Sammenligning av Scale i en Photosynthetic reaktorsystem for Alge Remediation av avløpsvann
Summary
En eksperimentell metode er presentert for å sammenligne resultatene for små (100 L) og store (1000 L) skalere reaktorer designet for alger utbedring av deponi avløpsvann. Systemkarakteristika, herunder overflateareal til volumforhold, retensjonstid, biomasse tetthet, og avløpsvann matekonsentrasjoner, kan justeres basert på søknad.
Abstract
En eksperimentell metode er presentert for å sammenligne resultatene av to forskjellige størrelser reaktorer beregnet for rensing av avløpsvann. I denne studien er ammoniakk fjerning, nitrogenfjerning og algevekst i forhold over en 8 ukers periode i sammenkoblede sett med små (100 L) og store (1000 L) reaktorer designet for alge utbedring av deponi avløpsvann. Innholdet i de små og store reaktorer ble blandet før begynnelsen av hver ukentlige testing intervall for å opprettholde likeverdige startbetingelser på tvers av de to skalaer. Systemkarakteristika, herunder overflateareal til volumforhold, retensjonstid, biomasse tetthet, og avløpsvann matekonsentrasjoner, kan justeres for å bedre utjevne betingelser som forekommer på begge skalaer. Under den korte 8-ukers representative tidsperioden som starter ammoniakk og totale nitrogenkonsentrasjoner varierte 3,1 til 14 mg NH3-N / l, og 8,1 til 20,1 mg N / l, henholdsvis. Ytelsen til behandlingssystemet ble evaluert basert pådens evne til å fjerne ammoniakk og total nitrogen og for å produsere algebiomasse. Gjennomsnitt ± standardavvik av ammoniakk fjerning, total nitrogenfjerning og biomasse vekstrater var 0,95 ± 0,3 mg NH3-N / L / dag, 0,89 ± 0,3 mg N / L / dag, og 0,02 ± 0,03 g biomasse / L / dag, henholdsvis. Alle skip viste en positiv sammenheng mellom den innledende ammoniakk konsentrasjon og ammoniakk fjerning rate (R 2 = 0,76). Sammenligning av prosesseffektivitet og produksjonsverdier målt i reaktorer med forskjellig skala kan være nyttige for å bestemme om lab-skala eksperimentelle data er egnet for forutsigelse av kommersiell skala produksjonsverdier.
Introduction
Oversettelse av benk-skala data til større skala programmer er et viktig skritt i kommersialiseringen av bioprocesses. Produksjonseffektivitet i småskala reaktorsystemer, særlig de som fokuserer på bruk av mikroorganismer, har vist seg å konsekvent over forutsi effektivitet som forekommer i kommersiell skala systemer 1, 2, 3, 4. Utfordringer også eksistere i oppskalering av foto dyrking av alger og cyanobakterier fra laboratorieskala til større systemer med henblikk på fremstilling av høyverdige produkter, slik som kosmetikk og farmasøytiske produkter, for produksjon av biodrivstoff, og for behandling av avløpsvann. Etterspørselen etter store algebiomasse produksjonen vokser med voksende industri for alger i biodrivstoff, legemidler / kosttilskudd og dyrefôr 5. Metoden beskrevet idette manuskriptet tar sikte på å evaluere påvirkningen av økende skala av et fotoreaktorsystem på veksthastigheten biomasse og næringsstoffer fjerning. Systemet presenteres her bruker alger til å avhjelpe deponi sigevann avløpsvann, men kan tilpasses for en rekke applikasjoner.
Produksjonseffektivitet av store systemer er ofte beregnet med mindre skala eksperimenter; Imidlertid må flere faktorer tas i betraktning for å bestemme nøyaktigheten av disse forutsigelsene, som målestokk har vist seg å påvirke ytelsen til bioprocesses. For eksempel, Junker (2004) presenterte resultater fra en sammenligning av åtte forskjellige størrelser fermenteringsreaktorer, som strekker seg fra 30 l til 19 000 L, som viste at selve produktivitet ved pilot- eller kommersielle skalaer var nesten alltid lavere enn verdiene beregnet med liten -skala studier 4. Ulikheter i fartøyet dimensjon, Blanding kraft, agitasjon type, næringskvalitet og gassoverføring ble spådd til å bli denviktigste årsakene til redusert produktivitet fire. Tilsvarende har det blitt vist i algevekst reaktorer at biomasse vekst og biomasse relaterte produkter er nesten alltid redusert når målestokk økes 6.
Biologiske, fysiske og kjemiske faktorer endres med størrelsen av en reaktor, med mange av disse faktorer som påvirker den mikrobielle aktiviteten ved små skalaer på en annen måte enn ved større skala 2, 7. Siden de fleste fullskala systemer for alger, slik som kanal dammer, eksisterer utendørs, er en biologisk faktor å vurdere den mikrobielle arter og bakteriofager kan innføres fra omgivelsene, noe som kan endre de mikrobielle artene til stede og således den mikrobielle funksjon system. Aktiviteten av det mikrobielle miljøet vil også være følsom for miljøfaktorer, slik som lys og temperatur. Masse overføringer av gasser og flytende bevegelser erEksempler på fysiske faktorer som på- virkes i omfanget opp av mikrobielle prosesser. Oppnå ideell blanding i små reaktorer er enkelt; Men med økende skala, blir det en utfordring å konstruere ideelle blandingsforhold. På større skala, reaktorer er mer sannsynlig å ha dødsoner, ikke-ideell blanding, og redusert effektivitet i masseoverføring to. Siden alger er fotosyntetiske organismer, må kommersiell vekst høyde for endringer i lys eksponering som følge av endringer i vanndybde og overflatearealet når økende volum. Høy biomasse tetthet og / eller lav masse overføringshastigheter kan føre til redusert CO 2 -konsentrasjoner og økte O 2 -konsentrasjoner, som begge kan føre til hemming av vekst biomasse 8. Kjemiske faktorer i et algevekst system er drevet av pH-dynamikken i vannmiljøet 2, som følgelig påvirkes av endringer i pH-bufferforbindelser slik som oppløst CO <sub> 2 og karbonat arter. Disse faktorene blir forsterket av komplekse samspill mellom biologiske, fysiske og kjemiske faktorer, ofte på uforutsigbare måter 9.
Denne studien presenterer en sammenkoblet reaktorsystem designet for å regulere og sammenligne vekstvilkår i skåler av to forskjellige skalaer. Den eksperimentelle protokollen fokuserer på å kvantifisere sigevann behandling og algevekst; men det kan tilpasses til å overvåke andre beregninger som endringer i den mikrobielle samfunnet over tid eller CO 2 lagring potensialet av alger. Protokollen som presenteres her er utformet for å evaluere effekten av skalaen på algevekst og nitrogenfjerning i et sigevann behandlingssystem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Systemytelsen:
I løpet av en 8-ukers studie, ble produktiviteten til små og store fartøy i et system sammenlignet. I denne studien nitrogen og ammoniakk fjerning priser og biomasse vekstrater ble brukt som mål på produktiviteten i behandlingssystemet. Systemet ble drevet som en semi-batch-reaktor, hvor hver uke ble drevet under adskilte forhold. Representative resultater står for de første 8 ukene av drift, men en full undersøkelse ville utvide for mye lengre perioder for å ta høyde f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke Sand Deponi i Felton, DE for å dele sin kunnskap og sigevann.
Materials
| 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, 125-200mL | |
| 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 | 0.45µm 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. d. C., 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. , (2008).
- Clesceri, L. S., et al. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- . . Statistics for Macintosh v.23.0. , (2015).
- Devore, J. L. . Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , (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).
