Vergleich von Scale in einer Photosynthetic Reaktorsystem für Algal Sanierung von Abwasser
Summary
Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von kleinen (100 L) und große (1.000 L) -Skala Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponieabwasser entwickelt zu vergleichen. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können je nach Anwendung angepasst werden.
Abstract
Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von zwei unterschiedlich großen Reaktoren für die Abwasserbehandlung entwickelt, zu vergleichen. In dieser Studie, Ammoniakentfernung, Stickstoffentfernung und das Algenwachstum verglichen werden über eine Dauer von 8 Wochen paar Sätze von kleinen (100 L) und große (1.000 L) Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponien Abwasser entwickelt. Inhalt der kleinen und großen Reaktoren vermischt wurden, bevor die zu Beginn eines jeden Wochentestintervall äquivalent Anfangsbedingungen für die beiden Skalen zu halten. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können eingestellt werden, um bessere Bedingungen entzerren an beiden Skalen auftreten. Während der kurzen 8-Wochen repräsentativen Zeitraum, ausgehend von Ammoniak und Gesamtstickstoffkonzentration lag im Bereich von 3,1 bis 14 mg NH 3 -N / L und 8,1 bis 20,1 mg N / L, respectively. Die Leistung des Behandlungssystems wurde bewertet, basierend aufseine Fähigkeit, Ammoniak und Gesamtstickstoff zu entfernen und Algenbiomasse zu erzeugen. Mittelwert ± Standardabweichung von Ammoniak – Entfernung, Gesamtstickstoffentfernung und Biomasse Wachstumsraten waren 0,95 ± 0,3 mg NH 3 -N / l / Tag, 0,89 ± 0,3 mg N / l / Tag und 0,02 ± 0,03 g Biomasse / l / Tag, beziehungsweise. Alle Gefäße zeigten eine positive Beziehung zwischen der anfänglichen Ammoniakkonzentration und Ammoniak – Entfernungsrate (R 2 = 0,76). Vergleich von Prozesseffizienz und Produktionswerte gemessen in Reaktoren unterschiedlicher Skala kann nützlich sein bei der Bestimmung, ob im Labormaßstab experimentellen Daten für die Vorhersage von kommerziellen Maßstab Produktionswerte angemessen ist.
Introduction
Übersetzung im Labormaßstab Daten zu größeren Maßstab Anwendungen ist ein wichtiger Schritt bei der Kommerzialisierung von Bioprozessen. Produktionseffizienzen in kleinen Reaktorsysteme, insbesondere jene auf der Verwendung von Mikroorganismen konzentriert wurden Wirkungsgrade gezeigt , konsequent über vorherzusagen , in kommerziellem Maßstab Systemen auftretende 1, 2, 3, 4. Herausforderungen gibt es auch photo Kultivierung von Algen und Cyanobakterien vom Labormaßstab auf größere Systeme zum Zweck der Herstellung hochwertiger Produkte wie Kosmetika in die Aufstockung und Pharmazeutika, zur Herstellung von Biokraftstoffen, und für die Behandlung von Abwasser. Die Nachfrage nach großflächigen Algenbiomasseproduktion wächst mit der aufstrebenden Industrie für Algen in Biokraftstoff, Pharma / Nutrazeutika und Viehfutter 5. Die Methodik beschrieben indieses Manuskript zielt darauf ab, den Einfluss der zunehmende Ausmaß eines photoReaktorSystems auf Biomassewachstum und Nährstoffentfernung zu bewerten. Das hier vorgestellte System nutzt Algen Deponiesickerwasser Abwasser zu sanieren, sondern kann für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden.
Produktionseffizienz von Großanlagen werden häufig mit kleineren Maßstab Experimente vorhergesagt; jedoch müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die Genauigkeit dieser Prognosen zu bestimmen, als Maßstab die Leistung von Bioprozessen beeinflussen gezeigt wurde. Zum Beispiel Junker (2004) vorgestellten Ergebnisse aus einem Vergleich der acht unterschiedlich großen Fermentationsreaktoren im Bereich von 30 l bis 19.000 l, was zeigte, dass tatsächliche Produktivität bei Pilot- oder kommerzielle Skalen war fast immer niedriger als die Werte mit kleinen vorhergesagt -Skala Studien 4. Ungleichungen in Gefäß Dimension, Mischleistung, Bewegungstyp, Nährstoffqualität und Gastransfer wurden die vorhergesagt werdenHauptursachen für die verminderte Produktivität 4. In ähnlicher Weise hat sich in der Algenwachstum Reaktoren gezeigt , dass Wachstum der Biomasse und Biomasse bezogene Produkte sind fast immer reduziert , wenn Skala 6 erhöht wird.
Biologische, physikalische und chemische Faktoren , die mit der Größe des Reaktors geändert werden , wobei viele dieser Faktoren mikrobiellen Aktivität bei kleinen Skalen anders als bei größeren Maßstäben 2, 7 zu beeinflussen. Da die meisten Full-Scale-Systeme für Algen, wie Laufteiche, existieren im Freien, einen biologischen Faktor zu berücksichtigen ist, dass mikrobielle Spezies und Bakteriophagen können aus der Umgebung eingebracht werden, die die mikrobielle Spezies vorhanden verändern können und somit die mikrobielle Funktion des System. Die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft wird auch von Umweltfaktoren, wie Licht und Temperatur empfindlich sein. Massentransfers von Gasen und flüssigen Bewegung sindBeispiele von physikalischen Faktoren, die in der Skala nach oben von mikrobiellen Prozessen beeinflusst werden. Das Erreichen ideale Durchmischung in kleinen Reaktoren ist einfach; jedoch bei größerem Maßstab, wird es eine Herausforderung idealMischBedingungen zu konstruieren. Bei größeren Skalen sind Reaktoren eher tote Zonen zu haben, nicht idealen Misch und reduzierter Effizienz bei der Massenübertragung 2. Da Algen photosynthetischen Organismen sind, müssen kommerzielle Wachstum für Änderungen in der Belichtung Konto auf Grund von Änderungen in der Wassertiefe und der Oberflächenbereich, wenn Volumen zunimmt. Hohe Biomassendichte und / oder niedrige Massenübertragungsraten verringert verursachen CO 2 -Konzentrationen und erhöhte O 2 -Konzentrationen, welche beide in der Hemmung der Biomassenwachstum führen kann 8. Chemische Faktoren in einer Algenwachstum Systems werden durch pH Dynamik der Wasserumgebung 2 angetrieben , die folglich durch Veränderungen in pH – Pufferverbindungen, wie gelösten CO beeinflußt wird <sub> 2 und Carbonat – Spezies. Diese Faktoren werden compoundierte durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den biologischen, physikalischen und chemischen Faktoren, die oft in unvorhersehbarer Weise 9.
Diese Studie stellt ein gekoppeltes Reaktorsystem entwickelt, Wachstumsbedingungen in den Gefäßen von zwei unterschiedlichen Skalen zu regulieren und zu vergleichen. Das experimentelle Protokoll konzentriert sich auf die Sickerwasserbehandlung und das Algenwachstum zu quantifizieren; jedoch könnte sie andere Metriken wie Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft über die Zeit oder der CO 2 Sequestrierung Potential von Algen zu überwachen angepasst werden. Das Protokoll hier präsentiert wird entworfen, um die Wirkung der Skala auf das Algenwachstum und Stickstoffentfernung in ein Sickerwasserbehandlungssystem zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
System Geschwindigkeit:
Im Verlauf eines 8-wöchigen Studie wurden die Produktivität der kleinen und großen Gefäßen in einem System verglichen. In dieser Studie Stickstoff und Ammoniak Abtragsraten und Biomasse Wachstumsraten wurden als Maß der Produktivität des Behandlungssystems verwendet. Das System wurde als ein semi-batch Reaktor betrieben wird, wobei jede Woche unter diskreten Bedingungen betrieben wurde. Repräsentative Ergebnisse machen den ersten 8 Wochen des Betriebs des Systems…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten die Sandtown Deponie in Felton, DE für den Austausch von Wissen und Sickerwasser zu danken.
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
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