Name: מדידת פוטנציאל ביו-מתאן של פסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה המופעלת על ידי פסולת באמצעות רספירומטריה (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-04-26T13:40:00.000+00:00
Duration: 6 min 11 s
Description: למד כיצד למדוד ייצור מתאן מפסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה מופעלת באמצעות רספירומטריה. פרוטוקול זה מסייע לחוקרים לנתח פרמטרים קינטיים מיקרוביאליים ולייעל תהליכי עיכול אנארובי.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

אנו מודים לד"ר ג'ים יאנג מחברת Respirometer Systems and Applications על הדיון בנוגע לפיתוח פרוטוקול זה.

1. הכנת המצע
<ol><li>איסוף ~ 1.5 ליטר של שפכים ראשוניים, ~ 1 ליטר של בוצה המופעלת על ידי פסולת (WAS). הערה: יש לקחת דגימות WAS מיד לפני הניסוי; עם זאת, ניתן לאחסן WAS עד 48 שעות ב -4 מעלות צלזיוס לפני הניסוי ללא השפעה ניכרת על השימוש בו כמצע 15,16,17.</li>
	<li>לרכוש 2 L של תרבית אנאירובית מיד לפני הניסוי ולשמור על התרבות ב 35 ° C. יש להגביל ככל האפשר את המגע עם האוויר במהלך ההעברה מהמעכל האנאירובי לבקבוק האיסוף. הערה: התרבית האנאירובית ששימשה במחקר זה התקבלה מ- WWTP המטפל ב- 8.5 MGD (38,640 מ"ק 3/d) עם עיכול אנאירובי של בוצה ראשונית של שפכים. שיטה מומלצת היא לשמור על תנאים אנאירוביים על ידי שטיפת בקבוק האיסוף בגז חנקן לפני רכישת תרבית אנאירובית13 ושמירה על תנאים אנאירוביים במהלך ההובלה והאחסון.</li>
	<li>אספו פסולת מזון ואחסנו אותה עד 48 שעות לפני הניסוי בטמפרטורה של 4°C. הערה: בהתאם לתכנון הניסוי, יש להקפיד על זיהוי בזבוז מזון עם פרופורציות היעד של פחמימות, חלבונים וכו '. פרופורציות היעד של חומרים אורגניים באובדן מזון ישתנו ככל הנראה בהתאם לניסוי. ניתן להעריך את החלק של פחמימות, חלבונים ושומנים במזון שנאסף מספרות שפורסמה או להעריך באמצעות פרוטוקולים מבוססים (למשל, כרומטוגרפיית גז).</li>
</ol>2. הכנת תוספי תזונה
<ol><li>הכן תמיסת בסיס מינרלי #1 על ידי ערבוב 800 מ"ל של מים נטולי יונים, (DI) עם CoCl2·6H2O (0.25 גרם), FeCl3·6H2O (5 גרם), MnCl2·4H2O (0.05 גרם), NaMoO4·2H2O (0.005 גרם), NiCl2·6H2O (0.025 גרם), CuCl2·2H2O (0.007 גרם), ZnCl2 (0.025 גרם), H3BO3 (0.025 גרם) ו-Na2SeO4 (0.025 גרם). יש לדלל עד 1 ליטר במים שעברו דה-יוניזציה (DI).</li>
	<li>הכן תמיסת בסיס מינרלי #2 על ידי ערבוב 800 מ"ל של מי DI עם CaCl2 (27.7 גרם) ו- MgCl2·4H2O (101 גרם). לדלל עד 1 ליטר עם מים DI.</li>
	<li>הכינו בסיס תזונתי על ידי ערבוב 800 מ"ל של מי DI עם NH4Cl (38.2 גרם) ו- Na2SO4 (15 גרם). כוונן את ה- pH ל- 7.0 באמצעות 3.64 N NaOH במי DI ודלל עד 1 ליטר במי DI.</li>
</ol>3. הכנת מדגם
<ol><li>ערבבו פסולת מזון (טבלה 2) בבלנדר (איור 1) ליצירת תערובת. ודאו שהתערובת נקייה מחלקיקים גדולים של פסולת מזון. דללו את פסולת המזון במי DI כדי לסייע בערבוב. הוסף הערות לכמות מי הדילול לשימוש בעת חישוב מדידות ביקוש חמצן כימי (COD). בזבוז מזון מדולל זה מכונה "פסולת עבודה". הניחו את פסולת העבודה בבקבוק פלסטיק 1 ליטר ואחסנו אותה בטמפרטורה של 4°C.</li>
	<li>תייגו ארבע כוסות 2 ליטר לפי טבלה 1. מניחים כוסות על צלחת ערבוב ומוסיפים מוט ערבוב גדול. ערבבו פסולת מזון, WAS, ודילול (מי DI לבקרה ושפכים ראשוניים לטיפולים) לפי טבלה 1 בכוסות 2 ליטר.</li>
	<li>הוסף 12 מ"ל כל אחד של תמיסת בסיס מינרלי #1, תמיסת בסיס מינרלי #2, ובסיס תזונתי.</li>
	<li>מוסיפים 2.4 גרם של NaHCO3 (אבקה) לכל ומערבבים במשך 30 שניות. יש לסמן שמונה בקבוקי רספירומטריה לפי טבלה 1 ולהוסיף מוט ערבוב מגנטי. הערה: פעולה זו תיצור כפילויות של הבקרה ושלושה טיפולים ביחסי F:M שונים.</li>
	<li>מוסיפים תרבית אנאירובית לכל 2 ליטר לפי טבלה 1 ומערבבים. מיד למדוד 500 מ"ל של תערובת מן הכד עם גליל מדורג ולהעביר אותו לתוך בקבוק respirometer מסומן, סומק עם גז חנקן, ולאחר מכן מכסה מיד. הערה: יש להקפיד להגביל מגע של מיקרוביוטה אנאירובית עם חמצן אטמוספרי (אם זמין, יש להשתמש בתא אנאירובי להעברה).</li>
</ol>4. כימות התנאים הראשוניים
<ol><li>השתמש בדגימה הנותרת מסעיף 3 (~200 מ"ל) כדי למדוד pH, COD כולל (tCOD), COD מסיס (sCOD), מוצקים מרחפים כוללים (TSS) ומוצקים מרחפים נדיפים (VSS) עבור כל דגימה18.<ol><li>במידת הצורך, יש לדלל דגימות במי DI בהתאם למגבלות הזיהוי של ציוד המדידה. הערה: נהלי היצרן שימשו למדידות COD.</li>
	</ol></li>
</ol>5. הגדרת רספירומטר
<ol><li>כוונו את הרספירומטר (איור 2) למצב אנאירובי נמוך.</li>
	<li>לחץ על לחצן האיפוס ועל לחצן ההפעלה בו-זמנית. הערה: זה ספציפי למודל המשמש במחקר זה.</li>
	<li>כוונו את הצ'ילר (איור 3) לטמפרטורה של 35.5°C.</li>
	<li>מלאו כל CO2 ומגרד לחות (איור 4 ואיור 5) בתערובת של 50/50 של כדורי CaSO4 ו-KOH במרכז, מוקפים בצמר זכוכית מכל צד.</li>
	<li>חברו את הצינורות והמחטים מבקבוקי הדגימה לשפשוף ולאחר מכן מהשפשופים לכניסת הגז (איור 6).</li>
	<li>במחשב הנייד respirometer, הפעל את תוכנית respirometer RSA-8-v2.0. הערה: שלב זה הוא ספציפי למודל המשמש במחקר זה.</li>
	<li>בחר את כל הבקבוקים בתוכנית ובחר ערוך תוויות נתונים >. תן שם לכל הבקבוקים. הערה: שלב זה הוא ספציפי למודל המשמש במחקר זה.</li>
	<li>התחל למדוד את הפקת הגז על ידי הפעלת לחצן התחל בתוכנית. הגדר את התוכנית למדידת נתונים בסוף כל חצי שעה. נטר את ייצור הגז על-ידי בחירת תרשים תעריפים או תרשים נפח. הערה: שלב זה הוא ספציפי למודל המשמש במחקר זה.</li>
	<li>לאחר הניסוי (~ 7 ימים), הפסק את ההפעלה בתוכנית, כבה את הצ'ילר וכבה את מודול RSPF. שמור את קובץ הנתונים כקובץ CSV ולאחר מכן המר אותו למסמך MS Excel. הערה: שלב זה הוא ספציפי למודל המשמש במחקר זה.</li>
</ol>6. מדידות לאחר הנשמה
<ol><li>מדוד pH, TSS, VSS ו- COD על הדגימות הסופיות כפי שנעשה בסעיף 4.</li>
</ol>

פרוטוקול רספירומטריה לעיכול אנאירובי של פסולת מזון ובוצה

<ol><li>Mainardis, M., Buttazzoni, M., Cottes, M., Moretti, A., Goi, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Respirometry+tests+in+wastewater+treatment%3A+Why+and+how%3F+A+critical+review%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Total+Environ%22%5BJournal%5D)">Respirometry tests in wastewater treatment: Why and how? A critical review.</a> Sci Total Environ. 793, 148607(2021).</li>
<li>Pan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synergistic+effect+and+biodegradation+kinetics+of+sewage+sludge+and+food+waste+mesophilic+anaerobic+co-digestion+and+the+underlying+stimulation+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Synergistic effect and biodegradation kinetics of sewage sludge and food waste mesophilic anaerobic co-digestion and the underlying stimulation mechanisms.</a> Fuel. 253, 40-49 (2019).</li>
<li>Argiz, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+a+fast+method+to+predict+the+biochemical+methane+potential+based+on+biodegradable+COD+obtained+by+fractionation+respirometric+tests%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Manage%22%5BJournal%5D)">Assessment of a fast method to predict the biochemical methane potential based on biodegradable COD obtained by fractionation respirometric tests.</a> J Environ Manage. 269, 110695(2020).</li>
<li>Carucci, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerobic+storage+by+activated+sludge+on+real+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Res%22%5BJournal%5D)">Aerobic storage by activated sludge on real wastewater.</a> Water Res. 35 (16), 3833-3844 (2001).</li>
<li>McCarty, P. L., Bae, J., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Domestic+wastewater+treatment+as+a+net+energy+producer-Can+this+be+achieved%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Domestic wastewater treatment as a net energy producer-Can this be achieved.</a> Environ Sci Technol. 45 (17), 7100-7106 (2011).</li>
<li>McCarty, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+development+of+anaerobic+treatment+and+its+future%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">The development of anaerobic treatment and its future.</a> Water Sci Technol. 44 (8), 149-156 (2001).</li>
<li>Jaglo, K., Kenny, S., Stephenson, J. From farm to kitchen: The environmental impacts of U.S. food waste Part 1. United States Environmental Protection Agency. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/from-farm-to-kitchen-the-environmental-impacts-of-u.s.-food-waste_508-tagged.pdf">https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/from-farm-to-kitchen-the-environmental-impacts-of-u.s.-food-waste_508-tagged.pdf</a> (2021).</li>
<li>Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTchobanoglous%2C+G+%22WastewaterEngineering%3ATreatmentandReuse.+5th+ed%22">WastewaterEngineering:TreatmentandReuse. 5th ed</a>. , McGraw Hill. (2014).</li>
<li>Pfluger, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+and+biogas+beneficial+use+at+municipal+wastewater+treatment+facilities+in+Colorado%3A+A+case+study+examining+barriers+to+widespread+implementation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Clean+Prod%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion and biogas beneficial use at municipal wastewater treatment facilities in Colorado: A case study examining barriers to widespread implementation.</a> J Clean Prod. 206, 97-107 (2019).</li>
<li>Mata-Alvarez, J., Dosta, J., Romero-Güiza, M. S., Fonoll, X., Peces, M., Astals, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+critical+review+on+anaerobic+co-digestion+achievements+between+2010+and+2013%5BTitle%5D)+AND+%22Renew+Sust+Energ+Rev%22%5BJournal%5D)">A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013.</a> Renew Sust Energ Rev. 36, 412-427 (2014).</li>
<li>Pfluger, A. R., Hahn, M. J., Hering, A. S., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+expos%C3%A9+of+a+multiple-compartment+anaerobic+reactor+treating+domestic+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Environ+Res%22%5BJournal%5D)">Statistical exposé of a multiple-compartment anaerobic reactor treating domestic wastewater.</a> Water Environ Res. 90 (6), 530-542 (2018).</li>
<li>Razaviarani, V., Buchanan, I. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calibration+of+the+Anaerobic+Digestion+Model+No.+1+%28ADM1%29+for+steady-state+anaerobic+co-digestion+of+municipal+wastewater+sludge+with+restaurant+grease+trap+waste%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Eng+J%22%5BJournal%5D)">Calibration of the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) for steady-state anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge with restaurant grease trap waste.</a> Chem Eng J. 266, 91-99 (2015).</li>
<li>Zhu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biohydrogen+production+by+anaerobic+co-digestion+of+municipal+food+waste+and+sewage+sludges%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Hydrog+Energy%22%5BJournal%5D)">Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludges.</a> Int J Hydrog Energy. 33 (14), 3651-3659 (2008).</li>
<li>Serna-García, R., Ruiz-Barriga, P., Noriega-Hevia, G., Serralta, J., Pachés, M., Bouzas, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximising+resource+recovery+from+wastewater+grown+microalgae+and+primary+sludge+in+an+anaerobic+membrane+co-digestion+pilot+plant+coupled+to+a+composting+process%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Manage%22%5BJournal%5D)">Maximising resource recovery from wastewater grown microalgae and primary sludge in an anaerobic membrane co-digestion pilot plant coupled to a composting process.</a> J Environ Manage. 281, 111890(2021).</li>
<li>Gossett, J. M., Belser, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+of+waste+activated+sludge%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion of waste activated sludge.</a> J Environ. 108 (6), 1101-1120 (1982).</li>
<li>Yi, H., Han, Y., Zhuo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+combined+pretreatment+of+waste+activated+sludge+for+anaerobic+digestion+process%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">Effect of combined pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process.</a> Procedia Environ Sci. 18, 716-721 (2013).</li>
<li>Nah, I. W., Kang, Y. W., Hwang, K. Y., Song, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+pretreatment+of+waste+activated+sludge+for+anaerobic+digestion+process%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Res%22%5BJournal%5D)">Mechanical pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process.</a> Water Res. 34 (8), 2362-2368 (2000).</li>
<li>American Public Health Association. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+Methods+for+the+Examination+of+Water+and+Wastewater.+Vol.+10.+American+Public+Health+Association%22">Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Vol. 10. American Public Health Association</a>. , American Public Health Association. Washington, DC. (2012).</li>
<li>Food Data Central. US Department of Agriculture. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://fdc.nal.usda.gov/">https://fdc.nal.usda.gov/</a> (2024).</li>
<li>Vanzin, G., Pfluger, A., Almstrand, R., Figueroa, L., Munakata-Marr, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Succession+of+founding+microbiota+in+an+anaerobic+baffled+bioreactor+treating+low-temperature+raw+domestic+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Water+Res+Technol%22%5BJournal%5D)">Succession of founding microbiota in an anaerobic baffled bioreactor treating low-temperature raw domestic wastewater.</a> Environ Sci Water Res Technol. 8 (4), 792-806 (2022).</li>
<li>Negi, S., Dhar, H., Hussain, A., Kumar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomethanation+potential+for+co-digestion+of+municipal+solid+waste+and+rice+straw%3A+a+batch+study%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour+Technol%22%5BJournal%5D)">Biomethanation potential for co-digestion of municipal solid waste and rice straw: a batch study.</a> Bioresour Technol. 254, 139-144 (2018).</li>
<li>Rostkowski, K. H., Pfluger, A. R., Criddle, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stoichiometry+and+kinetics+of+the+PHB-producing+Type+II+methanotrophs+Methylosinus+trichosporium+OB3b+and+Methylocystis+parvus+OBBP%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour+Technol%22%5BJournal%5D)">Stoichiometry and kinetics of the PHB-producing Type II methanotrophs Methylosinus trichosporium OB3b and Methylocystis parvus OBBP.</a> Bioresour Technol. 132, 71-77 (2014).</li>
<li>Pfluger, A., Vanzin, G., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+anaerobic+hybrid+bioreactor+for+biologically+enhanced+primary+treatment+of+domestic+wastewater+under+low+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Water+Res+Technol%22%5BJournal%5D)">An anaerobic hybrid bioreactor for biologically enhanced primary treatment of domestic wastewater under low temperatures.</a> Environ Sci Water Res Technol. 4 (11), 1851-1866 (2018).</li>
<li>Callahan, J. L., Pfluger, A. R., Figueroa, L. A., Munakata-Marr, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BioWin%C2%AE+modeling+of+anaerobic+sludge+blanket+treatment+of+domestic+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour+Technol+Rep%22%5BJournal%5D)">BioWin® modeling of anaerobic sludge blanket treatment of domestic wastewater.</a> Bioresour Technol Rep. 20, 101231(2022).</li>
<li>Linvill, C., Butkus, M., Bennett, E., Wait, M., Pytlar, A., Pfluger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Energy+balances+for+proposed+complete+full-scale+anaerobic+wastewater+treatment+facilities%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Eng+Sci%22%5BJournal%5D)">Energy balances for proposed complete full-scale anaerobic wastewater treatment facilities.</a> Environ Eng Sci. 40 (11), 482-493 (2023).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

השיטות המסופקות בפרוטוקול זה יכולות לסייע לחוקרים ולמתרגלים לקבוע את פוטנציאל הביו-מתאן של עיכול אנאירובי של זרמי פסולת אורגנית באמצעות רספירומטריה. בפרוטוקול זה, אנו מדגימים יצירת מתאן מעיכול משותף של זרם פסולת מזון טיפוסי יחד עם WAS מ-WWTP בטווח של יחסי F:M. פרוטוקול זה מוסיף לספרות על ידי מתן גישת ספירומטריה שלב אחר שלב למדידה רציפה של ייצור מתאן וקביעת פרמטרים ביוקינטיים באמצעות מודלים קינטיים מסדר ראשון. מספר מחקרים אחרים השתמשו בניסויי מיקרוקוסמוס המודדים ייצור מתאן בנקודות זמן בדידות10,22, בעוד שאחרים מדדו מתאן באמצעות מדי זרימה המחוברים לביוריאקטורים ארוכי טווח של ספסל זרימה רציפה או בקנה מידה של פיילוט14,23. רספירומטריה מציעה את היתרון של מדידת ייצור מתאן על בסיס רציף על פני מגוון רחב של תנאי ניסוי. מכיוון שניסויי רספירומטריה אינם דורשים בניית ביוריאקטור, ניתן לשנות את תנאי הניסוי בתדירות יחסית בהשוואה לניסויים מסוימים בקנה מידה של ספסל או פיילוט. בשל יתרון זה, ניתן להשתמש בניסויי רספירומטריה כדי לקבוע את ייצור המתאן מעיכול משותף של שילובים רבים של פסולת אורגנית בפרק זמן קצר יחסית. לדוגמה, כצעד הבא לפרוטוקול שהוצג במחקר זה, שומנים, שמנים וגריז, שהם צפופים מאוד באנרגיה כימית ביחס ל- WAS, יכולים להיות מעוכלים יחד עם שאריות מזון כדי לכמת עליות אפשריות בייצור מתאן לאורך זמן. היישום של גישה זו יכול להמשיך לבנות את גוף הספרות בנוגע לקצב ייצור המתאן ופרמטרים ביוקינטיים על פני שילובי מצעים מרובים בתוכניות עיכול משותף. יתר על כן, בנוסף לקביעת שילובי מצעים אופטימליים, ניתן להשתמש בתוצאות ייצור מתאן ובפרמטרים ביוקינטיים כדי ליידע מודלים של ביצועים בתוכניות קיימות, כגון אלה המתוכננות לטיפול בשפכים, או לחזות כיצד תוכניות עיכול משותף יתפקדו כאשר יוגדלו מספסל או בקנה מידה ניסיוני בקנה מידה מלא24,25.
בנוסף, פרוטוקול זה יכול להיות מתוקן כדי להחיל הזנת מצע מותאמת עבור קונסורציום מיקרוביאלי אנאירובי. לדוגמה, אם חוקר רוצה לבחון את ההשפעות של אספקת פחמימות בלבד או רק חלבונים למיקרוביוטה אנאירובית, אז חומרי ההזנה בפרוטוקול זה יכולים להשתנות בהתאם. לחלופין, אם חוקר רוצה לבדוק את ההשפעה של הוספת חלק מסוים של COD (למשל, רק COD מסיס, או רק COD חלקיקי) או ריכוזים גבוהים של מצע מסוים (למשל, אצטט, חומצת שומן נדיפה ותוצר ביניים של חילוף החומרים האנאירובי) על ייצור מתאן, ניתן להשתמש בווריאציה של פרוטוקול זה. שיטת עבודה מומלצת שנצפתה בעת שינוי מצע או לסירוגין F:M של מצע מסוים היא לשמור על אותה מסה של מיקרוביוטה אנאירובית עבור כל דגימה תוך התאמת מסת המצע בלבד (יש להשתמש ביחס מסה למסה). בנוסף לשינוי המצע, חוקרים יכולים להשתמש בפרוטוקול זה עם ניתוחים אחרים כדי להשיג הבנה טובה יותר של שימוש במצעים וייצור מתאן. לדוגמה, חוקר יכול להשתמש בפרוטוקול זה בשילוב עם ניתוחים קהילתיים מיקרוביאליים (למשל, ריצוף גנים 16S rRNA או מטגנומיקה) כדי לקשר טוב יותר בין מבנה הקהילה לתפקוד.
למרות התועלת של מתודולוגיה זו, ישנן מספר מגבלות. ספירומטרים ובדיקות פוטנציאליות של ביו-מתאן מוגדרים לרוב ככורי אצווה; עם זאת, מעכלים אנאירוביים בקנה מידה מלא מופעלים בדרך כלל כמערכות זרימה רציפה עם זמני אגירת בוצה למעלה מ -10 ימים1. בהתאם לכך, הנתונים שנאספו מניסויי רספירומטריה שימושיים להערכת קצב ייצור המתאן ולפיתוח פרמטרים ביוקינטיים אך יש לאמת נתונים אלה בשטח באמצעות מעכלים בקנה מידה גדול יותר המופעלים לאורך זמן במידת האפשר.
בנוסף, יש להקפיד על בחירת והכנת הדגימות לפני רספירומטריה. חלקיקי שאריות מזון גדולים יטו את מדידות VSS ו- COD ויכולים לספק תוצאות לא מדויקות. אם פסולת שאריות מזון משמשת כמצע, התערובת צריכה להיות מוקררת היטב וללא חלקיקי מזון גדולים - גישה הדומה להשרייה בבורות קבלת שאריות מזון במעכלים בקנה מידה מלא. דילול עם מי DI יכול לעזור בתהליך הערבול והוא דומה לתוספת של מים המשמשת בדרך כלל כאשר שאריות מזון מרוקנות בקנה מידה גדול יותר. עם זאת, יש לעשות כל מאמץ כדי להבטיח כי דילולים נמדדים כראוי וכי תכולת לחות המטרה מושגת. דילול יכול בקלות להיות מקור לטעות, במיוחד אם תלמידים חסרי ניסיון מבצעים פרוטוקול זה.
מכיוון שהקונסורציום המיקרוביאלי הקיים בעיכול משותף מכיל אנאירובים מחייבים, יש לנקוט בזהירות מיוחדת כדי למנוע (או להפחית מאוד) את החשיפה לחמצן במהלך תהליכי ההעברה והכנת הדגימה. ניתן להסיר חמצן מבקבוקי הדגימה באמצעות שטיפת חנקן. יתר על כן, אם יש, העבודה של העברת תרבות אנאירובית בין בקבוקי איסוף בקבוקי דגימת resspirometer צריך להתבצע בתא אנאירובי. מכיוון שהרספירומטר מספק תוצאות עקביות (נפחי ייצור מתאן וקצבים), ניתן לזהות בקלות כל סטייה מהתוצאות הצפויות, למשל קונסורציום מיקרוביאלי שאינו בר קיימא, לקראת תחילת הבדיקה. השימוש במדגם כפול או משולש יכול לסייע עוד יותר בזיהוי בדיקות פגומות.

החוקרים חוקרים פעילות מיקרוביאלית בסקאלת הספסל באמצעות מגוון גישות, כולל מחקרי אצווה, מיקרוקוסמוס ורספירומטריה, בין היתר. ניתן להשתמש ברספירומטרים למדידת נשימה תאית דרך שלבי הצמיחה ו/או הדעיכה של קהילת חיידקים על ידי התבוננות בצריכת המצע ובייצור המוצר הסופי בתנאים מבוקרים1. התוצאות ממחקרי רספירומטר בקנה מידה של ספסל יכולות לשמש גם להערכת פרמטרים ביוקינטיים לבניית מודל תהליך2. רספירומטרים שימשו לבחינת פעילות מיקרוביאלית אירובית ואנאירובית; עם זאת, מחקרים המשתמשים ברספירומטריה כדי למדוד את פוטנציאל הביו-מתאן (BMP), במיוחד של מצעים אורגניים מעורבים, הם תחום מחקר מתמשך 3,4.
חומרים אורגניים בשפכים ביתיים מוכרים כמקור מתחדש בר-קיימא של אנרגיה כימית5. עיכול אנאירובי של בוצות שפכים (כלומר, בוצה ראשונית ובוצה המופעלת על ידי פסולת, WAS) שימש לייצור ביוגז עשיר במתאן במתקני טיהור שפכים (WWTPs) במשך יותרממאה שנה. עם זאת, העיכול של זרמי פסולת אורגנית מרובים, כגון פסולת גרוטאות מזון עם WAS, הפך נפוץ רק בשנים האחרונות והוא עדיין תחום מחקר פעיל. פסולת גרוטאות מזון היא זרם פסולת עקבי של חומר אורגני בצפיפות גבוהה במדינות מפותחות רבות, המהווה כ -25% ממסת ההטמנה בארה"ב7. מלבד הפניית חלק משאריות המזון מהשלכה במטמנות, השילוב של שאריות מזון ו-WAS בתרחיש של עיכול משותף הוא יתרון בשל הגידול בנפח הביו-גז המיוצר (ביחס לזרם פסולת אורגנית יחיד). ביוגז מכיל בדרך כלל 60%-70% מתאן, 30%-40% פחמן דו-חמצני, וכמויות זעירות של גזים אחרים (למשל, מימן גופרתי)8. ניתן לנקות ולשרוף את הביוגז באתר ב-WWTPs באמצעות טכנולוגיה משולבת של חום והספק כדי לקזז חלק מדרישות האנרגיה החשמלית והחום9.
מספר מחקרים בחנו את פוטנציאל הביומתאן ואת הפרמטרים הביוקינטיים של מיקרוביוטה אנאירובית המעכלת פסולת אורגנית1. מחקרים זמינים בספרות השתמשו במבחני אצווה בבקבוקי סרום שבהם ייצור המתאן נמדד בנקודות בדידות לאורך כל הניסוי, בעוד שאחרים מדדו את ייצור המתאן באמצעות מדי זרימה המחוברים ישירות לביוריאקטוריםבקנה מידה של ספסל או פיילוט 2,10,11. מדידה רציפה של ייצור מתאן באמצעות רספירומטר, כמו זה המתואר בפרוטוקול זה, יכולה לספק מדידות מתאן רציפות ומדויקות ממספר רב של דגימות המופעלות במגוון תנאי ניסוי 1,12. בעוד מספר מחקרים מדדו ייצור מתאן מעיכול משותף של WAS יחד עם מצעים אורגניים אחרים, כגון פסולת ביולוגית, שומנים, שמנים, שומן ופסולת חקלאית 10,13,14, נותרה עבודה משמעותית לזיהוי שיעורי ייצור מתאן מהמגוון הגדול של תרחישי עיכול משותף. יתר על כן, נכון להיום, אין פרוטוקול זמין המספק גישה מעמיקה, שלב אחר שלב, תוך שימוש בתיאורים חזותיים למדידת ייצור מתאן מעיכול משותף של שאריות מזון ו- WAS. בהתאם לכך, מחקר זה מציג פרוטוקול רספירומטר למדידת ייצור מתאן והפקת פרמטרים ביוקינטיים באמצעות תערובת של שפכים מדוללים, WAS, ופסולת גרוטאות מזון כמצעים. יחסים שונים בין מזון למיקרואורגניזמים (F:M) שימשו כדי לעזור להבהיר שינויים בייצור מתאן. מדידות אחרות כוללות מוצקים מרחפים נדיפים (VSS), דרישת חמצן כימית (COD) ו- pH של כל דגימה. פרוטוקול זה מתאר הגדרת רספירומטר, יצירת דגימות ומדידות קריטיות.

<table><tbody><tr><td>103 & deg; תנור C איזוטמפ</td><td>פישר סיינטיפיק</td><td>13-247-737F</td><td>דגם: 737F, תנור אוויר פורס</td></tr><tr><td>550 מעלות; C תנור וולקן</td><td>נייטק (יצרן) / קול פאלמר (ספק)</td><td>9493308</td><td>דגם: 3-550</td></tr><tr>מערכת נשימה<td>אירובית/אנאירובית</td><td>ויישומים (RSA)</td> <td>PF-8000</td><td>דגם: PF-8000</td></tr><tr><td>איזון אנליטי</td><td>מטלר טולדו</td><td>30029075</td><td>דגם: ME204E, גבול זיהוי: 0.1 מ"ג</td></tr><tr><td>בלנדר שייק עם צנצנת פלסטיק 56 אונקיות</td><td>המילטון ביץ</td>' <td>50190F</td><td>דגם: 50190F</td></tr><tr><td>בקבוקוני בקלה TNT פלוס בקבוקון מבחן</td><td>HACH</td><td>TNT821</td><td>TNT 821, 3&ndash; 150 מ"ג/ליטר בקלה</td></tr><tr><td>בקבוקוני בקלה TNT פלוס בדיקת בקבוקון</td><td>HACH</td><td>TNT822</td><td>TNT 822, 20&ndash; 1500 מ"ג/ליטר</td></tr><tr><td>Dessicator</td><td>COD SP Bel-Art</td><td>942070050</td><td>דגם: SP Scienceware</td></tr><tr><td>מערכת מים דיונית</td><td>Milli-Q</td><td>ZIQ7010T0C</td><td>IQ 7010 טהור & מערכת טיהור מים אולטרה-טהורים</td></tr> נטולת <tr><td>מים CaSO4</td><td>WA Hammond Drierite Company</td><td>13001</td><td>8 רשת, 1 ק"ג</td></tr><tr><td>מסנני סיבי זכוכית</td><td>Whatman (יצרן) / Cole-Parmer (ספק)</td> <td>1827-150</td><td>דגם: 934-AH</td></tr><tr><td>בלוק מעכל חום</td><td>HACH</td><td>DRB200-02</td><td>DRB 200</td></tr><tr><td>פלטה חמה בוחש</td><td>קורנינג</td><td>6795-620D</td><td>דגם: PC-620D</td></tr><tr><td>חנקן בדרגה תעשייתית (צילינדר דחוס)</td> <td>גז אוויר</td><td>NI UHP300</td><td>300 רגל מעוקב</td></tr><tr><td>כדורים (KOH)</td> <td>פישר סיינטיפיק</td><td>AC134062500</td><td>500 גרם</td></tr><tr><td>מד pH</td><td>פישר סיינטיפיק</td><td>13-636-AP115</td><td>AP115, מד pH Accumet</td></tr><tr><td>ספקטרופוטומטר UV</td><td>HACH</td><td>LPV400.99.00012</td><td>DR 3900</td></tr><tr><td>משאבת ואקום</td><td>GAST</td><td>1HAB-25-M100X</td><td></td></tr></tbody></table>

מדידת פוטנציאל ביו-מתאן של פסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה המופעלת על ידי פסולת באמצעות רספירומטריה

Measuring Biomethane Potential of Food Scrap Waste Anaerobically Co&#45;Digested with Waste&#45;Activated Sludge Using Respirometry

השימוש ברספירומטריה לחקר הביוקינטיקה של מיקרוביוטה, טיפול בשפכים או עיכול בוצות שפכים הפך נפוץ יותר בעשורים האחרונים. השימוש ברספירומטריה לבחינת הביוקינטיקה של מיקרוביוטה אנאירובית המעכלת במשותף זרמי פסולת אורגנית כגון בוצת שפכים וגרוטאות מזון הוא תחום מחקר פעיל. עד כה לא פורסם פרוטוקול ויזואלי בנושא. בהתאם לכך, בפרוטוקול זה, הגדרנו רספירומטר למדידת ייצור מתאן וקצב זרימתו לאורך זמן באמצעות שלושה יחסי מזון-מיקרואורגניזם (F:M) שונים ופסולת פסולת ובוצה המופעלת על ידי פסולת כמצעים. הנתונים המתקבלים, יחד עם מדידות ניצול המצע, מספקים את הבסיס להבנה כיצד ריכוזי מצע שונים משפיעים על הקצב שבו מיקרוביוטה אנאירובית מייצרת מתאן. בנוסף, פרוטוקול זה מציג שיטה לפיתוח פרמטרים ביוקינטיים (למשל, קצב ייצור מתאן קבוע ותפוקה). אחרים יכולים להשתמש בפרוטוקול רספירומטריה זה כדי לבחון פירוק אורגני בתנאים אנאירוביים ולפתח פרמטרים מיקרוביאליים.

הרכב פסולת מזון פסולת המזון ששימשה במחקר זה כללה חמישה סוגי מזון שונים המוגשים בדרך כלל במתקן אוכל במכללה. בכל דגימת מזון היו כמויות משתנות של שומנים, פחמימות וחלבונים, המפורטים בטבלה 2. 19 פסולת שאריות המזון המעורבבות הייתה 44% פחמימות, 36% חלבונים, 16% שומנים ו-4% חומרים אחרים. מסה שווה בקירוב של כל סוג מזון (56 גרם עד 86 גרם) שימשה כדי לספק מצע אורגני למתקן אוכל מייצג לעיכול משותף אנאירובי. מסת פסולת שאריות המזון שונתה לאחר מכן כדי להשיג את ה-F:M הרצוי עבור כל תרחיש שנבדק (0.3, 0.7 ו-1.1).
מדידות מוצקות ואורגניות מרחפות נדיפות תוצאות עבור VSS ראשוני וסופי ודרישת חמצן ראשונית וסופית נמצאות בטבלה 3. דרישת החמצן מוצגת כ- BOD5, שהומר מ- COD באמצעות יחס ההמרה המקובל (COD = 1.6BOD5)8. כפי שמוצג, ריכוזי VSS התחלתיים (המתוארים גם על ידי מסה בטבלה 3) עלו מהביקורת ליחס F:M הגדול ביותר (1.1). כל F:M שנבדק הראה הרס VSS, או המרה אנאירובית של חומרים אורגניים לתוצרים סופיים גזיים של מתאן ופחמן דו חמצני. בשל ההמרה, ריכוז ה-VSS ירד ממדידות ראשוניות למדידות סופיות שנערכו בסוף הניסוי. כמות ה-VSS שהושמדה גדלה מהבקרה ליחסי F:M גדולים יותר. באופן בלתי צפוי, הרס VSS עבור תרחיש F:M = 0.7 חרג מתרחיש F:M = 1.1, אולי עקב עיכוב בתרחיש F:M של 1.1.
ריכוזי דרישת החמצן הראשונית שנמדדו המשיכו באותה מגמה כמו VSS, כלומר עלו מהביקורת ליחס F:M הגדול ביותר (טבלה 3). בדומה להרס VSS, ריכוזי BOD5 ירדו בין הריכוזים הראשוניים והסופיים, למעט הביקורת. דרישת החמצן עלתה בביקורת, ככל הנראה עקב דעיכה אנדוגנית. בניגוד להרס VSS, הירידה בביקוש לחמצן מהמדידה הראשונית ועד האחרונה הייתה נמוכה יחסית לכל דגימה, נעה בין 1% ל-3%, ולא הראתה מגמה ביחס F:M. סיבה אפשרית למגמה זו היא המרה של חומר אורגני חלקיקי לחומרים אורגניים מסיסים, המתרחשת על פני טווחי זמן ארוכים ולעתים קרובות מהווה שלב מגביל קצב בחילוף החומרים של קונסורציום החיידקים האנאירובי20.
ייצור מתאן הכמויות והשיעורים של ייצור מתאן השתנו בטווח יחסי F:M במהלך תקופת המחקר בת 190 השעות. תוצאות הניסוי הראו כי יחסי F:M גבוהים יותר הניבו כמויות גדולות יותר של מתאן (איור 7). הבקרה, אליה לא נוסף מצע, הפיקה כמות קטנה של מתאן (~72 מ"ל) ככל הנראה בשל הכמות הקטנה יחסית של BOD5 המסיס בבוצה ו/או ריקבון אנדוגני. כצפוי, הוספת המצע בתרחישים אחרים הגדילה את ייצור המתאן ביחס לביקורת. תרחיש F:M של 0.3 הניב פי חמישה יותר מתאן, בנפח (~354 מ"ל), מאשר הביקורת. הגדלת יחס F:M ל-0.7 הניבה פי 1.6 יותר מתאן (~574 מ"ל) מאשר תרחיש F:M של 0.3. באופן דומה, הגדלת יחס F:M ל-1.1 הניבה פי 1.9 יותר מתאן (~1098 מ"ל) מאשר תרחיש F:M של 0.7. ערכי ייצור המתאן הנפחיים המרביים הנצפים (Ymax) עבור כל יחס F:M שנבדק מפורטים בטבלה 4. קצב הפקת המתאן לאורך זמן השתנה גם הוא עם יחסי ה-F:M שנבדקו. כפי שניתן לראות באיור 8, קצב ייצור המתאן, כמו גם משך הזמן במהלך המחקר שבו הופק מתאן, גדלו ככל שה-F:M גדל. לדוגמה, בתרחיש F:M של 0.3, לא נצפתה הפקת מתאן לאחר 129 שעות מחקר (עם מקסימום של 354 מ"ל), בעוד שתרחיש F:M של 1.1 עדיין ייצר כמות קטנה של מתאן בסוף המחקר. בכל התרחישים, קצב הפקת המתאן ירד עם הזמן עקב זמינות נמוכה יותר של המצע. בעוד שעדיין היה ביקוש רב לחמצן זמין בסוף המחקר (טבלה 3), ייתכן שהוא לא היה בצורה זמינה ביולוגית, או שאולי היה מקבל אלקטרונים מוגבל שנותר (למשל, פחמן דו חמצני) עבור המיקרוביוטה האנאירובית. לבסוף, השוואה של מתאן שהופק (מ"ל) לכל VSS שנצפה נהרס (מ"ג) מראה כי הערכים עבור F:M של 0.3 ו-0.7 סיפקו טווח של 1.3 עד 1.6 מ"ל/מ"ג, בעוד ש-F:M של 1.1 ייצר יותר מתאן ליחידת VSS שהושמד (3.7 מ"ל/מ"ג) (טבלה 4). Tchobanoglous et al. (2014) מספק טווחים אופייניים עבור תפוקת גז ליחידת מוצקים שנהרסו עבור חומרי הזנה נפוצים, כולל שומנים (~ 1.4 מ"ל / מ"ג), שומן (~ 1.1 מ"ל / מ"ג) וחלבון (~ 0.7 מ"ל / מ"ג)8. Mata-Alvarez et al. (2014) סקרו מחקרים המעכלים במשותף בוצת שפכים עם מגוון מצעים, ויחסי מצע שונים (למשל, יחסים שונים של WAS ו- FOG), בביוריאקטורים בקנה מידה של bench ו- pilotבקנה מידה 10. הם מצאו כי ייצור המתאן המדווח ליחידת VSS שהושמד השתנה באופן משמעותי עם המצע שעוכל במשותף, כמו גם היחס בין המצע, שנע בין 0.2 מ"ל ל -1.1 מ"ל ביוגז למ"ג VS שנהרס. תוצאות מייצגות ממחקר זה, במיוחד עבור F:M של 0.3 ו-0.7 משוות לטובה לתוצאות של מחקרי השוואה.
פרמטרים ביוקינטיים ייצור מתאן לאורך זמן יכול לשמש לקביעת מספר פרמטרים ביוקינטיים חשובים. ניתן למנף פרמטרים ביוקינטיים אלה לחיזוי ייצור מתאן בתרחישים דומים ללא שימוש ברספירומטר. ניתן לגזור את קבוע קצב ייצור המתאן, k, באמצעות התאמה לוגריתמית הכי פחות ריבועית לנתוני הספירומטר הנצפים עבור כל יחס F:M שנבדק (כלומר, אלה המוצגים באיור 8). פונקציה לוגריתמית מייצגת עבור תרחיש F:M של 0.3 היא y = 93.465ln(X) - 175.91. כאן, הערך של 93.465 הוא ביחידות של שעות, אשר חייב להיות מומר ימים ולאחר מכן הפוך, נותן k = 0.257. קבועי קצב (k) ומקדם הקביעה (R2) עבור כל יחס F:M שנבדק נמצאים בטבלה 4.
לאחר מכן ניתן למנף את קבוע הקצב כדי לקבוע את תפוקת המתאן בכל זמן נתון עבור כל יחס F:M. ניתן למדל את קצב המתאן המופק לאורך זמן מהמצע האורגני באמצעות המשוואה הבאה [1]21:
(1)<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/66485/66485eq01.jpg" style="margin: auto;">
שילוב המשוואה לעיל בין הגבולות t = 0 עד t = t, נותן את הדברים הבאים [2]:
(2)<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/66485/66485eq02.jpg" style="margin: auto;">
כאשר, Y = תפוקת מתאן בכל עת [mL]; Ymax = תפוקת המתאן המרבית שנצפתה ממחקר הרספירומטר [mL]; k = קבוע קצב ייצור המתאן [D-1]; t = זמן [d]
בעוד שהגישה מסדר ראשון המשמשת לפיתוח פרמטרים ביוקינטיים שהוצגה לעיל מספקת התאמה סבירה מאוד לנתוני הניסוי (כפי שמצוין על ידי ערכי R2 בטבלה 4), מחקרים אחרים דיווחו על שימוש במודלים אחרים כדי להתאים לנתוני ייצור מתאן, כולל מודל גומפרץ שונה, מודל שני מצעים ומודל קונוס2.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig01.jpg"> איור 1: בלנדר פסולת מזון. בלנדר סטנדרטי המשמש לשילוב פסולת מזון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig02.jpg"> איור 2: רספירומטר. התקנה מלאה של רספירומטר למדידת ייצור מתאן. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig03.jpg"> איור 3: בקבוק לדוגמה בצ'ילר רספירומטר. מבט פנימי של צ'ילר רספירומטר עם שמונה בקבוקים לדוגמה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig04.jpg"> איור 4: שפשוף רספירומטר. מבט מקרוב על שפשוף רספירומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig05.jpg"> איור 5: מגרד רספירומטר למודול בקרה. תמונת Respirometer של מודול הבקרה והגדרת scrubber. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig06.jpg"> איור 6: הגדרת קו שפשוף רספירומטר. מבט מקרוב על הגדרת קו השפשוף בין בקבוקי הדגימה לבין הרספירומטר. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig06large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig07.jpg"> איור 7: סך ייצור המתאן באמצעות יחסי F:M שונים. ייצור מתאן עבור כל F:M (0.3, 0.7, 1.1) מתואר לאורך זמן (0 שעות עד 190 שעות). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig07large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66485/66485fig08.jpg"> איור 8: קצב ייצור מתאן באמצעות יחסי F:M שונים. קצב ייצור המתאן עבור כל F:M (0.3, 0.7, 1.1) מתואר לאורך זמן (0 שעות עד 190 שעות). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/66485fig08large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
טבלה 1: מרכיבי בקבוק לדוגמה עם יחס מזון-מיקרוב. מסה, ריכוז ונפח מכוננים עבור כל F:M (0.3, 0.7, 1.1) והבקבוקים הריקים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/3_JoVE_Table%201.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה 2: הרכב מצע אורגני לדוגמה. אובדן מסת מזון והרכב אחוזים לפי מזון ושיעור פחמימות, חלבונים ושומנים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/3_JoVE_Table%202.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה 3: תוצאת דגימה נדיפה של מוצק מרחף וביקוש לחמצן (± סטיית תקן). VSS ו- COD עבור כל F:M (0.3, 0.7, 1.1). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/3_JoVE_Table%203v2.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>
טבלה 4: פרמטרים קינטיים לדוגמה. פרמטרים קינטיים מחושבים המבוססים על תפוקת מתאן. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66485/3_JoVE_Table%204v2.xlsx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.</a>

פרוטוקול זה מתאר שיטות עבודה מומלצות לקביעת ייצור מתאן ופרמטרים קינטיים מיקרוביאליים באמצעות רספירומטריה עבור מיקרוביוטה אנאירובית, עיכול משותף, פסולת מזון ובוצה המופעלת על ידי פסולת.

The use of respirometry to study the biokinetics of microbiota treating wastewater or digesting wastewater sludges has become more prevalent over the last ...

היקף המחקר שלנו הוא להשתמש ברספירומטריה כדי לבחון את הביוקינטיקה של מיקרוביוטה אנאירובית המעכלת במשותף זרמי פסולת אורגנית כגון בוצת שפכים וגרוטאות מזון. ניסינו לענות על השאלה כיצד ריכוזי מצע שונים משפיעים על הקצב שבו המיקרוביוטה האנאירובית הזו מייצרת מתאן. בעוד שמספר מחקרים מדדו ייצור מתאן מעיכול משותף של בוצה המופעלת על ידי פסולת יחד עם מצעים אורגניים אחרים כגון פסולת ביולוגית, שומנים, שמנים, שומן ופסולת חקלאית, מחקר זה מציג פרוטוקול רספירומטר המשתמש בשילוב של שפכים מדוללים, בוצה מופעלת בפסולת ופסולת גרוטאות מזון כמצעים.מחקרים דומים משתמשים במבחני אצווה בבקבוקי סרום שבהם ייצור המתאן נמדד בנקודות בדידות לאורך כל הניסוי, בעוד שאחרים משתמשים במדי זרימה המחוברים ישירות לביוריאקטורים בקנה מידה של ספסל או פיילוט. הפרוטוקול שלנו משתמש ברספירומטר המספק מדידות מתאן רציפות ומדויקות מדגימות המופעלות בתנאי ניסוי שונים.

measuring-biomethane-potential-food-scrap-waste-anaerobically-co

Research

JoVE Journal

Environment

סביבה

מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות עוררה digester אנאירובי.

ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית

התחל עם מעכל אנאירובי, כור אטום ונטול חמצן שנזרע בבוצה סינתטית המחקה את המוצקים השקועים ממי שפכים.הבוצה מכילה חיידקים אנאירוביים מזופיליים, קהילה מיקרוביאלית מעורבת.חיידקים אלה משגשגים בטמפרטורות מתונות ומניעים את עיכול החומר האורגני של הבוצה.מערבבים ברציפות את הבוצה כדי לשמור על פעילות החיידקים ולקדם את העיכול.מאוחר יותר, הוסיפו לבוצה ביו-פלסטיק, שהם פולימרים מתכלים.במהלך הדגירה, חיידקים הידרוליטיים נצמדים לביו-פלסטיק וממירים אותם לתרכובות מסיסות.לאחר מכן חיידקים מותססים הופכים את התרכובות...

עיכול אנאירובי של ביו-פלסטיק לייצור ביוגז

כור מוצק רומן Upflow אנאירובית מדינה (UASS) שימש לייצור ביוגז מחומרי גלם סיבי. נוזל עיכול מכור UASS היה המפוח hydrothermally לbiochar HTC בכור אצווה בלחץ. שילובם של שני המושגים יואנרגיה יושם במחקר זה כדי להגדיל את ייצור Bioenergy כולל.

הערכה משולבת אנאירובי העיכול והידרותרמיים פחום ליואנרגיה הפקה

הדיוק והדיוק של הטכניקות המשמשות למדידת פליטת מתאן מבעלי חיים מעלי גירה חשובים ביותר להצלחת מאמצי הפחתת גזי החממה. כתב יד זה מתאר את העקרונות והפעולה של מערכת אוטומטית לניטור שטפי מסת מתאן ופחמן דו חמצני מנשימתם של בעלי חיים מעלי גירה.

השימוש במערכת אוטומטית (GreenFeed) לפקח פליטות המעיים מתאן ופחמן דו חמצני מבעלי חיים מעלה הגירה

כמו אורגניזמים אנאירובית מחייב אינם מסוגלים לצמוח על החשיפה לחמצן, השימוש של טכניקות culturing אנאירובית הוא הכרחי. כאן, אנו להדגים שיטה פשוטה ויעילה לטפח תרבות מעורבת נגזר צמח ביוגז מפני התקשורת הכנה גז וכימות חומצות שומן נדיף.

הכנה בינונית לטיפוח מיקרואורגניזמים בתנאים אנאירובית/אנקסימית בלבד

זיהום אוויר משפיע על איכות החיים של כל האורגניזמים. במאמר זה נתאר את השימוש בביוטכנולוגיה של מיקרו-אצות לטיפול בביו-גז (סילוק סימולטני של פחמן דו-חמצני ומימן גופרתי) ואת ייצור הביו-מתאן באמצעות בריכות אצות פתוחות חצי-תעשייתיות בקצב גבוה, וניתוח עוקב של יעילות הטיפול, pH, חמצן מומס וגידול מיקרו-אצות.

טיהור ביוגז באמצעות שימוש במערכת מיקרו-אצות-חיידקים בבריכות אצות חצי תעשייתיות בקצב גבוה

פרוטוקול זה מציג שיטה ניתנת להרחבה להמרת פסולת מזון לביו-פלסטיק מתכלה (PHA). הוא משתמש בעיכול אנאירובי עצור לטיפול מקדים בפסולת מזון, תסיסה מיקרוביאלית הלופילית לביוסינתזה של PHA, ותהליך נטול כימיקלים במורד הזרם לשחזור PHA.

גישה ניתנת להרחבה צעד אחר צעד של ייצור ביו-פלסטיק בר קיימא מפסולת מזון

מודגמת צמיחה כרונואמפרומטרית של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים אנודיים בכור אצווה מוזנת באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות, הנשלט על ידי פוטנציוסטט. העברת האלקטרונים החוץ-תאית מאופיינת באמצעות וולטמטריה מחזורית בנוכחות תורם האלקטרונים ובהיעדר תורם האלקטרונים. מודגם ניתוח נתונים בסיסי.

ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי

ניתן לאסוף פסולת תעשייתית ולשנות אותה כדי לנתח צמיחה מיקרוביאלית. טכניקות מיצוי ליגנוצלולוז מספקות רכיבים לניתוח יכולת פירוק ביולוגית ספציפית. כרומטוגרפיית גז-ספקטרומטריית מסה מזהה תוצרי תסיסה של מיקרואורגניזמים הגדלים על פסולת עיסת. שיטות אלה קובעות את היכולת המטבולית של מיקרואורגניזמים לפרק פסולת עיסה.

שיטות להקלה על גידול חיידקים בזרמי פסולת של טחנות עיסת ואפיון פוטנציאל הפירוק הביולוגי של חיידקים מתורבתים

המטרה הכללית של מחקר זה הייתה כדי להדגים את מנגנון זיהום לחצות הפוטנציאלי של חיידקי ליסטריה הפתוגן במזון בהגדרת מעדנייה הקמעונאי. מתודולוגיה זו ניתן ליישם במגוון רחב של סביבות שונות כדי לעקוב אחר זיהום הפתוגן.

מעקב מיקרוביאלית זיהום בסביבות קמעונאיות באמצעות פלורסנט אבקה - קמעונאות מעדני סביבת דוגמא

למד כיצד למדוד ייצור מתאן מפסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה מופעלת באמצעות רספירומטריה. פרוטוקול זה מסייע לחוקרים לנתח פרמטרים קינטיים מיקרוביאליים ולייעל תהליכי עיכול אנארובי.

מדידת פוטנציאל ביו-מתאן של פסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה המופעלת על ידי פסולת באמצעות רספירומטריה

גלה סרטונים נוספים