 (1993).
- Weiland, P. Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany. Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).
- Zaks, D. P. M. Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy. Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).
- Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf & Eddy. , (2003).
- Speece, R. E. . Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. , (1996).
- Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. Mixed culture biotechnology for bioenergy production. Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).
- Angenent, L. T., Wrenn, B. A., Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. Chp. 15. Bioenergy. , (2008).
- Werner, J. J. Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).
- Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).
- Hoffmann, R. Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure. Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).
- Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review. Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).
