सिस्टम सेटअप और बुनियादी ऑपरेशन: अवायवीय बायोगैस में कार्बनिक कचरे में कनवर्ट पाचक लगातार हड़कंप मच गया

Summary

प्रयोगशाला पैमाने पर anaerobic digesters anaerobic जैव प्रौद्योगिकी के मौजूदा अनुप्रयोग का अनुकूलन करने के नए तरीके के अनुसंधान के लिए वैज्ञानिकों और विभिन्न जैविक कचरे के मीथेन उत्पादन क्षमता का मूल्यांकन की अनुमति देते हैं. यह लेख एक प्रयोगशाला पैमाने पर निर्माण, टीका, आपरेशन, और निगरानी के लिए एक सामान्यीकृत मॉडल लगातार anaerobic पाचक हड़कंप मच गया परिचय.

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ^1-3. Increasingly, AD is being used in industrial, agricultural, and municipal waste(water) treatment applications ^4,5. The use of AD technology allows plant operators to reduce waste disposal costs and offset energy utility expenses. In addition to treating organic wastes, energy crops are being converted into the energy carrier methane ^6,7. As the application of AD technology broadens for the treatment of new substrates and co-substrate mixtures ⁸, so does the demand for a reliable testing methodology at the pilot- and laboratory-scale.

Anaerobic digestion systems have a variety of configurations, including the continuously stirred tank reactor (CSTR), plug flow (PF), and anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) configurations ⁹. The CSTR is frequently used in research due to its simplicity in design and operation, but also for its advantages in experimentation. Compared to other configurations, the CSTR provides greater uniformity of system parameters, such as temperature, mixing, chemical concentration, and substrate concentration. Ultimately, when designing a full-scale reactor, the optimum reactor configuration will depend on the character of a given substrate among many other nontechnical considerations. However, all configurations share fundamental design features and operating parameters that render the CSTR appropriate for most preliminary assessments. If researchers and engineers use an influent stream with relatively high concentrations of solids, then lab-scale bioreactor configurations cannot be fed continuously due to plugging problems of lab-scale pumps with solids or settling of solids in tubing. For that scenario with continuous mixing requirements, lab-scale bioreactors are fed periodically and we refer to such configurations as continuously stirred anaerobic digesters (CSADs).

This article presents a general methodology for constructing, inoculating, operating, and monitoring a CSAD system for the purpose of testing the suitability of a given organic substrate for long-term anaerobic digestion. The construction section of this article will cover building the lab-scale reactor system. The inoculation section will explain how to create an anaerobic environment suitable for seeding with an active methanogenic inoculum. The operating section will cover operation, maintenance, and troubleshooting. The monitoring section will introduce testing protocols using standard analyses. The use of these measures is necessary for reliable experimental assessments of substrate suitability for AD. This protocol should provide greater protection against a common mistake made in AD studies, which is to conclude that reactor failure was caused by the substrate in use, when really it was improper user operation ¹⁰.

Introduction

Anaerobic पाचन (ई.) एक परिपक्व प्रौद्योगिकी उपयोगी बायोगैस में ऊर्जा वाहक के रूप में मीथेन के साथ जटिल जैविक अपशिष्ट substrates के biologically मध्यस्थता रूपांतरण शामिल है. Anaerobic उपचार के कम से कम ऊर्जा और पोषक तत्वों की जानकारी और एरोबिक ¹⁰ इलाज के लिए की तुलना में कम biosolids उत्पादन सहित कई लाभ हैं. इसके अलावा, इन पद्धतियों के लिए निहित मिश्रित सूक्ष्म समुदाय के बहुमुखी प्रतिभा जैविक ^11,12 feedstocks के रूप में उपयुक्त substrates की एक विस्तृत विविधता प्रदान करता है. वास्तव में, यह इन लाभों के कारण है कि विज्ञापन के लिए आवेदनों की एक बढ़ती हुई संख्या पारंपरिक औद्योगिक, नगर निगम (उदाहरण के लिए, खाना बर्बाद), और कृषि ^4,7,13 क्षेत्रों में विशेष रूप से नगरपालिका अपशिष्ट जल उपचार, के बाहर अपनाया जा रहा है. ई. पिछले दशक के राष्ट्रीय ऊर्जा संकट के जवाब में इसके पहले 1980 के दशक में प्रमुख प्रसार शुरुआत के अनुभव. के रूप में दुनिया के एक बढ़ती हुई वैश्विक ऊर्जा संकट का सामना,पर्यावरण का क्षरण के साथ मिलकर, अधिक से अधिक ध्यान अब जैव ईंधन प्रौद्योगिकियों और विशेष रूप में बर्बाद करने के लिए ऊर्जा की अवधारणा पर रखा जा रहा है. उदाहरण के लिए, अमेरिका में anaerobic पाचन कुल बिजली है ⁸ जरूरत के 5.5% उत्पन्न कर सकते हैं.

इस पायलट और प्रयोगशाला पैमाने पर अच्छी तरह से नियंत्रित प्रयोगात्मक अनुसंधान के लिए मांग में वृद्धि हुई है नया कार्बनिक अपशिष्ट पदार्थों और anaerobic पाचन के लिए ¹⁴ अपशिष्ट मिश्रण की उपयुक्तता का मूल्यांकन. हम निर्माण, टीका, आपरेशन, और एक प्रयोगशाला पैमाने पर anaerobic पाचक है कि मजबूत आकलन के लिए उपयुक्त हो जाएगा की निगरानी के लिए एक सामान्य मॉडल उपलब्ध कराने का इरादा है. Anaerobic digesters कई अलग अलग विन्यास में मौजूद हैं. लगातार आवधिक सहायक नदी खिला साथ anaerobic पाचक (CSAD) हड़कंप मच गया, प्लग (पीएफ) प्रवाह, upflow की anaerobic कीचड़ कंबल (यू निरंतर सहायक नदी खिलाने के साथ टैंक रिएक्टर (CSTR) के लगातार हड़कंप मच गया: कुछ आम विन्यास में शामिल) ASB, anaerobic पलायन कंबल (AMBR) रिएक्टर, anaerobic चकित रिएक्टर (ABR), और anaerobic अनुक्रमण बैच रिएक्टर (ASBR) विन्यास ^9,15. CSTR और CSAD विन्यास व्यापक रूप से किया गया है प्रयोगशाला पैमाने पर सेटअप और अनुकूल ऑपरेटिंग शर्तों के अपने आसानी के कारण प्रयोगों के लिए अपनाया है. निरंतर मिश्रण की वजह से, हाइड्रोलिक प्रतिधारण समय (एचआरटी) कीचड़ प्रतिधारण समय (SRT) के बराबर है. SRT विज्ञापनों के लिए महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटर है. विन्यास भी है एक बड़ा रासायनिक प्रजातियों सांद्रता, तापमान, और प्रसार की दर के रूप में इस तरह के मापदंडों के स्थानिक एकरूपता की वजह से नियंत्रित प्रयोगों के लिए अनुकूल है. यह ध्यान दिया जाना चाहिए तथापि, कि एक anaerobic पाचक के लिए इष्टतम विन्यास पूर्ण पैमाने पर लक्ष्य प्रवाह गुणवत्ता के रूप में अन्य nontechnical पहलुओं, के बीच जैविक सब्सट्रेट के विशेष भौतिक और रासायनिक गुणों पर निर्भर करता है. उदाहरण के लिए, अपेक्षाकृत उच्च घुलनशील कार्बनिक सामग्री और littl के साथ अपशिष्ट धाराओं को कमजोरशराब की भठ्ठी अपशिष्ट के रूप में ई particulates,, आमतौर पर एक उच्च दर upflow बायोरिएक्टर (जैसे, UASB) विन्यास के बजाय एक CSAD विन्यास में अधिक से अधिक ऊर्जा रूपांतरण का अनुभव. बावजूद, वहाँ मौलिक ऑपरेटिंग पैरामीटर कि सफल पाचन और सभी विन्यास, जो इस विन्यास का उपयोग करने का एक सामान्य व्याख्या का औचित्य साबित करने के लिए प्रासंगिक के लिए आवश्यक हैं.

वास्तव में, हर एक विविध, anaerobic रोगाणुओं के खुले समुदाय ई. युक्त प्रणाली serially मीथेन (इलेक्ट्रॉन प्रति सबसे कम उपलब्ध मुक्त ऊर्जा के साथ अंतिम अंत उत्पाद) सब्सट्रेट में metabolize जाएगा. ; acidogenesis acetogenesis, और methanogenesis hydrolysis: चयापचय रास्ते में इस प्रक्रिया में शामिल एक जटिल भोजन शिथिल पौष्टिकता संबंधी चार चरणों में वर्गीकृत वेब का गठन. Hydrolysis में, जटिल जैविक पॉलिमर (उदाहरण के लिए, कार्बोहाइड्रेट, lipids और प्रोटीन) नीचे hyd द्वारा उनके संबंधित monomers है (उदाहरण के लिए, शक्कर, लंबी श्रृंखला फैटी एसिड होता है, और एमिनो एसिड) करने के लिए टूट रहे हैंrolyzing, उत्साहवर्द्धक बैक्टीरिया. Acidogenesis में, इन monomers है अम्लजन बैक्टीरिया द्वारा अस्थिर फैटी एसिड (VFAs) और एल्कोहल, जो acetogenesis में, आगे homoacetogenic और अनिवार्य बैक्टीरिया से हाइड्रोजन का उत्पादन कर रहे हैं एसीटेट और हाइड्रोजन के ऑक्सीकरण, ⁵ सम्मान किण्वित रहे हैं. Methanogenesis के अंतिम चरण में, एसीटेट और हाइड्रोजन acetoclastic और hydrogenotrophic methanogens के द्वारा मीथेन के लिए metabolized हैं. यह समझना महत्वपूर्ण है कि समग्र प्रक्रिया ई., रोगाणुओं के विभिन्न समूहों द्वारा metabolisms की एक परस्पर श्रृंखला पर भरोसा करके, प्रत्येक सदस्य के सफल कार्य पर निर्भर पहले एक पूरे के रूप में प्रणाली बेहतर प्रदर्शन करेंगे. और एक ई. बायोरिएक्टर प्रणाली के डिजाइन, निर्माण हमेशा ध्यान में आवश्यकता लेना चाहिए bioreactor के लिए पूरी तरह से सील. बायोरिएक्टर (headspace अलग) के शीर्ष में या गैस से निपटने प्रणाली में लघु लीक का पता लगाने के लिए मुश्किल हो सकता है, हो सकता है और इसलिए प्रणाली दबाव होना चाहिएयकीन है कि प्रयोग करने से पहले परीक्षण किया गया. एक रिसाव मुक्त सेटअप को सुनिश्चित करने के बाद, anaerobic पाचक पढ़ाई के साथ विफलताओं अक्सर टीका, संवर्धन, और दिन के लिए दिन के आपरेशन के दौरान त्रुटियों से स्टेम. एक परिणाम के रूप में, digesters आंतरिक रूप से अस्थिर और अप्रत्याशित असफलता से ग्रस्त होने के रूप में एक प्रतिष्ठा है. फिर क्यों यह है कि पूर्ण पैमाने पर digesters ¹³ दशकों के लिए स्थिर शर्तों के तहत संचालित किया गया है? विफलता के लिए ऑपरेटर द्वारा माइक्रोबियल समुदाय के दौरान जो धीरे धीरे जैविक अपशिष्ट संरचना और ताकत के लिए अभ्यास होना चाहिए स्टार्टअप अवधि के दौरान विशेष रूप से, अनुचित हैंडलिंग से स्टेम की संभावना है. इसलिए, हमारा लक्ष्य केवल एक विज्ञापन प्रणाली के निर्माण के लिए एक पद्धति प्रदान करते हैं, नहीं है, लेकिन के लिए भी टीका, आपरेशन, और इन प्रणालियों की निगरानी की प्रक्रिया को स्पष्ट.

लेख के पहले भाग कैसे CSTR या CSAD प्रणाली का निर्माण करने के लिए समझाने की है, जबकि दूसरी अनुभाग सक्रिय methanog के साथ पाचक टीका के लिए एक प्रक्रिया प्रदान करेगाenic बायोमास. यह अधिक व्यावहारिक और कम समय लेने वाली है से सक्रिय methanogenic बायोमास साथ digesters टीका लगाना मिश्रित शराब या कि एक समान सब्सट्रेट से एक प्रारंभिक संस्कृति से पर्याप्त बायोमास विकसित करने का प्रयास करने के लिए इलाज कर रहा है एक ऑपरेटिंग पाचक का प्रवाह. लेख का तीसरा खंड ऑपरेटिंग विचार, ऐसे खिला सब्सट्रेट के रूप में कवर करने के लिए, प्रवाह decanting, और विभिन्न रिएक्टर समस्याओं के निवारण होगा. सब्सट्रेट दूध पिलाने की और इस प्रणाली के लिए प्रवाह decanting एक अर्द्ध निरंतर आधार पर आयोजित किया जाएगा (यानी, आवधिक खिला और decanting जबकि बायोमास और मिश्रित शराब का सबसे bioreactor में रहता है). आवृत्ति में जो पाचक खिलाया / decanted ऑपरेटर का विशेषाधिकार है. सामान्य में, भोजन / अधिक बार और नियमित अंतराल पर decanting अधिक से अधिक पाचक और खिला चक्र के बीच प्रदर्शन में स्थिरता स्थिरता को बढ़ावा देंगे. चौथा खंड एक बुनियादी निगरानी के अनुभव के दौरान इस्तेमाल किया जा प्रोटोकॉल को लागू करेगाrimental अवधि. कई मानक विश्लेषण करती है, जो जल और अपशिष्ट जल ¹⁶ (तालिका 1, 2) की परीक्षा के लिए मानक तरीके में रेखांकित कर रहे हैं, सब्सट्रेट और उचित प्रणाली की निगरानी के लक्षण वर्णन के लिए आवश्यक हो जाएगा. मापा चर के अलावा निगरानी का एक महत्वपूर्ण पहलू है कि पाचक प्रणाली घटकों के ठीक से कार्य कर रहे हैं जाँच करने के लिए है. पाचक प्रणाली के नियमित रखरखाव के प्रमुख सिस्टम समस्याओं है कि अन्यथा दीर्घकालिक और पाचक के प्रदर्शन और स्थिरता ख़तरे में डालना सकता जगह ले लेना होगा. उदाहरण के लिए, हीटिंग तत्व की विफलता, तापमान में एक बूंद के लिए अग्रणी, methanogens की चयापचय दर को कम करने से वाष्पशील फैटी एसिड के संचय का कारण बन सकता है. यह समस्या अगर प्रणाली पर्याप्त क्षारीयता का अभाव methanogens के लिए निरोधात्मक स्तर से ऊपर पीएच बनाए रखने जटिल हो जाएगा. यह भी महत्वपूर्ण है पता लगाने और बायोगैस उत्पादन चूहे में अप्रत्याशित बूंदों के बाद संभव लीक बंदतों. इसलिए, दोहराव द्वारा प्रयोगात्मक डिजाइन के भीतर, उदाहरण के लिए, सटीक ऑपरेटिंग शर्तों के तहत दो पक्ष द्वारा साइड बायोरिएक्टर चल रहा है, अप्रत्याशित प्रदर्शन प्रणाली malfunctions, जैसे छोटे लीक की वजह से नुकसान का पता लगाने के लिए महत्वपूर्ण है.

Protocol

1. पाचक निर्माण एक पाचक पोत है कि सभी सुविधाओं छवि में दिखाया गया है. 1 (एक शंकु के लिए आवश्यक नहीं है), और अपने वांछित काम कर रहे मात्रा (आमतौर पर 1-10 एल के बीच). यदि आपके पाचक पोत जैकेट गर्म पान?…

Discussion

इस लेख में प्रस्तुत anaerobic पाचन प्रणाली एक सामान्य परिचय और एक प्रयोगात्मक संदर्भ में substrates अधिकांश के इलाज के लिए कुछ बुनियादी दिशा निर्देशों प्रदान करता है. सब्सट्रेट प्रकार, पाचक विन्यास, ऑपरेटिंग पैर?…

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