Przedstawiono eksperymentalną metodologię porównywania wydajności małych (100 L) i dużych (1000 L) reaktorów przeznaczonych do remediacji glonów w ściekach składowiskowych. Charakterystykę systemu, w tym stosunek powierzchni do objętości, czas retencji, gęstość biomasy i stężenie ścieków, można dostosować w zależności od zastosowania.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Porównanie skali w systemie reaktora fotosyntetycznego do remediacji ścieków z glonów
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Przedstawiono eksperymentalną metodologię porównywania wydajności dwóch różnych rozmiarów reaktorów przeznaczonych do oczyszczania ścieków. W tym badaniu usuwanie amoniaku, usuwanie azotu i wzrost glonów są porównywane w okresie 8 tygodni w sparowanych zestawach małych (100 l) i dużych (1000 l) reaktorów przeznaczonych do remediacji glonów ścieków ze składowisk odpadów. Zawartość małych i dużych reaktorów mieszano przed rozpoczęciem każdego tygodniowego interwału testowego w celu utrzymania równoważnych warunków początkowych w obu skalach. Charakterystykę systemu, w tym stosunek powierzchni do objętości, czas retencji, gęstość biomasy i stężenie ścieków, można dostosować w celu lepszego wyrównania warunków występujących w obu skalach. W krótkim, 8-tygodniowym okresie reprezentatywnym początkowe stężenia amoniaku i azotu całkowitego wahały się odpowiednio od 3,1 do 14 mg NH3-N/L i 8,1-20,1 mg N/L. Wydajność systemu uzdatniania oceniono na podstawie jego zdolności do usuwania amoniaku i azotu ogólnego oraz do produkcji biomasy glonów. Średnie odchylenie standardowe ± usuwania amoniaku, całkowitego usuwania azotu i tempa wzrostu biomasy wynosiły odpowiednio 0,95±0,3 mg NH3-N/L/dzień, 0,89±0,3 mg N/L/dzień i 0,02±0,03 g biomasy/L/dzień. Wszystkie naczynia wykazały dodatnią zależność między początkowym stężeniem amoniaku a szybkością usuwania amoniaku (R2 = 0,76). Porównanie wydajności procesu i wartości produkcyjnych mierzonych w reaktorach o różnej skali może być przydatne w określaniu, czy dane eksperymentalne w skali laboratoryjnej są odpowiednie do przewidywania wartości produkcji na skalę komercyjną.
Wprowadzenie
Przeniesienie danych laboratoryjnych do zastosowań na większą skalę jest kluczowym krokiem w komercjalizacji bioprocesów. Wykazano, że wydajność produkcji w systemach reaktorów na małą skalę, szczególnie tych koncentrujących się na wykorzystaniu mikroorganizmów, konsekwentnie przewyższa przewidywania wydajności występującej w systemach na skalę komercyjną 1,2,3,4. Istnieją również wyzwania związane ze zwiększeniem skali hodowli glonów i sinic z poziomu laboratoryjnego do większych systemów w celu wytwarzania produktów o wysokiej wartości, takich jak kosmetyki i farmaceutyki, do produkcji biopaliw oraz do oczyszczania ścieków. Zapotrzebowanie na produkcję biomasy glonów na dużą skalę rośnie wraz z rozwijającym się przemysłem alg w biopaliwach, farmaceutykach/nutraceutykach i paszach dla zwierząt gospodarskich 5. Metodologia opisana w niniejszym artykule ma na celu ocenę wpływu rosnącej skali systemu reaktora fotosyntetycznego na tempo wzrostu biomasy i usuwanie składników pokarmowych. Prezentowany tutaj system wykorzystuje algi do remediacji odcieków ze składowisk odpadów, ale może być dostosowany do różnych zastosowań.
Wydajność produkcji systemów na dużą skalę jest często przewidywana za pomocą eksperymentów na mniejszą skalę; jednak kilka czynników musi być wziętych pod uwagę, aby określić dokładność tych przewidywań, ponieważ wykazano, że skala wpływa na wydajność procesów biologicznych. Na przykład Junker (2004) przedstawił wyniki porównania ośmiu reaktorów fermentacyjnych o różnych rozmiarach, od 30 l do 19 000 l, które wykazały, że rzeczywista wydajność w skali pilotażowej lub komercyjnej była prawie zawsze niższa niż wartości przewidywane przy użyciu badań na małą skalę 4. Przewiduje się, że główne przyczyny spadku produktywności > Podobnie, wykazano w reaktorach do wzrostu glonów, że wzrost biomasy i produkty związane z biomasą są prawie zawsze zmniejszone, gdy zwiększa się skalę 6.
Czynniki biologiczne, fizyczne i chemiczne zmieniają się wraz z wielkością reaktora, przy czym wiele z tych czynników wpływa na aktywność mikrobiologiczną na małych skalach inaczej niż na większych skalach 2,7. Ponieważ większość pełnowymiarowych systemów dla glonów, takich jak stawy z bieżniami, istnieje na zewnątrz, jednym z czynników biologicznych, które należy wziąć pod uwagę, jest to, że gatunki drobnoustrojów i bakteriofagi mogą być wprowadzane z otaczającego środowiska, co może zmienić obecne gatunki drobnoustrojów, a tym samym funkcję mikrobiologiczną systemu. Aktywność społeczności mikrobiologicznej będzie również wrażliwa na czynniki środowiskowe, takie jak światło i temperatura. Transfery masy gazów i ruch płynów to przykłady czynników fizycznych, na które wpływa skalowanie procesów mikrobiologicznych. Osiągnięcie idealnego mieszania w małych reaktorach jest łatwe; Jednak wraz ze wzrostem skali wyzwaniem staje się zaprojektowanie idealnych warunków mieszania. W większych skalach reaktory częściej mają martwe strefy, nieidealne mieszanie i zmniejszoną wydajność transferu masy 2. Ponieważ glony są organizmami fotosyntetyzującymi, wzrost komercyjny musi uwzględniać zmiany ekspozycji na światło spowodowane zmianami głębokości i powierzchni wody przy zwiększaniu objętości. Wysoka gęstość biomasy i/lub niskie prędkości transferu masy mogą powodować zmniejszenie stężenia CO2 i zwiększenie stężeniaO2, co może skutkować zahamowaniem wzrostu biomasy 8. Czynniki chemiczne w systemie wzrostu glonów są napędzane przez dynamikę pH środowiska wodnego 2, na które w konsekwencji wpływają zmiany w związkach buforujących pH, takich jak rozpuszczone gatunki CO2 i węglany. Czynniki te są potęgowane przez złożone interakcje między czynnikami biologicznymi, fizycznymi i chemicznymi, często w nieprzewidywalny sposób 9.
To badanie przedstawia system reaktorów par zaprojektowanych do regulowania i porównywania warunków wzrostu w naczyniach o dwóch różnych skalach. Protokół eksperymentalny koncentruje się na ilościowym określeniu leczenia odcieków i wzrostu glonów; Można go jednak dostosować do monitorowania innych wskaźników, takich jak zmiany w społeczności mikrobiologicznej w czasie lub potencjał sekwestracji CO2 przez glony. Przedstawiony tutaj protokół ma na celu ocenę wpływu kamienia na wzrost glonów i usuwanie azotu w systemie oczyszczania odcieków.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Konfiguracja systemu
Uwaga: „układ sparowany” odnosi się do jednego zbiornika akwarialnego i jednego kanału recyrkulacyjnego, prowadzonych równolegle.
- Dla jednego systemu sparowanego należy użyć jednego akwarium (AT) o pojemności 10 L, z mieszadłem górnym dla naczynia w małej skali, oraz jednego stawu typu raceway (RWP) o pojemności 1 00 L, z mieszadłem kołowym dla naczynia w dużej skali. Naczynia użyte w tym systemie przedstawiono na Rysunku 1.
- Zaszczep wszystkie naczynia tą samą kulturą alg. Należy zastosować wysoką gęstość szczepionki, aby po rozcieńczeniu do pełnej objętości w zbiorniku lub stawie uzyskać gęstość końcową nie mniejszą niż 0,1 g/L 10. Wyhodowanie wystarczającej ilości alg do tego etapu może zająć znaczną ilość czasu (od tygodni do miesięcy).
- Jako źródło składników odżywczych należy wykorzystać nieoczyszczony odciek ze składowiska odpadów. Należy użyć odcieku pobranego ze składowiska, które przyjmuje głównie odpady komunalne i charakteryzuje się niskim poziomem toksyn. Analiza składu odcieku powinna być dostępna z operatora składowiska. Ilość odcieku użyta w każdym zbiorniku lub stawie może się różnić w zależności od stężenia ścieków, jednak końcowe stężenia amoniaku powinny wynosić 5-75 mg NH3-N/L.
- Rozpocząć pracę akwarium 10 L z objętością roboczą 60 L, a stawu typu raceway z objętością roboczą 60 L. W niniejszym badaniu rozpoczęto od około 1 L odcieku w 59 L wody w akwarium oraz 10 L odcieku w 590 L wody w stawie typu raceway. Należy zwiększać stężenie stosowanego odcieku w trakcie trwania badania.
Rycina 1. Przykłady akwarium oraz stawu typu raceway. Przykład akwarium (A) i staw typu raceway (B) są przedstawione. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
2. Tygodniowa eksploatacja i pobieranie próbek
- Eksploatować akwarium oraz kanał recyrkulacyjny jako reaktory półprzerywane z hydraulicznym czasem retencji wynoszącym trzy tygodnie. Każdy okres próbkowania trwa jeden tydzień.
- Pobrać próbkę o objętości 125 mL z każdego naczynia. Jest to próbka pobierana na początku tygodnia. Próbki należy analizować zgodnie z protokołem Analiza próbek w sekcjach 3.1-3.3.
- Na koniec tygodnia pobrać z każdego naczynia próbki o objętości 125 mL do analizy. Po pobraniu próbek końcotygodniowych opróżnić całą zawartość akwarium do kanału recyrkulacyjnego.
- Raz w tygodniu przepompować całą objętość akwarium do kanału recyrkulacyjnego.
- Usunąć jedną trzecią objętości z kanału recyrkulacyjnego (aby uzyskać średni hydrauliczny czas retencji wynoszący 3 tygodnie). Usuniętą objętość zastąpić wodą i nieoczyszczonym odciekiem.
- Przenieść około 60 L z kanału recyrkulacyjnego z powrotem do akwarium. Zapewnia to, że akwarium i kanał recyrkulacyjny rozpoczynają każdy tydzień z tymi samymi warunkami biologicznymi i nutrientowymi.
- Pobrać próbki o objętości 125 mL ze wszystkich naczyń w celu analizy warunków początkowych na następny tydzień.
3. Analiza próbek
- Wszystkie próbki pobrane na początku i na końcu tygodnia należy przetestować pod kątem zawartości azotu amonowego, azotu azotanowego, azotu azotynowego oraz gęstości biomasy.
- Biomasę należy zmierzyć zgodnie ze standardowym protokołem oznaczania całkowitej zawiesiny (TSS), ASTM-D5907, przy użyciu filtrów 0,45 µm.
- Najpierw należy zważyć papier filtracyjny, a następnie przefiltrować 20-40 mL próbki za pomocą systemu filtracji próżniowej. Biomasę wraz z papierem filtracyjnym należy suszyć w suszarce w temperaturze 105 °C przez jedną godzinę lub do momentu uzyskania stałej masy.
- Należy zważyć biomasę wraz z papierem filtracyjnym i odjąć początkową masę papieru. Masę tę należy podzielić przez objętość przefiltrowanej próbki, aby obliczyć gęstość biomasy. Pomiar należy wykonać w dublecie 1.
- Zawartość amoniaku, azotanów i azotynów należy zmierzyć spektrofotometrycznie przy użyciu spektrofotometru.
- W celu oznaczenia stężenia amoniaku należy użyć 10 µL próbki zgodnie z instrukcją zestawu komercyjnego. Należy postępować zgodnie z protokołem producenta.
- W celu oznaczenia stężenia azotanów należy użyć 1 mL próbki zgodnie z instrukcją zestawu komercyjnego. Należy postępować zgodnie z protokołem producenta.
- W celu oznaczenia stężenia azotynów należy użyć 10 mL próbki zgodnie z instrukcją zestawu komercyjnego. Należy postępować zgodnie z protokołem producenta.
- Warunki środowiskowe (temperaturę powietrza, promieniowanie słoneczne, prędkość wiatru) należy monitorować za pomocą komercyjnej stacji pogodowej, a warunki w zbiorniku/stawie (temperaturę wody, pH, tlen rozpuszczony) za pomocą komercyjnych sond i rejestratora danych. Należy postępować zgodnie z protokołem producenta.
4. Analiza statystyczna wyników
- Oceń, czy zebrane dane wykazują rozkład statystycznie normalny. Wyznacz normalność zbioru danych, wykorzystując wykres Q-Q12.
- Wyznacz korelacje między parametrami, stosując odpowiednio współczynnik korelacji Pearsona r lub Spearmana p dla danych o rozkładzie normalnym i nienormalnym13. Parametry korelacji powinny obejmować co najmniej następujące zmienne: początkowe stężenie amoniaku, początkowe stężenie azotu całkowitego, początkową gęstość biomasy, szybkość usuwania amoniaku, szybkość usuwania azotu całkowitego, szybkość wzrostu biomasy oraz wszystkie warunki środowiskowe.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Celem niniejszego badania jest porównanie wzrostu biomasy oraz zdolności do usuwania składników odżywczych w kulturach glonów hodowanych w reaktorach o małej i dużej skali. W badaniu wykorzystano dwa pary systemów, określone jako System 1 i System 2, w celu powtórzenia wyników. Te reprezentatywne wyniki pochodzą z 8-tygodniowego okresu od lutego do kwietnia 2016 roku. Pierwszy staw typu raceway został zaszczepiony glonami pochodzącymi pierwotnie ze stawu zewnętrznego w Filadelfii, PA
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Wydajność systemu:
W trakcie 8-tygodniowego badania porównano produktywność małych i dużych statków w systemie. W tym badaniu wykorzystano wskaźniki usuwania azotu i amoniaku oraz tempo wzrostu biomasy jako miary wydajności systemu oczyszczania. System był eksploatowany jako reaktor półokresowy, w którym każdy tydzień był eksploatowany w dyskretnych warunkach. Reprezentatywne wyniki obejmują pierwsze 8 tygodni działania systemu, jednak pełne badanie obejmowałoby znacznie dłuższe okresy, aby uwzgl...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować składowisku odpadów Sandtown w Felton, DE za podzielenie się swoją wiedzą i odciekami.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| akwariowy | Można użyć dowolnego zbiornika akwariowego o pojemności 100+ litrów z optycznie przezroczystym szkłem | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond Eurostar | |
| 100 cyfrowe | IKA | 4238101 | Mieszalniki górne |
| śmieci Leachate | Sandtown Nalgene | ||
| Plastik lub szkło, klasa laboratoryjna, 125-200 | |||
| Pompy transferowe ml Pompa | ogrodowa z wężami o jakości wody pitnej będzie odpowiednia | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | Wysokiej klasy testy amoniaku |
| NitraVer X Zestaw odczynników azot - azotany | Wysokiej klasy testy azotanów | firmy Hach | 2605345 |
| Poduszki odczynnika azotynowego w proszku NitriVer 2 | Wysokiej klasy testy azotynów | Hach | |
| 2107569 Spektrometr Hach DR2400 Firma Hach | DR2400 została wycofana z produkcji, ale w tej aplikacji można użyć dowolnego spektrofotometru Hach serii DR. | ||
| Analiza mikrobiologiczna EMD Filtry membranowe | Millipore | HAWG047S6 | 0,45 i mikro; m filtrów |
Bibliografia
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. dC., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , John Wiley & Sons. (2008).
- Clesceri, L. S., et al. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , American Public Health Association. (1998).
- Statistics for Macintosh v.23.0. , IBM Corp. Armonk, NY. (2015).
- Devore, J. L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , Cengage Learning. (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
