システムのセットアップと基本操作:バイオガスに有機性廃棄物を変換するために連続的に攪拌した嫌気性消化

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

実験室規模の嫌気性消化は、科学者が嫌気性バイオテクノロジーの既存のアプリケーションを最適化する新しい方法を研究するために、様々な有機性廃棄物のメタン生成ポテンシャルを評価することができます。この資料では、継続的に嫌気性消化の攪拌実験室規模の建設、接種、操作、および監視するための一般的なモデルを導入しています。

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Usack, J. G., Spirito, C. M., Angenent, L. T. Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation. J. Vis. Exp. (65), e3978, doi:10.3791/3978 (2012).

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Abstract

嫌気性消化(AD)は、一般に1から3のエネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機廃棄物を変換するために使用されるバイオプロセスです。ますます、ADは4,5、工業、農業、および一般廃棄物(水)処理アプリケーションで使用されています。 AD技術の使用は、植物の演算子は、廃棄物処理コストを削減し、エネルギーの光熱費を相殺することができます。有機性廃棄物の治療に加えて、エネルギー作物は、エネルギーキャリアメタン6,7に変換されています。 ADテクノロジーのアプリケーションは、新しい基板との共同基質混合物8の治療のために広げるようにパイロットと実験室規模で信頼できるテスト方法への需要を行います。

嫌気性消化システムは、連続攪拌タンク反応器(CSTR)、プラグフロー(PF)、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター(ASBR)構成9を含む様々な構成を持っている

この記事では、建設接種、運用、および長期の嫌気性消化のために与えられた有機基質の適合性をテストする目的で、CSADシステムを監視するための一般的な方法論を提示します。この記事の建設セクションでは、ラボスケールリアクターシステムを構築して説明します。接種セクションでは、アクティブなメタン接種して播種に適した嫌気性の環境を作成する方法を説明します。操作部は操作、保守、およびトラブルシューティングを説明します。モニタリング·セクションは、標準的な分析を用いて試験プロトコルを紹介します。これらの措置の利用は、ADの基質適合性、信頼性の高い実験的な評価が必要である。このプロトコルは、原子炉の故障が基板によって引き起こされたと結論することでADの研究で行われた一般的な間違い、に対して強力な保護を提供する必要があります私は本当にそれは不適切なユーザの操作10であったnが使用。

Introduction

嫌気性消化(AD)は、エネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機性廃棄物の基質の生物学的に媒介変換を含む成熟した技術です。好気性処理10に比べて最小限のエネルギーや栄養素の入力および縮小ソリッド生産を含む嫌気性処理の多くの利点があります。さらに、これらのシステムに固有の混合微生物群集の多様性は、原料11,12のような適当な有機基質の多種多様をレンダリングします。確かに、それは、ADのアプリケーションの増加は、特に工業では、従来の下水処理の外で採用されていることを市町村のこれらの利点によるものである(例えば、食品廃棄物)と、農業部門4,7,13。 ADは、以前の十年の国家エネルギー危機に​​対応して1980年に最初の主要な増殖の始まりを経験しました。世界は、成長しているグローバルなエネルギー危機に​​直面しているとして環境の悪化と相まって、より大きな焦点は、現在バイオ燃料技術、特に廃棄物のエネルギーの概念上に配置されています。たとえば、米国では、嫌気性消化は、総電力の5.5%を生成することができます8を必要とします。

これは、新しい有機性廃棄物と嫌気性消化14廃棄物の混合物の適合性を評価するために、パイロットと実験室スケールでよく制御された実験的研究の需要が増加している。我々は、建設、接種、操作、および堅牢な評価のための適しているであろう実験室規模の嫌気性消化の監視のための一般的なモデルを提供する予定です。嫌気性消化は、さまざまな構成で存在しています。継続的に定期的に流入する栄養と嫌気性消化(CSAD)を攪拌し;プラグフロー(PF)、上向流嫌気性スラッジブランケット(U連続流入給餌と槽型反応器(CSTR)を連続的に攪拌した:いくつかの一般的な構成は次のとおりASB)、嫌気性移行ブランケット炉(AMBR)嫌気困惑原子炉(ABR)、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター(ASBR)構成9,15。 CSTRとCSAD構成が広く設定し、良好な動作条件の容易さのために実験室規模の実験のために採用されています。ため、連続混合、水理学的滞留時間(HRT)は、汚泥滞留時間(SRT)と等しくなります。 SRTは、ADSのための重要な設計パラメータである。構成もあるためそのような化学種の濃度、温度、および拡散速度などのパラメータの大空間的均一性の制御実験を助長している。これは、嫌気性消化のために最適なフルスケールの設定は、ターゲット放流水質などの他の非技術的な側面の間で有機基板の特定の物理的および化学的性質に依存していること、しかし、留意すべきである。例えば、比較的高い水溶性有機コンテンツやlittlと廃棄物の流れを希釈このような醸造廃水などの電子微粒子は、通常、高レートの上昇流リアクターの構成(例えば、UASB)ではなくCSAD設定に大きなエネルギー変換を体験。かかわらず、成功した消化に欠かせないと、この設定を使用しての一般的な解明を正当化するすべての構成、に関連する基本的な動作パラメータがあります。

確かに、嫌気性微生物の多様性、オープンなコミュニティを含むすべてのADシステムでは、メタン(電子あたりの使用可能な最小自由エネルギーを持つ最終製品の最終的な)に基板を連続的に代謝されます。 ; acidogenesis、acetogenesisおよびメタン加水分解:このプロセスに関与する代謝経路は、大まかに4栄養段階に分類し、複雑な食物網を構成しています。加水分解では、複雑な有機ポリマー(例えば、炭水化物、脂質、タンパク質)は、HYDによって、それぞれのモノマー(例えば、糖、長鎖脂肪酸、アミノ酸)に分解される、発酵菌をrolyzing。 acidogenesisでは、これらのモノマーはacetogenesisでは、さらに丁重5 homoacetogenicと義務的水素生産菌によって酢酸と水素に酸化される揮発性脂肪酸(VFAを)とアルコールに酸生成細菌によって発酵されています。メタン生成の最終段階では、酢酸と水素がacetoclasticとhydrogenotrophicメタン、メタンに代謝されています。それは全体としてシステムが最適に実行される前に全体的なADのプロセスは、微生物の異なるグループによる代謝の相互接続されたシリーズに頼ることによって、各メンバーの正常な機能に依存していることを認識することが重要です。 ADバイオリアクターシステムの設計と建設は、常に完全にバイオリアクターを密封するために考慮要件を取る必要があります。バイオリアクターの上部(ヘッドスペースを分離する)、またはガスハンドリングシステムの小さな漏れを検出することは難しいかもしれない、したがって、システムが圧力でなければなりません必ず使用前にテストされています。リークフリーのセットアップを確認した後、嫌気性消化の研究と失敗が頻繁に接種、培養し、日常の操作中にエラーに起因します。その結果、消化は、本質的に不安定で、予期しない障害が発生しやすいものとして評価されています。なぜそれが本格的な消化が何十年も13の安定した条件下で動作されていることをしますか?失敗は、特に微生物群集が徐々に有機性廃棄物の組成と強さに順応しなければならない時にスタートアップ期間中に、オペレータが不適切な取り扱いに起因する可能性があります。したがって、私たちの目標は、ADシステムを構築するための方法論を提供するだけでなく、予防接種、操作、およびこれらのシステムの監視のプロセスを解明する。

2番目のセクションはアクティブmethanogで消化接種するための手順を提供しながら、記事の最初のセクションでは、CSTRまたはCSADシステムを構築する方法について説明しますenicバイオマス。それは初期の培養液から十分なバイオマスを開発しようとするよりも、同様の基板を処理されているオペレーティング·消化の混合酒や廃水からのアクティブなメタン生成バイオマスを蒸解釜に接種するために時間がかかり、より実用的と少なくなります。記事の第三節では廃液をデカントし、様々な原子炉の問題をトラブルシューティングする、そのような基質を供給するように動作上の考慮事項を説明します。基板を供給し、このシステムの排水デカントは(すなわち、周期的な摂食とバイオマスとの混合酒のほとんどは、バイオリアクター内に留まりながら、デカント)半連続的に実施されます。消化をデカント/供給されている周波数は、オペレータの特権です。一般的に、より頻繁にそして定期的に供給/デカントと供給サイクル間の性能でより消化の安定性と一貫性を推進していきます。第四節では、EXPE時に使用する基本的な監視プロトコルを紹介しますrimental期間。 水と廃水 16( 表1、2) の検討のための標準法に概説されているいくつかの標準的な分析は、基板と適切なシステム監視の特性評価に必要となります。測定された変数に加えて、モニタリングの重要な側面は、消化システムのコンポーネントが正しく機能していることを確認することです。消化システムの定期メンテナンスは、特に消化の長期的なパフォーマンスと安定性を損なう可能性がある主要なシステムの問題を先取りします。例えば、温度の低下につながる発熱体の障害は、メタンの代謝率を減らすことにより、揮発性脂肪酸の蓄積を引き起こす可能性があります。システムは、メタン菌に対する阻害レベルを超えるpHを維持するのに十分なアルカリ性に欠けていた場合は、この問題は悪化するだろう。これは、バイオガスの生産ラットの予期しないドロップした後、リークの可能性を検出し、クローズすることも重要であるES。したがって、別の実験デザイン内の重複は、例えば、正確な動作条件の下にある2つのバイオリアクターのサイドバイサイドを実行すると、このような小さなリークなどのシステムの誤動作によって引き起こされる予期せぬパフォーマンスの損失を検出することが重要です。

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Protocol

1。 Digesterの建設

  1. に示すように、すべての機能が含まれている消化容器を選択します。 1(コーンは必要ありません)と、ご希望の作業ボリューム(通常は1月10日Lの間)。あなたの消化槽を加熱した水ジャケットが装備されていない場合、そのような温水浴またはインキュベーション室として、いくつかの他の温度制御環境下で蒸解釜を置きます。
  2. 残りのコンポーネント( 表2)を配置するための十分な水平方向のベンチスペースを持つ領域の垂直位置に容器を固定します。
  3. によれば、容器の蓋を構築します。 2。流入と排水管のポートは、目詰まりを防止するのに十分な幅でなければなりません。バイオリアクター内のチューブは、チューブの添付ファイルを許可するように蓋の上部から延びている間、デカントの間に消化培地に沈めたままするのに十分な長さでなければなりません。被覆羽根車は、pos限り拡張する必要があります消化液(水中チューブとバイオリアクターをエスケープするからヘッドスペースバイオガスを防ぐ被覆)にsible。
  4. 蓋の接触面にシリコーン系真空グリースを適用し、消化槽の上部にクランプします。
  5. リングスタンドとクランプし、接辞インペラシャフトを使用して、消化の縦軸に平​​行な速度可変ミキサーを固定します。ので、ミキサーのモーターの振動と運動の独立した自由な移動スタンドを使用することが重要です。
  6. 流入と排水管の両方にフレキシブルチューブのセクションを接続し、ガスラインとして使用するガスポートへのチューブの別のセクションを接続します。
  7. 棚に消化の上に配置することができ、さまざまなコンポーネントのそれぞれにバイオガスラインを接続します。コンポーネントは、この順に接続する必要があります。サンプリングポート、泡トラップ、H 2 Sスクラバー、ガス貯蔵、バブラー、ガスメータ、換気ライン( 図3)。分離または再を容易にするためにトラブルシューティングの目的や洗浄のために、個々のコンポーネントのmovalは、バルブやコンポーネント間のコネクタ金具を追加することを検討します。バイオガスは爆発性であるため、ガスコンセントが適切に外部に又は化学的フードに換気されていることを確認してください。
    1. ガスサンプリングポートは、原子炉ヘッドの近くに配置する必要があります。
    2. 泡トラップは、単純なフラスコやボトルを使用して構築することができ、反応器容積の少なくとも25%でなければなりません。これは、2つのポートが、バイオガス入口ライン用とバイオガス出口ラインの他を含める必要があります。これらのポートは、硬質チューブが挿通されるゴム栓の2つの穴をあけることによって行うことができます。バイオガス導入管は、バイオガス出口管( 図4)以上の深さまで拡張する必要があります。泡トラップが可能に消化泡からガスハンドリングシステムを保護する必要があります。
    3. H 2 SスクラバーはSTEEに満ち2cmより大きい内径、と、長いガラス管で構成されていますどちらかの端にバイオガスの入口と出口ポートとlのウール。スチールウールは、ストリッピングではなく、非常に緊密にバイオガスの流れがブロックされていることに十分な表面積を提供するためによく詰まるべきである。スクラブは、腐食性の化学物質からガスメータの金属部品を保護する必要があります。
    4. ガス貯留層は、二回フィード向けターゲットボリュームを超えるボリュームで、このようなガスバッグなど、任意の折りたたみ、気密材料で作られた、あるいは子供用のプレイボールすることができます。これは、ヘッドスペースに排水し、可能な吸気をデカントの間の圧力降下を防ぐために必要です。
  8. システムは、循環水のヒーターで温度を制御する場合は、フレキシブルチューブを用いた加熱ジャケットにヒーターを接続します。加熱ジャケットの液面上にユニットを配置します。中温または高温消化( 表1)に適した温度にヒーターを設定します。
  9. sでリークを検出することにより、システムのリークテストを実行します。oapy水。水で消化タンクを充填することにより開始し、その後わずかに圧力未満5 PSIへのガスの流入ラインを加圧する。まず、原子炉の蓋の周りリークをチェックし、全体のガスハンドリングシステムのリークをテストするためにバイオガスラインのクランプを削除するには、バイオガスラインと排水ラインをクランプします。流入ラインの過剰加圧がインペラ被覆管を通して水を強制されることに注意してください。
  10. インペラーと発熱体の電源をオンにし、ミキサーとヒーターが連続運転を維持することができることを確認するために一晩実行してみましょう。羽根車の回転速度は十分高速炉メディアの完全混合を確実にすることであるべきです。一般的なミキサーの問題は、シャフトのずれ、過度の摩擦、リングスタンドにモータの確保が不十分などがあります。

2。 Digesterの接種およびActiveメタン生成バイオマスを使用したエアコン

  1. CLで活躍メタンバイオマス(接種)を格納4で冷蔵庫でosedコンテナ°C消化を準備中。理想的には、接種は可能な限り少しの時間のために保存されるべきであり、完全に消化のボリューム全体を埋めるために十分でなければなりません。ただし、特定の嫌気性バイオマス(例えば粒状バイオマスなど)非常に長期間保存することができます。必要に応じて適切なボリュームに嫌気性のガスで洗浄した水を接種材料を希釈する。
  2. 嫌気性ガスの過度の損失を防ぐための排水ラインをクランプし、栄養チューブに接続し、ミキサーの車軸とシースの間にスペースをテープで数分間、嫌気性のガスと空の消化システムをフラッシュします。
  3. フラッシング期間中に、ガス貯留を洗い流すようにしてください。
  4. フラッシュが完了した後、栄養チューブに漏斗を接続し、均一性を確保するために定期的に接種を混在させることを確認して接種を追加します。
  5. ターンオン·ミヘ族、栄養チューブに嫌気性ガスを再接続しますr、および少なくとも15分間消化液をフラッシュします。次に、フィードチューブをクランプし、ガスリザーバーをアンクランプ、ガスを抜いてください。この蒸解釜は、操作になりました。
  6. Digesterは摂食を開始する前に、数日間動作し、バイオガスの生産を監視することができます。この間、全固形分と接種( 表1)揮発性固形分濃度分析を行う。固形分濃度が目標混合液の濃度よりもかなり大きい場合は、授乳を開始する前に、それに応じて消化の内容を削除して希釈する。これは、スタートアップ期間中にあまりにも急激に微生物(F / M比)に食べ物を高める可能性があります動作期間中のバイオマスの過度のウォッシュアウトを防ぐために行われます。
  7. 合計および揮発性固形分濃度が、生物学的または化学的酸素要求量、または基板の全有機炭素のいずれかを測定することにより、基板の有機生分解性の割合を決定します。 THIを使用します。の保守的な初期の有機物負荷率(OLR)を計算するための値。
  8. 目標値は、(起動周期)に達するまで、オペレータは、徐々にOLRを増やす必要があります。スタートアップ期間中の一つのアプローチは、ターゲットのOLRが(品質に応じて年に数ヶ月かかる場合がありますプロセスが達成されるまで、フィードの有機強さを修正し、徐々に水理学的滞留時間(HRT)を削減することです接種し、使用基板)の。 に示すように、早すぎるとOLRを増やすと、揮発性脂肪酸(> 2,000 mg / Lの酢酸など)の過度の集中につながる。 5。揮発性脂肪酸濃度は準最適レベル( 表1)に増加した場合、オペレータは、OLRを減らす必要があります。揮発性脂肪酸の濃度が高すぎる場合には、バイオリアクターの内容は、水で希釈する必要があります。
  9. 実験の前にターゲットOLRで消化3高精度タイマの周期が安定を確立することができますBLEベースラインの状態。

3。 Digesterの操作

  1. それは餌の時間です。°Cまで、排水デカントは、常にデカントする前に、すぐに消化する基質添加の前に、4で飼料の混合物や店舗を準備します。
  2. ポンプ(真空下側アームフラスコデカントの一つの可能​​性がある)に排水チューブを接続することにより、蒸解廃液からデカントし、フィード量に比較して同等のボリュームを削除します。 °C、後で解析するために4℃で排水を格納します。分析の多くは時間に敏感であることに注意してください。例えば、pHはpHを増加させる、溶液からのCO 2エスケープされるため、直ちに測定する必要があります。
  3. 冷蔵庫からのフィード混合物を削除します。フィードチューブに漏斗を接続して、固形物をバルク流体とで運ばれることを保証するために定期的に混在させることを確認してフィード(基板)に注ぐ。
  4. NEの場合、 表3に示すトラブルシューティング手順を実行します。cessary。

4。システム監視

  1. 運転中に頻繁に消化システムとそのコンポーネントを確認してください。特に注目は、混合および加熱システムに支払わなければなりません。廃水、固形分濃度の急激な減少に十分な混合の意志マニフェスト( 図6)。定期的にガスメーターの油や水が適切なレベルであることを確認し、必要に応じてH 2 Sトラップにスチールウールを交換してください。それは硫化鉄を形成するために、H 2 Sと反応するようにスチールウールと黒の光沢になることに注意してください。
  2. システムのパフォーマンスと安定性の診断のための排水消化にこれらの分析を実行します。値が一貫して表1に示す、指定された最適な範囲内になければなりません。
    1. バイオガスの生産速度とpH毎に給餌サイクルを測定します。
    2. 揮発性脂肪酸濃度、アルカリ、およびバイオガスのコンテンツを複数回週を測定します。注:その組成は、サイクルの経過とともに変化するので、バイオガスのコンテンツは、摂食サイクルの相対同時に測定する必要があります。理想的には、バイオガスは、直前に給餌に、摂食サイクルの終了時にサンプリングする必要があります。
    3. 週に一度、生物学的または化学的酸素要求量及び合計と揮発性固形分を測定するか、またはより頻繁に擬似定常状態での各実験条件には、少なくとも3つのデータポイントを取得する。

5。代表的な結果

消化の成功接種は数日以内にバイオガスの生産によってマークされています。より多くのメタン生成バイオマスを募集されているバイオガスの二酸化炭素比メタンは馴化期間中に増加します。 acidogensに比べてメタンの緩やかな成長が必要な長い順応期間と徐々に運用の変更を行います。 図。 5、我々は、動的responを実証高い有機物負荷率(OLR)が早すぎると起動フェーズで導入された消化のSE。この例では、(利用する、すなわち)基板分解工程、acidogenesisから進化した揮発性脂肪酸(VFAを)を削除するのに十分なメタンバイオマスがありました。これは、VFAの蓄積につながり、その後、pHの低下。この状況を是正するために、OLRはacidogensによってVFAの生産を制限し、より高いOLRに戻る前に大きなメタンの採用を可能にするために減少した。消化は、3油圧の保持期間の安定した消化性を示した。

安定した消化または擬似定常状態の条件は最低でも、そのようなバイオガスの生産率は、総VFA濃度は、揮発性固形分濃度、pHのレベルなどの測定パラメータは、一貫してそれらの平均値の10%以内に維持されている時に想定することができます1 HRTの期間。この配分の重要性が明らかにされる私nの図。不足して混合することによって引き起こされる摂動にCSTRシステムの長期応答を示しています6。適切な混合の欠如は、固形物が少ない固形物をデカンテーション廃液中に削除されたもので、反応器に定住することができました。十分な混合が復元された後、その蓄積が高い廃液固形分濃度をもたらした。それは通常の廃水、固形分濃度になるように消化を返すために約1 HRT(すなわち、25日)しました。

嫌気性消化は、生物学的システムであり、したがって、それはパフォーマンスのいくつかの内部変動を展示いたします。実験は、システム(統計情報の適切な使用が必要とされる)に課せられた実験的な擾乱に起因する特定の効果を識別する前に、このばらつきを定量化する必要があります。これは一般的に安定したconcentratを想定して適切な期間を考慮されているため、実験的な変化は、原子炉システムに対して行われる前に3つのHRTの期間が必要です。混合液( 図7)における化学種のイオン。この間隔の終わりまでに、実験者は各測定パラメータの信頼性のあるベースラインを構築することができるはずです。このベースラインは、将来の実験の比較の基礎としての役割を果たします。

消化の一般的なパフォーマンスは、さまざまな標準分析を定期的に実行されている必要があります監視プロトコルを、次により評価することができます。このスケジュールでは、それらを防ぐために、ほとんどのシステムの問題と風下時間に前駆体を識別するために十分な時間分解能を提供しています。さらに、これらの診断テストの結果は、準最適なパフォーマンスを識別するために、表1と組み合わせて使用することを意図されています。 表3は、消化を設定する際に一般的に発生する問題の多くにソリューションを提供しています。問題はそこに説明されている指示に従うことによって修正することができない場合には、オペレータが他のresourに相談してくださいこのような嫌気性バイオテクノロジーに関連する参照テキストとしてCES、。

オペレーションのパラメータ 標準メソッドのインデックス 代表的な範囲 極端な範囲
中等温度好性の好熱性の中等温度好性の好熱性の
温度 2550() 32から37まで17°C 50から60まで17°C 20から42まで17°C 45から65まで17°C
有機物負荷率 NL 0.8から2.0まで17グラム
VS-L〜(-1)-D -1
1.5から5.0まで17グラム
VS-L〜(-1)-D -1
0.4から6.4まで17グラム
VS-L〜(-1)-D
1.0から7.5まで17グラム
VS-L〜(-1)-D -1
水理学的滞留時間 NL 15から35日 <15、> 35日
炭素:窒素比 NL 25:1 17 > 25:1
監視パラメータ 標準メソッドのインデックス 最適範囲 準最適範囲
pHは 4500-H +(B) 6.5から8.2 10 <6.5;> 8.2
アルカリ度 2320(B) 1300 - 3000 17
MGのCaCO 3-L〜(-1)
mgのCaCO 3を - L-1
揮発性酸 5560(C) <200 10
MGのAc-L〜(-1)
> 200 10
MGのAc-L〜(-1)
固体除去効率 2540(B、E) > 50% <50%
バイオガスのコンテンツ 2720​​(C) 55から70 CH 4、30から45 CO 2パーセント <55 CH 4、> 45 CO 2パーセント

表1。 CSTRシステムのための一般的な操作の選択ガイドおよび監視パラメータを設定します

コンポーネント 仕様(設計上の考慮事項) コメント
温度制御された循環水ヒーター温度範囲:25から65°C
(暖房能力、最大圧力ヘッド、体積流量)
温水が十分に高流速で、完全に循環するのに十分な圧力で供給する必要があります。
サンプリングポート NA 位置ヘッドに近い理想的です。
泡の罠量:反応器容積の25% シンプルなサイドアームフラスコやガラスの瓶を使用することができます。ユニットは、洗浄のためにアクセスできる必要があります。
硫化水素スクラバー (ガスの接触時間) ガラスやプラスチック製のチューブが(ない金属)を使用する必要があります。長さのサイジングは、十分なガスの接触時間を提供する必要があります。
ガス貯留層ボリューム:> 2倍液量、材質:セミ弾性(硬質ていません) ボリュームは、排水·デ·中に撮影すること上回っている必要があります傾き。材料が収縮と拡張を許可する必要があります。
バブラー NA 水位によって提供されたヘッド圧力は、ガス供給システムにビルドアップ圧力を制限するために最小限に抑える必要があります。
ガスメーター (ガスフロー検出範囲) プラスチック製のガス·メーターは、金属よりも優先されます。ガスフロー検出範囲が予想されるバイオガスの生産速度で正確でなければなりません。

表2。仕様とコメントの補助原子炉部品

R>
エラーの症状 可能な解決方法
摂食や排水管の詰まりが頻繁

•より大きな直径の管、および/または継手を使用してください。

•(例えば、ブレンダーまたはモレキュラーシーブを用いて粒子の基板サイズを縮小する。)

供給しながら•ミックスは、より頻繁にフィード。

•消化の内容が完全に混合されていることを確認します。

発泡過度の

•OLRを削減

•消化の混合強度を減らします。

•アクティブな消化容積を減らすことにより、蒸解釜のヘッドスペースを増やします。

消化の間に一貫性のないバイオガス収率が複製されます

•漏れのいずれかの消化のガスハンドリングシステムに存在しないことを確認します。

•ガス·メータと発熱体が正しく機能していると校正されていることを確認してください。

•フィード混合物を同等に準備されていることを確認します。

tの一貫性のないまたは非常に可変固体濃度彼は排水Digesterは複製されます( 図6)の間に

•消化の内容が十分に混合されていることを確認します。

•反応器流出物デカントラインは原子炉の間に等価であることを確認してください。

バイオガス中のメタン削減の内容

•pHがメタン(すなわち、6.5から8.2)の最適な範囲内であることを確認します。されていない場合は、適切な酸性またはアルカリ性で補う。

•重要な窒素がバイオガスが検出された場合(つまり、> 10%)、サンプリングポートの近くに漏れをチェックします。

•バイオガスのサンプリング周期を定例化する。

•VFA濃度が最適な範囲内であることを確認します。されていない場合は、慢性的に高い揮発性脂肪酸濃度にリストされているトラブルシューティング手順に従ってください。

慢性的に高い揮発性脂肪酸濃度( 図5)

•OLRを減らします。

•補充によって栄養素や微量金属欠陥を克服する。

•反応器の内容物は、酸素の侵入から密封されていることを確認します。

•フィードサイクルの頻度を増やします。

•油圧ショートを解消します。

•補充によってアルカリ欠乏を克服。

表3。消化操作のトラブルシューティングプロトコル

図1
図1。原子炉設計の基本的な例 :ボディ材質グラス、チューブ材質-ステンレススチール/アルミニウム、蓋材·PVC /プレキシグラス。

コンテンツ "> 図2
図2。継手材料-ステンレススチール/プラスチック;チューブ材質-ステンレス/アルミ蓋材·PVC /プレキシグラス:原子炉のふたの設計の基本的な例を示します

図3
図3。システム図は、コンポーネントの配置を示す

図4
図4。 、チューブ材質プラスチック/ガラスジャー素材プラスチック/ガラス: 泡トラップの設計の基本的な例を示します

図5
図5。原子炉起動時の高い有機物負荷率(OLR)。1.35 GVS-L -1のOLR以降では、典型的なシステム応答は、総揮発性脂肪酸(TVFA)の蓄積を引き起こした。酸蓄積CAUバイオガス収率の減少に続いてpHの低下をsedの。 1.15グラムVS--1日にOLRを下げることによって、両方のシステムは1.35 GVS-L -1 OLRを許容するのに十分なメタンバイオマス濃度を回復し、確立することができました。原子炉の間のpHとTVFAの蓄積の差が混在する地域社会のユニークなダイナミクスを示す。

図6
図6に典型的なシステム応答が十分に混合システム(原子炉B)に比べて(原子炉)の混合が不十分な貧しい混合の間、固体は原子炉の底に沈むと(日280から290)デカント中に削除されません混合が十分な強度(一日300)に返された場合、蓄積された固形物は徐々に(日305から330)は削除され、システムは安定した固形物の濃度に戻ります。

ig7.jpg "/>
図7。保守的な化学種の濃度と理想的なCSTRシステムの水理学的滞留時間(HRT)との間の理論的関係は、3つ高精度タイマでは[C]蒸解釜内の化学種の実際の濃度は95%の初期のことである飼料中に存在する濃度[C 0]。

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Discussion

この記事で紹介した嫌気性消化システムは、実験的なコンテキストで一般的な紹介と、ほとんどの基板の治療のためのいくつかの基本的なガイドラインを提供しています。基板の種類、消化の構成、動作パラメータ、また、これらのシステムの基礎となるミックスド·微生物群集のユニークな生態系の多種多様な普遍的に適用することができるハード定量的なメトリクスを、アウトライン排除します。すべてのこの変動にもかかわらず、すべての嫌気性消化システムは、その原則をよく理解されているすべてのシステムに適用することができる物理的および化学的プロセスにより媒介される生物学的分解経路のよく特徴付けられたシリーズに従ってください。それは我々のシステム·パラメータと適切なシステム運用の方法論は、これらの最適範囲を報告文献で報告されて、よく文書化されたオペレーティング観測と共に、これらの基本原則である。引用したパラメータは相互に関連しており、重要な役割を果たす嫌気性消化プロセスインチこれらの相互関係の徹底的な理解が大幅にシステムの問題を認識し、是正するため、オペレータの能力を向上させます。テキスト、 "嫌気性バイオテクノロジー:産業排水のための" Speeceによっては、さらに洞察力と説明10をお探しの方適切な動作および嫌気性消化の監視トピックのかなり包括的なカタログを提供します。

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Disclosures

利害の衝突が宣言されません。

Acknowledgements

本研究では、食と農の国立研究所(NIFA)、助成金番号2007-35504-05381を通じて米国農務省によってサポートされているサポートされています。noを付与することによって。 USDA NIFAからコーネル大学農業試験場の連邦式ファンドを通じて、NYSERDAとNYC-123444から58872。

Materials

Name Company Catalog 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
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

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References

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