La comparación de la escala en un sistema de reactor fotosintética de las algas Saneamiento de Aguas Residuales
Summary
Una metodología experimental se presenta para comparar el rendimiento de los pequeños (100 L) y grandes (1,000 L) escala reactores diseñados para la remediación de las algas de las aguas residuales vertedero. Características del sistema, incluyendo el área de superficie a volumen, tiempo de retención, la densidad de la biomasa, y concentraciones de alimentación de aguas residuales, se pueden ajustar sobre la base de aplicación.
Abstract
Una metodología experimental se presenta para comparar el rendimiento de dos reactores de tamaño diferentes, diseñados para el tratamiento de aguas residuales. En este estudio, la eliminación de amoniaco, la eliminación de nitrógeno y el crecimiento de las algas se comparan durante un período de 8 semanas en conjuntos emparejados de los pequeños (100 l) y grandes (1.000 L) reactores diseñados para la remediación de las algas de las aguas residuales vertedero. El contenido de los pequeños y grandes reactores a escala se mezclaron antes del inicio de cada intervalo de pruebas semanales para mantener las condiciones iniciales equivalentes a través de los dos escalas. Características del sistema, incluyendo el área de superficie a volumen, tiempo de retención, la densidad de la biomasa, y concentraciones de alimentación de aguas residuales, se pueden ajustar para igualar mejor las condiciones que ocurren en ambas escalas. Durante el corto 8-semanas período de tiempo representativo, amoniaco de partida y las concentraciones totales de nitrógeno varió desde 3,1 hasta 14 mg NH 3 -N / L, y 8,1 a 20,1 mg N / L, respectivamente. El rendimiento del sistema de tratamiento se evalúa en función desu capacidad para eliminar el amoníaco y nitrógeno total y para producir biomasa de algas. La media ± desviación estándar de eliminación de amoniaco, la eliminación de nitrógeno total y las tasas de crecimiento de biomasa fueron de 0,95 ± 0,3 mg NH3-N / l / día, 0,89 ± 0,3 mg N / L / día, y 0,02 ± 0,03 g de biomasa / L / día, respectivamente. Todos los buques mostraron una relación positiva entre la tasa inicial de eliminación concentración de amoníaco y el amoníaco (R2 = 0,76). Comparación de la eficacia de los procesos y los valores de producción medidos en los reactores de diferente escala puede ser útil en la determinación de si los datos experimental a escala de laboratorio es apropiado para la predicción de los valores de producción a escala comercial.
Introduction
La traducción de los datos a escala de banco para aplicaciones de mayor escala es un paso clave en la comercialización de bioprocesos. Eficiencia de la producción en sistemas de reactor de pequeña escala, particularmente las que se centran en el uso de microorganismos, se ha demostrado que constantemente durante predecir la eficiencia que se producen en los sistemas a escala comercial 1, 2, 3, 4. También existen desafíos en la expansión del cultivo de fotosíntesis de las algas y cianobacterias desde la escala de laboratorio a los sistemas más grandes para el propósito de fabricar productos de alto valor, tales como cosméticos y productos farmacéuticos, para la producción de biocombustibles, y para el tratamiento de las aguas residuales. La demanda para la producción de biomasa de algas a gran escala está creciendo con la industria emergente de algas en biocombustibles, productos farmacéuticos / nutracéuticos, y la alimentación del ganado 5. La metodología descrita eneste manuscrito tiene como objetivo evaluar la influencia del aumento de escala de un sistema de reactor fotosintética en la tasa de crecimiento de la biomasa y la eliminación de nutrientes. El sistema presentado aquí utiliza algas para remediar las aguas residuales de lixiviados de vertedero pero pueden adaptarse para una variedad de aplicaciones.
eficiencia en la producción de sistemas de gran escala a menudo se predijo a partir de los experimentos a menor escala; sin embargo, se deben considerar varios factores para determinar la exactitud de estas predicciones, como escala se ha demostrado que afecta el rendimiento de bioprocesos. Por ejemplo, Junker (2004) presentó los resultados de una comparación de ocho reactores de fermentación de diferentes tamaños, que van desde 30 a 19.000 L L, que mostró que la productividad real en entre pilotos o comerciales escalas era casi siempre más bajo que los valores predichos usando pequeña Los estudios -scale 4. Las desigualdades en la dimensión del barco, potencia de mezcla, tipo de agitación, la calidad de nutrientes, y la transferencia de gas se prevé que sea elcausas principales de la disminución de la productividad 4. Del mismo modo, se ha demostrado en los reactores de crecimiento de las algas que el crecimiento de la biomasa y productos relacionados con la biomasa son casi siempre reducen cuando se aumenta la escala 6.
Los factores biológicos, físicos, químicos y cambian con el tamaño de un reactor, con muchos de estos factores que influyen en la actividad microbiana a pequeñas escalas de manera diferente que en mayor escala 2, 7. Como la mayoría de los sistemas a gran escala para las algas, tales como estanques de rodadura, existe al aire libre, un factor biológico a considerar es que las especies microbianas y bacteriófagos se pueden introducir desde el ambiente circundante, lo que puede alterar las especies microbianas presentes y por lo tanto la función microbiana de la sistema. La actividad de la comunidad microbiana también será sensible a los factores ambientales, como la luz y la temperatura. las transferencias masivas de gases y el movimiento del fluido sonejemplos de factores físicos que son influenciados en la escala de los procesos microbianos. El logro de mezcla ideales en pequeños reactores es fácil; sin embargo, con el aumento de escala, se convierte en un desafío para diseñar las condiciones ideales de mezcla. A mayores escalas, los reactores son más propensos a tener zonas muertas, de mezcla no ideal, y la eficiencia reducida en la transferencia de masa 2. Dado que las algas son organismos fotosintéticos, el crecimiento comercial debe dar cuenta de los cambios en la exposición a la luz debido a cambios en la profundidad del agua y la superficie al aumentar el volumen. De alta densidad de la biomasa y / o bajas tasas de transferencia de masa pueden causar disminución de las concentraciones de CO2 y el aumento de las concentraciones de O 2, ambos de los cuales pueden dar lugar a la inhibición de crecimiento de la biomasa 8. Los factores químicos en un sistema de crecimiento de las algas son impulsados por la dinámica de pH del medio ambiente acuático 2, que, en consecuencia afectada por cambios en los compuestos tamponantes del pH, tales como CO disuelto <sub> 2 y carbonato de especies. Estos factores se ven agravados por la compleja interacción entre los factores biológicos, físicos, químicos y, a menudo de maneras impredecibles 9.
Este estudio presenta un sistema de reactor emparejado diseñado para regular y para comparar las condiciones de crecimiento en los vasos de dos escalas diferentes. El protocolo experimental se centra en la cuantificación de tratamiento de lixiviados y el crecimiento de algas; sin embargo, podría ser adaptado para supervisar otras métricas tales como cambios en la comunidad microbiana en el tiempo o el potencial de captura de CO 2 de algas. El protocolo que aquí se presenta está diseñado para evaluar el efecto de escala en el crecimiento de algas y la eliminación de nitrógeno en un sistema de tratamiento de lixiviados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rendimiento de sistema:
En el transcurso de un estudio de 8 semanas, se comparó la productividad de las embarcaciones de pequeña y gran escala en un sistema. En este nitrógeno estudio y tasas de eliminación de amoníaco y las tasas de crecimiento de la biomasa se utilizaron como medidas de la productividad del sistema de tratamiento. El sistema se hizo funcionar como un reactor semi-discontinuo, donde cada semana se hizo funcionar en condiciones discretas. Los resultados representativos rep…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a la Sandtown Vertedero en Felton, DE para compartir sus conocimientos y 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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