Kontinuerligt omrörd anaerob rötkammare för att omvandla organiskt avfall till biogas: System Setup och Basic drift

Summary

Laboratorieskala anaeroba hjälper forskarna att forska fram nya sätt att optimera befintliga tillämpningar av anaerob bioteknik och att utvärdera metan producerar potentialen av olika organiska avfall. Denna artikel introducerar en generell modell för konstruktion, ympning, drift och övervakning av en laboratorieskala kontinuerligt omrörd anaerob rötkammare.

Abstract

Rötning (AD) är en bioprocess som ofta används för att konvertera komplexa organiska avfall till en användbar biogas med metan som energibärare ^1-3. Alltmer har AD används i industri, jordbruk, och kommunalt avfall (vatten) behandling tillämpningar ^4,5. Användningen av AD teknik gör Maskinförare att minska kostnaderna för avfallshantering och offset kostnader energibolag. Förutom att behandla organiskt avfall är energigrödor omvandlas till energibärare metan ^6,7. Eftersom tillämpningen av AD-teknik breddar för behandling av nya substrat och co-substratblandningar ^8, så gör efterfrågan på tillförlitlig testmetod vid pilot-och laboratorieskala.

Anaerob nedbrytning system har en mängd olika konfigurationer, inklusive kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR), pluggflöde (PF), och anaeroba sekvensering satsreaktor (asbr)-konfigurationer ⁹ </sup>. CSTR användes ofta i forskning på grund av dess enkelhet i konstruktion och drift, utan också för dess fördelar i experimenterande. Jämfört med andra konfigurationer åstadkommer CSTR större likformighet av systemparametrar, såsom temperatur, blandning, kemisk koncentration och substratkoncentration. Slutligen, när man utformar en fullskalig reaktor, kommer den optimala konfigurationen reaktorn beror på karaktären av ett givet substrat bland många andra icke-tekniska överväganden. Men alla konfigurationer delar grundläggande design och driftparametrar som gör CSTR lämplig för de flesta preliminära bedömningar. Om forskare och ingenjörer använder en ingående ström med relativt höga koncentrationer av fasta ämnen, kan sedan lab-skala bioreaktor konfigurationer inte ges kontinuerligt på grund av att koppla problem med lab-skala pumpar med fasta ämnen eller sedimentering av fasta ämnen i rör. För detta scenario med kontinuerlig blandning krav, lab-skala bioreaktorer matas regelbundetoch vi hänvisar till sådana konfigurationer som kontinuerligt omrörda anaeroba (CSADs).

I denna artikel presenteras en allmän metod för att konstruera, ympa, driva och övervaka en CSAD system för att testa lämpligheten av en viss organisk substrat för långsiktig anaerob rötning. Konstruktionen i den här artikeln kommer att omfatta byggandet av lab-skala reaktorsystem. Den ympning avsnittet förklarar hur du skapar en anaerob miljö som lämpar sig för sådd med en aktiv metanogena inokulat. Den operativa delen täcker drift, underhåll och felsökning. Övervakningen delen kommer att införa testprotokoll med hjälp av vanliga analyser. Användningen av dessa åtgärder är nödvändiga för tillförlitliga experimentella bedömningar av substrat lämplighet för AD. Detta protokoll bör ge bättre skydd mot vanligt misstag i AD studier, vilket är att dra slutsatsen att reaktorn inte orsakades av substratet in användning, då det verkligen var felaktig användaren drift ^10.

Introduction

Rötning (AD) är en mogen teknik som innebär biologiskt medierad omvandlingen av komplexa organiska avfall substrat till användbara biogas med metan som energibärare. Det finns många fördelar med anaerob behandling, inklusive minimal energi-och näringsämnen och minskad biosolids produktion jämfört med aerob behandling ^10. Dessutom gör den mångsidighet hos det blandade mikrobiella inneboende i dessa system en stor mängd organiska substrat som är lämpliga som utgångsmaterial ^11,12. Det är det på grund av dessa fördelar att ett växande antal ansökningar om AD håller på att antas utanför konventionella kommunalt avloppsvatten, särskilt i industri-och kommunala (t.ex. matavfall) och jordbrukssektorn ^4,7,13. AD upplevde sin första stora spridning början på 1980-talet som svar på den nationella energikris i det föregående årtiondet. När världen står inför en växande global energikris,tillsammans med miljöförstöring, har större fokus nu läggs på biobränsle teknik och avfall till energi koncept i synnerhet. Till exempel i USA, kan rötning generera 5,5% av den totala el behöver ^8.

Detta har ökat efterfrågan på välkontrollerade experimentell forskning på pilot-och laboratorieskala för att bedöma lämpligheten av nya organiska avfall och blandningar avfall för rötning ^14. Vi har för avsikt att skapa en generisk modell för konstruktion, ympning, drift och övervakning av en laboratorieskala anaerob rötkammare som kommer att vara lämpliga för robusta bedömningar. Anaeroba finns i många olika konfigurationer. Några vanliga konfigurationer inkluderar: kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR) med kontinuerlig inkommande matning, kontinuerligt omrörd anaerob kokare (CSAD) med periodisk inkommande matning, pluggflöde (PF), uppströms anaerob slamfilten (UASB), anaerob vandrande filt reaktor (AMBR), anaerob förbryllad reaktor (ABR) och anaerob sekvensering satsvis reaktor (ASBR) konfigurationer ^9,15. CSTR och CSAD konfiguration har stor spridning för laboratorieforskning försök på grund av dess enkla installation och gynnsamma driftsförhållanden. På grund av kontinuerlig blandning, är den hydrauliska retentionstiden (HRT), motsvarande det slam retentionstid (SRT). SRT är det viktigt designen parameter för annonser. Konfigurationen är även bidrar till kontrollerade experiment på grund av en större rumslig enhetlighet av parametrar, såsom koncentrationer kemiska ämnen, temperatur och priser diffusion. Det bör emellertid noteras att den optimala fullskalig konfiguration för en anaerob rötkammare beror på de speciella fysikaliska och kemiska egenskaper hos det organiska substratet bland andra icke-tekniska aspekter, såsom målet utflödet kvalitet. Exempelvis utspädd avfallsströmmar med relativt hög lösligt organiskt material och little partiklar, såsom bryggeri avloppsvatten, vanligtvis upplever större energi omvandling i en hög takt uppströms bioreaktor konfiguration (t.ex. UASB) snarare än en CSAD konfiguration. Oavsett, det finns grundläggande operativa parametrar som är viktigt för en framgångsrik matsmältningen och relevanta för alla konfigurationer, som motiverar en generisk förklaring av att använda denna konfiguration.

I själva verket kommer alla AD som innehåller ett mångsidigt, öppen gemenskap av anaeroba mikrober metabolisera serie substratet till metan (den slutliga slutprodukten med den lägsta möjliga fria energi per elektron). De metaboliska vägar är involverade i denna process utgör ett intrikat näringskedjan löst kategoriseras i fyra trofiska steg: hydrolys, acidogenesis, acetogenesis och metanogenes. I hydrolys, är komplexa organiska polymerer (t ex kolhydrater, lipider och proteiner) bryts ned till sina respektive monomerer (t ex sockerarter, långkedjiga syror fettsyror och aminosyror) genom hydrolyzing, fermenterande bakterier. I acidogenesis är dessa monomerer fermenteras av syrabildande bakterier till flyktiga fettsyror (VFA) och alkoholer, vilka i acetogenesis, vidare oxideras till acetat och väte genom homoacetogenic och obligatorisk väte-producerande bakterier, med respekt ^5. I det slutliga steget av metanbildning, är acetat och väte metaboliseras till metan genom acetoclastic och hydrogenotrophic metanogener. Det är viktigt att inse att den totala AD processen, genom att förlita sig på en sammankopplad serie ämnesomsättning med olika grupper av mikrober kommer att bero på den framgångsrika funktionen för varje medlem innan systemet som helhet kommer att fungera optimalt. Konstruktion och tillverkning av ett AD bioreaktor bör alltid ta hänsyn till kravet på att helt täta bioreaktorn. Små läckor i toppen av bioreaktorn (separera gasutrymme) eller i gas-hanteringssystem kan vara svåra att upptäcka, och därför bör vara tryckSe testas före användning. Efter att ha säkerställt en läcka utan installation, misslyckanden med anaerob rötkammare studier härrör ofta från fel under ympning, odling och dag till dag drift. Som ett resultat, kokare har ett rykte som inneboende instabila och benägna att oväntade fel. Varför är det då att full skala kokare har drivits under stabila förhållanden i årtionden ^13? Misslyckande är sannolikt att härröra från felaktig hantering av operatören, särskilt under startprocessen period under vilken den mikrobiella samhället måste långsamt anpassa sig till det organiska avfallets sammansättning och styrka. Därför är vårt mål inte bara att tillhandahålla metoder för att konstruera en AD system, men också belysa processer ympning, drift och övervakning av dessa system.

Den första delen av artikeln kommer att förklara hur man skall konstruera CSTR eller CSAD system, medan den andra delen kommer att ge ett förfarande för kokare ympning med aktiv methanogENIC biomassa. Det är mer praktiskt och mindre tidskrävande att ympa kokare med aktivt metanogena biomassa från blandade sprit eller utflöde av en operativ kokare som behandlar ett liknande substrat än att försöka utveckla en tillräckligt med biomassa från en begynnande kultur. Den tredje delen av artikeln kommer att omfatta löpande överväganden, såsom utfodring substrat, dekantering avloppsvatten, och felsöka olika reaktorer problem. Utfodring substrat och dekantering avloppsvatten för detta system kommer att ske på en semi-kontinuerlig basis (dvs. periodisk matning och dekantering, medan det mesta av biomassa och blandade vätskan stannar i bioreaktor). Den frekvens som kokaren matas / dekanteras är privilegium operatören. I allmänhet kommer att mata / dekantering oftare och med jämna mellanrum främja större kokare stabilitet och konsekvens i prestanda mellan utfodring cykler. Den fjärde delen kommer att införa en grundläggande övervakning protokoll som skall användas under erfarenhetrimental tidsperiod. Flera vanliga analyser, som beskrivs i standard metoder för undersökning av vatten och avlopp ¹⁶ (tabell 1, 2), kommer att krävas för karakterisering av substratet och korrekt system för övervakning. Förutom de uppmätta variablerna är en viktig aspekt av övervakning för att kontrollera att kokaren systemkomponenter fungerar korrekt. Regelbundet underhåll kokaren systemet föregripa stora system problem som annars skulle kunna äventyra den långsiktiga prestanda och stabilitet i kokaren. Exempelvis skulle ett fel på värmeelementet, vilket leder till en minskning i temperatur, orsakar en ackumulering av flyktiga fettsyror genom att reducera den metaboliska hastigheten i metanogener. Detta problem skulle förvärras om systemet saknade tillräcklig alkalinitet för att upprätthålla pH över hämmande nivåer för metanogener. Det är också viktigt att upptäcka och stänga eventuella läckor efter oväntade nedgångar i produktion av biogas råttaes. Därför dubbelarbete inom den experimentella design av till exempel köra två bioreaktorer sida vid sida under de exakta förhållanden är viktigt att upptäcka oväntade prestanda förluster orsakade av Felfunktioner, såsom små läckor.

Protocol

1. Rötkammare Konstruktion Välj en kokare kärl som innehåller alla funktioner som visas i figur. 1 (en kon är inte nödvändigt), och önskad arbetsvolym (vanligtvis mellan 1-10 L). Om din kokare fartyget inte är utrustat med en uppvärmd-vattenmantel, placera kokaren i någon annan temperatur-kontrollerad miljö, såsom en uppvärmd vattenbad eller inkubationskammaren. Fästa kärlet i en vertikal position i ett område med tillräcklig horisontell bänk utrymme för placerin…

Discussion

Rötning system som presenteras i denna artikel ger en allmän introduktion och några grundläggande riktlinjer för behandling av de flesta underlag i en experimentell sammanhang. Den stora variationen av substrat typer, rötkammaren konfigurationer, driftsparametrar, och även den unika ekologi blandade mikrobiella bakom dessa system utesluter beskriver hårda kvantitativa mått som kan tillämpas universellt. Trots allt detta variation, alla anaerob nedbrytning system följer en väldefinierad rad biologiska nedbryt…

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