Reaktor beztlenowego trawienia z ciągłym mieszaniem do konwersji odpadów organicznych w biogaz: konfiguracja systemu i podstawowa eksploatacja

Podsumowanie

Laboratoryjne bioreaktory do fermentacji beztlenowej umożliwiają naukowcom badanie nowych metod optymalizacji istniejących zastosowań biotechnologii beztlenowej oraz ocenę potencjału produkcji metanu z różnych odpadów organicznych. Niniejszy artykuł przedstawia uogólniony model konstrukcji, zaszczepiania, eksploatacji i monitorowania laboratoryjnego bioreaktora beztlenowego z ciągłym mieszaniem.

Streszczenie

Fermentacja anaerobowa (AD) jest bioprocesem powszechnie stosowanym do przekształcania złożonych odpadów organicznych w użyteczny biogaz, w którym nośnikiem energii jest metan ^1-3. Coraz częściej AD jest wykorzystywana w przemysłowych, rolniczych i komunalnych zastosowaniach do oczyszczania odpadów (ścieków) ^4,5. Zastosowanie technologii AD pozwala operatorom zakładów na obniżenie kosztów utylizacji odpadów i zrekompensowanie wydatków na energię. Oprócz oczyszczania odpadów organicznych, rośliny energetyczne są przekształcane w nośnik energii, jakim jest metan ^6,7. Wraz z rozszerzeniem zastosowania technologii AD do oczyszczania nowych substratów i mieszanin kosubstratów ⁸, rośnie zapotrzebowanie na niezawodną metodologię testową w skali pilotowej i laboratoryjnej.

Systemy fermentacji beztlenowej mają różne konfiguracje, w tym reaktor z ciągłym mieszaniem (CSTR), reaktor przepływowy tłokowy (PF) oraz beztlenowy sekwencyjny reaktor okresowy (ASBR) ⁹. CSTR jest często stosowany w badaniach ze względu na prostotę konstrukcji i obsługi, a także ze względu na zalety w przeprowadzaniu eksperymentów. W porównaniu z innymi konfiguracjami, CSTR zapewnia większą jednorodność parametrów układu, takich jak temperatura, mieszanie, stężenie substancji chemicznych oraz stężenie substratu. Ostatecznie, przy projektowaniu reaktora w pełnej skali, optymalna konfiguracja reaktora będzie zależeć od charakterystyki danego substratu oraz wielu innych czynników nietechnicznych. Niemniej jednak wszystkie konfiguracje dzielą podstawowe cechy konstrukcyjne i parametry operacyjne, które sprawiają, że CSTR jest odpowiedni do większości wstępnych ocen. Jeśli badacze i inżynierowie wykorzystują strumień dopływowy o stosunkowo wysokim stężeniu ciał stałych, konfiguracje bioreaktorów w skali laboratoryjnej nie mogą być zasilane w sposób ciągły ze względu na problemy z zatykaniem pomp laboratoryjnych przez ciała stałe lub ich osadzanie się w rurkach. W takim scenariuszu, przy wymogach ciągłego mieszania, bioreaktory w skali laboratoryjnej są zasilane okresowo; takie konfiguracje określamy mianem beztlenowych komór fermentacyjnych z ciągłym mieszaniem (CSADs).

Niniejszy artykuł przedstawia ogólną metodologię konstruowania, szczepienia, eksploatacji i monitorowania systemu CSAD w celu przetestowania przydatności danego substratu organicznego do długoterminowego trawienia beztlenowego. Sekcja dotycząca konstrukcji obejmie budowę systemu reaktora w skali laboratoryjnej. Sekcja dotycząca szczepienia wyjaśni, jak stworzyć środowisko beztlenowe odpowiednie do zaszczepienia aktywnym inokulum metanogennym. Sekcja dotycząca eksploatacji obejmie obsługę, konserwację i rozwiązywanie problemów. Sekcja monitorowania przedstawi protokoły testowe z wykorzystaniem standardowych analiz. Zastosowanie tych środków jest niezbędne do wiarygodnej oceny eksperymentalnej przydatności substratu do procesu AD. Niniejszy protokół powinien zapewnić większą ochronę przed częstym błędem popełnianym w badaniach nad AD, jakim jest wyciąganie wniosku, że awaria reaktora była spowodowana używanym substratem, podczas gdy w rzeczywistości wynikała ona z niewłaściwej obsługi przez użytkownika ¹⁰.

Wprowadzenie

Fermentacja beztlenowa (AD) to dojrzała technologia polegająca na biologicznie zapośredniczonej konwersji złożonych organicznych substratów odpadowych w użyteczny biogaz, w którym nośnikiem energii jest metan. Oczyszczanie beztlenowe niesie ze sobą wiele korzyści, w tym minimalne nakłady energii i składników odżywczych oraz zmniejszoną produkcję osadów biologicznych w porównaniu z oczyszczaniem tlenowym ¹⁰. Ponadto wszechstronność mieszanej społeczności drobnoustrojów występującej w tych systemach sprawia, że szeroka gama substratów organicznych nadaje się do roli surowców ^11,12. Właśnie dzięki tym zaletom coraz więcej zastosowań AD jest wdrażanych poza konwencjonalnym oczyszczaniem ścieków komunalnych, szczególnie w sektorach przemysłowym, komunalnym (np. odpady spożywcze) i rolniczym ^4,7,13. Pierwszy znaczący rozwój AD nastąpił w latach 80. XX wieku w odpowiedzi na krajowy kryzys energetyczny poprzedniej dekady. W obliczu narastającego globalnego kryzysu energetycznego, połączonego z degradacją środowiska, większą uwagę poświęca się obecnie technologiom biopaliw, a w szczególności koncepcji odzyskiwania energii z odpadów. Na przykład w USA fermentacja beztlenowa może pokryć 5,5% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną ⁸.

Zwiększyło to zapotrzebowanie na dobrze kontrolowane badania eksperymentalne w skali pilotowej i laboratoryjnej w celu oceny przydatności nowych organicznych materiałów odpadowych i mieszanin odpadów do fermentacji beztlenowej ¹⁴. Zamierzamy przedstawić ogólny model konstrukcji, zaszczepiania, eksploatacji i monitorowania laboratoryjnego fermentora beztlenowego, który będzie odpowiedni do rzetelnych ocen. Fermentory beztlenowe występują w wielu różnych konfiguracjach. Do kilku powszechnych konfiguracji należą: reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem (CSTR) z ciągłym zasilaniem dopływowym; beztlenowy fermentor z ciągłym mieszaniem (CSAD) z okresowym zasilaniem dopływowym; reaktor przepływu tłokowego (PF), beztlenowy reaktor z upływowym złożem osadu (UASB); beztlenowy reaktor z migrującym złożem (AMBR); beztlenowy reaktor z przegrodami (ABR) oraz beztlenowy sekwencyjny reaktor okresowy (ASBR) ^9,15. Konfiguracje CSTR i CSAD są szeroko stosowane w eksperymentach w skali laboratoryjnej ze względu na łatwość konfiguracji i korzystne warunki eksploatacyjne. Dzięki ciągłemu mieszaniu hydrauliczny czas zatrzymania (HRT) jest równy czasowi zatrzymania osadu (SRT). SRT jest istotnym parametrem projektowym dla urządzeń do fermentacji beztlenowej. Konfiguracja ta sprzyja również kontrolowanym eksperymentom ze względu na większą jednorodność przestrzenną parametrów, takich jak stężenia związków chemicznych, temperatura i szybkości dyfuzji. Należy jednak zauważyć, że optymalna konfiguracja pełnoskalowego fermentora beztlenowego zależy od konkretnych właściwości fizycznych i chemicznych substratu organicznego, a także od innych aspektów nietechnicznych, takich jak docelowa jakość odcieku. Na przykład rozcieńczone strumienie odpadów o stosunkowo wysokiej zawartości rozpuszczalnej materii organicznej i niewielkiej ilości cząstek, takie jak ścieki browarnicze, zazwyczaj wykazują większą konwersję energii w konfiguracji wysokowydajnego bioreaktora upływowego (np. UASB) niż w konfiguracji CSAD. Niemniej jednak istnieją podstawowe parametry eksploatacyjne, które są niezbędne do pomyślnej fermentacji i istotne dla wszystkich konfiguracji, co uzasadnia ogólne wyjaśnienie zastosowania tej konfiguracji.

W rzeczywistości każdy system AD zawierający zróżnicowaną, otwartą społeczność drobnoustrojów beztlenowych będzie szeregowo metabolizować substrat do metanu (końcowego produktu o najniższej dostępnej energii swobodnej na elektron). Ścieżki metaboliczne zaangażowane w ten proces stanowią złożoną sieć troficzną, którą można podzielić na cztery etapy: hydrolizę, acidogenezę, acetogenezę i metanogenezę. W procesie hydrolizy złożone polimery organiczne (np. węglowodany, lipidy i białka) są rozkładane do ich odpowiednich monomerów (np. cukrów, długołańcuchowych kwasów tłuszczowych i aminokwasów) przez bakterie hydrolityczne i fermentacyjne. W acidogenezie monomery te są fermentowane przez bakterie acidogenne do lotnych kwasów tłuszczowych (VFAs) i alkoholi, które w acetogenezie są następnie utleniane do octanu i wodoru odpowiednio przez bakterie homoacetogenne i obligatoryjnie produkujące wodór ⁵. W końcowym etapie metanogenezy octan i wodór są metabolizowane do metanu przez metanogeny acetoklastyczne i hydrogenotroficzne. Należy zdać sobie sprawę, że cały proces AD, opierając się na wzajemnie powiązanej serii metabolizmów różnych grup drobnoustrojów, zależy od prawidłowego funkcjonowania każdego z członków, aby system jako całość działał optymalnie. Projektowanie i budowa systemu bioreaktora AD powinny zawsze uwzględniać wymóg całkowitego uszczelnienia bioreaktora. Niewielkie nieszczelności w górnej części bioreaktora (oddzielającej przestrzeń nad cieczą) lub w systemie odprowadzania gazów mogą być trudne do wykrycia, dlatego system powinien zostać poddany próbie ciśnieniowej przed użyciem. Po zapewnieniu szczelności instalacji, niepowodzenia w badaniach nad fermentorem beztlenowym często wynikają z błędów podczas inokulacji, hodowli i codziennej eksploatacji. W rezultacie fermentory mają opinię systemów z natury niestabilnych i podatnych na nieoczekiwane awarie. Dlaczego zatem pełnoskalowe fermentory są eksploatowane w stabilnych warunkach od dziesięcioleci ¹³? Przyczyną niepowodzeń jest prawdopodobnie niewłaściwa obsługa przez operatora, szczególnie w okresie rozruchu, podczas którego społeczność drobnoustrojów musi powoli zaaklimatyzować się do składu i stężenia odpadów organicznych. Dlatego naszym celem jest nie tylko przedstawienie metodologii budowy systemu AD, ale także wyjaśnienie procesów inokulacji, eksploatacji i monitorowania tych systemów.

Pierwsza część artykułu wyjaśni, jak skonstruować system CSTR lub CSAD, natomiast druga część przedstawi procedurę szczepienia komory fermentacyjnej aktywną biomasą metanogenną. Bardziej praktycznym i mniej czasochłonnym rozwiązaniem jest szczepienie komór fermentacyjnych aktywną biomasą metanogenną pochodzącą z mieszanego osadu lub odcieku z działającej komory fermentacyjnej przetwarzającej podobny substrat, niż próba wyhodowania wystarczającej ilości biomasy z kultury początkowej. Trzecia część artykułu obejmie kwestie eksploatacyjne, takie jak podawanie substratu, dekantacja odcieku oraz rozwiązywanie różnych problemów z reaktorem. Podawanie substratu i dekantacja odcieku w tym systemie będą prowadzone w trybie półciągłym (tj. okresowe zasilanie i dekantacja, podczas gdy większość biomasy i mieszanego osadu pozostaje w bioreaktorze). Częstotliwość zasilania/dekantacji komory fermentacyjnej pozostaje w gestii operatora. Generalnie częstsze zasilanie/dekantacja w regularnych odstępach czasu będą sprzyjać większej stabilności komory fermentacyjnej i powtarzalności wyników między cyklami zasilania. Czwarta część wprowadzi podstawowy protokół monitorowania, który należy stosować w okresie eksperymentalnym. Do charakterystyki substratu i prawidłowego monitorowania systemu wymagane będą kilka standardowych analiz opisanych w Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater ¹⁶ (Tabela 1, 2). Poza pomiarem zmiennych, ważnym aspektem monitorowania jest sprawdzanie, czy komponenty systemu fermentacyjnego funkcjonują prawidłowo. Regularna konserwacja systemu fermentacyjnego pozwoli zapobiec poważnym awariom, które w przeciwnym razie mogłyby zagrozić długoterminowej wydajności i stabilności komory fermentacyjnej. Na przykład awaria elementu grzejnego, prowadząca do spadku temperatury, mogłaby spowodować akumulację lotnych kwasów tłuszczowych poprzez obniżenie tempa metabolicznego metanogenów. Problem ten uległby pogorszeniu, gdyby system nie posiadał wystarczającej alkaliczności, aby utrzymać pH powyżej poziomów hamujących dla metanogenów. Ważne jest również wykrywanie i uszczelnianie ewentualnych wycieków po nieoczekiwanych spadkach tempa produkcji biogazu. Dlatego w projekcie eksperymentalnym istotne jest zastosowanie powtórzeń, na przykład poprzez równoległe prowadzenie dwóch bioreaktorów w identycznych warunkach operacyjnych, aby wykryć nieoczekiwane spadki wydajności spowodowane usterkami systemu, takimi jak niewielkie wycieki.

Protokół

1. Budowa komory fermentacyjnej

1. Wybierz naczynie do digestora, które posiada wszystkie cechy pokazane na Rys. 1 (stożek nie jest konieczny) oraz pożądaną objętość roboczą (zazwyczaj od 1-10 L). Jeśli naczynie digestora nie jest wyposażone w płaszcz grzejny z wodą, umieść digestor w innym środowisku z kontrolowaną temperaturą, takim jak wodna łaźnia grzewcza lub komora inkubacyjna.
2. Zabeziecz naczynie w pozycji pionowej w miejscu z wystarczającą poziomą przestrzenią na blacie do umieszczenia pozostałych komponentów (Tabela 2).
3. Zmontuj pokrywę naczynia zgodnie z Rys. 2. Otwory rurek dopływowych i odpływowych powinny być wystarczająco szerokie, aby zapobiec zapychaniu. Rurki wewnątrz bioreaktora powinny mieć odpowiednią długość, aby pozostać zanurzone w medium digestora podczas dekantacji, jednocześnie wystając poza górną część pokrywy, co umożliwi podłączenie przewodów. Osłona mieszadła powinna sięgać jak najgłębiej w głąb medium digestora (zanurzone rurki i osłona zapobiegają ucieczce biogazu z przestrzeni nad cieczą w bioreaktorze).
4. Nałóż silikonowy smar próżniowy na powierzchnię styku pokrywy i przymocuj ją zaciskiem do górnej części naczynia digestora.
5. Zamocuj mieszalnik o zmiennej prędkości równolegle do osi pionowej digestora za pomocą statywu z obejmami, a następnie zamocuj wał mieszadła. Ze względu na wibracje i ruchy silnika mieszalnika ważne jest użycie niezależnego i swobodnie poruszającego się statywu.
6. Podłącz odcinek elastycznego przewodu do rurek dopływowych i odpływowych, a następnie podłącz kolejny odcinek przewodu do otworu gazowego, który będzie służył jako linia gazowa.
7. Podłącz linię biogazu do poszczególnych komponentów, które można umieścić nad digestorem na półkach. Komponenty powinny być połączone w następującej kolejności: port pobierania próbek, pułapka piany, skrubber H₂S, zbiornik na gaz, bulgotka, miernik gazu i linia wentylacyjna (Rys. 3). Aby ułatwić izolację lub demontaż poszczególnych komponentów w celu rozwiązywania problemów lub czyszczenia, rozważ dodanie zaworów i złączek pomiędzy komponentami. Upewnij się, że wylot gazu jest prawidłowo wentylowany na zewnątrz lub do wyciągu chemicznego, ponieważ biogaz jest wybuchowy.
   1. Port pobierania próbek gazu powinien znajdować się blisko przestrzeni nad cieczą w reaktorze.
   2. Pułapkę piany można wykonać z prostej kolby lub butelki; powinna ona stanowić co najmniej 25% objętości reaktora. Powinna posiadać dwa otwory: jeden dla linii wlotowej biogazu i drugi dla linii wylotowej biogazu. Otwory te można wykonać, wiercąc dwie dziury w gumowym korku, przez które wprowadza się sztywne rurki. Rurka wlotowa biogazu powinna sięgać na większą głębokość niż rurka wylotowa biogazu (Rys. 4). Pułapka piany jest niezbędna do ochrony układu obsługi gazu przed ewentualną pianą z digestora.
   3. Skrubber H₂S składa się z długiej szklanej rurki o średnicy wewnętrznej większej niż 2 cm, wypełnionej wełną stalową, z wlotowym i wylotowym otworem dla biogazu na obu końcach. Wełna stalowa powinna być dobrze upakowana, aby zapewnić wystarczającą powierzchnię do absorpcji, ale nie zbyt ciasno, by nie blokować przepływu biogazu. Oczyszczanie jest konieczne w celu ochrony metalowych komponentów miernika gazu przed chemikaliami korozyjnymi.
   4. Zbiornik na gaz może być wykonany z dowolnego składanego, szczelnego materiału, takiego jak worek gazowy, a nawet dziecińska piłka plażowa, o objętości przekraczającej dwukrotność docelowej objętości zasilania. Jest to konieczne, aby zapobiec spadkowi ciśnienia podczas dekantacji odpływu i ewentualnemu zasysaniu powietrza do przestrzeni nad cieczą.
8. Jeśli system będzie kontrolowany temperaturowo przez cyrkulacyjny podgrzewacz wody, podłącz podgrzewacz do płaszcza grzejnego za pomocą elastycznych przewodów. Umieść urządzenie powyżej poziomu cieczy w płaszczu grzejnym. Ustaw podgrzewacz na odpowiednią temperaturę dla trawienia mezofilnego lub termofilnego (Tabela 1).
9. Przeprowadź test szczelności systemu, wykrywając wycieki za pomocą wody z mydłem. Zacznij od napełnienia zbiornika digestora wodą, a następnie lekko zwiększ ciśnienie w linii dopływowej za pomocą gazu do wartości mniejszej niż 5 psi. Najpierw zaklemuj linię biogazu i linie odpływowe, aby sprawdzić szczelność wokół pokrywy reaktora, a następnie zdejmij zacisk linii biogazu, aby przetestować szczelność całego systemu obsługi gazu. Należy pamiętać, że nadmierne zwiększenie ciśnienia w linii dopływowej spowoduje wypchnięcie wody przez rurkę osłony mieszadła.
10. Włącz mieszadło i element grzejny i pozostaw je włączone na noc, aby upewnić się, że mieszalnik i grzejnik mogą pracować w sposób ciągły. Prędkość obrotowa mieszadła powinna być wystarczająco wysoka, aby zapewnić całkowite wymieszanie medium w reaktorze. Typowe problemy z mieszalnikiem obejmują niewspółosiowość, nadmierne tarcie wału oraz niewystarczające zamocowanie silnika do statywu.

2. Inokulacja i kondycjonowanie bioreaktora z wykorzystaniem aktywnej biomasy metanogennej

1. Przechowywać aktywną biomasę metanogenną (szczep) w zamkniętym pojemniku w lodówce w temperaturze 4 °C podczas przygotowywania komór fermentacyjnych. Idealnie szczep powinien być przechowywany jak najkrócej, a jego ilość powinna być wystarczająca do całkowitego wypełnienia całej objętości komory fermentacyjnej. Niemniej jednak niektóre rodzaje biomasy beztlenowej (np. biomasa granulowana) mogą być przechowywane przez bardzo długi czas. W razie potrzeby rozcieńczyć szczep wodą przepłukaną gazem beztlenowym do odpowiedniej objętości.
2. Przepłukać pusty system komory fermentacyjnej gazem beztlenowym przez kilka minut, podłączając go do rurki zasilającej, zaciskając linię odpływową i zaklejając przestrzeń między osią mieszadła a osłoną, aby zapobiec nadmiernej utracie gazu beztlenowego.
3. W czasie przepłukiwania należy pamiętać o przepłukaniu zbiornika gazu.
4. Po zakończeniu przepłukiwania podłączyć lejek do rurki zasilającej i dodać szczep, pamiętając o okresowym mieszaniu szczepu w celu zapewnienia jednorodności.
5. Ponownie podłączyć gaz beztlenowy do rurki zasilającej, włączyć mieszadło i przepłukiwać ciecz w komorze fermentacyjnej przez co najmniej 15 min. Następnie odłączyć gaz, zacisnąć rurkę zasilającą i odblokować zbiornik gazu. Komora fermentacyjna jest teraz w eksploatacji.
6. Pozostawić komorę fermentacyjną w działaniu przez kilka dni przed rozpoczęciem zasilania i monitorować produkcję biogazu. W tym czasie przeprowadzić analizę stężenia całkowitych i lotnych substancji stałych dla szczepu (Tabela 1). Jeśli stężenie substancji stałych jest znacznie wyższe niż docelowe stężenie mieszanej cieczy, należy odpowiednio usunąć i rozcieńczyć zawartość komory przed rozpoczęciem zasilania. Przeciwdziała to nadmiernemu wymywaniu biomasy w okresie eksploatacji, co mogłoby doprowadzić do zbyt gwałtownego wzrostu stosunku ładunku organicznego do mikroorganizmów (F/M) w okresie rozruchu.
7. Wyznaczyć biodegradowalną frakcję organiczną substratu poprzez pomiar stężenia całkowitych i lotnych substancji stałych, biologicznego lub chemicznego zapotrzebowania na tlen lub całkowitego węgla organicznego w substracie. Wartość tę wykorzystać do obliczenia konserwatywnego początkowego stopnia obciążenia organicznego (OLR).
8. Operator powinien stopniowo zwiększać OLR, aż do osiągnięcia wartości docelowej (okres rozruchu). Jednym z podejść w okresie rozruchu jest ustalenie stałej zawartości materii organicznej w pożywce, a następnie stopniowe zmniejszanie hydraulicznego czasu zatrzymania (HRT), aż do osiągnięcia docelowego OLR (proces ten może trwać od kilku miesięcy do roku, w zależności od jakości szczepu i zastosowanego substratu). Zbyt szybkie zwiększanie OLR doprowadzi do nadmiernych stężeń lotnych kwasów tłuszczowych (>2 000 mg/L w przeliczeniu na octan), jak pokazano na Rys. 5. Operator powinien zmniejszyć OLR, jeśli stężenia lotnych kwasów tłuszczowych wzrosną do poziomów suboptymalnych (Tabela 1). Jeśli stężenia lotnych kwasów tłuszczowych są zbyt wysokie, zawartość bioreaktora może wymagać rozcieńczenia wodą.
9. Przed rozpoczęciem eksperymentów pozostawić komorę fermentacyjną na okres trzech HRT przy docelowym OLR, aby ustabilizować warunki bazowe.

3. Obsługa komory fermentacyjnej

1. Zlewanie odcieku zawsze poprzedza dodawanie substratu do komory fermentacyjnej, dlatego bezpośrednio przed zlewaniem należy przygotować mieszaninę pożywki i przechowywać ją w temperaturze 4 °C do momentu podania.
2. Zlej odciek z komory fermentacyjnej, podłączając rurkę odpływową do pompy (jedną z możliwości zlewania jest użycie kolby z bocznym wylotem pod próżnią) i usuń objętość równą objętości podawanej pożywki. Przechowuj odciek w temperaturze 4 °C do późniejszej analizy. Należy pamiętać, że wiele analiz jest zależnych od czasu. Na przykład pH należy zmierzyć natychmiast, ponieważ CO₂ ucieka z roztworu, co powoduje wzrost pH.
3. Wyjmij mieszaninę pożywki z lodówki. Podłącz lejek do rurki zasilającej i wlej pożywkę (substrat), pamiętając o okresowym mieszaniu, aby zapewnić transport ciał stałych wraz z główną częścią cieczy.
4. W razie potrzeby wykonaj kroki rozwiązywania problemów przedstawione w Tabeli 3.

4. Monitorowanie systemu

1. Często sprawdzaj system komory fermentacyjnej oraz jego komponenty podczas pracy. Szczególną uwagę należy zwrócić na systemy mieszania i ogrzewania. Niewystarczające mieszanie objawi się gwałtownym spadkiem stężenia zawiesiny w odcieku (Rys. 6). Okresowo sprawdzaj, czy poziom oleju lub wody w licznikach gazu jest odpowiedni, i w razie potrzeby wymieniaj wełnę stalową w pułapce na H₂S. Należy pamiętać, że wełna stalowa stanie się czarna i błyszcząca w wyniku reakcji z H₂S i powstania siarczku żelaza.
2. Wykonuj poniższe analizy odcieku z komory fermentacyjnej w celu diagnostyki wydajności i stabilności systemu. Wartości powinny konsekwentnie mieścić się w określonym zakresie optymalnym wskazanym w Tabeli 1.
   1. Mierz tempo produkcji biogazu oraz pH podczas każdego cyklu zasilania.
   2. Mierz stężenie lotnych kwasów tłuszczowych, zasadowość i skład biogazu kilka razy w tygodniu. Uwaga: Skład biogazu powinien być mierzony w tym samym czasie w stosunku do cyklu zasilania, ponieważ jego skład zmienia się w trakcie cyklu. Idealnie próbki biogazu należy pobierać na koniec cyklu zasilania, bezpośrednio przed kolejnym podaniem substratu.
   3. Mierz biologiczne lub chemiczne zapotrzebowanie na tlen oraz całkowitą i lotną zawiesinę raz w tygodniu lub częściej, aby uzyskać co najmniej trzy punkty danych dla każdego stanu eksperymentalnego w warunkach stanu pseudo-stacjonarnego.

5. Reprezentatywne wyniki

O udanej inokulacji komory fermentacyjnej świadczy produkcja biogazu w ciągu kilku dni. Stosunek metanu do dwutlenku węgla w biogazie będzie wzrastać w okresie aklimatyzacji w miarę rekrutacji większej ilości biomasy metanogennej. Powolny wzrost metanogenów w porównaniu z acidogenami sprawia, że niezbędne są długie okresy aklimatyzacji oraz stopniowe zmiany parametrów operacyjnych. Na Rys. 5 demonstrujemy dynamiczną odpowiedź komory fermentacyjnej w sytuacji, gdy wysoki stopień obciążenia organicznego (OLR) zostanie wprowadzony zbyt wcześnie w fazie rozruchu. W tym przykładzie ilość biomasy metanogennej była niewystarczająca, aby usunąć (tzn. wykorzystać) lotne kwasy tłuszczowe (VFA) powstające na etapie degradacji substratu, czyli acidogenezy. Doprowadziło to do akumulacji VFA, a w konsekwencji do obniżenia pH. Aby skorygować tę sytuację, zmniejszono OLR, aby ograniczyć produkcję VFA przez acidogeny i umożliwić większą rekrutację metanogenów przed powrotem do wyższego OLR. Następnie w komorach fermentacyjnych odnotowano stabilny przebieg procesu trawienia przez trzy okresy retencji hydraulicznej.

Warunki stabilnego trawienia lub stanu pseudostacjonarnego można przyjąć, gdy mierzone parametry, takie jak szybkość produkcji biogazu, całkowite stężenia VFA, stężenia lotnych substancji organicznych oraz wartości pH, są utrzymywane w granicach 10% swoich wartości średnich przez okres co najmniej jednego HRT. Znaczenie tego przedziału czasu jest widoczne na Rys. 6, który przedstawia przedłużoną odpowiedź systemu CSTR na zakłócenie spowodowane niewystarczającym mieszaniem. Brak odpowiedniego mieszania doprowadził do osiadania ciał stałych w reaktorze, co oznaczało, że podczas zlewania odcieku usuwano mniej substancji stałych. Ich akumulacja zaowocowała wyższym stężeniem ciał stałych w odcieku po przywróceniu właściwego mieszania. Powrót komory fermentacyjnej do normalnego stężenia ciał stałych w odcieku zajął około jednego HRT (tj. 25 dni).

Fermenter beztlenowy jest systemem biologicznym, w związku z czym wykazuje pewną wewnętrzną zmienność wydajności. Zmienność ta musi zostać określona ilościowo, zanim badacz będzie mógł rozróżnić specyficzne efekty wywołane przez zaburzenia eksperymentalne wprowadzone do systemu (wymagane jest właściwe zastosowanie statystyki). Przed wprowadzeniem zmian eksperymentalnych do systemu reaktora konieczne jest przejście trzech okresów HRT, ponieważ czas ten jest zazwyczaj uważany za wystarczający, aby przyjąć stabilne stężenia związków chemicznych w mieszaninie czynnej (Rys. 7). Pod koniec tego przedziału badacz powinien być w stanie opracować wiarygodną linię bazową dla każdego mierzonego parametru. Linia bazowa ta służy jako podstawa porównawcza dla przyszłych doświadczeń.

Ogólną wydajność komory fermentacyjnej można ocenić, postępując zgodnie z protokołem monitorowania, który wymaga rutynowego wykonywania różnych analiz standardowych. Harmonogram ten zapewnia odpowiednią rozdzielczość czasową, aby zidentyfikować przejawy większości problemów systemowych oraz daje czas na ich zapobieżenie. Ponadto wyniki tych testów diagnostycznych powinny być stosowane w połączeniu z Tabelą 1 w celu zidentyfikowania suboptymalnej wydajności. Tabela 3 zawiera rozwiązania wielu problemów zazwyczaj napotykanych podczas konfiguracji komory fermentacyjnej. W przypadku, gdy problem nie może zostać rozwiązany poprzez zastosowanie zawartych tam instrukcji, operator powinien skorzystać z innych źródeł, takich jak literatura fachowa dotycząca biotechnologii beztlenowej.

Parametry operacyjne	Indeks standardowych metod	Typowy zakres		Szeroki zakres
		Mezofilny	Termofilny	Mezofilny	Termofilny
Temperatura	2550(A)	32-37 17 °C	50-60 17 °C	20-42 17 °C	45-65 17 °C
Obciążenie organiczne	NL	0.8-2.0 17 g VS-L-1-d-1	1.5-5.0 17 g VS-L-1-d-1	0.4-6.4 17 g VS-L-1-d-1	1.0-7.5 17 g VS-L-1-d-1
Hydrauliczny czas retencji	NL	15–35 dni		< 15 ; > 35 dni
Stosunek węgla do azotu	NL	25:1 17		> 25:1
Parametry monitorowania	Indeks standardowych metod	Zakres optymalny		Zakres suboptymalny
pH	4500-H+(B)	6.5 - 8.2 10		< 6.5 ; > 8.2
Zasadowość	2320(B)	1300 - 3000 17 mg CaCO33-L-1		< 1300 mg CaCO33-L-1
Kwasy lotne	5560(C)	< 200 10 mg Ac-L-1		> 200 10 mg Ac-L-1
Wydajność usuwania ciał stałych	2540(B,E)	> 50 %		< 50 %
Zawartość biogazu	2720(C)	55-70 CH4; 30-45 CO2 %		< 55 CH4; > 45 CO2 %

Tabela 1. Ogólny przewodnik wyboru parametrów operacyjnych i parametry monitorowania dla systemów CSTR.

Komponent	Specyfikacje (Założenia Projektowe)	Uwagi
Podgrzewacz wody z cyrkulacją i kontrolą temperatury	Zakres temperatur: 25-65 °C (Moc grzewcza, maksymalna wysokość podnoszenia, natężenie przepływu objętościowego)	Podgrzana woda musi być dostarczana z odpowiednio wysokim natężeniem przepływu i ciśnieniem, aby zapewnić pełną cyrkulację.
Port pobierania próbek	ND	Idealne jest umieszczenie go blisko przestrzeni nad cieczą.
Pułapka na pianę	Objętość: 25% objętości reaktora	Można zastosować prostą kolbę z bocznym wylotem lub słoiki szklane. Jednostka powinna być łatwo dostępna do czyszczenia.
Skruber siarkowodoru	(Czas kontaktu z gazem)	Należy stosować rurki szklane lub plastikowe (nie metalowe). Długość urządzenia powinna zapewniać odpowiedni czas kontaktu z gazem.
Zbiornik na gaz	Objętość: > 2x objętość effluentu; Materiał: półelastyczny (nie sztywny)	Objętość powinna przekraczać ilość pobraną podczas zlewania effluentu. Materiał powinien umożliwiać kurczenie się i rozszerzanie.
Bulgotka	ND	Ciśnienie statyczne wynikające z poziomu wody powinno być zminimalizowane, aby ograniczyć wzrost ciśnienia w systemie dostarczania gazu.
Gazomierz	(Zakres detekcji przepływu gazu)	Gazomierzom plastikowym preferowane są nad metalowymi. Zakres detekcji przepływu gazu powinien być dokładny przy przewidywanych stawkach produkcji biogazu.

Tabela 2. Pomocnicze komponenty reaktora wraz ze specyfikacjami i uwagami.

OBJAW BŁĘDU	MOŻLIWE ROZWIĄZANIA
Częste zapychanie się rurek doprowadzających lub odpływowych	• Zastosować rurki i/lub złączki o większej średnicy. • Zmniejszyć wielkość cząstek substratu (np. za pomocą blendera lub sita). • Częściej mieszać wsad podczas podawania. • Upewnić się, że zawartość komory fermentacyjnej jest całkowicie wymieszana.
Nadmierne pienienie	• Zmniejszyć OLR • Zmniejszyć intensywność mieszania w komorze fermentacyjnej. • Zwiększyć przestrzeń nad cieczą w komorze fermentacyjnej poprzez zmniejszenie czynnej objętości komory.
Niespójna wydajność biogazu pomiędzy powtórzeniami komór fermentacyjnych	• Sprawdzić, czy w systemie odprowadzania gazu w obu komorach nie ma wycieków. • Sprawdzić, czy miernik gazu i element grzejny działają prawidłowo i są skalibrowane. • Upewnić się, że mieszaniny wsadów są przygotowane w sposób analogiczny.
Niespójne lub wysoce zmienne stężenie zawiesiny w odcieku pomiędzy powtórzeniami komór fermentacyjnych (Rys. 6)	• Sprawdzić, czy zawartość komory fermentacyjnej jest odpowiednio wymieszana. • Upewnić się, że linia zlewania odcieku z reaktora jest identyczna w obu reaktorach.
Obniżona zawartość metanu w biogazie	• Sprawdzić, czy pH mieści się w optymalnym zakresie dla metanogenezy (tj. od 6,5 do 8,2). Jeśli nie, uzupełnić odpowiednio kwasem lub zasadą. • Jeśli w biogazie wykryto znaczną ilość azotu (tj. >10%), sprawdzić szczelność w pobliżu portu poboru próbek. • Ujednolicić okresowość pobierania próbek biogazu. • Sprawdzić, czy stężenie VFA mieści się w optymalnym zakresie. Jeśli nie, postępować zgodnie z krokami rozwiązywania problemów wymienionymi dla chronicznie wysokich stężeń lotnych kwasów tłuszczowych.
Chronicznie wysokie stężenie lotnych kwasów tłuszczowych (Rys. 5)	• Zmniejszyć OLR. • Niwelować niedobory składników odżywczych lub metali śladowych poprzez suplementację. • Sprawdzić, czy zawartość reaktora jest zabezpieczona przed przedostawaniem się tlenu. • Zwiększyć częstotliwość cykli podawania wsadu. • Wyeliminować hydrauliczne zwarcia przepływu. • Niwelować niedobory alkaliczności poprzez suplementację.

Tabela 3. Protokół rozwiązywania problemów podczas pracy digestera.

Rysunek 1. Podstawowy przykład konstrukcji reaktora: Materiał korpusu – szkło; Materiał rurek – stal nierdzewna/aluminium; Materiał pokrywy – PVC/pleksiglas.

Rysunek 2. Podstawowy przykład konstrukcji pokrywy reaktora: Materiał pokrywy – PVC/Pleksiglas; Materiał złączek – stal nierdzewna/tworzywo sztuczne; Materiał rurek – stal nierdzewna/aluminium.

Rysunek 3. Schemat systemu przedstawiający rozmieszczenie komponentów.

Rycina 4. Podstawowy przykład konstrukcji pułapki na pianę: Materiał słoika – plastik/szkło; Materiał rurek – plastik/szkło.

Rysunek 5. Typowa odpowiedź systemu na wysoki stopień obciążenia organicznego (OLR) podczas rozruchu reaktora. Rozpoczęcie procesu przy OLR wynoszącym 1,35 gVS-L^-1 spowodowało akumulację całkowitych lotnych kwasów tłuszczowych (TVFA). Nagromadzenie kwasów doprowadziło do spadku pH, a następnie do zmniejszenia wydajności biogazu. Dzięki obniżeniu OLR do 1,15 g VS-day^-1 oba systemy były w stanie się zregenerować i wytworzyć odpowiednią koncentrację biomasy metanogennej, aby tolerować OLR na poziomie 1,35 gVS-L^-1. Różnica w pH oraz akumulacji TVFA pomiędzy reaktorami wykazuje unikalną dynamikę społeczności mieszanych.

Rysunek 6. Typowa odpowiedź systemu przy niewystarczającym mieszaniu (Reaktor A) w porównaniu z systemem mieszanym w stopniu wystarczającym (Reaktor B). Podczas niewłaściwego mieszania substancje stałe osadzają się na dnie reaktora i nie są usuwane podczas dekantacji (dni 280 - 290). Po przywróceniu mieszania do intensywności wystarczającej (dzień 300), nagromadzone substancje stałe są stopniowo usuwane (dni 305 - 330), a system powraca do stabilnych stężeń substancji stałych.

Rysunek 7. Teoretyczna zależność między stężeniem konserwatywnego gatunku chemicznego a czasem retencji hydraulicznej (HRT) w idealnym systemie CSTR. Przy trzech różnych HRT rzeczywiste stężenie gatunku chemicznego [C] w komorze fermentacyjnej wynosi 95% stężenia początkowego obecnego w dopływie [C₀].

Dyskusja

System fermentacji beztlenowej przedstawiony w niniejszym artykule stanowi ogólne wprowadzenie i zawiera podstawowe wytyczne dotyczące przetwarzania większości substratów w warunkach eksperymentalnych. Duża różnorodność rodzajów substratów, konfiguracji komór fermentacyjnych, parametrów operacyjnych, a także specyficzna ekologia mieszanej społeczności mikrobowej leżącej u podstaw tych systemów, uniemożliwia określenie sztywnych wskaźników ilościowych, które mogłyby mieć zastosowanie uniwersalne. Pomimo tej zmienności, ws...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Podgrzewany recyrkulator	VWR Scientific	13271-063 VWR	Do użytku z systemem reaktora z płaszczem grzejnym
Laboratoryjny mieszadło elektryczne z regulacją prędkości	Cleveland Mixer Co.	(Model 5VB)	Ten model mieszadła umożliwia montaż na statywie z pierścieniem
Precyzyjny przepływomierz gazu typu mokrego	Ritter Gasmeters	(Model TG-01)	Ten model wymaga minimalnego przepływu (0.1 L/h) i może obsługiwać maksymalny przepływ 30 L/h
Bulbulator gazu	Chemglass	(Model AF-0513-20)
Rurka do pobierania próbek gazu	Chemglass	(Model CG-1808)
Mieszadło osiowe	Lightnin’	R04560-25 Cole-Parmer	Łopatki mieszadła o średnicy otworu 7.9375 mm
Wał mieszadła	Grainger	2EXC9 Grainger	Pręt ze stali nierdzewnej o długości 1.83 m i średnicy zewnętrznej 7.9375 mm (wymaga docięcia do odpowiedniego rozmiaru)
Żeliwne statywy wsporcze	American Educational Products	(Model 7-G16)	Do montażu mieszadła
Trójpalczasty zacisk przedłużający	Talon	21572-803 VWR	Do montażu mieszadła
Standardowy uchwyt zacisku	Talon	21572-501 VWR	Do montażu mieszadła
Pompa perystaltyczna	Masterflex	WU-07523-80 Cole-Parmer	Do zlewania odcieków
Standardowa głowica pompy L/S	Masterflex	EW-07018-21 Cole-Parmer	Do zlewania odcieków – akcesorium do pompy perystaltycznej
Precyzyjna rurka pompy L/S	Masterflex	EW-06508-18 Cole-Parmer	Do zlewania odcieków – akcesorium do pompy perystaltycznej
Analiza pH
pH-metr	Thermo Fisher Scientific - Orion	1212000
Analiza zawartości wszystkich i lotnych substancji stałych (Standard Methods: 2540-B,E)
Szklany eksykator próżniowy	Kimax	WU-06536-30 Cole-Parmer
Porcelanowe tygle do odparowywania	VWR	89038-082 VWR
Suszarka laboratoryjna	Thermo Fisher Scientific	(Model 13-246-516GAQ
Piec muflowy z komorą średnią	Barnstead/ Thermolyne	F6010 Thermo Scientific
Analiza całkowitej zawartości lotnych kwasów tłuszczowych (Standard Methods: 5560-C)
Wirówka o dużej pojemności z regulacją prędkości	Sigma	WU-17451-00 Cole-Parmer
Płyta grzewcza laboratoryjna	Thermo Scientific	(Model HP53013A)
Duży chłodniczy kondensator	Kemtech America	(Model C150190)
Odczynnik kwas octowy [CAS: 64-19-7]	Alfa Aesar	AA33252-AK
Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (Standard Methods: 5520-C)
Blok grzejny do oznaczania ChZT	HACH	(Model DRB-200)
Borokrzemowe probówki hodowlane	Pyrex	(Model 9825-13)
Odczynnik dichromian potasu [CAS: 7778-50-9]	Avantor Performance Materials	3090-01
Odczynnik siarczan rtęci(II) [CAS: 7783-35-9]	Avantor Performance Materials	2640-04
Roztwór wskaźnika ferroinowego [CAS: 14634-91-4]	Ricca Chemical	R3140000-120C
Siarczan żelaza(II) i amonu sześciowodny [CAS: 7783-85-9]	Alfa Aesar	13448-36
Analiza składu gazów metodą chromatografii gazowej
Chromatograf gazowy	SRI Instruments	Model 8610C	Musi być wyposażony w detektor przewodności cieplnej (TCD), z zastosowaniem wymienionej poniżej kolumny i gazu nośnego, pracujący w temperaturze izotermicznej 105 °C
Hel	Airgas	He HP300	Do użytku jako gaz nośny
Kolumna nadziana	Restek	80484-800	Do rozdzielania N2, CH4 oraz CO2