Экспериментальная методика представлена для сравнения производительности малого (100 л) и большой (1000 л) масштабироваться реакторы, предназначенные для водорослей рекультивации свалок сточных вод. Характеристики системы, в том числе площади поверхности к объему, времени удерживания, плотности биомассы и концентрации исходных сточных вод, могут быть скорректированы на основе применения.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Сравнение шкалы в системе фотосинтетического реактор для цветению восстановлению сточных вод
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Экспериментальная методика представлена для сравнения эффективности двух различных реакторов размеров, предназначенных для очистки сточных вод. В этом исследовании, удаление аммиака, удаление азота и роста водорослей сравниваются в течение 8-недельного периода в спаренных наборов небольших (100 л) и больших (1000 л) реакторов, предназначенных для водорослей рекультивации свалок сточных вод. Содержание мелких и крупных реакторов были смешаны перед началом каждого недельного интервала тестирования для поддержания эквивалентных начальных условий в двух различных масштабах. Характеристики системы, в том числе площади поверхности к объему, времени удерживания, плотности биомассы и концентрации исходных сточных вод, может быть отрегулирован, чтобы лучше выравнивать условия, возникающие в обоих шкалах. В течение короткого 8-недельного периода времени представитель, начиная аммиака и Концентрация общего азота в диапазоне от 3.1-14 мг NH 3 -N / л, и 8.1-20.1 мг N / л, соответственно. Производительность системы лечения оценивали на основанииего способность удаления аммиака и общего азота и для производства биомассы водорослей. Среднее значение ± стандартное отклонение удаления аммиака, полное удаление азота и темпов роста биомассы , были 0,95 ± 0,3 мг NH 3 -N / л / сут, 0,89 ± 0,3 мг N / л / день, и 0,02 ± 0,03 г биомассы / л / сут, соответственно. Все суда показали положительную зависимость между начальной скоростью удаления концентрации аммиака и аммиака (R 2 = 0,76). Сравнение эффективности процесса и значений, измеренных в производственных реакторах различного масштаба могут быть полезны при определении, если лабораторном экспериментальные данные подходят для прогнозирования значений производства в промышленном масштабе.
Введение
Перевод скамейка масштаба данных крупномасштабных приложений является ключевым шагом в коммерциализации биопроцессы. Эффективность производства в малых реакторных систем, в частности , те , которые фокусируются на использовании микроорганизмов, было показано , что последовательно более прогнозировать эффективность происходящих в промышленном масштабе систем 1, 2, 3, 4. Проблемы существуют также в расширении масштабов культивирования фотосинтетической водорослей и цианобактерий из лабораторного масштаба для крупных систем с целью производства продукции с высокой добавленной стоимостью, такие как косметические и фармацевтические, для производства биотоплива, а также для очистки сточных вод. Спрос на крупномасштабного производства биомассы водорослей растет с развивающейся промышленностью для водорослей в биотопливо, фармацевтической / нутрицевтики и корма для скота 5. Методика описана вэта рукопись ставит своей целью оценить влияние увеличения шкалы фотосинтетической системы реактора на скорость роста биомассы и удаления биогенных веществ. Система, представленная здесь использует водоросли для устранения свалок сточных вод, но может быть адаптирована для различных применений.
Производственные КПД крупных систем часто предсказаны с использованием меньшего масштаба экспериментов; Однако, несколько факторов необходимо учитывать, чтобы определить точность этих прогнозов, поскольку масштаб было показано, что влияет на производительность биопроцессы. Например, Юнкер (2004) представил результаты сравнения восьми реакторов различного размера ферментации, в пределах от 30 л до 19000 л, который показал, что фактическая производительность в коммерческих или пилотов-масштабах была почти всегда ниже, чем значения предсказаны с использованием небольшой Крупномасштабные исследования 4. Неравенство в измерении емкости, смесительной мощности, типа перемешивания, качества питательных веществ, и передачи газа, согласно прогнозам, будетОсновными причинами пониженной производительности 4. Аналогичным образом , было показано , в реакторах рост водорослей , что рост биомассы и продуктов , связанных биомассы почти всегда уменьшается при увеличении ставок шкалы 6.
Биологические, физические и химические факторы изменяются с размером реактора, причем многие из этих факторов , влияющих на микробную активность на малых масштабах иначе , чем в более крупных масштабах 2, 7. Так как большинство полномасштабных систем для водорослей, таких как дорожкой качения пруды, существуют на открытом воздухе, один биологический фактор необходимо учитывать, что микробные виды и бактериофаги могут быть введены из окружающей среды, которая может привести к изменению микробных видов, присутствующих и, следовательно, микробный функция из система. Активность микробного сообщества также будут чувствительны к факторам окружающей среды, таким как свет и температура. Массовые переводы газов и движения жидкости являютсяпримеры физических факторов, которые повлияли на увеличение масштаба микробных процессов. Достижение идеального перемешивания в небольших реакторах легко; Однако, с увеличением масштаба, это становится проблемой для конструирования идеального смешения условий. При больших масштабах, реакторы, более вероятно, имеют мертвые зоны, неидеальной перемешивание и снижение эффективности при массообмена 2. Так как водоросли являются фотосинтезирующие организмы, коммерческий рост должен учитывать изменения в освещенности в связи с изменением глубины и площади поверхности при увеличении объема. Высокая плотность биомассы и / или низкой скорости передачи массы может привести к снижению концентрации СО 2 и повышенные концентрации O 2, оба из которых могут привести к торможению роста биомассы 8. Химические факторы в системе роста водорослей обусловлены динамикой рН водной среды 2, которая , следовательно , зависит от изменений в рН буферных соединений , таких как растворенный CO 2 и карбонатные виды. Эти факторы усугубляются сложные взаимодействия между биологическими, физическими и химическими факторами, часто непредсказуемо 9.
Данное исследование представляет собой парную систему реактора, предназначенный для регулирования и сравнить условия роста в сосудах двух различных масштабах. Экспериментальный протокол фокусируется на количественной оценке лечения и продуктов выщелачивания рост водорослей; Тем не менее, она может быть адаптирована для мониторинга других показателей , таких как изменения в микробного сообщества с течением времени или потенциала поглощения СО 2 из водорослей. Протокол, представленные здесь, предназначен для оценки эффекта масштаба на рост водорослей и удаления азота в системе очистки фильтрата.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Настройка системы
Примечание: «спарены система» относится к одному аквариум бак и один кабелепроводе пруд, работают параллельно.
- Для одной спаренной системы, используйте один 100 л аквариумы танков (AT), с верхней мешалкой для малого судна, и один 1000 L пруд (дорожки качения РВП), с гребного колеса смесителя для крупномасштабного судна. Суда , используемые в этой системе, изображены на рисунке 1.
- Привить все сосуды с той же водоросли культуры. Используйте высокую плотность засева, в результате чего в конечной плотностью не менее 0,1 г / л один раз разбавленным до полного объема в резервуаре или водоеме 10. Это может занять значительное количество времени (недель до нескольких месяцев), чтобы вырастить достаточно водорослей для этого шага.
- Использование неочищенной свалок в качестве источника питательных веществ. Используйте выщелачиванию, взятую из свалки, которая принимает в основном бытовых отходов и имеет низкий уровень токсинов. Анализ состава для фильтрате должна быть доступна со свалки. Tон количество щелоке , используемого в каждом резервуаре или водоеме может варьироваться в зависимости от силы сточных вод, но конечные концентрации аммиака следует измерять 5-75 мг NH 3 -N / л.
- Начало 100 л аквариумах бак с рабочим объемом 60 л, а кабелепровод пруд с рабочим объемом 600 л. Это исследование началось с приблизительно 1 л выщелачивание в 59 л воды в аквариумах бак и 10 л фильтрата в 590 л воды в пруду кабелепроводе. Увеличение концентрации фильтрата, используемого в течение этого исследования.
Рисунок 1. Примеры аквариума бака и кабельного канала пруда. Примером аквариума бака (A) и дорожки качения , пруд (B) показаны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
2. Еженедельно по эксплуатации и отбора проб
- Используйте аквариумах бак и дорожки качения пруд как полупериодических реакторы с гидравлическими времен удерживания трех недель. Каждый период выборки охватывает одну неделю.
- Возьмите 125 мл пробы из каждого сосуда. Это начало недели образца. Образцы для испытаний в соответствии с протоколом анализа проб в разделах 3.1-3.3.
- В конце недели, принимать 125 мл пробы из каждого сосуда для анализа. После того, как были приняты с истекшим недели образцы, опустошить весь объем аквариума бака в кабелепроводе пруд.
- Раз в неделю, прокачать весь объем аквариума бака в кабелепроводе пруд.
- Удалить одну треть объема (для среднего гидравлического времени удерживания 3-х недель) от кабелепровод пруда. Заменить объем удален с водой и необработанной выщелачивание.
- Передача примерно 60 л от кабелепровод пруда обратно в аквариум бак. Это гарантирует, что аквариум загарк и кабелепровод пруд начинают с тех же самых питательных и биологических условиях каждую неделю.
- Возьмите 125 мл пробы из всех сосудов для анализа исходных условий на следующей неделе.
3. Анализ проб
- Проверьте все начало-оф-недели и в конце-оф-недели образцы для аммиака-N, нитрат-N, нитрит-N и плотности биомассы.
- Мера биомассы при помощи стандартных общих взвешенных веществ протокола (TSS), ASTM-D5907, используя 0,45 мкм фильтры.
- Сначала взвешивают фильтровальную бумагу, а затем фильтровать 20-40 мл образца с использованием системы вакуумной фильтрации. Сушат биомасса / фильтровальную бумагу в печи при температуре 105 ° С в течение одного часа, или пока вес биомассы / фильтровальной бумаги больше не будет изменяться.
- Взвесьте биомассы / фильтровальную бумагу, и вычесть начальную массу фильтровальной бумаги. Разделить эту массу на объем отфильтрованного для расчета плотности биомассы. Запуск в двух экземплярах 11.
- Мера аммиака,нитраты, нитриты и спектрофотометрически с использованием спектрофотометра.
- С помощью 100 мкл образца в наборе промышленного способа для определения концентрации аммиака. Обратитесь к протоколу производителя.
- Используйте 1 мл образца в наборе коммерческого метода для определения нитратов концентрации. Обратитесь к протоколу производителя.
- Используйте 10 мл образца в наборе коммерчески метод для определения содержания нитрита концентрации. Обратитесь к протоколу производителя.
- Мониторинг состояния окружающей среды (температура воздуха, солнечная радиация, скорость ветра), используя коммерческую метеостанцию, а также бак / прудовых условиях (температура воды, рН, растворенного кислорода) с использованием коммерческих зондов и регистратор данных. Обратитесь к протоколу производителя.
4. Статистический анализ результатов
- Определите, могут ли данные, собранные статистически нормально. Определить нормальность набора данных с помощью QQ участок 12 .
- Определение корреляции между параметрами с использованием г Пирсона или Спирмена р для нормальных и ненормальных данных, соответственно 13. Параметры корреляции должны включать, по крайней мере, следующие параметры: начальная концентрация аммиака, начальной концентрации общего азота, начальную плотность биомассы, скорость удаления аммиака, общая скорость удаления азота, скорость роста биомассы, и все условия окружающей среды.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Целью данного исследования является сравнение роста биомассы и возможности удаления биогенных веществ из водорослей культур, выращенных в мелких и крупных реакторов. В данном исследовании используются два спаренных систем, именуемых System 1 и System 2, чтобы дублировать свои выводы. Эти репрезентативные результаты от 8-недельный период, с февраля по апрель 2016 года Первый Raceway пруд прививали с водорослями первоначально получены из наружного пруда в Филадельфии, штат Пенсильвания
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Производительность системы:
В течение 8-недельного исследования сравнивали продуктивность мелких и крупных сосудов в системе. В этом исследовании азота и скорости удаления аммиака и темпов роста биомассы использовались в качестве меры производительности системы лечения. Система работала в качестве реакторе полунепрерывного, где каждую неделю был оперирован под дискретными условиях. Представитель результаты счета в течение первых 8 недель работы системы, однако полное исследование будет распрост...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить Sandtown свалки в Фелтон, DE для обмена знаниями и выщелачиванию.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Аквариумный аквариум | Любой аквариумный аквариум объемом 100+ л с оптически прозрачным стеклом может быть использован | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 цифровой | IKA | 4238101 | Верхние смесители |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Пластик или стекло, лабораторный класс, 125-200 | |
| Перекачивающие насосы | Садовый тип насоса | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Набор азотно-нитратных реагентов | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 NitriT 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | DR2400 был снят с производства, но любой спектрофотометр Hach серии DR может быть использован в этом приложении. | |
| EMD Мембранные фильтры для микробиологического анализа | Millipore | HAWG047S6 | 0,45 &; М фильтры |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
