Continua-mosse digestore anaerobico per convertire i rifiuti organici in biogas: configurazione del sistema e funzionamento di base

Summary

Digestori anaerobici su scala di laboratorio permetterà agli scienziati di ricercare nuovi modi di ottimizzare le applicazioni esistenti della biotecnologia anaerobica e per valutare il potenziale di produzione del metano vari rifiuti organici. Questo articolo introduce un modello generalizzato per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di un laboratorio su scala continuamente agitata digestore anaerobico.

Abstract

Digestione anaerobica (AD) è una bioprocesso che viene comunemente utilizzato per convertire i rifiuti organici complessi in un biogas utili con il metano come vettore energetico ^1-3. Sempre più spesso, AD viene utilizzato in campo industriale, rifiuti agricoli, e comunali (acqua) applicazioni di trattamento ^4,5. L'uso della tecnologia AD consente agli operatori di ridurre i costi degli impianti di smaltimento dei rifiuti e di compensare le spese di utilità di energia. Oltre al trattamento dei rifiuti organici, colture energetiche sono stati trasformati in metano vettore energetico ^6,7. Poiché l'applicazione della tecnologia AD amplia per il trattamento di nuovi substrati e co-substrato miscele ^8, anche la domanda per una metodologia di test affidabile al pilota e su scala di laboratorio.

Sistemi di digestione anaerobica hanno una varietà di configurazioni, tra cui il reattore a serbatoio agitato continuo (CSTR), con flusso a pistone (PF), e anaerobica reattore batch sequenziamento (ASBR) ⁹ configurazioni </sup>. Il CSTR viene frequentemente utilizzato nella ricerca per la sua semplicità di progettazione e di funzionamento, ma anche per i suoi vantaggi in sperimentazione. Rispetto ad altre configurazioni, il CSTR fornisce una maggiore uniformità di parametri di sistema, quali la temperatura, miscelazione, concentrazione chimica, e la concentrazione del substrato. In definitiva, quando si progetta una scala reattore, la configurazione del reattore ottimale dipenderà dal carattere di un dato substrato tra le molte altre considerazioni non tecnici. Tuttavia, tutte le configurazioni condividono caratteristiche di progettazione fondamentali e parametri di funzionamento che rendono il CSTR appropriato per valutazioni più preliminari. Se i ricercatori e gli ingegneri utilizzano un flusso influente con concentrazioni relativamente alte di solidi, poi lab scala configurazioni bioreattore non può essere alimentato in continuo a causa di problemi di collegare lab scala pompe con i solidi o di sedimentazione dei solidi in tubi. Per questo scenario con continue richieste di miscelazione, di laboratorio su scala bioreattori sono alimentati periodicamentee ci riferiamo alle configurazioni quali continuamente agitata digestori anaerobici (CSADs).

Questo articolo presenta una metodologia generale per la costruzione, inoculare, il funzionamento e monitoraggio di un sistema di CSAD allo scopo di verificare l'idoneità di un determinato substrato organico a lungo termine digestione anaerobica. La sezione di costruzione di questo articolo tratterà la costruzione del laboratorio di scala del sistema reattore. La sezione inoculazione spiegherà come creare un ambiente anaerobico adatto per la semina con un inoculo attivo metanogenica. La sezione operativa riguarderà gestione, manutenzione e risoluzione dei problemi. La sezione di controllo introdurrà protocolli di prova usando analisi standard. L'uso di queste misure è necessario per le valutazioni affidabili sperimentali di idoneità substrato per l'AD. Questo protocollo dovrebbe fornire una maggiore protezione nei confronti di un errore comune negli studi AD, che è quello di concludere che il guasto del reattore è stato causato dal substrato in uso, quando in realtà era improprio utilizzo da parte dell'utente ^10.

Introduction

Digestione anaerobica (AD) è una tecnologia matura che coinvolge la conversione biologicamente mediata di complessi supporti rifiuti organici in biogas utili con il metano come vettore energetico. Ci sono molti vantaggi di trattamento anaerobico, compresa l'energia minima e nutrienti e la riduzione della produzione biosolidi rispetto al trattamento aerobico ^10. Inoltre, la versatilità della comunità microbica mista inerente a questi sistemi rende un'ampia varietà di substrati organici idonei come materie prime ^11,12. Infatti, è a causa di questi benefici che un numero crescente di domande di AD sono in corso di adozione al di fuori del convenzionale per il trattamento acque reflue urbane, in particolare nei settori industriale, comunali (per esempio, i rifiuti alimentari), ^4,7,13 e agricoli. AD ha conosciuto il suo primo inizio la proliferazione importante nel 1980 in risposta alla crisi energetica nazionale del decennio precedente. Mentre il mondo affronta una crescente crisi energetica globale,accoppiato con il degrado ambientale, una maggiore attenzione viene ora posta sulle tecnologie dei biocarburanti e dei rifiuti-to-energy concept in particolare. Ad esempio, negli Stati Uniti, digestione anaerobica può generare 5,5% della potenza elettrica totale deve ^8.

Questo ha aumentato la domanda di ben controllati di ricerca sperimentale al pilota e su scala di laboratorio per valutare l'idoneità dei nuovi materiali rifiuti organici e miscele di rifiuti per la digestione anaerobica ^14. Abbiamo intenzione di fornire un modello generico per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di una scala di laboratorio digestore anaerobico che sarà adatto per le valutazioni robuste. Digestori anaerobici esistono in molte configurazioni differenti. Alcune configurazioni comuni includono: continua-reattore agitato serbatoio (CSTR), con alimentazione continua influente; continuamente agitata digestore anaerobico (CSAD) con alimentazione periodica influente; plug flow (PF), coperta di fanghi risalita anaerobica (UASB); reattore anaerobico coperta migrazione (Ambr); reattore anaerobico sconcertato (ABR), ed anaerobici reattore batch sequenziamento (ASBR) configurazioni ^9,15. La configurazione CSTR e CSAD sono stati ampiamente adottati per esperimenti su scala di laboratorio a causa della sua facilità di installazione e le condizioni operative favorevoli. A causa di miscelazione continua, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) è uguale al tempo di ritenzione dei fanghi (SRT). La SRT è il parametro di progetto importante per gli annunci. La configurazione è anche favorevole esperimenti controllati a causa di una maggiore uniformità spaziale di parametri, quali le concentrazioni specie chimiche, temperatura e velocità di diffusione. Va notato, tuttavia, che l'ottimale scala configurazione per un digestore anaerobico dipende dalle particolari caratteristiche fisiche e chimiche del substrato organico tra gli altri aspetti non tecnici, quali la qualità bersaglio effluenti. Per esempio, diluire i flussi di rifiuti con relativamente alto contenuto organico solubile e littlparticolati elettronici, quali birra acque reflue, tipicamente esperienza di conversione energetica in un alto tasso di flusso ascendente bioreattore configurazione (ad esempio, UASB) piuttosto che una configurazione CSAD. Indipendentemente da ciò, ci sono parametri fondamentali di funzionamento che sono essenziali per la digestione di successo e rilevanti per tutte le configurazioni, che giustificano una spiegazione generica di utilizzare questa configurazione.

Infatti, ogni sistema AD contenente una società diversa, comunità aperta di microbi anaerobici serie metabolizzare il substrato a metano (la finale prodotto finale con il più basso l'energia disponibile gratuitamente per elettrone). Le vie metaboliche coinvolte in questo processo costituisce un'intricata rete alimentare liberamente suddivisi in quattro livelli trofici: idrolisi, acidogenesi, acetogenesis e metanogenesi. In idrolisi, complessi polimeri organici (ad esempio, carboidrati, lipidi e proteine) sono suddivisi al loro rispettivi monomeri (ad esempio, zuccheri, a catena lunga acidi grassi e amminoacidi) da hydrolyzing, batteri fermentativi. In acidogenesi, questi monomeri sono fermentato dai batteri acidogeni di acidi grassi volatili (VFAs) e alcoli, che in acetogenesis, vengono ulteriormente ossidati acetato e idrogeno da homoacetogenic e obbligatoria idrogeno batteri produttori, rispetto ^5. Nel passaggio finale di metanogenesi, acetato e idrogeno sono metabolizzati a metano da methanogens acetoclastic e hydrogenotrophic. È importante riconoscere che il processo complessivo AD, basandosi su una serie interconnessa di metabolismi gruppi differenti di microbi, dipende dalla funzione di successo di ciascun membro prima che il sistema nel suo complesso prestazioni ottimali. La progettazione e la costruzione di un sistema di bioreattore AD dovrebbe sempre prendere in considerazione l'obbligo di sigillare completamente il bioreattore. Piccole perdite nella parte superiore del bioreattore (separa lo spazio di testa) o nel sistema di trattamento del gas può essere difficile da rilevare, e quindi il sistema deve essere presAssicurarsi testato prima dell'uso. Dopo aver verificato una perdita di installazione senza, guasti, con studi digestore anaerobico spesso derivano da errori durante l 'inoculazione, la coltura, e giorno per giorno il funzionamento. Come risultato, digestori hanno la reputazione di essere intrinsecamente instabile e soggetta a guasti improvvisi. Perché è allora che su vasta scala digestori sono stati operati in condizioni stabili per ¹³ anni? Il fallimento è probabile che derivano da un uso improprio da parte dell'operatore, in particolare durante il periodo di avvio durante il quale la comunità microbica deve ambientarsi lentamente alla composizione dei rifiuti organici e la forza. Pertanto, il nostro obiettivo non è solo quello di fornire una metodologia per la costruzione di un sistema di AD, ma anche per chiarire i processi di inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di questi sistemi.

La prima sezione di questo articolo vi spiegherà come costruire il CSTR o il sistema CSAD, mentre la seconda sezione fornisce una procedura per l'inoculazione con digestore attiva methanogbiomassa ENIC. E 'più pratico e meno tempo per inoculare digestori con biomassa attiva metanogenica dalla mixed-liquore o effluenti di un digestore operativo che sta trattando un substrato simile piuttosto che tentare di sviluppare una biomassa sufficiente da una cultura incipiente. La terza sezione di questo articolo copre le considerazioni operative, come substrato l'alimentazione, la decantazione degli effluenti, e la risoluzione dei vari problemi del reattore. Alimentazione substrato e decantazione degli effluenti per questo sistema sarà condotta su una base semi-continuo (ad esempio, l'alimentazione periodica e decantazione mentre la maggior parte della biomassa e mixed liquor rimane nel bioreattore). La frequenza in cui viene alimentato il digestivo / decantato è prerogativa dell'operatore. In generale, l'alimentazione / decantazione più frequentemente e ad intervalli regolari intende promuovere una maggiore stabilità del digestore e coerenza nelle prestazioni tra i cicli di alimentazione. La quarta sezione introdurrà un protocollo di controllo di base da utilizzare durante la esperienzerimental periodo. Diverse analisi standard, che sono illustrate nella Standard Methods per l'analisi dell'acqua e delle acque reflue ¹⁶ (Tabella 1, 2), sarà richiesto per la caratterizzazione del substrato e sistema di monitoraggio adeguato. In aggiunta alle variabili misurate, un aspetto importante di controllo è di verificare che i componenti del sistema digestivo funzionino correttamente. La manutenzione periodica del sistema digestivo prevenire i problemi principali del sistema che potrebbero altrimenti compromettere la prestazioni a lungo termine e la stabilità del digestore. Ad esempio, un guasto dell'elemento riscaldante, portando ad una diminuzione della temperatura, potrebbe causare l'accumulo di acidi grassi volatili, riducendo il tasso metabolico di methanogens. Questo problema potrebbe essere aggravato se il sistema mancava alcalinità sufficiente per mantenere il pH sopra livelli inibitori per methanogens. E 'anche importante rilevare e chiudere eventuali perdite dopo cadute inattese nel ratto la produzione di biogases. Pertanto, duplicazione nel disegno sperimentale, ad esempio, l'esecuzione due bioreattori side-by-side nelle condizioni operative esatte, è importante rilevare perdite di prestazioni inattese causate da malfunzionamenti del sistema, come piccole perdite.

Protocol

1. Digester Construction Selezionare un vaso digestivo che contiene tutte le caratteristiche illustrate in Fig. 1 (un cono non è necessario), e il volume di lavoro desiderata (in genere tra 1-10 L). Se l'imbarcazione digestivo non è dotato di una camicia di acqua riscaldata-, posizionare il digestivo in qualche altro ambiente a temperatura controllata, ad esempio un bagno d'acqua riscaldata o camera di incubazione. Fissare la nave in posizione verticale in una zona con suf…

Discussion

Il sistema di digestione anaerobica presentato in questo articolo fornisce una introduzione generale e alcune linee guida di base per il trattamento della maggior parte dei substrati in un contesto sperimentale. L'ampia varietà di tipi di substrato, configurazioni digestivo, i parametri operativi e anche l'ecologia unica della comunità microbica mista alla base di questi sistemi esclude che delinea rigidi parametri quantitativi, che possono essere applicati universalmente. Nonostante questa variabilità, tutti…

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