Continu-geroerd anaërobe vergister om organisch afval omzetten in biogas: Systeemconfiguratie en Basisbediening

Summary

Laboratorium-schaal anaërobe vergisters kunnen wetenschappers nieuwe manieren van het optimaliseren van bestaande toepassingen van anaërobe biotechnologisch onderzoek en de productie van methaan potentieel van verschillende organische afval te evalueren. Dit artikel introduceert een algemeen model voor de bouw, inenting, bediening en controle van een laboratorium-schaal continu geroerd anaërobe vergister.

Abstract

Anaërobe vergisting (AD) is een bioprocestechnologie die vaak wordt gebruikt om complexe organisch afval om te zetten in een bruikbaar biogas met methaan als energiedrager ^1-3. Steeds vaker wordt AD wordt gebruikt in industriële, landbouw-, en gemeentelijk afval (water) behandeling toepassingen ^4,5. Het gebruik van AD technologie maakt het mogelijk exploitanten de verwijdering van afvalstoffen kosten te verlagen en energieleverancier kosten te compenseren. In aanvulling op de behandeling van organisch afval, worden energiegewassen omgezet in de energie-drager methaan ^6,7. Aangezien de toepassing van AD-technologie verbreedt voor de behandeling van nieuwe substraten en co-substraat mengsels ^8, neemt ook de vraag naar een betrouwbare testmethode op de pilot-en laboratorium-schaal.

Anaërobe vergisting systemen hebben een verscheidenheid aan configuraties, waaronder de continu geroerde tank reactor (CSTR), plug flow (PF) en anaërobe sequencing batch reactor (ASBR) configuraties ⁹ </sup>. De CSTR wordt vaak gebruikt in onderzoek vanwege zijn eenvoud in ontwerp en de werking, maar ook voordelen in experimenten. Vergeleken met andere configuraties de CSTR geeft een grotere uniformiteit van de systeemparameters, zoals temperatuur, mengen, chemische concentratie en substraat concentratie. Uiteindelijk ontwerpen van een volledige reactor zal de optimale reactorconfiguratie afhangen van de aard van een bepaald substraat vele andere niet-technische overwegingen. Echter, alle configuraties te delen fundamentele design kenmerken en operationele parameters die de CSTR geschikt voor de meeste voorlopige beoordelingen maken. Als onderzoekers en ingenieurs met een influent stroom met een relatief hoge concentratie van vaste stoffen, kan dan op laboratoriumschaal bioreactor configuraties niet continu gevoed door pluggen problemen laboratoriumschaal pompen met vaste stoffen of bezinken van deeltjes in buizen. Voor dat scenario met continu mengen bepalingen, lab-schaal bioreactoren periodiek gevoeden we verwijzen naar dergelijke configuraties als continu geroerd anaërobe (CSADs).

Dit artikel presenteert een algemene methodiek voor de bouw, enten, de exploitatie en het bewaken van een CSAD stelsel voor het witwassen van het testen van de geschiktheid van een bepaald organisch substraat voor de lange termijn anaerobe vergisting. De bouw van dit artikel heeft betrekking op de bouw van de lab-schaal reactor systeem. De inoculatie sectie wordt uitgelegd hoe u een anaërobe omgeving die geschikt is voor het zaaien met een actieve methanogene inoculum te creëren. De operationele gedeelte zal betrekking hebben op exploitatie, het onderhoud en het oplossen van problemen. De monitoring sectie zal introduceren testprotocollen met behulp van standaard analyses. Het gebruik van deze maatregelen nodig betrouwbare experimentele evaluatie van substraat geschiktheid voor AD. Dit protocol moet zorgen voor een grotere bescherming tegen een veel voorkomende fout gemaakt in AD studies, die is om te concluderen dat reactor niet werd veroorzaakt door de ondergrond in gebruik, terwijl het in feite was het onjuist gebruik van het apparaat ^10.

Introduction

Anaërobe vergisting (AD) is een volwassen technologie met betrekking tot de biologisch gemedieerde omzetting van complexe organische afval substraten in nuttige biogas met methaan als energiedrager. Er zijn veel voordelen van de anaërobe behandeling, met inbegrip van een minimale energie-en toevoer van nutriënten en een verminderde biosolids de productie ten opzichte van aërobe behandeling ^10. Bovendien de veelzijdigheid van de gemengde microbiële inherent aan deze systemen maakt een grote verscheidenheid van organische substraten geschikt als grondstof ^11,12. Inderdaad, het is het gevolg van deze voordelen dat een groeiend aantal aanvragen voor AD worden genomen buiten de traditionele gemeentelijke behandeling van afvalwater, met name in de industriële, gemeentelijke (bv, voedselresten), en de agrarische sector ^4,7,13. AD beleefde zijn eerste grote verspreiding begin in de jaren 1980 in reactie op de nationale energie-crisis van het vorige decennium. Terwijl de wereld wordt geconfronteerd met een groeiende wereldwijde energiecrisis,in combinatie met aantasting van het milieu, is meer aandacht komen te liggen op technologieën voor biobrandstoffen en de waste-to-energie concept in het bijzonder. Bijvoorbeeld in het Amerikaanse kan vergisting wordt 5,5% van de totale stroom nodig ^acht.

Dit heeft de vraag naar goed-gecontroleerde experimentele onderzoek aan de pilot-en laboratorium-schaal om de geschiktheid van nieuwe organische afvalstoffen en afval mengsels voor anaerobe vergisting ¹⁴ te beoordelen. We zijn van plan om een ​​generiek model voor de bouw, inenting, bediening en controle van een laboratorium-schaal anaërobe vergister die geschikt zijn voor robuuste evaluaties te geven. Anaërobe vergisters bestaan ​​in veel verschillende configuraties. Een aantal veel voorkomende configuraties omvatten het: continu geroerde tank reactor (CSTR) met continue influent voeding; continu geroerd anaërobe vergister (CSAD) met periodieke influent voeding, plug flow (PF), upflow anaërobe slib deken (UASB); anaërobe migrerende deken reactor (AMBR); anaërobe reactor verbijsterd (ABR) en anaërobe sequencing batch reactor (ASBR) configuraties ^9,15. De CSTR en CSAD configuratie zijn op grote schaal genomen voor laboratoriumonderzoek experimenten vanwege de eenvoudige installatie en gunstige werkomstandigheden. Door voortdurende mengen, de hydraulische verblijftijd (HST) gelijk is aan de slibverblijftijd (SRT). De SRT is het van belang ontwerp parameter voor de ADS. De configuratie is bevorderlijk voor gecontroleerde experimenten gevolg van de hogere ruimtelijke homogeniteit van parameters, zoals chemische species concentraties, temperatuur en diffusiesnelheden. Er zij opgemerkt dat de optimale volledige configuratie van een anaerobe vergisting hangt af van de fysische en chemische eigenschappen van het organische substraat onder-technische aspecten zoals doel effluent. Bijvoorbeeld, verdunnen afvalstromen met een relatief hoge oplosbare organische inhoud en little deeltjes, zoals de brouwerij afvalwater, meestal ervaren meer de omzetting van energie in een high-rate upflow bioreactor configuratie (bijv., UASB) in plaats van een CSAD configuratie. Hoe dan ook, zijn er fundamentele parameters die essentieel zijn voor een succesvolle spijsvertering en die relevant zijn voor alle configuraties, die een algemene uitleg van het gebruik van deze configuratie te rechtvaardigen.

Inderdaad, elk AD-systeem met een diverse, open gemeenschap van anaërobe micro-organismen metaboliseren serieel de ondergrond om methaan (het uiteindelijke eindproduct met de laagst beschikbare vrije energie per elektron). De metabole routes die betrokken zijn in dit proces vormen een ingewikkeld voedselweb losjes ingedeeld in vier trofische stappen: de hydrolyse, verzuring, acetogenese en methanogenese. In hydrolyse worden complexe organische polymeren (zoals koolhydraten, vetten en eiwitten) onderverdeeld in hun monomeren (zoals suikers, langketenige vetzuren en aminozuren) door hydrolyzing, fermentatieve bacteriën. In verzuring, worden deze monomeren gefermenteerd door acidogene bacteriën om vluchtige vetzuren (vFAS) en alcoholen, die in acetogenese, verder worden tot acetaat en waterstof geoxideerd door homoacetogenic en verplichte waterstof-producerende bacteriën, met respect ^5. In de laatste stap van methanogenese, worden acetaat en waterstof omgezet in methaan door acetoclastic en hydrogenotrophic methanogenen. Het is belangrijk te erkennen dat het totale AD proces door gebruik te maken van een onderling reeks van de stofwisseling van verschillende groepen microben, afhankelijk van de succesvolle werking van elk lid alvorens het systeem als geheel optimaal. Het ontwerp en de bouw van een AD bioreactor systeem moet altijd rekening worden gehouden met de eis om volledig af te dichten van de bioreactor. Kleine lekken in de top van de bioreactor (scheiden headspace) of in de gas-handlingsysteem kan moeilijk op te sporen, en dus het systeem moet preszeker getest voor gebruik. Na het zorgen voor een lekvrije installatie, storingen met anaërobe vergister studies vaak het gevolg van fouten tijdens inenting, kweken, en dag-tot-dag werking. Als gevolg daarvan vergisters hebben een reputatie als zijnde intrinsiek instabiel en gevoelig voor onverwachte uitval. Waarom is het dan dat full-scale vergisters zijn geopereerd onder stabiele omstandigheden tientallen jaren ^13? Falen is waarschijnlijk het gevolg van onjuist gebruik van de exploitant, met name tijdens de opstart periode waarin de microbiële gemeenschap moet langzaam wennen aan de organische samenstelling van het afval en kracht. Daarom is ons doel is niet alleen een methodologie voor de totstandbrenging van een AD-systeem, maar ook ophelderen van de processen van inoculatie, bediening en controle van deze systemen.

Het eerste deel van het artikel wordt uitgelegd hoe je de CSTR of CSAD systeem te bouwen, terwijl het tweede deel zal een procedure voor de vergister inenting te voorzien van actieve methanogENIC biomassa. Het is praktischer en minder tijdrovend om vergisters met een actief methanogene biomassa inoculeren van de gemengde drank of effluent van een operationele vergister die de behandeling van een vergelijkbaar substraat dan om te proberen een voldoende biomassa te ontwikkelen van een beginnende cultuur. Het derde deel van het artikel heeft betrekking op operationele overwegingen, zoals voeding substraat, decanteren afvalwater, en het oplossen van problemen diverse reactor problemen. Het voeden ondergrond en decanteren effluent voor dit systeem zal worden uitgevoerd op een semi-continue basis (dat wil zeggen, periodieke voeden en decanteren, terwijl het grootste deel van de biomassa en gemengde drank blijft in de bioreactor). De frequentie waarin de vergister wordt gevoed / gedecanteerd is het voorrecht van de operator. In het algemeen zal het voeden / decanteren vaker en op gezette tijden het bevorderen van het vergister stabiliteit en consistentie in prestaties tussen het voeden cycli. Het vierde deel zal een basis monitoringsprotocol te worden gebruikt tijdens de ervarimental periode. Een aantal standaard analyses, die worden beschreven in standaard methoden voor de behandeling van water en afvalwater ¹⁶ (tabel 1, 2), nodig zal zijn voor het karakteriseren van de ondergrond en een adequaat systeembeheer monitoring. In aanvulling op de gemeten variabelen, een belangrijk aspect van monitoring is om te controleren of de vergister onderdelen van het systeem naar behoren functioneren. Regelmatig onderhoud aan de vergister systeem zal vooruit kan lopen grote systeem problemen die anders in gevaar kunnen brengen op de lange termijn prestaties en stabiliteit van de vergister. Bijvoorbeeld een defect aan het verwarmingselement, leidt tot een daling van de temperatuur kan de accumulatie van vluchtige vetzuren veroorzaken doordat de stofwisseling van methanogenen. Dit probleem wordt verergerd als het systeem niet over voldoende alkaliteit van de pH boven remmende niveaus methanogenen houden. Het is ook belangrijk op te sporen en eventuele lekken dicht na onverwachte daling van de productie van biogas rates. Daarom duplicatie binnen de experimentele ontwerp van bijvoorbeeld lopen twee bioreactoren naast elkaar in de juiste bedrijfsomstandigheden is belangrijk op te sporen onverwachte resultaten verliezen door storingen, zoals kleine lekken.

Protocol

1. Vergister Bouw Selecteer een vergister schip dat alle functies in Fig bevat. 1 (een kegel is niet nodig), en uw gewenste werkvolume (meestal tussen 1-10 L). Als uw vergister schip niet is uitgerust met een verwarmd-watermantel, plaats de vergister in een andere temperatuur-gecontroleerde omgeving, zoals een verwarmd waterbad of incubatiekamer. Zet het vaartuig in een verticale stand in een gebied met voldoende horizontale tafelruimte voor plaatsing van de resterende componenten <…

Discussion

De anaerobe vergisting systeem in dit artikel geeft een algemene inleiding en een aantal fundamentele richtlijnen voor de behandeling van de meeste ondergronden in een experimentele context. De grote verscheidenheid aan substraat soorten, vergister configuraties, operationele parameters, en ook de unieke ecologie van de gemengde microbiële gemeenschap die ten grondslag liggen van deze systemen zich verzet tegen waarin harde kwantitatieve maatstaven, die universeel kan worden toegepast. Ondanks al deze variabiliteit, al…

Materials

Reactor Equipment	Company	Catalogue number	Comments
Heated Recirculator	VWR Scientific	13271-063 VWR	For use with a heating jacket reactor system
Variable Speed Electric Lab Stirrer	Cleveland Mixer Co.	(Model 5VB)	This mixer model facilitates mounting with a ring stand
Wet-Type Precision Gas Meter	Ritter Gasmeters	(Model TG-01)	This model needs a minimum flow of (0.1 L/h) and can handle a maximum flow of 30 L/h
Gas Bubbler	Chemglass	(Model AF-0513-20)
Gas Sampling Tube	Chemglass	(Model CG-1808)
Axial Impeller	Lightnin’	R04560-25 Cole-Parmer	Impeller blades with 7.9375 mm bore diameter
Impeller Shaft	Grainger	2EXC9 Grainger	1.83 m stainless steel rod with 7.9375 mm O.D. (needs to be cut to appropriate size)
Cast Iron Support Stands	American Educational Products	(Model 7-G16)	For mixer mounting
Three-Prong Extension Clamp	Talon	21572-803 VWR	For mixer mounting
Regular Clamp Holder	Talon	21572-501 VWR	For mixer mounting
Peristaltic Pump	Masterflex	WU-07523-80 Cole-Parmer	For effluent decanting
L/S Standard Pump Head	Masterflex	EW-07018-21 Cole-Parmer	For effluent decanting -accessory to peristaltic pump
L/S Precision Pump Tubing	Masterflex	EW-06508-18 Cole-Parmer	For effluent decanting – accessory to peristaltic pump
Analysis Equipment/Reagents	Company	Catalogue number	Comments
			pH Analysis
pH Meter	Thermo Fisher Scientific – Orion	1212000
			Total and Volatile Solids Analysis (Standard Methods: 2540-B,E)
Glass Vacuum Dessicator	Kimax	WU-06536-30 Cole-Parmer
Porcelain Evaporating Dishes	VWR	89038-082 VWR
Lab Oven	Thermo Fisher Scientific	(Model 13-246-516GAQ)
Medium Chamber Muffle Furnace	Barnstead/ Thermolyne	F6010 Thermo Scientific
			Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C)
Large Capacity Variable Speed Centrifuge	Sigma	WU-17451-00 Cole-Parmer
Laboratory Hot Plate	Thermo Scientific	(Model HP53013A)
Large Condenser	Kemtech America	(Model C150190)
Acetic Acid Reagent [CAS: 64-19-7]	Alfa Aesar	AA33252-AK
			Chemical Oxygen Demand (Standard Methods: 5520-C)
COD Block Heater	HACH	(Model DRB-200)
Borosilicate Culture Tubes	Pyrex	(Model 9825-13)
Potassium Dichromate Reagent [CAS: 7778-50-9]	Avantor Performance Materials	3090-01
Mercury II Sulfate Reagent [CAS: 7783-35-9]	Avantor Performance Materials	2640-04
Ferroin Indicator Solution [CAS: 14634-91-4]	Ricca Chemical	R3140000-120C
Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9]	Alfa Aesar	13448-36
			Gas Composition by Gas Chromatography Analysis
Gas Chromatograph	SRI Instruments	Model 8610C	Must be equipped with a thermal conductibility detector (TCD), using below mentioned column and carrier gas operated at an isothermal temperature of 105°C
Helium Gas	Airgas	He HP300	To be used as the carrier gas
Packed-Column	Restek	80484-800	To be used for N2, CH4, and CO2 separation