Comparação de Scale em um sistema de reactores fotossintético de algas Remediação de Águas Residuais
Summary
Uma metodologia experimental é apresentado para comparar o desempenho de pequena (100 L) e grandes (1.000 L) escala reatores projetados para remediação algas das águas residuais aterro. características do sistema, incluindo a área de superfície em relação ao volume, tempo de retenção, a densidade da biomassa, e concentrações de alimentação de águas residuais, pode ser ajustada com base na aplicação.
Abstract
Uma metodologia experimental é apresentado para comparar o desempenho de dois reactores de tamanhos diferentes, concebidos para o tratamento de águas residuais. Neste estudo, a remoção de amônia, remoção de nitrogênio e crescimento de algas são comparados ao longo de um período de 8 semanas em conjuntos emparelhados de pequenas (100 L) e grandes (1.000 L) reatores projetados para remediação de algas das águas residuais aterro. Conteúdo das pequenas e grandes reactores de escala foram misturados antes do início de cada intervalo de teste semanal para manter as condições iniciais equivalentes entre as duas escalas. características do sistema, incluindo a área de superfície em relação ao volume, tempo de retenção, a densidade da biomassa, e concentrações de alimentação de águas residuais, pode ser ajustado para igualar melhor as condições que ocorrem em ambas as escalas. Durante o período de 8 semanas, tempo representativo curta, a partir de amoníaco e concentrações totais de azoto variou 3,1-14 mg NH3 -N / L, e 8,1-20,1 mg N / L, respectivamente. O desempenho do sistema de tratamento foi avaliada com base emsua capacidade de remover amônia e nitrogênio total e para a produção de biomassa de algas. A média ± desvio padrão de remoção de amoníaco, a remoção total de azoto e as taxas de crescimento de biomassa foram de 0,95 ± 0,3 mg de N-NH3 / L / dia, 0,89 ± 0,3 mg N / l / dia, e 0,02 ± 0,03 g de biomassa / L / dia, respectivamente. Todos os navios que mostrou uma relação positiva entre a taxa de remoção da concentração de amônia e amônia inicial (R 2 = 0,76). Comparação da eficiência do processo de produção e os valores medidos em reactores de escala diferente pode ser útil para determinar se os dados experimentais escala de laboratório é apropriado para a previsão de valores de produção em escala comercial.
Introduction
Tradução de dados em escala de bancada para aplicações de maior escala é um passo fundamental na comercialização de bioprocessos. A eficiência da produção em sistemas de reactores de pequena escala, particularmente aqueles com ênfase no uso de micro-organismos, têm sido mostrados para prever de forma consistente ao longo eficiências que ocorrem em sistemas à escala comercial 1, 2, 3, 4. Desafios também existem na ampliação cultivo fotossintética das algas e cianobactérias da escala de laboratório para sistemas maiores com a finalidade de fabricação de produtos de alto valor, tais como cosméticos e produtos farmacêuticos, para a produção de biocombustíveis, e para o tratamento de águas residuais. A demanda para a produção de biomassa de algas em larga escala está crescendo com a indústria emergente de algas em biocombustíveis, medicamentos / nutracêuticos e alimentos para o gado 5. A metodologia descrita noeste manuscrito tem por objetivo avaliar a influência do aumento da escala de um sistema reactor fotossintética na taxa de crescimento de biomassa e remoção de nutrientes. O sistema aqui apresentado usa algas para remediar chorume de águas residuais, mas pode ser adaptado para uma variedade de aplicações.
eficiências de produção de sistemas de grande escala são muitas vezes prevista utilizando experimentos de menor escala; No entanto, vários fatores devem ser considerados para determinar a precisão dessas previsões, como escala foi mostrado para afetar o desempenho de bioprocessos. Por exemplo, Junker (2004) apresentaram resultados de uma comparação de oito reactores de fermentação de diferentes tamanhos, variando de 30 L a 19000 G, que mostrou que a produtividade efectiva em piloto-comerciais ou escalas foi quase sempre menor que os valores previstos utilizando pequeno estudos -scale 4. As desigualdades na dimensão navio, o poder de mistura, tipo de agitação, qualidade nutricional e de transferência de gás foram previstos para ser oprincipais causas para a diminuição da produtividade 4. Do mesmo modo, demonstrou-se em reactores de crescimento de algas que o crescimento da biomassa e produtos da biomassa relacionada são quase sempre reduzidos quando a escala é aumentada 6.
Fatores biológicos, físicos e químicos mudam com o tamanho de um reator, com muitos destes fatores que influenciam a atividade microbiana em pequenas escalas de forma diferente do que em escalas maiores 2, 7. Uma vez que a maioria dos sistemas de grande escala para algas, tais como lagoas de calha, existe ao ar livre, um factor biológico a ser considerado é que as espécies microbianas e bacteriófagos pode ser introduzido a partir do ambiente circundante, o qual pode alterar as espécies microbianas presentes e, assim, a função microbiana do sistema. A actividade da comunidade microbiana também será sensível a factores ambientais, como a luz e temperatura. transferências em massa de gases e movimento fluido sãoexemplos de fatores físicos que são influenciadas na escala up de processos microbianos. Alcançar mistura ideal em pequenos reatores é fácil; No entanto, com escala crescente, torna-se um desafio para a engenharia condições ideais de mistura. Em escalas maiores, os reatores são mais propensos a ter zonas mortas, mistura não ideal, e eficiências reduzidas em transferência de massa 2. Desde as algas são organismos fotossintéticos, o crescimento comercial deve levar em conta mudanças na exposição à luz devido a mudanças na profundidade da água e área de superfície quando se aumenta o volume. Alta densidade de biomassa e / ou taxas de transferência de massa baixos podem causar diminuição concentrações de CO 2 e aumento das concentrações de O 2, ambos os quais podem resultar na inibição do crescimento da biomassa 8. Factores químicos em um sistema de crescimento de algas são accionados pela dinâmica do ambiente aquático 2, que é, consequentemente, afectada por alterações nos compostos de tamponamento do pH, tais como o CO dissolvido pH <sub> 2 e carbonato de espécies. Esses fatores são agravados por interações complexas entre os fatores biológicos, físicos e químicos, muitas vezes de forma imprevisível 9.
Este estudo apresenta um sistema de reactor emparelhado concebido para regular e comparar as condições de crescimento em vasos de duas escalas diferentes. O protocolo experimental centra-se na quantificação de tratamento de lixiviados e crescimento de algas; No entanto, poderia ser adaptado para monitorizar outras métricas, tais como mudanças na comunidade microbiana ao longo do tempo ou o potencial de sequestro de CO 2 de algas. O protocolo aqui apresentado é concebido para avaliar o efeito de escala no crescimento de algas e a remoção de azoto, em um sistema de tratamento de lixiviados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Performance do sistema:
Ao longo de um estudo de 8 semanas, a produtividade dos vasos de grande escala pequena e em um sistema foram comparados. Neste estudo de azoto e as taxas de remoção de amónia e as taxas de crescimento de biomassa foram usadas como medidas de produtividade do sistema de tratamento. O sistema foi operado como um reactor de semi-descontínuo, onde cada semana foi operado sob condições discretas. Os resultados representativos representam as primeiras 8 semanas de opera?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao Aterro Sandtown em Felton, DE para compartilhar seu conhecimento e lixiviados.
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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