Summary
Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von kleinen (100 L) und große (1.000 L) -Skala Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponieabwasser entwickelt zu vergleichen. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können je nach Anwendung angepasst werden.
Abstract
Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von zwei unterschiedlich großen Reaktoren für die Abwasserbehandlung entwickelt, zu vergleichen. In dieser Studie, Ammoniakentfernung, Stickstoffentfernung und das Algenwachstum verglichen werden über eine Dauer von 8 Wochen paar Sätze von kleinen (100 L) und große (1.000 L) Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponien Abwasser entwickelt. Inhalt der kleinen und großen Reaktoren vermischt wurden, bevor die zu Beginn eines jeden Wochentestintervall äquivalent Anfangsbedingungen für die beiden Skalen zu halten. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können eingestellt werden, um bessere Bedingungen entzerren an beiden Skalen auftreten. Während der kurzen 8-Wochen repräsentativen Zeitraum, ausgehend von Ammoniak und Gesamtstickstoffkonzentration lag im Bereich von 3,1 bis 14 mg NH 3 -N / L und 8,1 bis 20,1 mg N / L, respectively. Die Leistung des Behandlungssystems wurde bewertet, basierend aufseine Fähigkeit, Ammoniak und Gesamtstickstoff zu entfernen und Algenbiomasse zu erzeugen. Mittelwert ± Standardabweichung von Ammoniak - Entfernung, Gesamtstickstoffentfernung und Biomasse Wachstumsraten waren 0,95 ± 0,3 mg NH 3 -N / l / Tag, 0,89 ± 0,3 mg N / l / Tag und 0,02 ± 0,03 g Biomasse / l / Tag, beziehungsweise. Alle Gefäße zeigten eine positive Beziehung zwischen der anfänglichen Ammoniakkonzentration und Ammoniak - Entfernungsrate (R 2 = 0,76). Vergleich von Prozesseffizienz und Produktionswerte gemessen in Reaktoren unterschiedlicher Skala kann nützlich sein bei der Bestimmung, ob im Labormaßstab experimentellen Daten für die Vorhersage von kommerziellen Maßstab Produktionswerte angemessen ist.
Introduction
Übersetzung im Labormaßstab Daten zu größeren Maßstab Anwendungen ist ein wichtiger Schritt bei der Kommerzialisierung von Bioprozessen. Produktionseffizienzen in kleinen Reaktorsysteme, insbesondere jene auf der Verwendung von Mikroorganismen konzentriert wurden Wirkungsgrade gezeigt , konsequent über vorherzusagen , in kommerziellem Maßstab Systemen auftretende 1, 2, 3, 4. Herausforderungen gibt es auch photo Kultivierung von Algen und Cyanobakterien vom Labormaßstab auf größere Systeme zum Zweck der Herstellung hochwertiger Produkte wie Kosmetika in die Aufstockung und Pharmazeutika, zur Herstellung von Biokraftstoffen, und für die Behandlung von Abwasser. Die Nachfrage nach großflächigen Algenbiomasseproduktion wächst mit der aufstrebenden Industrie für Algen in Biokraftstoff, Pharma / Nutrazeutika und Viehfutter 5. Die Methodik beschrieben indieses Manuskript zielt darauf ab, den Einfluss der zunehmende Ausmaß eines photoReaktorSystems auf Biomassewachstum und Nährstoffentfernung zu bewerten. Das hier vorgestellte System nutzt Algen Deponiesickerwasser Abwasser zu sanieren, sondern kann für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden.
Produktionseffizienz von Großanlagen werden häufig mit kleineren Maßstab Experimente vorhergesagt; jedoch müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die Genauigkeit dieser Prognosen zu bestimmen, als Maßstab die Leistung von Bioprozessen beeinflussen gezeigt wurde. Zum Beispiel Junker (2004) vorgestellten Ergebnisse aus einem Vergleich der acht unterschiedlich großen Fermentationsreaktoren im Bereich von 30 l bis 19.000 l, was zeigte, dass tatsächliche Produktivität bei Pilot- oder kommerzielle Skalen war fast immer niedriger als die Werte mit kleinen vorhergesagt -Skala Studien 4. Ungleichungen in Gefäß Dimension, Mischleistung, Bewegungstyp, Nährstoffqualität und Gastransfer wurden die vorhergesagt werdenHauptursachen für die verminderte Produktivität 4. In ähnlicher Weise hat sich in der Algenwachstum Reaktoren gezeigt , dass Wachstum der Biomasse und Biomasse bezogene Produkte sind fast immer reduziert , wenn Skala 6 erhöht wird.
Biologische, physikalische und chemische Faktoren , die mit der Größe des Reaktors geändert werden , wobei viele dieser Faktoren mikrobiellen Aktivität bei kleinen Skalen anders als bei größeren Maßstäben 2, 7 zu beeinflussen. Da die meisten Full-Scale-Systeme für Algen, wie Laufteiche, existieren im Freien, einen biologischen Faktor zu berücksichtigen ist, dass mikrobielle Spezies und Bakteriophagen können aus der Umgebung eingebracht werden, die die mikrobielle Spezies vorhanden verändern können und somit die mikrobielle Funktion des System. Die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft wird auch von Umweltfaktoren, wie Licht und Temperatur empfindlich sein. Massentransfers von Gasen und flüssigen Bewegung sindBeispiele von physikalischen Faktoren, die in der Skala nach oben von mikrobiellen Prozessen beeinflusst werden. Das Erreichen ideale Durchmischung in kleinen Reaktoren ist einfach; jedoch bei größerem Maßstab, wird es eine Herausforderung idealMischBedingungen zu konstruieren. Bei größeren Skalen sind Reaktoren eher tote Zonen zu haben, nicht idealen Misch und reduzierter Effizienz bei der Massenübertragung 2. Da Algen photosynthetischen Organismen sind, müssen kommerzielle Wachstum für Änderungen in der Belichtung Konto auf Grund von Änderungen in der Wassertiefe und der Oberflächenbereich, wenn Volumen zunimmt. Hohe Biomassendichte und / oder niedrige Massenübertragungsraten verringert verursachen CO 2 -Konzentrationen und erhöhte O 2 -Konzentrationen, welche beide in der Hemmung der Biomassenwachstum führen kann 8. Chemische Faktoren in einer Algenwachstum Systems werden durch pH Dynamik der Wasserumgebung 2 angetrieben , die folglich durch Veränderungen in pH - Pufferverbindungen, wie gelösten CO beeinflußt wird
Diese Studie stellt ein gekoppeltes Reaktorsystem entwickelt, Wachstumsbedingungen in den Gefäßen von zwei unterschiedlichen Skalen zu regulieren und zu vergleichen. Das experimentelle Protokoll konzentriert sich auf die Sickerwasserbehandlung und das Algenwachstum zu quantifizieren; jedoch könnte sie andere Metriken wie Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft über die Zeit oder der CO 2 Sequestrierung Potential von Algen zu überwachen angepasst werden. Das Protokoll hier präsentiert wird entworfen, um die Wirkung der Skala auf das Algenwachstum und Stickstoffentfernung in ein Sickerwasserbehandlungssystem zu bewerten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. System-Setup
Hinweis: A 'gepaart System "bezieht sich auf ein Aquarium und einer Lauf Teich, parallel laufen.
- Für ein System gepaart Verwenden Sie eine 100 L Aquarien Tanks (AT), mit einem Überkopfmischer für die Kleinbehälter und ein 1000 L Laufbahn Teich (RWP), mit einem Schaufelrad-Mischer für den Großbehälter. Vessels in diesem System verwendet werden in Abbildung 1 dargestellt.
- Impfen aller Schiffe mit der gleichen Algenkultur. Verwenden , um eine hohe Dichte der Inokulation, was zu einer Enddichte von nicht weniger als 0,1 g / L einmal auf das volle Volumen im Tank oder Teich verdünnt 10. Es kann eine beträchtliche Menge an Zeit (Wochen bis Monate) dauern genug Algen für diesen Schritt zu wachsen.
- Verwenden Sie unbehandeltem Deponiesickerwasser als Nährstoffquelle. Verwenden Sie Sickerwasser aus einer Mülldeponie genommen, die vor allem Hausmüll akzeptiert und hat geringe Mengen an Toxinen. Eine Zusammensetzungsanalyse für das Sickerwasser sollte aus der Deponie zur Verfügung stehen. Ter Menge von Sickerwasser in jedem Tank oder Becken verwendet wird, kann abhängig von der Stärke des Abwassers variieren, aber endgültige Ammoniakkonzentrationen sollten 5-75 mg NH 3 -N / L messen.
- Starten Sie den 100 L Aquarien Tank mit einem 60 L Arbeitsvolumen und die Laufbahn Teich mit einem 600 l Arbeitsvolumen. Diese Studie begann mit etwa 1 l Sickerwasser in 59 l Wasser in den Aquarien Tank und 10 L Sickerwasser in 590 l Wasser in der Laufbahn Teich. Erhöhung der Konzentration des Sickerwassers über den Verlauf dieser Studie verwendet.
Abbildung 1. Beispiele für ein Aquarium und Laufbahn Teich. Ein Beispiel für ein Aquarium (A) und Laufbahn pond (B) gezeigt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
- Betreiben Sie den Aquarien Tank und Laufbahn Teich als Semi-Batch-Reaktoren mit hydraulischen Retentionszeiten von drei Wochen. Jede Abtastperiode erstreckt sich über eine Woche.
- Nehmen Sie eine 125 ml Probe aus jedem Gefäß. Dies ist der Anfang der Woche Probe. Testproben nach der Probenanalyse - Protokoll in den Abschnitten 3.1-3.3.
- Am Ende der Woche, nehmen 125 ml Proben aus jedem Gefäß für die Analyse. Nach dem Ende-der-Woche Proben genommen wurden, das gesamte Volumen des Aquariumbehälter in die Laufbahn pond entleeren.
- Einmal pro Woche, die Pumpe das gesamte Volumen des Aquariumbehälter in die Laufbahn Teich.
- Entfernen ein Drittel des Volumens (für einen mittleren hydraulischen Retentionszeit von 3 Wochen) von der Laufbahn Teich. Ersetzen Volumen mit Wasser und unbehandeltem Sickerwasser entfernt.
- Übertragen etwa 60 L von der Laufbahn Teich wieder in den Aquariumbehälter. Dadurch wird sichergestellt, dass das Aquarium tank und die Laufbahn Teich beginnen mit den gleichen Nährstoff und biologischen jede Woche Bedingungen.
- Nehmen Sie 125 ml-Proben von allen Schiffen für die Analyse der Ausgangsbedingungen für die nächste Woche.
3. Probenanalyse
- Testen Sie alle beginning-of-the-Woche und End-of-the-Woche Proben für die Ammoniak-N, Nitrat-N, Nitrit-N, und Biomassedichte.
- Messen Sie Biomasse durch Standardgesamtmenge an Schwebstoffen (TSS) Protokoll, ASTM-D5907 unter Verwendung von 0,45 um Filter.
- Zuerst ein Filterpapier wiegen und dann 20 bis 40 mL Probe filtern, um eine Vakuumfiltration System. Trocknen der Biomasse / Filterpapier in einem Ofen bei 105 ° C für eine Stunde oder bis das Gewicht der Biomasse / Filterpapier nicht mehr ändert.
- Wiegen Biomasse / Filterpapier, und ziehen Sie die Anfangsmasse des Filterpapiers. Teilen Sie diese Masse durch das Volumen gefiltert, um die Biomassedichte berechnen. Führen Sie in zweifacher Ausfertigung 11.
- Messen Ammoniak,Nitrat, Nitrit und spektrophotometrisch mit einem Spektrophotometer.
- Verwenden von 100 ul der Probe in der kommerziellen Methode Kit Ammoniakkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
- Verwenden Sie 1 mL Probe in der kommerziellen Methode Kit Nitratkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
- Verwenden Sie 10 ml Probe in der kommerziellen Methode Kit Nitritkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
- Überwachen Sie Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit) unter Verwendung eines kommerziellen Wetterstation sowie Tank / Teich Bedingungen (Wassertemperatur, pH, gelöster Sauerstoff) mit handelsüblichen Sonden und Datenlogger. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
4. Statistische Analyse der Ergebnisse
- Bestimmen Sie, ob die gesammelten Daten statistisch normal ist. Bestimmen Sie die Normalität des Datensatzes ein QQ - Plot 12 unter Verwendung von
- Bestimmen Sie Korrelationen zwischen den Parametern von Pearson r oder Spearman p für normale und nicht normale Daten bzw. 13. Korrelationsparameter sollten mindestens die folgenden Parameter umfassen: anfängliche Ammoniakkonzentration, anfängliche Gesamtstickstoffkonzentration, die anfängliche Biomassedichte, Ammoniak-Entfernungsrate, Gesamtstickstoffentfernungsrate, Biomasse Wachstumsrate, und alle Umweltbedingungen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Das Ziel dieser Studie ist es, die Biomasse Wachstum und Nährstoffentfernung Fähigkeiten von Algenkulturen in kleinen und großen Reaktoren gewachsen zu vergleichen. Diese Studie verwendet zwei gekoppelten Systeme, bezeichnet als System 1 und System 2, um ihre Ergebnisse zu duplizieren. Diese repräsentativen Ergebnisse stammen aus einer 8-wöchigen Zeitraum Februar bis April 2016. Die erste Laufbahn Teich wurde mit Algen beimpft ursprünglich stammen aus einem Outdoor - Teich in Philadelphia, PA 14. Diese Kultur wurde bis zu einer hohen Dichte in einem Aquariumbehälter gezüchtet. Diese Beimpfung ergab eine Biomassendichte von 0,12 g / L in der RWP. Nach 2,5 Wochen wurden die zweite Laufbahn Teich und Aquarium beimpft, was Biomassedichten von etwa 0,18 g / l in beginnen. Nach ein paar Wochen, alle ATs und RWPs wurden zusammen unter allen Schiffen für eine einheitliche Biomassedichte und mikrobiellen Population gemischt; regulären Betrieb und die Überwachung beginnt in der oben beschriebenenProtokoll.
Start und Ende Parameter wurden auf einer wöchentlichen Basis gemessen , wie in der Probenanalyse Abschnitt 15 beschrieben. Anfangsbedingungen für Biomasse, Ammoniak und Gesamtstickstoffkonzentrationen in allen Gefäßen reichten von 0,2 bis 1,0 g / l, 3,1 bis 14 mg NH 3 -N / l und 8,1 bis 20,1 mg N / L. Der Mittelwert und Standardabweichung der Entfernung und Wachstumsraten von jedem Gefäß aufgezeichnet sind in Tabelle 1 dargestellt. Diese Bedingungen ergaben Raten Biomasse Wachstum und Ammoniak und Gesamtstickstoffentfernung Raten von -0.04-0.07 g / l / Tag, 0,39-1,61 mg N / l / Tag und 0,26 bis 1,47 mg N / l / Tag, jeweils von allen vier Schiffe. Wöchentliche Stickstoff Abtragsraten und Biomasse Wachstumsraten von System 1 und System 2 ist in Abbildung 2 zu sehen ist.
Zahl2. Zusammenfassung der Produktivität über die repräsentative Studie Zeitraum. Ammoniak - Entfernungsraten (A), Gesamt - Stickstoff Abtragsraten (B) und Biomasse Wachstumsraten (C) in den oberen, mittleren und unteren Platten dargestellt sind. Ergebnisse aus dem System 1 sind auf der linken Seite dargestellt, und das System 2 auf der rechten Seite. Die Ergebnisse von Aquarien Tanks und Lauf Teiche sind auf allen Graphen dargestellt durch X und Δ sind. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Statistische Korrelationen wurden verwendet, um Parameter zu vergleichen und mögliche Trends zu identifizieren. Eingangsparameter waren: anfängliche Ammoniakkonzentration, anfängliche Nitratkonzentration, anfängliche Nitritkonzentration, anfängliche Gesamtstickstoffkonzentration, beginnend Biomassekonzentration, Ammoniak removal Rate, Nitratentfernungsrate, Nitrit Entfernungsrate, Gesamtstickstoffentfernungsrate, Biomasse Wachstumsrate, Wassertemperatur, pH-Wert. Die gesammelten Daten statistisch nicht normalen so Spearman-rho, die nichtparametrischer Korrelation, verwendet wurde. Die stärkste signifikante Korrelation wurde zwischen dem anfänglichen Ammoniakkonzentration und Ammoniak-Entfernungsrate (ρ = 0,90). Der Trend zwischen der anfänglichen Ammoniakkonzentration und der Ammoniakentfernungsrate kann in Figur 3 gesehen werden.
Abbildung 3: Ammoniak remova fo: keep-together.within-page = "1" l Rate als Funktion der Ammoniakkonzentration zu starten. Die Daten aller Schiffe über den repräsentativen 8 Wochen vorgestellt. Trendlinie R 2 = 0,76. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Ammoniak - Entfernungsrate (mgN / L) | Insgesamt Entstickungsrate (mgN / L) | Biomasse - Wachstumsrate (g Biomasse / L) | |
| RWP 1 | 0,95 ± 0,36 | 0,79 ± 0,38 | 0,013 ± 0,029 |
| RWP 2 | 1,08 ± 0,30 | 1,01 ± 0,21 | 0,034 ± 0,036 |
| Aquariumbehälter 1 | 0,87 ± 0,23 | 0,803 ± 0,30 | 0,005 ± 0,028 |
| Aquariumbehälter 2 | 0,88 ± 0,33 | 0,94 ± 0,22 | 0,015 ± 0,019 |
Tabelle 1 Mittelwert ± Standardabweichung von Produktivitätsraten in den einzelnenSchiffe.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
System Geschwindigkeit:
Im Verlauf eines 8-wöchigen Studie wurden die Produktivität der kleinen und großen Gefäßen in einem System verglichen. In dieser Studie Stickstoff und Ammoniak Abtragsraten und Biomasse Wachstumsraten wurden als Maß der Produktivität des Behandlungssystems verwendet. Das System wurde als ein semi-batch Reaktor betrieben wird, wobei jede Woche unter diskreten Bedingungen betrieben wurde. Repräsentative Ergebnisse machen den ersten 8 Wochen des Betriebs des Systems jedoch eine vollständige Studie für viel längere Zeiträume verlängern würde für saisonale Schwankungen der Umweltbedingungen zu berücksichtigen.
Die oben beschriebene Methodik erfordert das Mischen des gekoppelten Systems (Klein- und Großgefäße) zusammen alle 7 Tage. Daher ist der Unterschied in der Produktivität zwischen den beiden Skalen über diesen Zeitraum hängt allein von den unterschiedlichen Bedingungen in den beiden große Schiffe. wenn die Belichtung in einem der Reaktoren ist beispielsweise signifilich weniger als in der anderen, wird die Biomasse-Wachstumsraten signifikant unterschiedlich. Totzonen wegen unvollständiger Vermischung, schlechter Massentransfer, variable CO 2 oder pH - Wert, zusammen mit allen anderen discrepant Bedingungen zwischen den beiden Skalen kann zu Unterschieden in der Produktivität der Gefäße innerhalb der gekoppelten Systeme.
Auf der anderen Seite, wenn die Produktivitätswerte der kleinen und großen Gefäße in jedem System gleich sind, dann ist es wahrscheinlich, daß die Kleinbehälter ähnliche Wachstumsbedingungen wie die Großbehälter oder jegliche Unterschiede zwischen den beiden schafft unterschiedlich skalierte Reaktoren beeinflussen vernachlässigbar Produktivität. In dieser Situation würde die Werte aus dem Kleinsystem wahrscheinlich repräsentative Prädiktoren für die Produktivität in einem Full-Scale-System.
Die Behandlungskapazität dieses Systems basiert auf seiner Fähigkeit, Stickstoff zu entfernen, bewertet. Statistische Korrelationen zwischen allen Faktoren zeigten eine starke, positive Zusammenarbeitrrelation (ρ = 0,90) zwischen dem Ausgangsammoniakkonzentration und der Entfernungsrate Ammoniak. Dieselbe positive Korrelation wurde in einer früheren Studie , die in den Aquarien Tanks 14 gesehen. Diese positive Entwicklung zwischen den Ammoniak - Entfernungsrate und der Ausgangsammoniakkonzentration in 3 zu sehen ist , die sich von allen RWPs und ATs gesammelten Daten umfasst. Die Stickstoffentfernungsraten aus den beiden Schiffstypen verglichen werden können maßstabsspezifischen Trends zu erkennen, sobald mehr Daten gesammelt wurden.
Variable Reaktorparameter:
Key Reaktor Variablen umfassen, die Oberfläche-Volumen-Verhältnis und die Verweilzeit. Die Reaktoren wurden in einer halbkontinuierlichen Weise mit einer kompletten Mischung aus kleinen und großen Gefäßen und 1/3 Gesamtreaktorsystem Volumenersatz alle 7 Tage betrieben. Während die Mischzeit in dieser Studie einer Woche betrug, wie in Abschnitt 2.3 erwähnt, könnte diese Zeit in Abhängigkeit von dem Wachstum angepasst werden und nutrient Verbrauchsraten der photo Kulturen, sowie die ultimative Anwendung der Full-Scale-System. Die Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, das durch Änderung des Volumens verändert werden kann, wird die Stoffübergangsrate von Gasen beeinflussen sowie Lichtexposition für photosynthetischen Organismen.
Die Volumina von der Laufbahn pond und Aquariumbehälter jedes Systems wurden zu Beginn jeder Woche gemischt, um sicherzustellen, dass die Startbedingungen, insbesondere die Impfkultur in beiden Skalen gleich waren. Die Länge der Zeit zwischen den beiden Gefäßen Mischen kann auf der Basis der Anwendung modifiziert werden. Da die meisten alga relativ langsam wachsenden Mikroorganismen sind, ist eine Woche als kürzester Zeit empfohlen, die verwendet werden sollte. Eine längere Zeitspanne zwischen dem Mischen kann eine gewisse Variation in der durch kleine Unterschiede in den Umgebungsbedingungen zwischen den beiden Skalen verursacht Produktivität offenbaren. Zu viel Zeit zwischen der Waage Mischen würde für die mikrobielle erlaubenGemeinschaften erheblich voneinander abweichen, nicht mehr der Vergleich zwischen Skalen zu welcher Zeit der Reaktorbedingungen genau sein würde. Selbst wenn zwischen dem Vermischen der beiden Skalen die Länge der Zeit erstreckt, ist es wichtig, mehrere Wiederholungen zu ergänzen, um zu überprüfen, ob eine Differenz (oder das Fehlen von Differenzen) in Produktivitäten signifikant ist.
Die Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis kann durch Einstellen der Arbeitsvolumen verändert werden. Dieses Verhältnis Auswirkungen der Massentransfer von Gasen in und aus dem Behälter, sowie die Menge an Licht ist, die Algen ausgesetzt. Je nach Schiffstyp, die Oberfläche zu Volumen-Verhältnis (SA: V) und dem Licht ausgesetzt Oberfläche zu Volumen-Verhältnis (LE-SA: V) kann unterschiedlich sein. In dieser Studie sind die Wände der Aquarien Tanks transparent, Licht ab, das von allen Seiten und durch die Oberseite, während Gastransfer nur durch die Wasseroberfläche auftreten, dh die SA: V und die LE-SA: V ungleich sind. Jedoch verwendet der Laufbahn TeichenIn dieser Studie haben undurchsichtige Wände, so der BA V und LE-SA: V gleich sind.
Wenn auf der Skala nach oben konzentrieren, die Licht ausgesetzt Oberfläche zu Volumen (LE-SA: V) Verhältnis ist wichtig , 1, 7. Eine dichte Algenkultur wird über die ersten paar Zentimeter Wasser in minimalen Lichteinfall führen. Kontinuierliches Mischen von einer dichten Kultur und einer hohen LE-SA: V-Verhältnis wird die Gesamtlichtexposition erhöhen und eine höhere Produktionsausbeute zur Folge haben sollte. Kontinuierliches Mischen wird auch Helfer in der Massentransfer von Gasen. Um sicherzustellen, dass das Schiff Klein genau vorhersagt, Groß Produktivität eine umfassende vergleichende Studie müsste getan werden.
Reactor Einschränkungen:
Bei der Einrichtung und dieses System zum ersten Mal dort arbeiten, sind ein paar Dinge, die Schwierigkeiten verursachen kann. Erstens ist es sehr wichtig, mindestens 0,1 g / l Algenbiomasse in jedem Behälter zu haben, wenn die Skalierung auf. wenn derDichte zu niedrig ist , ist es sehr wahrscheinlich ist , dass die beimpft Algen absterben wird schnell 10. Zweitens kann das System hohe Konzentrationen an Ammoniak behandeln, aber der Eingang hat Ammoniakkonzentration 14 langsam über viele Wochen erhöht werden, 16, 17. In dieser Studie wurde die Eingangsammoniakkonzentration bei einer sehr konservativen Rate erhöht, eine ungefähre Steigerung von 10 mgN / L alle 3 Wochen. Schließlich, während alle gelösten Stickstoffspezies Überwachung ist es wichtig, dass die Nitritkonzentrationen niedrig gehalten werden. Nitrit kann bei hohen Konzentrationen 18 giftig für Algen und andere Organismen sein. Wenn Nitritkonzentrationen über 150 mg N / l erhöhen, sollte zusätzliches Volumen entfernt und mit Wasser zu verdünnen, um die toxischen Nitritkonzentrationen ersetzt werden.
Anwendungsmöglichkeiten:
Diese Methode kann auf Version angewendet werdenify die Genauigkeit der Eingangsdaten verwendet, um Full-Scale-Produktionsprozesse in der Lebenszyklusanalysen (LCA) und technisch-ökonomische Analysen (Teesorten) von Full-Scale-Produktionssysteme simulieren. Häufig überschätzen das Biomassenwachstum und Nährstoffverbrauch Raten von kleinen Studien, die die Fähigkeiten eines skalierten-up-System. Trotzdem verwenden die überwiegende Mehrheit von Ökobilanzen und Teesorten Eingangswerte aus kleinen Studien Full-Scale Produktionswerte für die Schätzung von Full-Scale - Technologien zur Vorhersage 19, 20, 21, 22, 23. Vor der Verwendung der Ergebnisse aus kleinen Studien auf diese Weise sollte sichergestellt werden, dass diese Ergebnisse eine gute Darstellung von dem, was aus einem Full-Scale-System zu erwarten. Derzeit gibt es keine standardisierte Methode für die Daten für prospektive Studien von großen Systemen zu sammeln. Die Methodik hier vorgestelltkönnte als Prüfungsstudie angewendet.
In dieser Studie wurden die Stickstoffentfernung und Biomassewachstum wurden zur Bestimmung der Wirksamkeit der Behandlung als die Metriken verwendet. Dieses System könnte leicht für andere Anwendungen angepasst werden, einschließlich anderer Abfallströme (Haushalts- oder landwirtschaftliche Abwasser), für andere Parameter überwacht (BOD, Schwermetall, Pathogen-Entfernung), Beobachtungen über Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft oder aus einem halbkontinuierlichen Reaktor verändert zu einem kontinuierlich gemischte Reaktorsystem. In jeder dieser Anwendungen ist das hier beschriebene Protokoll kann verwendet werden, um zu bewerten im Labormaßstab und im größeren Maßstab Systemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren möchten die Sandtown Deponie in Felton, DE für den Austausch von Wissen und Sickerwasser zu danken.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aquarium Tank | Any 100+ L aquarium tank with optically clear glass can be used | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Overhead mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Plastic or glass, lab grade, 125-200 mL | |
| Transfer Pumps | Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45 µm filters |
References
- 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).
