Pomiar potencjału biometanowego odpadów spożywczych beztlenowo współtrawionych z osadem aktywowanym odpadami za pomocą respirometrii
26 kwietnia 2024
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.
Zakres naszych badań polega na wykorzystaniu respirometrii do zbadania biokinetyki mikrobioty beztlenowej, współfermentującej strumienie odpadów organicznych, takich jak osady ściekowe i odpady spożywcze. Podjęliśmy próbę odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób różne stężenia substratów wpływają na tempo, w jakim te beztlenowe mikrobioty wytwarzają metan. Podczas gdy w kilku badaniach mierzono produkcję metanu ze współfermentacji odpadowego osadu czynnego w połączeniu z innymi substratami organicznymi, takimi jak bioodpady, tłuszcze, oleje, smary i odpady rolnicze, w niniejszym badaniu przedstawiono protokół respirometryczny wykorzystujący mieszaninę rozcieńczonych ścieków, odpadowego osadu czynnego i odpadów spożywczych jako substratów.
W podobnych badaniach wykorzystuje się testy okresowe w butelkach z surowicą, w których produkcja metanu jest mierzona w dyskretnych punktach podczas całego eksperymentu, podczas gdy inne wykorzystują przepływomierze podłączone bezpośrednio do rioreaktorów laboratoryjnych lub pilotażowych. W naszym protokole zastosowano respirometr, który zapewnia ciągłe i precyzyjne pomiary metanu z próbek prowadzonych w różnych warunkach eksperymentalnych. Na początek zbierz 1,5 litra ścieków pierwotnych, jeden litr odpadowego osadu czynnego.
Uzyskać dwa litry osadu beztlenowego bezpośrednio przed eksperymentem. Następnie przechowuj odpady spożywcze w temperaturze czterech stopni Celsjusza. Aby przygotować mineralny roztwór bazowy, należy wymieszać 800 mililitrów wody dejonizowanej z podanymi solami.
Uzupełnić objętość do jednego litra wodą dejonizowaną. Aby przygotować roztwór mineralny na bazie dwóch, rozpuść 27,7 grama chlorku wapnia i 101 gramów chlorku magnezu w 800 mililitrach wody dejonizowanej. Rozcieńczyć roztwór do jednego litra.
Aby przygotować bazę odżywczą, wymieszaj 38,2 grama chlorku amonu i 15 gramów siarczanu sodu w 800 mililitrach wody. Użyj 3,64 normalnego wodorotlenku sodu, aby dostosować pH roztworu do siedmiu. Następnie rozcieńczyć roztwór do końcowej objętości jednego litra.
Aby przygotować próbkę, połącz odpady spożywcze w blenderze, aby utworzyć mieszankę. Dodaj wodę dejonizowaną do mieszanki, aby lepiej ją zmiksować. Przenieś odpady robocze do litrowej plastikowej butelki.
Przechowuj go w temperaturze czterech stopni Celsjusza do dalszego użycia. Następnie umieść cztery oznaczone dwulitrowe zlewki na talerzu do mieszania. Połóż duży mieszadło na talerzu.
Do każdej zlewki dodaj 12 mililitrów zarówno mineralnych roztworów zasadowych, jak i pożywki. Połączyć odpady żywnościowe, odpadowy osad czynny i rozcieńczenia, jak pokazano w tabeli. Dodaj kultury beztlenowe do zlewki.
Następnie dodaj 2,4 grama wodorowęglanu sodu do każdej zlewki. Następnie umieść mieszadło magnetyczne w ośmiu oznaczonych butelkach do respirometrii. Natychmiast przenieść 500 mililitrów mieszaniny ze zlewki do oznakowanej butelki respirometru.
Przed zamknięciem przepłukać mieszaninę azotem gazowym. Następnie ustaw respirometr na niskie ustawienie beztlenowe. Naciśnij jednocześnie przycisk resetowania i przycisk włączania.
Ustaw agregat chłodniczy na 35,5 stopni Celsjusza. Napełnij płuczkę dwutlenku węgla i wilgoci mieszanką 50/50 granulek siarczanu wapnia i wodorotlenku potasu w środku. Otocz granulki watą szklaną z każdej strony.
Podłączyć rurki i igły z butelek z próbkami do płuczki, a następnie od płuczki do wlotu gazu. Uruchom program respirometru RSA 8 wersja 2 na komputerze. Zaznacz wszystkie butelki w programie.
Następnie wybierz pozycję Edytuj, a następnie pozycję Etykiety danych. Nazwij wszystkie butle, a następnie naciśnij przycisk start, aby rozpocząć pomiar produkcji gazu. Ustaw program tak, aby mierzył dane na koniec każdej pół godziny.
Wybierz wykres stawek lub wykres wolumenu, aby monitorować produkcję gazu. Po zakończeniu eksperymentu przerwij pracę, wyłącz agregat chłodniczy i moduł RSPF. Zapisz dane jako plik CSV.
Zmieszane odpady spożywcze zawierały 44% węglowodanów, 36% białek, 16% tłuszczów i 4% innych materiałów. Początkowe stężenia zawiesiny lotnej wzrosły od kontrolnego do największego współczynnika FM. Stężenie zmniejszyło się pod koniec eksperymentu.
Początkowe stężenia zapotrzebowania na tlen wzrosły od kontrolnego do największego współczynnika FM. Stężenia BZT zmniejszyły się między stężeniami początkowymi i końcowymi, z wyjątkiem stężeń kontrolnych. Tempo produkcji metanu i długość produkcji rosły wraz ze wzrostem FM.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje najlepszą praktykę wyznaczania produkcji metanu oraz parametrów kinetycznych drobnoustrojów przy użyciu respirometrii dla beztlenowych mikrobiot co-trawiących odpady spożywcze oraz osad czynny.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Ekologia drobnoustrojów
- Produkcja biogazu
- Gospodarka odpadami
Wstęp
- Respirometria jest wykorzystywana do badania biokinetyki mikrobioty anaerobowej.
- Współtrawienie organicznych strumieni odpadów może zwiększyć produkcję metanu.
- Poprzednie badania koncentrowały się na różnych substratach organicznych.
- Niniejsza praca wprowadza protokół ciągłego pomiaru produkcji metanu.
Cel badania
- Zbadanie, w jaki sposób stężenia substratów wpływają na tempo produkcji metanu.
- Opracowanie niezawodnego protokołu respirometrycznego do pomiaru metanu.
- Analiza wydajności kultur beztlenowych w procesach współtrawienia.
Zastosowane metody
- Pobranie ścieków surowych i osadów czynnych przeznaczonych do utylizacji.
- Przygotowanie mineralnych roztworów bazowych i roztworów pożywek.
- Wykorzystanie respirometru do ciągłego pomiaru metanu.
- Gromadzenie danych w odstępach półgodzinnych podczas eksperymentu.
Główne wyniki
- Skład zmieszanych odpadów spożywczych wynosił 44% węglowodanów, 36% białek, 16% tłuszczów i 4% innych materiałów.
- Szybkość produkcji metanu wzrastała wraz z wyższymi proporcjami odpadów spożywczych.
- Wstępne stężenia lotnych zawiesin organicznych różniły się w trakcie eksperymentu.
- Stężenia biochemicznego zapotrzebowania na tlen wykazały istotne zmiany.
Wnioski
- Protokół respirometryczny skutecznie mierzy produkcję metanu.
- Stężenie substratu znacząco wpływa na tempo produkcji metanu.
- Metoda ta może zostać zastosowana w celu optymalizacji procesów fermentacji anaerobowej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla sektora przemysłowego
Ciągły pomiar potencjału wytwarzania biometanu w oparciu o respirometrię umożliwia precyzyjną kwantyfikację aktywności mikrobowej podczas beztlenowej współtrawienia odpadów z żywności oraz osadu czynnego. Podejście to wspiera optymalizację procesu na wczesnym etapie oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w rozwoju bioprocesów w biotechnologii przemysłowej. Niezawodne dane dotyczące produkcji metanu stanowią podstawę modeli predykcyjnych i decyzji portfelowych dla platform przetwarzania odpadów na energię oraz biokonwersji.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie szlaków metabolicznych mikroorganizmów przy różnych obciążeniach substratem.
- Wspiera walidację funkcjonalną konsorcjów mikrobiologicznych w celu optymalizacji wydajności biogazu.
- Dostarcza danych ilościowych pozwalających na wiarygodne prognozowanie skalowalności procesu.
Przesiew i opracowanie testu
- Ułatwia przygotowanie zwalidowanych systemów mikrobiologicznych do późniejszego przesiewu bioprocesów.
- Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne pomiary wydajności metanu w różnych warunkach.
- Umożliwia rzetelne porównanie proporcji substratów i wydajności mikrobiologicznej.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ujednolica produkcję metanu w skali laboratoryjnej z wymaganiami przemysłowych bioprocesów.
- Zapewnia ciągłość przejścia od etapu odkryć do walidacji konwersji odpadów w skali półtechnicznej.
- Dostarcza danych mechanistycznych, które pozwalają na dostosowanie rozwoju procesu do poziomu ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół respirometryczny wpisuje się w ciąg procesu odkrywania bioprocesów, od wczesnej walidacji szlaków mikrobiologicznych, przez identyfikację procesów wiodących, aż po przedkliniczne skalowanie.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określenie kinetyki produkcji metanu przez mikroorganizmy w celu weryfikacji hipotez i wyjaśnienia szlaków metabolicznych.
- Przesiewanie: Standaryzacja warunków analizy w celu uzyskania powtarzalnych, ilościowych wyników wydajności metanu.
- Analityka: Zapewnienie ciągłego pomiaru natężenia przepływu metanu oraz produkcji skumulowanej do analizy porównawczej.
- Badania translacyjne: Przeniesienie wyników laboratoryjnych na projektowanie i optymalizację procesów w skali pilotażowej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Opracowanie powtarzalnego protokołu do oceny różnych strumieni odpadów organicznych w procesach fermentacji beztlenowej.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie wydajności procesów mikrobiologicznych i walidacji celów.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność pomiarów metanu.
- Wartość strategiczna: Dostarcza podstaw do decyzji o kontynuacji lub przerwaniu rozwoju bioprocesów oraz alokacji kapitału.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację projektów konwersji odpadów na energię i biokonwersji w oparciu o analizę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu mikrobiologii beztlenowej i analityki bioprocesowej.
- Wymaga dostępu do precyzyjnej aparatury respirometrycznej oraz systemów akwizycji danych.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów przygotowania substratu i pomiarów pomiędzy zespołami.
- Może wymagać adaptacji do różnych składów odpadów organicznych lub konsorcjów mikrobiologicznych.
- Zależne od infrastruktury ciągłego monitorowania w celu uzyskania danych kinetycznych o wysokiej rozdzielczości.
