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.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Reaktor beztlenowego trawienia z ciągłym mieszaniem do konwersji odpadów organicznych w biogaz: konfiguracja systemu i podstawowa eksploatacja
W tym artykule
Podsumowanie
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 wdrażany....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Budowa komory fermentacyjnej
- 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.
- Zabeziecz naczynie w pozycji pionowej w miejscu z wystarczającą poziomą przestrzenią na blacie do umieszczenia pozostałych komponentów (Tabela 2).
- Zmontuj pokrywę naczynia zgodnie z Rys. 2. Otwory rurek dopływ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
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.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Badania te są wspierane przez USDA za pośrednictwem National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), grant numer 2007-35504-05381; grantem nr 58872 z NYSERDA oraz grantem NYC-123444 ze środków federalnych Cornell University Agricultural Experiment Station pochodzących z USDA NIFA.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| 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 |
Bibliografia
- Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. Solids retention in anaerobic waste treatment systems. J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).
- McCarty, P. L., Smith, D. P. Anaerobic wastewater treatment. Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).
- Lettinga, G. ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
