Name: Beztlenowa komora fermentacyjna z ciągłym mieszaniem do przekształcania odpadów organicznych w biogaz: konfiguracja systemu i podstawowa obsługa (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-13T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: Poznaj budowę i obsługę laboratoryjnego beztlenowego reaktora fermentacyjnego z ciągłym mieszaniem do przetwarzania odpadów organicznych w biogaz. Metoda umożliwia ocenę przydatności substratów.

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

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.

<ol><li>Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solids+retention+in+anaerobic+waste+treatment+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Water+Pollut.+Control+Fed%22%5BJournal%5D)">Solids retention in anaerobic waste treatment systems.</a> J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).</li>
<li>McCarty, P. L., Smith, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+wastewater+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Anaerobic wastewater treatment.</a> Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).</li>
<li>Lettinga, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+and+wastewater+treatment+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Antonie+Van+Leeuwenhoek%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion and wastewater treatment systems.</a> Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).</li>
<li>De Baere, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+of+solid+waste%3A+state-of-the-art%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art.</a> Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).</li>
<li>Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Domínguez-Espinosa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+bioenergy+and+biochemicals+from+industrial+and+agricultural+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater.</a> Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).</li>
<li>Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methane+fermentation+of+energy+crops+-+maximum+conversion+kinetics+and+in-situ+biogas+purification%5BTitle%5D)+AND+%22Biomass+%26+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Methane fermentation of energy crops - maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification.</a> Biomass & Bioenergy. 5, 261-278 (1993).</li>
<li>Weiland, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomass+digestion+in+agriculture%3A+A+successful+pathway+for+the+energy+production+and+waste+treatment+in+Germany%5BTitle%5D)+AND+%22Eng.+Life+Sci%22%5BJournal%5D)">Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany.</a> Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).</li>
<li>Zaks, D. P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contribution+of+anaerobic+digesters+to+emissions+mitigation+and+electricity+generation+under+U.S.+climate+policy%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy.</a> Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).</li>
<li>Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf & Eddy. , 4 edn, McGraw Hill. (2003).</li>
<li>Speece, R. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSpeece%2C+RE+%22Anaerobic+Biotechnology+for+Industrial+Wastewaters%22">Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters</a>. , Archaea Press. (1996).</li>
<li>Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mixed+culture+biotechnology+for+bioenergy+production%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Opin.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Mixed culture biotechnology for bioenergy production.</a> Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).</li>
<li>Angenent, L. T., Wrenn, B. A. Chp. 15. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAngenent%2C+LT+%22Bioenergy%22">Bioenergy</a>. Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. , ASM Press. (2008).</li>
<li>Werner, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bacterial+community+structures+are+unique+and+resilient+in+full-scale+bioenergy+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).</li>
<li>Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+future+of+anaerobic+digestion+and+biogas+utilization%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">The future of anaerobic digestion and biogas utilization.</a> Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).</li>
<li>Hoffmann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+shear+on+performance+and+microbial+ecology+of+completely-stirred+anaerobic+digesters+treating+animal+manure%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).</li>
<li>Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aClesceri%2C+LS+%22Standard+Methods+for+the+Examination+of+Water+and+Wastewater%22">Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater</a>. , 20th edition, American Public Health Association. Washington, D.C., USA. (1998).</li>
<li>Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anaerobic+digestion+from+the+viewpoint+of+microbiological%2C+chemical%2C+and+operational+aspects%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Reviews%22%5BJournal%5D)">Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review.</a> Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).</li>
</ol>

Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Podgrzewany recyrkulator</td><td>VWR Scientific</td><td>13271-063 VWR</td><td>Do użytku z systemem reaktora z płaszczem grzejnym</td></tr><tr><td>Laboratoryjny mieszadło elektryczne z regulacją prędkości</td><td>Cleveland Mixer Co.</td><td>(Model 5VB)</td><td>Ten model mieszadła umożliwia montaż na statywie z pierścieniem</td></tr><tr><td>Precyzyjny przepływomierz gazu typu mokrego</td><td>Ritter Gasmeters</td><td>(Model TG-01)</td><td>Ten model wymaga minimalnego przepływu (0.1 L/h) i może obsługiwać maksymalny przepływ 30 L/h</td></tr><tr><td>Bulbulator gazu</td><td>Chemglass</td><td>(Model AF-0513-20)</td><td></td></tr><tr><td>Rurka do pobierania próbek gazu</td><td>Chemglass</td><td>(Model CG-1808)</td><td></td></tr><tr><td>Mieszadło osiowe</td><td>Lightnin&amp;#8217;</td><td>R04560-25 Cole-Parmer</td><td>Łopatki mieszadła o średnicy otworu 7.9375 mm</td></tr><tr><td>Wał mieszadła</td><td>Grainger</td><td>2EXC9 Grainger</td><td>Pręt ze stali nierdzewnej o długości 1.83 m i średnicy zewnętrznej 7.9375 mm (wymaga docięcia do odpowiedniego rozmiaru)</td></tr><tr><td>Żeliwne statywy wsporcze</td><td>American Educational Products</td><td>(Model 7-G16)</td><td>Do montażu mieszadła</td></tr><tr><td>Trójpalczasty zacisk przedłużający</td><td>Talon</td><td>21572-803 VWR</td><td>Do montażu mieszadła</td></tr><tr><td>Standardowy uchwyt zacisku</td><td>Talon</td><td>21572-501 VWR</td><td>Do montażu mieszadła</td></tr><tr><td>Pompa perystaltyczna</td><td>Masterflex</td><td>WU-07523-80 Cole-Parmer</td><td>Do zlewania odcieków</td></tr><tr><td>Standardowa głowica pompy L/S</td><td>Masterflex</td><td>EW-07018-21 Cole-Parmer</td><td>Do zlewania odcieków – akcesorium do pompy perystaltycznej</td></tr><tr><td>Precyzyjna rurka pompy L/S</td><td>Masterflex</td><td>EW-06508-18 Cole-Parmer</td><td>Do zlewania odcieków – akcesorium do pompy perystaltycznej</td></tr><tr><td colspan="4">Analiza pH</td></tr><tr><td>pH-metr</td><td>Thermo Fisher Scientific - Orion</td><td>1212000</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Analiza zawartości wszystkich i lotnych substancji stałych (Standard Methods: 2540-B,E)</td></tr><tr><td>Szklany eksykator próżniowy</td><td>Kimax</td><td>WU-06536-30 Cole-Parmer</td><td></td></tr><tr><td>Porcelanowe tygle do odparowywania</td><td>VWR</td><td>89038-082 VWR</td><td></td></tr><tr><td>Suszarka laboratoryjna</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>(Model 13-246-516GAQ</td><td></td></tr><tr><td>Piec muflowy z komorą średnią</td><td>Barnstead/ Thermolyne</td><td>F6010 Thermo Scientific</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Analiza całkowitej zawartości lotnych kwasów tłuszczowych (Standard Methods: 5560-C)</td></tr><tr><td>Wirówka o dużej pojemności z regulacją prędkości</td><td>Sigma</td><td>WU-17451-00 Cole-Parmer</td><td></td></tr><tr><td>Płyta grzewcza laboratoryjna</td><td>Thermo Scientific</td><td>(Model HP53013A)</td><td></td></tr><tr><td>Duży chłodniczy kondensator</td><td>Kemtech America</td><td>(Model C150190)</td><td></td></tr><tr><td>Odczynnik kwas octowy [CAS: 64-19-7]</td><td>Alfa Aesar</td><td>AA33252-AK</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (Standard Methods: 5520-C)</td></tr><tr><td>Blok grzejny do oznaczania ChZT</td><td>HACH</td><td>(Model DRB-200)</td><td></td></tr><tr><td>Borokrzemowe probówki hodowlane</td><td>Pyrex</td><td>(Model 9825-13)</td><td></td></tr><tr><td>Odczynnik dichromian potasu [CAS: 7778-50-9]</td><td>Avantor Performance Materials</td><td>3090-01</td><td></td></tr><tr><td>Odczynnik siarczan rtęci(II) [CAS: 7783-35-9]</td><td>Avantor Performance Materials</td><td>2640-04</td><td></td></tr><tr><td>Roztwór wskaźnika ferroinowego [CAS: 14634-91-4]</td><td>Ricca Chemical</td><td>R3140000-120C</td><td></td></tr><tr><td>Siarczan żelaza(II) i amonu sześciowodny [CAS: 7783-85-9]</td><td>Alfa Aesar</td><td>13448-36</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">Analiza składu gazów metodą chromatografii gazowej</td></tr><tr><td>Chromatograf gazowy</td><td>SRI Instruments</td><td>Model 8610C</td><td>Musi być wyposażony w detektor przewodności cieplnej (TCD), z zastosowaniem wymienionej poniżej kolumny i gazu nośnego, pracujący w temperaturze izotermicznej 105 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>Hel</td><td>Airgas</td><td>He HP300</td><td>Do użytku jako gaz nośny</td></tr><tr><td>Kolumna nadziana</td><td>Restek</td><td>80484-800</td><td>Do rozdzielania N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, CH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt; oraz CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td></tr></tbody></table>

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

Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

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.

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.

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

Fermentacja beztlenowa (AD) to bioproces powszechnie stosowany do przekształcania złożonych odpadów organicznych w użyteczny biogaz, w którym nośnikiem energii jest metan ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zaprezentowanie budowy, szczepienia, codziennej eksploatacji oraz prawidłowego monitorowania laboratoryjnego reaktora do fermentacji beztlenowej z ciągłym mieszaniem, w celu oceny przydatności danego substratu organicznego do długoterminowego procesu trawienia beztlenowego. Jest to realizowane poprzez wstępne zbudowanie systemu reaktora beztlenowego.Drugim krokiem jest zaszczepienie komory fermentacyjnej aktywną biomasą metanogenną poprzez stworzenie odpowiedniego środowiska anaerobowego w systemie bioreaktora. Następnie opisano prawidłowe działanie systemu fermentacyjnego, w tym odprowadzanie odcieków, dekantację, dokarmianie oraz rozwiązywanie problemów. Ostatnim etapem jest wprowadzenie strategii monitorowania w celu oceny wydajności i stabilności komory fermentacyjnej z wykorzystaniem standardowych analiz powszechnie stosowanych w dziedzinie biotechnologii anaerobowej.Ostatecznie wyniki wykazują skuteczność fermentacji beztlenowej w przetwarzaniu substratu organicznego w celu produkcji energii oraz redukcji ładunku organicznego przy użyciu dobrze kontrolowanego i regularnie monitorowanego systemu fermentacji beztlenowej w skali laboratoryjnej. Wiele osób rozpoczynających pracę z procesem fermentacji AOB może uznać go za trudny, ponieważ konieczne jest utrzymanie środowiska wolnego od tlenu dla ścisłej beztlenowej biomasy. Ponadto użytkownicy mogą uznać okres rozruchu za nieco powolny i żmudny, gdyż wzrost odpowiedniej ilości metanogenów w celu osiągnięcia stężenia biomasy zdolnej do obsłużenia określonego stopnia obciążenia organicznego wymaga dużo czasu.Należy jednak wiedzieć, że przestrzegając skrupulatnie protokołu opisanego w tym artykule, można uniknąć tych problemów. Wreszcie, po uzyskaniu stabilnego trawienia, można rozpocząć eksperymenty z tymi układami. Może to jednak sprawiać trudności badaczom, ponieważ pracujemy ze złożonymi systemami biologicznymi, które są bardzo wrażliwe na zaburzenia zewnętrzne lub środowiskowe.Technologia trawienia może wykazywać niezwykłą stabilność i przewidywalność, jeśli jest prowadzona w sposób konsekwentny, regularny i metodyczny. Jest to kwestia, którą chcemy przekazać w tym filmie. Aby rozpocząć budowę digestera, należy wybrać naczynie o pożądanej objętości roboczej, które posiada funkcje pokazane tutaj.Jeśli naczynie nie jest wyposażone w płaszcz grzewczy, należy umieścić je w środowisku o kontrolowanej temperaturze, takim jak grzejąca kąpiel wodna lub inkubator. Ustabilizuj naczynie w pozycji pionowej w miejscu z wystarczającą przestrzenią roboczą na blacie, aby pomieścić pozostałe komponenty. Zmontuj pokrywę naczynia zgodnie z instrukcją przedstawioną tutaj.Otwory rurek odpływowych i rurek z effluentem powinny być wystarczająco szerokie, aby zapobiec zapychaniu się rurek wewnątrz. Bioreaktor powinien mieć odpowiednią długość, aby pozostać zanurzonym w medium trawiennym podczas dekantacji, wystając jednocześnie ponad górną część pokrywy. Aby umożliwić podłączenie rurek, osłona mieszadła powinna sięgać jak najdalej w głąb medium trawiennego.Na powierzchnię stykową pokrywy nałożyć smar próżniowy na bazie silikonu, a następnie przytwierdzić ją do górnej części naczynia digestora. Przy pomocy statywu i zacisków zamocować mieszadło o regulowanej prędkości równolegle do osi pionowej digestora, a następnie zainstalować wał wirnika. Ze względu na wibracje i ruchy silnika mieszadła ważne jest zastosowanie niezależnego i swobodnie poruszającego się statywu.Podłącz fragment elastycznego przewodu do rur dopływowych i odpływowych, a następnie podłącz kolejny fragment przewodu do otworu gazowego, który będzie służył jako linia gazowa; przewody powinny być mocniej dokręcone niż pokazano, aby zapobiec wyciekom. Następny krok obejmuje podłączenie linii biogazu do poszczególnych komponentów i umieszczenie ich na półce nad digestorem. Najpierw podłącz port poboru próbek gazu, który powinien znajdować się w pobliżu przestrzeni naczyniowej reaktora.Następnie podłącz pułapkę piany, której objętość powinna wynosić co najmniej 25% objętości reaktora; powinna ona posiadać dwa porty, jeden dla linii wlotowej biogazu i drugi dla linii wylotowej biogazu. Rurka wlotowa powinna sięgać na większą głębokość niż rurka wylotowa. Skonstruuj skrobak do siarkowodoru, używając długiej szklanej rurki o średnicy wewnętrznej dwóch centymetrów.Wypełnij rurkę wełną stalową, aby zapewnić wystarczającą powierzchnię do usuwania zanieczyszczeń, lecz nie rób tego zbyt ciasno, by nie zablokować przepływu biogazu. Dodaj wlot i wylot biogazu na obu końcach rurki. Na koniec wykonaj zbiornik na gaz z dowolnego zapadającego się, szczelnego materiału, takiego jak gruby gumowy balon lub piłka powietrzna, o objętości przekraczającej dwukrotność docelowej objętości zasilania.Następnie dodaj bulgotkę i przepływomierz gazu, jeżeli temperatura systemu będzie kontrolowana przez cyrkulacyjny podgrzewacz wody. Umieść urządzenie powyżej poziomu cieczy w płaszczu grzewczym i użyj elastycznego przewodu, aby połączyć je z płaszczem grzewczym. Ustaw podgrzewacz na odpowiednią temperaturę dla trawienia mezofilnego lub termofilnego.Przeprowadź próbę szczelności systemu. Rozpocznij od napełnienia zbiornika komory fermentacyjnej wodą. Następnie użyj gazu, aby lekko nadciśnienie linię doprowadzającą do ciśnienia poniżej 5 PSI, a następnie podłącz gaz anaerobowy do rurki doprowadzającej.Następnie zaciśnij obejmy linii biogazu i linii odpływowych, aby sprawdzić szczelność wokół pokrywy reaktora za pomocą wody z mydłem, a następnie zdejmij obejmę linii biogazu, aby przetestować szczelność całego systemu odprowadzania gazu. Włącz mieszadło i element grzewczy i pozostaw je włączone na noc, aby upewnić się, że mieszadło i grzejnik mogą pracować w sposób ciągły podczas szczepienia komory fermentacyjnej. W razie potrzeby użyj wody przepłukanej gazem beztlenowym, aby rozcieńczyć inokulum do objętości wypełniającej komorę fermentacyjną.Przed inokulacją usuń wodę z komory fermentacji beztlenowej. Użyj gazu beztlenowego, aby przez kilka minut przepłukać pusty system fermentacyjny, podłączając go do rurki zasilającej, zaciskając linię odpływową i zaklejając przestrzeń między mieszadłem, osią a osłoną. Aby zapobiec utracie gazu beztlenowego, należy upewnić się, że zbiornik z gazem został całkowicie przepłukany.Następnie podłącz lejek do rurki zasilającej i dodaj inokulum. Należy pamiętać o okresowym mieszaniu w celu zapewnienia jednorodności. Ponownie podłącz gaz beztlenowy do rurki zasilającej.Włącz mieszadło i przepłucz zawartość digestera przez co najmniej 15 minut. Mieszanie nie jest jednak konieczne. Następnie odłącz zacisk gazowy, rurkę zasilającą i zwolnij zacisk zbiornika gazu.Digester jest już w eksploatacji i powinien pracować przez kilka dni przed rozpoczęciem zasilania. Po obliczeniu konserwatywnego początkowego obciążenia organicznego (OLR) stopniowo zwiększaj OLR, aż do osiągnięcia wartości docelowej. Przygotuj mieszaninę pożywkową i przechowuj ją w temperaturze 4°C do czasu zasilania.Zlej ścieki z digestora, podłączając przewód odpływowy do pompy, i odlej objętość równą objętości dodawanego wsadu. Przechowuj ścieki w temperaturze czterech stopni Celsjusza do późniejszej analizy. Aby dodać wsad, podłącz lejek do rurki zasilającej i wlej wsad, upewniając się, że ciała stałe zostaną wciągnięte wraz z główną masą cieczy.Monitoruj system, często sprawdzając trawienie i jego komponenty podczas pracy. Zwróć szczególną uwagę na systemy mieszania i grzania; niewystarczające mieszanie spowoduje gwałtowny spadek stężenia zawiesiny w odcieku. Okresowo sprawdzaj, czy poziom oleju lub wody w liczniku gazu jest odpowiedni oraz wymieniaj wełnę stalową w pułapce siarkowodoru, gdy ta stanie się czarna i błyszcząca.Poprzez reakcję z siarkowodorem i tworzenie siarczku żelaza. Na koniec przeprowadź analizę opisaną w protokole pisemnym i zweryfikuj, czy wartości konsekwentnie mieszczą się w określonym zakresie optymalnym. Prawidłowe zaszczepienie bioreaktora objawia się produkcją biogazu w ciągu kilku dni.Stosunek metanu do dwutlenku węgla w biogazie będzie rosnąć w okresie aklimatyzacji wraz z rekrutacją większej ilości biomasy metagenicznej. Powolny wzrost metanogenów w porównaniu do bakterii kwasotwórczych sprawia, że konieczne są długie okresy aklimatyzacji oraz stopniowe wprowadzanie zmian operacyjnych. W niniejszym materiale demonstrujemy dynamiczną odpowiedź komory fermentacyjnej w sytuacji, gdy wysokie OLR zostanie wprowadzone zbyt wcześnie w fazie rozruchu.W tym przykładzie biomasa metanogenna była niewystarczająca do usunięcia lotnych kwasów tłuszczowych (VFA), które powstały podczas etapu degradacji substratu (acidogenezy). Doprowadziło to do akumulacji VFA i w konsekwencji do obniżenia pH. Aby naprawić tę sytuację, zmniejszono OLR, aby ograniczyć produkcję VFA przez ENS i umożliwić większą rekrutację metanogenów przed powrotem do wyższego OLR.Następnie w komorach fermentacyjnych zaobserwowano stabilny proces trawienia przez trzy okresy retencji hydraulicznej. O stabilnym trawieniu lub warunkach stanu pseudostacjonarnego można wnioskować, gdy mierzone parametry, takie jak szybkości produkcji biogazu, całkowite stężenia VFA, stężenia lotnych zawiesin oraz poziomy pH, są utrzymywane w granicach 10% ich wartości średnich przez minimalny okres czasu jednego HRT lub 25 dni. Istotność tego zjawiska przedstawiono na tej rycinie, która obrazuje przedłużoną odpowiedź systemu CSTR na zaburzenie spowodowane niewystarczającym mieszaniem.Brak odpowiedniego mieszania spowodował osadzanie się części stałych w reaktorze, co przełożyło się na usunięcie mniejszej ilości tych substancji. Podczas dekantacji ścieków ich nagromadzenie doprowadziło do wzrostu stężenia zawiesiny w odpływie. Po przywróceniu właściwego mieszania powrót komory fermentacyjnej do normalnego stężenia części stałych w ściekach zajął około jednego HRT.Komora do fermentacji beztlenowej jest systemem biologicznym, w związku z czym wykazuje pewną wewnętrzną zmienność wydajności. Zmienność ta musi zostać określona ilościowo, zanim badacz będzie mógł rozpoznać konkretne efekty wywołane przez perturbacje eksperymentalne wprowadzone do systemu. Przed wprowadzeniem zmiany eksperymentalnej w systemie reaktora wymagane są trzy okresy HRT.Ponieważ okres ten jest zazwyczaj uznawany za wystarczający, aby przyjąć, że stężenia związków chemicznych w cieczy mieszanej są stabilne, pod koniec tego przedziału czasowego badacz powinien być w stanie opracować wiarygodną linię bazową dla każdego mierzonego parametru. Linia bazowa ta służy jako punkt odniesienia dla przyszłych eksperymentów przeprowadzanych zgodnie z tą procedurą. W celu odpowiedzi na pytania takie jak: jaka jest maksymalna wydajność metanu, którą można osiągnąć przy danym substracie, można przeprowadzić inne metody, takie jak oznaczenie biochemicznego potencjału metanowego, test aktywności genetycznej metanogenezy oraz test toksyczności jelitowej.Jaka jest aktywność metaboliczna biomasy metanogennej w systemie reaktora? Ponadto, w jakim stopniu i przez jaki czas toksyczność związana z substratem wpływa na biomasę beztlenową? Przeprowadzenie tego typu analiz pozwoli operatorowi lepiej scharakteryzować substrat, a także dokładniej ocenić przydatność oczyszczania w reaktorze IC do utylizacji tego rodzaju odpadów organicznych.Dziękujemy.

continuously-stirred-anaerobic-digester-to-convert-organic-wastes

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Ciągły mieszany beztlenowy digester do przekształcania odpadów organicznych w biogaz: Konfiguracja systemu i podstawowa operacja

Zacznij od beztlenowej komory fermentacyjnej, szczelnego, beztlenowego reaktora wysianego syntetycznym szlamem, który naśladuje osiadłe ciała stałe ze ścieków.Osad zawiera mezofilne mikroorganizmy beztlenowe, mieszaną zbiorowisko mikroorganizmów.Mikroorganizmy te rozwijają się w umiarkowanych temperaturach i napędzają trawienie materii organicznej osadu.Stale mieszaj osad, aby podtrzymać aktywność bakterii i wspomóc trawienie.Później dodaj do szlamu bioplastiki, które są polimerami...

Fermentacja beztlenowa biotworzyw do produkcji biogazu

Nowatorski reaktor beztlenowy z przepływem stałym (UASS) został wykorzystany do produkcji biogazu z włóknistego surowca. Poferment z reaktora UASS został hydrotermalnie zwęglony do biowęgla HTC w ciśnieniowym reaktorze wsadowym. W tym badaniu zastosowano integrację dwóch koncepcji bioenergii w celu zwiększenia ogólnej produkcji bioenergii.

Ocena zintegrowanej fermentacji beztlenowej i karbonizacji hydrotermalnej w produkcji bioenergii

Zanieczyszczenie powietrza wpływa na jakość życia wszystkich organizmów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie biotechnologii mikroalg do oczyszczania biogazu (jednoczesne usuwanie dwutlenku węgla i siarkowodoru) oraz produkcji biometanu poprzez półprzemysłowe otwarte stawy glonów o wysokiej szybkości, a następnie analizę skuteczności oczyszczania, pH, rozpuszczonego tlenu i wzrostu mikroalg.

Oczyszczanie biogazu poprzez zastosowanie systemu mikroalgo-bakteryjnego w półprzemysłowych stawach z glonami o wysokiej zawartości

Ten protokół opisuje najlepszą praktykę określania produkcji metanu i parametrów kinetycznych mikroorganizmów za pomocą respirometrii dla mikrobioty beztlenowej, współtrawienia odpadów spożywczych i osadu aktywowanego odpadami.

Pomiar potencjału biometanowego odpadów spożywczych beztlenowo współtrawionych z osadem aktywowanym odpadami za pomocą respirometrii

Protokół ten przedstawia skalowalną metodę przekształcania odpadów spożywczych w biodegradowalne biotworzywa polihydroksyalkanianowe (PHA). Wykorzystuje zatrzymaną fermentację beztlenową do wstępnej obróbki odpadów spożywczych, halofilową fermentację mikrobiologiczną do biosyntezy PHA oraz wolny od chemikaliów proces dalszy do odzyskiwania PHA.

Skalowalne podejście krok po kroku do zrównoważonej produkcji bioplastiku z odpadów spożywczych

Zaprojektowano cykliczny bioreaktor ciśnieniowy, który umożliwia poddawanie tkanki zastawek serca fizjologicznym oraz patologicznym warunkom ciśnieniowym. Program LabVIEW pozwala użytkownikom na kontrolowanie wartości, amplitudy oraz częstotliwości ciśnienia. Urządzenie to może być wykorzystywane do badania mechanobiologii tkanki zastawek serca lub izolowanych komórek.

Projekt cyklicznego bioreaktora ciśnieniowego do badań ex vivo zastawek tętniczych serca

W tym protokole przedstawiono produkcję, konfigurację i podstawowe działanie mikroprzepływowego bioreaktora pikolitrowego (PLBR) do analizy pojedynczych komórek mikroorganizmów prokariotycznych. Mikroorganizmy istotne z przemysłowego punktu widzenia zostały przeanalizowane jako dowód zasadności, co pozwoliło na wgląd w tempo wzrostu, morfologię i niejednorodność fenotypową w określonych okresach czasu, co jest prawie niemożliwe przy użyciu konwencjonalnych metod.

Mikroprzepływowy bioreaktor pikoliterowy do analizy mikrobiologicznej pojedynczych komórek: produkcja, konfiguracja systemu i obsługa

Fermentory są używane do zwiększania wydajności hodowli i produktywności komórek bioinżynieryjnych.  Po przesiewie wielu kandydatów na hodowle mikrobiologiczne lub komórki zwierzęce w kolbach wstrząsowych, następnym logicznym krokiem jest zwiększenie biomasy wybranej kultury za pomocą fermentora. Ten film pokazuje konfigurację i działanie typowego systemu bioreaktora laboratoryjnego.

Działanie bioreaktora laboratoryjnego

Adhezyjna komórka jest kluczem do wielu podejść w badaniach nad biomateriałami i inżynierii tkankowej. Przedstawiono technikę krok po kroku wykorzystującą chemię mokrą do modyfikacji powierzchni ważnego polimeru PTFE za pomocą peptydów.

Chemia mokra i immobilizacja peptydów na politetrafluoroetylenie w celu poprawy adhezji komórek

W tym artykule prezentujemy protokół selektywnego osadzania materiałów organicznych na tekstyliach, który pozwala na bezpośrednią integrację organicznych urządzeń elektronicznych z urządzeniami do noszenia. Wyprodukowane urządzenia można w pełni zintegrować z tekstyliami, szanując ich mechaniczny wygląd i umożliwiając wykrywanie.

Prosta i skalowalna metoda wytwarzania organicznych urządzeń elektronicznych na tekstyliach

Poznaj budowę i obsługę laboratoryjnego beztlenowego reaktora fermentacyjnego z ciągłym mieszaniem do przetwarzania odpadów organicznych w biogaz. Metoda umożliwia ocenę przydatności substratów.

Beztlenowa komora fermentacyjna z ciągłym mieszaniem do przekształcania odpadów organicznych w biogaz: konfiguracja systemu i podstawowa obsługa (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów