시스템 설치 및 기본 작업 : Biogas로 유기 폐기물을 변환하는 혐기성 소화조를 지속 - 흔들
Summary
실험실 규모의 혐기성 digesters 과학자 혐기성 생물 공학의 기존 애플 리케이션을 최적화하는 새로운 방법을 연구하고 다양한 유기 폐기물의 메탄 생산 잠재력을 평가할 수 있습니다. 이 문서는 지속적으로 혐기성 소화조를 흔들 실험실 규모의 건설, 접종, 운영 및 모니터링을위한 일반 모델을 소개합니다.
Abstract
무산소 소화 (AD)는 일반적으로 에너지 캐리어 1-3와 같은 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물을 변환하는 데 사용되는 bioprocess입니다. 점점 광고는 4,5 산업, 농업, 그리고 시립 하수 처리 애플 리케이션에게에서 사용하고 있습니다. AD 기술의 사용은 공장 운영자는 폐기물 처리 비용을 절감하고 에너지 유틸리티 비용을 상쇄 수 있습니다. 유기 폐기물을 치료 이외에 에너지 작물은 에너지 캐리어 메탄 6,7로 변환되고있다. AD 기술의 응용 프로그램이 새로운 기판과 공동 기판 혼합 8 치료를 넓혀만큼 조종사와 실험실 규모에서 안정적인 테스트 방법론에 대한 수요를 않습니다.
무산소 소화 시스템은 지속적으로 흔들 탱크 반응기 (CSTR), 플러그 흐름 (PF) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9를 포함하여 다양한 구성을 가지고 </suP>. CSTR은 자주 설계 및 운영의 단순으로 인해 연구에 사용뿐만 아니라 실험에서의 장점입니다. 다른 구성에 비해 CSTR은 온도, 혼합, 화학 농도와 기판 농도와 같은 시스템 매개 변수,보다 균일를 제공합니다. 궁극적으로, 본격적인 원자로를 설계할 때, 최적의 원자로 구성은 다른 많은 nontechnical 고려 사항 가운데 주어진 기판의 성격에 따라 달라집니다. 그러나 모든 구성은 기본적인 디자인 기능과 대부분의 예비 평가에 적합한 CSTR를 렌더링 작동 매개 변수를 공유할 수 있습니다. 연구자 및 엔지니어 고체의 상대적으로 높은 농도로 유입 스트림을 사용하는 경우, 실험실 규모의 생물 반응기 구성은 인해 고체로 실험실 규모의 펌프의 문제를 연결해 혹은 튜브에서 고체의 정착에 지속적으로 먹이 수 없습니다. 연속 혼합 요구 사항이있는 시나리오 들어, 실험실 규모의 bioreactors이 정기적으로 먹이 있습니다우리는 지속적으로 흔들 무산소 digesters (CSADs)와 같은 구성을 참조하십시오.
이 문서는 건설 inoculating, 운영, 그리고 장기적인 혐기성 소화 주어진 유기 기판의 적합성을 테스트하기위한 목적 CSAD 시스템을 모니터링하기위한 일반적인 방법론을 제시합니다. 이 문서의 건설 부분에서는 실험실 규모의 반응기 시스템을 구축 다룰 것입니다. 접종 섹션은 활성 methanogenic inoculum으로 퍼뜨리고 적합 무산소 환경을 만드는 방법을 설명합니다. 운영 섹션 운영, 유지 보수 및 문제 해결에 충당되게됩니다. 모니터링 섹션은 표준 분석을 사용하여 프로토콜을 테스트 소개합니다. 이러한 조치의 사용에 대한 광고 기판 적합성의 신뢰할 수있는 실험적인 평가를 위해 필요합니다. 이 프로토콜은 원자로 고장이 기판에 의한되었다고 결론 지하는 것입니다 AD 연구에서 만든 일반적인 실수에 대해 더 큰 보호를 제공하는데정말 그것이 부적 절한 사용자의 작업 10 살 n은 사용.
Introduction
무산소 소화 (AD)는 에너지 캐리어로서 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물 기판 생물학 중재 변환을 포함하는 성숙한 기술입니다. 에어로빅 치료 10에 비해 최소한의 에너지와 영양소 입력 및 감소 biosolids 생산을 포함하여 무산소 처리의 많은 혜택이 있습니다. 또한, 이러한 시스템에 내재된 혼합 미생물 커뮤니티의 다양성은 feedstocks 11,12 등 적절한 유기 기판의 다양한 렌더링. 실제로, 그것은 광고를위한 애플 리케이션의 증가는 특히 산업, (예, 음식 폐기물)시, 그리고 농업 분야 4,7,13에서 기존의 시립 폐수 처리, 외부에서 채택되고있는 이러한 혜택 때문입니다. 광고는 이전 10 년간의 국가 에너지 위기에 대한 응답으로 1980 년에 최초의 주요 확산 시작가 발생했습니다. 세계는 점점 글로벌 에너지 위기를 맞게 된대로환경 파괴와 함께 결합, 큰 초점은 지금 생물 연료 기술과 특히 폐기물 – 투 – 에너지 개념에 위치하고 있습니다. 예를 들어, 미국에서 혐기성 소화는 총 전력은 8 필요의 5.5 %를 생성할 수 있습니다.
이것은 새로운 유기 폐기물 및 혐기성 소화 14 폐기물 혼합의 적합성을 평가하기 위해 시험과 실험실 규모에서 잘 통제된 실험 연구에 대한 수요가 증가하고있다. 우리는 건설, 접종, 운영, 그리고 강력한 평가 적합 것이다 실험실 규모의 혐기성 소화조의 모니터링을위한 일반적인 모델을 제공하는 것입니다. 무산소 digesters는 여러 구성에 존재합니다. 지속적으로 정기적인 유입 수유와 혐기성 소화조 (CSAD)을 흔들; 플러그 흐름 (PF), upflow 혐기성 슬러지 블랭킷 (U 지속적인 유입 먹이로 탱크 반응기 (CSTR)를 지속 – 흔들 : 몇 가지 일반적인 구성을 포함ASB), 무산소 마이 블랭킷 반응기 (AMBR); 무산소 당황하고 반응 (ABR) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9,15. CSTR과 CSAD 구성이 광범위하게 설치 및 운영 유리한 조건의 용이성으로 인해 실험실 규모의 실험을 위해 채택되었습니다. 때문에 지속적인 혼합 때문에, 유압 체류 시간 (HRT)은 슬러지 체류 시간 (SRT)와 같습니다. SRT는 광고에 대한 중요한 설계 매개 변수입니다. 구성도 있기 때문에 이러한 화학 종의 농도, 온도 및 확산 속도와 같은 매개 변수의 큰 공간적 균일의 통제된 실험에 도움이됩니다. 그것은 혐기성 소화조를위한 최적의 본격적인 구성이 같은 목표 방류수 질과 같은 다른 nontechnical 측면 간의 유기 기판의 특정 물리적, 화학적 특성에 의존하는 그러나, 주목하여야한다. 예를 들어, 상대적으로 높은 가용성 유기 콘텐츠 및 littl로 폐기물 스트림을 희석같은 양조장 폐수와 같은 전자 입자, 일반적으로 높은 속도 upflow의 생물 반응기 구성 (예 : UASB)보다는 CSAD 구성에서 큰 에너지 전환을 경험한다. 에 상관없이 성공적인 소화하고이 구성을 사용하는 일반 explication를 정당화 모든 구성에 관련된 필수적인 기본적인 작동 매개 변수가 없습니다.
실제로, 무산소 미생물의 다양한 개방형 커뮤니티를 포함한 모든 광고 시스템은 메탄 (전자 당 가장 낮은 가능한 자유 에너지와 최종 제품 최종)으로 기판을 순차적을 잘 대사 것입니다. ; acidogenesis, acetogenesis 및 methanogenesis 가수 분해 :이 과정에 참여 대사 경로가 복잡한 음식 느슨하게 네 영양 단계로 분류 웹을 구성합니다. 가수 분해에서는 복잡한 유기 고분자는 (예 : 탄수화물, lipids, 그리고 단백질) hyd에 의해 각각의 단량체 (예 : 설탕, 긴 사슬 지방산의 지방산 및 아미노산)로 세분화된다, fermentative 박테리아를 rolyzing. acidogenesis에서 이러한 단량체는 acetogenesis에 더 정중 5 homoacetogenic 및 의무 수소 생산 세균에 의해 아세테이트와 수소로 산화되어 휘발성 지방산 (VFAs) 및 알콜에 acidogenic 세균에 의해 발효됩니다. methanogenesis의 최종 단계에서 아세테이트 및 수소는 acetoclastic 및 hydrogenotrophic methanogens에 의해 메탄 가스로 대사된다. 그것은 전체 시스템이 최적으로 수행하기 전에 전반적인 AD 과정, 미생물의 여러 단체에 의한 신진 대사의 상호 시리즈에 의존하여, 각 회원의 성공적인 기능에 따라 달라집니다 것을 인식하는 것이 중요합니다. 광고 생물 반응기 시스템의 설계 및 시공은 항상 완전히 생물 반응기를 봉인하기 위해 고려에 요구를해야합니다. 생물 반응기의 상단 (헤드 스페이스를 분리) 또는 가스 처리 시스템에있는 작은 누출을 감지하기 어려울 수 있으며, 따라서 시스템을 대표해야반드시 사용하기 전에 테스트했습니다. 누설없는 설정을 확인한 후, 혐기성 소화조 연구과 실패는 종종 접종 culturing 및 일상적인 작업 동안 오류로부터 줄기. 그 결과, digesters는 본질적으로 불안정하고 예상치 못한 실패하는 경향로서 평판이 있습니다. 왜 본격적인 digesters은 수십 년 13 안정적인 조건에서 운영하는 것으로 다음인가? 실패, 특히 미생물 커뮤니티 천천히 유기 폐기물 조성과 강도에 적응해야하는 동안 시동 기간 동안 운영자가 부적절하게 취급로부터 줄기 가능성이 높습니다. 따라서 우리의 목표는 광고 시스템을 구축하기위한 방법론을 제공만이 아니라, 또한 접종, 운영, 이러한 시스템의 모니터링 프로세스를 명료하게하다합니다.
두 번째 섹션이 활성화 methanog 함께 소화조 접종에 대한 절차를 제공하면서 문서의 첫 번째 섹션은 CSTR이나 CSAD 시스템을 구축하는 방법을 설명합니다enic 바이오 매스. 그것은에서 활성 methanogenic 바이오 매스로 digesters을 예방하는 데 시간이 많이 소요 더 실용적이고 적은 혼합 주류 또는 초기 문화에서 충분한 바이오 매스를 개발하기 위하여보다 유사한 기판을 치료되는 운영 소화조의 방류수. 문서의 세 번째 섹션은 유출물 decanting, 다양한 원자로 문제를 해결하는 등 먹이 기판 같은 운영 고려 사항을 다룰 것입니다. 기판 먹이와이 시스템에 대한 방류수 decanting은 (즉, 주기적으로 먹이와 바이오 매스와 혼합 주류의 대부분은 생물 반응기에서 숙박하면서 decanting) 세미 지속적으로 실시됩니다. 소화조는 먹이 / decanted되는 주파수는 운영자의 특권이다. 일반적으로 먹이 / 더 자주 그리고 정기적으로 decanting 것은 먹이주기 사이의 성능에 큰 소화조의 안정성과 일관성을 증진합니다. 네 번째 섹션은 expe하는 동안 사용되는 기본적인 모니터링 프로토콜을 소개합니다rimental 기간. 물과 폐수 16 (표 1, 2)의 시험 표준 방법에서 설명한 여러 가지 표준 분석은, 기판 및 적절한 시스템 모니터링의 특성화를 위해 필요합니다. 측정된 변수 이외에 감시의 중요한 부분은 소화조 시스템 구성 요소가 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다. 소화조 시스템에 대한 정기적인 유지 보수는 별도 소화조의 장기 성능과 안정성을 위태롭게 할 수있는 주요 시스템 문제를 치는 것입니다. 예를 들어, 온도의 하락으로 이어지는 가열 요소의 실패, methanogens의 신진 대사 속도를 줄임으로써 휘발성 지방산의 축적을 일으킬 수 있습니다. 시스템 methanogens에 대한 억제 수준 위의 산도를 유지하기 위해 충분한 알칼리도가 부족하면 이러한 문제가 혼합됩니다. 그것은 biogas 생산 쥐에서 예상치 드랍스 후 가능한 누수를 탐지하고 닫습 것도 중요네;. 따라서 의한 실험 계획법 내에서 복제, 예를 들어, 정확한 운영 조건 하에서이 bioreactors 나란히을 실행하면 같은 작은 누수와 같은 시스템 오작동에 의해 발생하는 예기치 않은 성능 손실을 감지하는 것이 중요합니다.
Protocol
Discussion
이 기사에서는 혐기성 소화 시스템은 실험적인 맥락에서 일반적인 소개 및 대부분의 기판 치료를 위해 몇 가지 기본적인 지침을 제공합니다. 기판 유형, 소화조 구성, 운영 매개 변수, 또한 이러한 시스템의 기본 혼합 미생물 커뮤니티의 독특한 생태의 다양한 보편적으로 적용할 수있는 하드 양적 통계를 요약 한거야 걸로. 이 모든 변화에도 불구하고, 모든 혐기성 소화 시스템은 누구의 원칙을 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
보조금에 의한 아무;.이 연구는 식량 농업의 국립 연구소 (NIFA), 부여 번호 2007-35504-05381 통해 USDA에 의해 지원되지 않습니다 지원됩니다 USDA NIFA에서 코넬 대학교 농업 실험 역의 연방 공식 기금을 통해 NYSERDA 및 뉴욕 – 123,444에서 58,872.
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 |
References
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