Continuamente agitado digestor anaeróbico para convertir los desechos orgánicos en biogás: configuración del sistema y funcionamiento básico

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

A escala de laboratorio digestores anaeróbicos permitirá a los científicos para investigar nuevas formas de optimizar las aplicaciones existentes de la biotecnología anaeróbica y para evaluar el potencial de producción de metano de los diversos residuos orgánicos. Este artículo presenta un modelo generalizado para la construcción, la inoculación, la operación y el seguimiento de una escala de laboratorio se agita continuamente digestor anaeróbico.

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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

La digestión anaerobia (DA) es un proceso biotecnológico que se utiliza comúnmente para convertir los desechos orgánicos complejos en una planta de biogás con metano como útiles 1-3, el portador de energía. Cada vez más, el año está siendo utilizado en los residuos industriales, agrícolas y municipales (agua) las aplicaciones de tratamiento 4,5. El uso de la tecnología AD permite a los operadores de la planta para reducir los costos de eliminación de residuos y compensar los gastos de energía de servicios públicos. Además de tratar los residuos orgánicos, los cultivos energéticos se están convirtiendo en el metano portador de energía 6,7. A medida que la aplicación de la tecnología AD amplía para el tratamiento de nuevos sustratos y mezclas de sustrato co-8, también lo hace la demanda de una metodología de prueba fiable en el piloto y escala de laboratorio.

Sistemas de digestión anaeróbica tienen una variedad de configuraciones, incluyendo el reactor de depósito continuamente agitado (CSTR), el flujo de tapón (PF), y el reactor anaeróbico por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones 9

Este artículo presenta una metodología general para la construcción, la inoculación, operar y controlar un sistema CSAD con el propósito de poner a prueba la idoneidad de un determinado sustrato orgánico a largo plazo de digestión anaerobia. La sección de construcción de este artículo cubrirá la construcción del sistema de reactor a escala de laboratorio. La sección de la inoculación se explica cómo crear un ambiente anaerobio adecuado para la siembra con un inóculo metanogénica activa. La sección de operación cubrirá la operación, mantenimiento y solución de problemas. La sección de control presentará protocolos de pruebas mediante análisis estándar. El uso de estas medidas es necesaria para las evaluaciones experimentales fiables de idoneidad sustrato para la EA. Este protocolo deberá proporcionar una mayor protección en contra de un error común en los estudios de AD, que es a la conclusión de que el fracaso del reactor fue causado por el sustrato in uso, cuando en realidad era una operación inadecuada del usuario 10.

Introduction

La digestión anaerobia (DA) es una tecnología madura que supone la conversión biológica de complejos mediada por sustratos de desechos orgánicos en biogás útiles con el metano como fuente de energía. Hay muchos beneficios de tratamiento anaeróbico, incluida la energía mínima y los aportes de nutrientes y la producción de biosólidos reducido en comparación con el tratamiento aeróbico 10. Además, la versatilidad de la comunidad microbiana mixta inherente a estos sistemas hace que una amplia variedad de sustratos orgánicos adecuados como materias primas 11,12. De hecho, es debido a estos beneficios que un número creciente de solicitudes de AD se adoptan fuera del tratamiento convencional de aguas residuales municipales, especialmente en los sectores industriales, municipales (por ejemplo, residuos de alimentos), 4,7,13 y agrícola. AD experimentó su primer principio la proliferación importante en la década de 1980 en respuesta a la crisis energética nacional de la década anterior. A medida que el mundo se enfrenta a una creciente crisis mundial de energía,junto con la degradación del medio ambiente, una mayor concentración se encuentra ahora en las tecnologías de biocombustibles y el concepto de residuos en energía en particular. Por ejemplo, en los EE.UU., la digestión anaerobia puede generar 5,5% de la potencia eléctrica total necesita 8.

Esto ha aumentado la demanda de bien controlada la investigación experimental en el piloto y escala de laboratorio para evaluar la idoneidad de los nuevos materiales de desecho orgánicos y mezclas de residuos de la digestión anaeróbica 14. Tenemos la intención de proporcionar un modelo genérico para la construcción, la inoculación, el funcionamiento y la supervisión de un digestor anaerobio a escala de laboratorio que será adecuado para las evaluaciones sólidas. Digestores anaerobios existen en muchas configuraciones diferentes. A pocas configuraciones comunes incluyen: continua-reactor de tanque agitado (CSTR), con alimentación continua del afluente; agita continuamente digestor anaeróbico (CSAD) con la alimentación influente periódico, flujo de pistón (PF), una manta lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB), reactor anaeróbico manta de la migración (Ambr), reactor anaeróbico desconcertado (ABR), y el reactor anaerobio por lotes secuenciales (ASBR) configuraciones de 9,15. La configuración de CSTR y CSAD han sido ampliamente adoptados para experimentos a escala de laboratorio, debido a su facilidad de instalación y las condiciones favorables de operación. A causa de mezclado continuo, el tiempo de retención hidráulico (TRH) es igual al tiempo de retención de lodos (SRT). El SRT es el parámetro de diseño importante para los anuncios. La configuración es también conducente a experimentos controlados debido a una mayor uniformidad espacial de parámetros, tales como concentraciones de especies químicas, la temperatura y velocidades de difusión. Hay que señalar, sin embargo, que el óptimo a escala completa de configuración para un digestor anaeróbico depende de las características particulares físicas y químicas del sustrato orgánico entre otros aspectos no técnicos, tales como la calidad del efluente de destino. Por ejemplo, diluir las corrientes de desechos con relativamente alto contenido orgánico soluble y littlpartículas e, como fábrica de cerveza de aguas residuales, por lo general experimentan una mayor conversión de energía en una configuración de flujo ascendente de alta velocidad de biorreactor (por ejemplo, UASB) en lugar de una configuración CSAD. De todos modos, hay parámetros fundamentales de funcionamiento que son esenciales para la digestión exitosa y relevante para todas las configuraciones, lo que justifica una explicación genérica de la utilización de esta configuración.

De hecho, todos los sistemas de anuncios que contienen una comunidad diversa y abierta de los microbios anaerobios serie va a metabolizar el sustrato en metano (la final del producto final con la menor energía libre disponible por electrón). Las vías metabólicas implicadas en este proceso constituye una intrincada red alimentaria vagamente categorizados en cuatro etapas tróficas: hidrólisis; acidogénesis; acetogénesis y metanogénesis. En la hidrólisis, complejos polímeros orgánicos (por ejemplo, los hidratos de carbono, lípidos y proteínas) se descomponen en sus respectivos monómeros (por ejemplo, los azúcares de cadena larga de ácidos grasos y aminoácidos) por hydrolyzing, las bacterias fermentativas. En acidogénesis, estos monómeros son fermentados por bacterias acidogénicas a los ácidos grasos volátiles (AGV) y alcoholes, que en acetogénesis, se oxida a acetato e hidrógeno por homoacetogenic y obligatorio que producen hidrógeno-bacterias, respetuosamente 5. En el paso final de metanogénesis, acetato e hidrógeno se metabolizan a metano por metanógenos acetoclastic y hidrogenotróficas. Es importante reconocer que el proceso general de AD, apoyándose en una serie interconectada de los metabolismos de los diferentes grupos de microbios, dependerá de la función con éxito de cada miembro antes de que el sistema como un todo se realice de manera óptima. El diseño y la construcción de un sistema de biorreactor de AD siempre se debe tener en cuenta la obligación de sellar completamente el biorreactor. Las pequeñas fugas en la parte superior del biorreactor (que separa el espacio de cabeza) o en el sistema de manipulación de gas puede ser difícil de detectar, y por lo tanto, el sistema debe ser preSeguro de prueba antes de su uso. Después de asegurarse de una instalación libre de fugas, fallos con los estudios de digestor anaerobio a menudo provienen de errores durante la inoculación, el cultivo, y la operación del día a día. Como resultado, los digestores tiene una reputación de ser intrínsecamente inestable y propensa a fallos inesperados. ¿Por qué es entonces que a gran escala digestores han estado funcionando en condiciones estables durante décadas 13? Si no es probable que se derivan del manejo inadecuado por parte del operador, sobre todo durante el período de puesta en marcha durante el cual la comunidad microbiana deben aclimatarse poco a poco a la composición de los residuos orgánicos y la fuerza. Por lo tanto, nuestro objetivo no es sólo para proporcionar una metodología para la construcción de un sistema de AD, pero para aclarar también los procesos de la inoculación, operación y vigilancia de estos sistemas.

La primera sección del artículo se explica cómo construir el reactor de mezcla o el sistema de CSAD, mientras que la segunda sección se aplique un procedimiento para la inoculación con digestor activa methanogbiomasa ENIC. Es más práctico y menos tiempo para inocular con digestores de biomasa metanogénica activa de la. Licor-mezcla o efluente de un digestor operativo que está tratando a un sustrato similar a intentar desarrollar una biomasa suficiente de una incipiente cultura La tercera sección del artículo se cubren las consideraciones de operación, como sustrato de la alimentación, la decantación de efluentes, y solucionar diversos problemas de los reactores. La alimentación de sustrato y decantación de efluentes para este sistema se llevará a cabo en una base semi-continua (es decir, la alimentación periódica y decantación mientras que la mayoría de la biomasa y licor mezclado permanece en el biorreactor). La frecuencia con que se alimenta el digestor / decanta es la prerrogativa del operador. En general, la alimentación / decantación con más frecuencia y en intervalos regulares, promoverá una mayor estabilidad del digestor y la consistencia en el rendimiento entre los ciclos de alimentación. La cuarta sección se presenta un protocolo de monitoreo básico que se utilizará durante la experimental periodo. Varios análisis estándar, que se exponen en los métodos estándar para el Examen de Agua y Aguas Residuales 16 (Tabla 1, 2), se requerirá para la caracterización del sustrato y el seguimiento adecuado del sistema. Además de las variables medidas, un aspecto importante de seguimiento es comprobar que los componentes del sistema digestor están funcionando correctamente. El mantenimiento regular al sistema digestor anticiparse a los problemas principales del sistema que de otro modo podrían poner en peligro el rendimiento a largo plazo y la estabilidad del digestor. Por ejemplo, un fallo del elemento de calentamiento, dando lugar a un descenso de la temperatura, podría causar la acumulación de ácidos grasos volátiles mediante la reducción de la tasa metabólica de metanógenos. Este problema se agrava si el sistema carecía de alcalinidad suficiente para mantener el pH por encima de los niveles de inhibidores de metanógenos. También es importante para detectar posibles fugas y cerrar después de gotas inesperados en rata producción de biogásES. Por lo tanto, la duplicación en el diseño experimental, por ejemplo, la ejecución de dos biorreactores de lado a lado en las condiciones exactas de funcionamiento, es importante para detectar las pérdidas no esperadas de rendimiento causadas por el mal funcionamiento del sistema, tales como pequeñas fugas.

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Protocol

1. Digestor de la Construcción

  1. Seleccionar un recipiente digestor que contiene todas las características mostradas en la figura. 1 (un cono no es necesario), y su volumen de trabajo deseado (por lo general entre 1-10 L). Si su embarcación digestor no está equipado con una camisa calentada-agua, colocar el digestor en algún otro entorno de temperatura controlada, tal como un baño de agua caliente o cámara de incubación.
  2. Fijar el recipiente en una posición vertical en una zona con suficiente espacio banco horizontal para la colocación de los componentes restantes (Tabla 2).
  3. Construir la tapa del recipiente de acuerdo con la fig. 2. Los puertos de los tubos de los afluentes y efluentes debe ser lo suficientemente amplia como para evitar la obstrucción. Los tubos en el interior del biorreactor debe ser de longitud suficiente para permanecer sumergido en el medio de digestor durante decantación, mientras que se extiende hacia fuera desde la parte superior de la tapa para permitir la unión de tubos. El impulsor de revestimiento debe extenderse la medida de lo posible en el medio de digestor (el tubo sumergido y revestimiento de prevenir el escape de biogás de espacio de cabeza del biorreactor).
  4. Aplicar a base de silicona grasa de vacío a la superficie de contacto de la tapa y fijarlo a la tapa del depósito digestor.
  5. Fijar el mezclador de velocidad variable paralelo al eje vertical del digestor, utilizando un anillo soporte y abrazaderas, a continuación, el eje impulsor colocará. A causa de las vibraciones del motor del mezclador y el movimiento es importante la utilización de una posición independiente y libre movimiento.
  6. Conectar una sección de tubo flexible tanto a los tubos del afluente y efluente y luego conectar otra sección de la tubería al puerto de gas para ser utilizado como la línea de gas.
  7. Conectar la línea de biogás a cada uno de los diversos componentes, que puede ser colocado por encima del digestor en estanterías. Los componentes deben estar conectados en este orden: el puerto de muestreo, la trampa de espuma, H 2 S de lavado, depósito de gas, pelele, medidor de gas, y la línea de ventilación (Fig. 3). Para facilitar el aislamiento o reremoción de los componentes individuales para solucionar problemas o de limpieza, considerar la adición de válvulas y accesorios connecter entre los componentes. Asegúrese de que la salida de gas esté bien ventilado al exterior o una campana química, porque el biogás es explosivo.
    1. El puerto de muestreo del gas debe ser colocado cerca de la cámara de aire del reactor.
    2. La trampa de espuma puede ser construido usando un matraz sencilla o una botella, y debería ser al menos el 25% del volumen del reactor. Debe contener dos puertos, uno para la línea de entrada de biogás y el otro para la línea de salida de biogás. Estos puertos se pueden hacer mediante la perforación de dos agujeros en un tapón de goma a través del cual se inserta un tubo rígido. El tubo de entrada de biogás debería extenderse a una profundidad mayor que el tubo de salida de biogás (fig. 4). Atrapamiento de espuma es necesario para proteger el sistema de manipulación de gas de espuma digestor posible.
    3. El H 2 S lavador consta de un tubo de vidrio de largo, con un diámetro interno mayor de 2 cm, llenos de Steel de lana con una entrada de biogás y el puerto de salida en cada extremo. La lana de acero debe ser embalado bien para proporcionar área superficial suficiente para pelar, pero no tan fuertemente que el flujo de biogás está bloqueado. Fregado es necesaria para proteger los componentes de metal en el contador de gas de los productos químicos corrosivos.
    4. El depósito de gas puede estar hecho de cualquier plegable, estanco al aire material, tal como una bolsa de gas, o incluso una bola de juego para niños, con un volumen superior a dos veces el volumen de alimentación selectiva. Esto es necesario para evitar una caída de presión durante la decantación de aspiración de aire efluentes y posible en el espacio superior.
  8. Si el sistema se controla la temperatura por un calentador de agua circulante, conecte el calentador a la camisa de calentamiento utilizando un tubo flexible. Colocar la unidad por encima del nivel de líquido de la camisa de calentamiento. Establecer el calentador a la temperatura apropiada para la digestión mesófila o termófilo (Tabla 1).
  9. Realizar una prueba de fugas del sistema mediante la detección de fugas con soapy agua. Para empezar, llenar el tanque digestor con agua, luego ligeramente presurizar la línea influente con un gas a una presión inferior a 5 psi. En primer lugar, fijar la línea de biogás y de los conductos de evacuación para comprobar que no haya fugas alrededor de la tapa del reactor, y luego retire la abrazadera de la línea de biogás para la prueba de fugas para el sistema de manejo de gas completo. Tenga en cuenta que el exceso de presurización de la línea del afluente forzará al agua a través del tubo de revestimiento del impulsor.
  10. Encienda el impulsor y el elemento de calentamiento y dejar funcionar durante la noche para asegurar que el mezclador y calentador puede sostener un funcionamiento continuo. La velocidad de rotación del impulsor debe ser lo suficientemente rápido para asegurar la mezcla completa de los medios de reactores. Los problemas comunes incluyen mezcladores fricción desalineamiento, excesiva del eje, e inadecuada fijación del motor al anillo-soporte.

2. Digestor de inoculación y Acondicionamiento de la biomasa metanogénica utilizando un activo

  1. Guarde la biomasa activa metanogénicas (inóculo), en un clrecipiente OSED en un refrigerador a 4 ° C, mientras que la preparación de los digestores. Idealmente, el inóculo debe ser almacenado durante el menor tiempo posible y no debe ser suficiente para llenar completamente todo el volumen del digestor. Sin embargo, la biomasa cierta anaeróbica (como la biomasa granular) se pueden almacenar durante períodos muy largos. Diluir el inóculo con agua que se barrió con un gas anaeróbico con el volumen apropiado si es necesario.
  2. Lavar el sistema digestor anaeróbico vacío con gas durante varios minutos por lo conecta al tubo de alimentación, de sujeción de la línea de efluente, y grabar el espacio entre el eje mezclador y la vaina para prevenir la pérdida excesiva de gas anaeróbico.
  3. Durante el período de lavado, asegúrese de limpiar-el depósito de gas.
  4. Después del lavado es completo, conectar un embudo para el tubo de alimentación y añadir el inóculo asegurándose de mezclar el inóculo periódicamente para asegurar la uniformidad.
  5. Vuelva a conectar el gas anaeróbico a la sonda de alimentación, a su vez-en el mixer, y vaciar el licor digestor durante al menos 15 minutos. A continuación, desconecte el gas, sujetar el tubo de alimentación y soltado el depósito de gas. Este digestor está en funcionamiento.
  6. Deje que el digestor para funcionar durante un par de días antes de comenzar la alimentación y controlar la producción de biogás. Durante este tiempo, realizar el análisis de sólidos totales y la concentración de sólidos volátiles para el inóculo (Tabla 1). Si la concentración de sólidos es considerablemente mayor que el de la concentración objetivo licor mezclado, eliminar y diluir el contenido del digestor en consecuencia antes de comenzar la alimentación. Esto se hace para prevenir la pérdida excesiva de biomasa durante el período de funcionamiento que puede aumentar el alimento a microorganismos (F / M) relación con demasiada brusquedad durante todo el período de arranque.
  7. Determinar la fracción orgánica biodegradable del sustrato mediante la medición sea la concentración total de sólidos y volátiles, la demanda de oxígeno biológico o químico, o de carbono orgánico total del sustrato. Utilice this valor para calcular un conservador tasa inicial de carga orgánica (OLR).
  8. El operador debe incrementar gradualmente el OLR hasta un valor objetivo que se alcanza (periodo de arranque). Uno de los enfoques durante el período de puesta en marcha es para fijar la fuerza orgánica de la alimentación, y luego reducir el tiempo de retención hidráulica (TRH) gradualmente hasta que la OLR se alcanza el objetivo (un proceso que puede tomar varios meses a un año dependiendo de la calidad del inóculo y el sustrato utilizado). El aumento de la OLR demasiado rápidamente conduce a concentraciones excesivas de ácidos grasos volátiles (> 2.000 mg / l como acetato) como se muestra en la fig. 5. El operador debe reducir la OLR si concentraciones de ácidos grasos volátiles aumentar a niveles subóptimos (Tabla 1). Si las concentraciones de ácidos grasos volátiles son demasiado altos, el contenido del biorreactor puede necesitar ser diluido con agua.
  9. Deje que el digestor de un período de tres TRH en la OLR de destino antes de la experimentación para establecer una estaciónble condición de línea de base.

3. Digestor de Operación

  1. Decantación de efluentes siempre precede a la adición del sustrato a la digestión, por lo que inmediatamente antes de la decantación, la preparación de la mezcla de alimentación y se almacena a 4 ° C hasta que es hora de comer.
  2. Decantar efluente del digestor mediante la conexión de la tubería de efluente a una bomba (brazo lateral matraz a vacío es una posibilidad de decantación) y extraer un volumen igual en comparación con el volumen de alimentación. Almacenar el efluente a 4 ° C para su posterior análisis. Tenga en cuenta que muchos de los análisis son sensibles tiempo. Por ejemplo, el pH debe ser medida inmediatamente porque el CO 2 se escapa de la solución, aumentando el pH.
  3. Retire la mezcla de alimentos de la nevera. Conecte un embudo para el tubo de alimentación y se vierte en el alimento (sustrato), asegurándose de mezclar periódicamente para asegurarse de que los sólidos se realiza con el líquido a granel.
  4. Siga los pasos de solución de problemas descritos en la Tabla 3, si es necesarios.

4. Sistema de Monitoreo

  1. Ver el sistema digestor y sus componentes con frecuencia durante la operación. Se debe prestar especial atención a los sistemas de mezcla y calefacción. Manifiesto insuficiente voluntad de mezcla en una disminución brusca en la concentración de sólidos del efluente (fig. 6). Verifique periódicamente que el aceite o agua en los contadores de gas se encuentra en el nivel apropiado y reemplazar la lana de acero en la trampa de H 2 S, según sea necesario. Nótese que la lana de acero se convertirá en negro y brillante, ya que reacciona con H 2 S para formar sulfuro de hierro.
  2. Lleve a cabo estos análisis en el efluente del digestor para el diagnóstico del rendimiento del sistema y la estabilidad. Los valores constantemente debe estar dentro del rango especificado óptimo indica en la Tabla 1.
    1. Medir la tasa de producción de biogás y el pH de cada ciclo de alimentación.
    2. Medir la concentración de ácidos grasos volátiles, alcalinidad, y el contenido de biogás varias veces a la semana.Nota: El contenido de biogás debe medirse al mismo tiempo en relación con el ciclo de alimentación desde su composición va a cambiar en el curso del ciclo. Idealmente, el biogás debe ser muestreada al final de un ciclo de alimentación, justo antes de la alimentación.
    3. Medir la demanda de oxígeno químico o biológico y sólidos totales y volátiles una vez por semana o más a menudo para obtener al menos tres puntos de datos para cada condición experimental en condiciones de estado pseudo-estacionario.

5. Los resultados representativos

El éxito de la inoculación del digestor se caracteriza por la producción de biogás en unos días. El metano proporción de dióxido de carbono del biogás se incrementará durante el período de aclimatación de la biomasa metanogénica más se contrata. El lento crecimiento de los metanógenos en comparación con acidogens hace largos períodos de aclimatación y graduales cambios operativos necesarios. En la fig. 5, se demuestra la responsabilidad dinámicose de un digestor, cuando una alta tasa de carga orgánica (OLR) se introduce demasiado pronto en la fase de puesta en marcha. En este ejemplo, no había suficiente biomasa metanogénica para eliminar (es decir, utilizar) los ácidos grasos volátiles (AGV) se desarrollaron a partir de la etapa de degradación del sustrato, acidogénesis. Esto condujo a una acumulación de AGV, y posteriormente, una reducción en el pH. Para rectificar esta situación, la OLR se redujo a limitar la producción de AGV por acidogens y para permitir una mayor contratación metanógeno antes de regresar a la OLR superior. Los digestores a continuación, exhibió la digestión estable durante tres períodos de retención hidráulica.

La digestión estable o condiciones de pseudo-estado de equilibrio se puede suponer que los parámetros medidos, tales como las tasas de producción de biogás, la concentración total de ácidos grasos volátiles, las concentraciones de los sólidos volátiles, y los niveles de pH, se mantenido dentro del 10% de sus valores medios, por un mínimo período de tiempo de una terapia de reemplazo hormonal. La importancia de esta asignación se revela in fig. 6, que muestra la respuesta prolongada del sistema CSTR a una perturbación causada por una mezcla insuficiente. La falta de una mezcla adecuada permite que los sólidos se asientan en el reactor, lo que significa menos sólidos se separaron durante la decantación de efluentes. Su acumulación dio lugar a mayores concentraciones de sólidos de efluentes después de la mezcla suficiente fue restaurado. Se necesitaron aproximadamente un TRH (es decir, 25 días) para devolver el digestor a una concentración normal de sólidos del efluente.

Un digestor anaeróbico es un sistema biológico, por lo que se exhiben cierta variabilidad interna en el rendimiento. Esta variabilidad se debe cuantificar antes de que el experimentador puede discernir los efectos específicos causados ​​por las perturbaciones experimentales impuestas en el sistema (el uso adecuado de las estadísticas es necesario). Tres períodos de TRH se requiere antes de un cambio experimental se realiza en el sistema del reactor, puesto que se considera generalmente un período de tiempo adecuado para asumir concen estableLos iones de especies químicas en el licor mixto (Fig. 7). Al final de este intervalo, el experimentador debe ser capaz de construir una base fiable para cada parámetro medido. Esta línea de base sirve como una base de comparación para la experimentación en el futuro.

El desempeño general del digestor puede ser evaluada siguiendo el protocolo de monitoreo, el cual requiere que los diversos análisis estándar se ejecutará de forma rutinaria. Este programa ofrece una resolución temporal adecuada para identificar los precursores de la mayoría de los problemas del sistema y el tiempo para evitar que lee. Además, los resultados de estas pruebas de diagnóstico están destinados a ser utilizados en conjunción con la Tabla 1 para identificar el rendimiento subóptimo. Tabla 3 proporciona soluciones a muchos de los problemas encontrados típicamente al establecer-hasta un digestor. En el caso de que un problema no puede solucionarse siguiendo las instrucciones que se indican en el mismo, el operador debe consultar a otros recurCES, tales como un texto de referencia relativos a la biotecnología anaeróbica.

Parámetros de funcionamiento Métodos índice Standard Rango típico Gama Extreme
Mesofílico Termófilos Mesofílico Termófilos
Temperatura 2550 (A) 32-37 de 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 de 17 ° C 45-65 de 17 ° C
Velocidad de carga orgánica NL 0.8-2.0 17 g
VS-L-1-d-1
1,5-5,0 17 g
VS-L-1-d-1
0,4-6,4 17 g
VS-L-1-d
1,0-7,5 17 g
VS-L-1-d-1
Tiempo de retención hidráulica NL 15 - 35 días <15,> 35 Días
Carbono: Nitrógeno Relación NL 25:1 17 > 25:1
Parámetros de monitoreo Métodos índice Standard Gama óptima Rango subóptima
pH 4500-H + (B) 6,5 a 8,2 10 <6,5;> 8,2
Alcalinidad 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L-1
mg CaCO 3 - L-1
Los ácidos volátiles 5560 (C) <200 10
Ac-mg L-1
> 200 10
Ac-mg L-1
Eficiencia de remoción de sólidos 2540 (B, E) > 50% <50%
El biogás contenido 2720 ​​(C) 55-70 CH 4, 30-45% de CO 2 <55 CH 4;> 45% de CO 2

Tabla 1. El funcionamiento general y la guía de selección de parámetros de monitoreo para los sistemas de CSTR.

Componente Especificaciones (Consideraciones sobre el diseño) Comentarios
Temperatura controlada de recirculación de agua del calentador Rango de temperatura: 25-65 ° C
(Capacidad de Calefacción, Max. Presión en la cabeza, velocidad de flujo volumétrico)
El agua calentada debe ser suministrado a un caudal suficientemente alta y con una presión suficiente para hacer circular completamente.
De muestreo en puerto NA Situado cerca del espacio de cabeza es ideal.
Trampa de espuma Volumen: 25% de volumen del reactor Simple brazo lateral matraz o frascos de vidrio se puede utilizar. La unidad debe ser accesible para su limpieza.
El hidrógeno sulfuro de Scrubber (Tiempo de gas de contacto) Tubos de vidrio o de plástico se debe usar (no metal). Dimensionamiento de longitud debe proporcionar el tiempo suficiente de contacto de gas.
Depósito de gas Volumen:> Volumen 2x efluentes; Material: semi-elástica (no rígida) El volumen debe ser superior a la tomada durante los efluentes depivotante. El material debe permitir contracción y expansión.
Bubbler NA La presión de la cabeza proporcionado por el nivel del agua debe ser minimizada para limitar la acumulación de presión en el sistema de suministro de gas.
Medidor de gas (Flujo de gas Rango de detección) Metros de plástico de gas se prefieren sobre el metal. El flujo de gas rango de detección debe ser precisa en las tasas esperadas de producción de biogás.

Tabla 2. Los componentes auxiliares del reactor con las especificaciones y comentarios.

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Los síntomas de error POSIBLES SOLUCIONES
Obstrucción frecuente de la alimentación o los tubos de aguas residuales

• Utilice tubos de mayor diámetro y / o accesorios.

• Reducir el tamaño de las partículas del sustrato (por ejemplo, usando una licuadora o tamiz).

• mezcla de alimentos con más frecuencia mientras se alimentan.

• Asegúrese de que el contenido del digestor se mezclan completamente.

El exceso de espuma

• Reducir el OLR

• Reducir la intensidad de la mezcla en el digestor.

• Aumentar el espacio de cabeza en el digestor por la reducción del volumen del digestor activo.

Producción de biogás digestor inconsistente entre repeticiones

• Verificar que no haya fugas están presentes en el sistema de manipulación de gas de cualquiera de digestor.

• Compruebe que el medidor de gas y el elemento calefactor están funcionando adecuadamente y se calibra.

• Verifique que las mezclas de alimentos se preparan de forma equivalente.

Inconsistentes o muy variable concentración de sólidos en tél efluente del digestor entre repeticiones (Fig. 6)

• Verifique que el contenido del digestor se mezclan adecuadamente.

• Asegúrese de que el efluente del reactor de línea de decantación es equivalente entre los reactores.

Reducción del contenido de metano en el biogás

• Verificar que el pH está dentro del intervalo óptimo para la metanogénesis (es decir, 6,5 a 8,2). Si no es así, complementar con la acidez o alcalinidad en su caso.

• Si el nitrógeno significativa se detecta en el biogás (es decir,> 10%), revise si hay fugas cerca del puerto de muestreo.

• Regularizar la periodicidad del muestreo de biogás.

• Verifique que la concentración de AGV se encuentra dentro del rango óptimo. Si no es así, siga los pasos de solución de problemas enumerados para crónicamente altas concentraciones de ácidos grasos volátiles.

Crónicamente alta concentración de ácidos grasos volátiles (fig. 5)

• Reducir el OLR.

• Superar las deficiencias de nutrientes o metales traza por la suplementación.

• Verifique que el contenido del reactor se selló de la intrusión de oxígeno.

• Aumentar la frecuencia de alimentación del ciclo.

• Eliminar los cortocircuitos hidráulicos.

• Superar la deficiencia de la alcalinidad con la suplementación.

Tabla 3. Solución de problemas de protocolo para el funcionamiento del digestor.

Figura 1
Figura 1. Ejemplo básico de diseño del reactor: Material del cuerpo de vidrio, tubos de material, acero inoxidable / aluminio, tapa de material de PVC / plexiglás.

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Figura 2. Ejemplo básico de diseño del reactor de la tapa: tapa de PVC o material de plexiglás; Accesorios de material de acero inoxidable / plástico, tubos de material, acero inoxidable / aluminio.

Figura 3
Figura 3. Esquema de la instalación que muestra disposición de los componentes.

Figura 4
Figura 4. Ejemplo básico de diseño de espuma trampa: Jar material plástico / vidrio; Tubo material plástico / vidrio.

Figura 5
Figura 5. Típica respuesta del sistema a una velocidad de carga de alta orgánica (VCO) durante la puesta en marcha del reactor. Empezando con una OLR de 1,35 GVS-L -1 causó la acumulación del total de ácidos grasos volátiles (TVFA). La acumulación de ácido Cau sed una disminución en el pH seguido por una reducción en el rendimiento de biogás. Al bajar la OLR a 1,15 g VS-día -1, ambos sistemas fueron capaces de recuperar y establecer una concentración suficiente de biomasa metanogénica a tolerar un 1,35 GVS-L -1 OLR. La diferencia en el pH y la acumulación TVFA entre reactores exhibe la dinámica única de comunidades mixtas.

Figura 6
Figura 6 respuesta del sistema típico para una mezcla insuficiente (Reactor A) en comparación con un sistema suficientemente mixto (reactor B) Durante pobre de mezcla, los sólidos se depositan en el fondo del reactor y no se eliminan durante la decantación (día 280 - 290)... Cuando la mezcla se devuelve a la intensidad suficiente (día 300), los sólidos acumulados son gradualmente eliminado (día 305 - 330), y el sistema vuelve a concentraciones de sólidos estables.

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Figura 7. Relación teórica entre la concentración de una especie química conservadores y el período de retención hidráulica (TRH) en un sistema CSTR ideal. Menos tres TRH la concentración real de una especie química [C] en el digestor es del 95% de la inicial presente operación de concentración en el alimento [C 0].

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Discussion

El sistema de digestión anaerobia se presenta en este artículo se proporciona una introducción general y algunas pautas básicas para el tratamiento de la mayoría de los sustratos en un contexto experimental. La gran variedad de tipos de sustratos, las configuraciones del digestor, los parámetros de funcionamiento, y también a la ecología única de la comunidad microbiana mixta-que subyace a estos sistemas se opone a esbozar duros indicadores cuantitativos, que se pueden aplicar universalmente. A pesar de todo esta variabilidad, todos los sistemas de digestión anaeróbica seguir una serie bien caracterizado de las vías de degradación biológica, que son mediadas por procesos físicos y químicos, cuyos principios se conocen bien y se puede aplicar a todos los sistemas. Es a partir de estos principios fundamentales, junto con las observaciones de funcionamiento bien documentados en la literatura, que nos informan de estos rangos óptimos para los parámetros del sistema y metodologías adecuadas de operación del sistema. Los parámetros citados están relacionados entre sí y juegan un papel importanteen el proceso de digestión anaeróbica. Una comprensión profunda de estas interrelaciones mejora en gran medida la capacidad del operador para reconocer y solucionar los problemas del sistema. El texto, "La biotecnología anaeróbica: de Aguas Residuales Industriales" por Speece ofrece un catálogo bastante completo de la operación pertinente y temas de vigilancia en la digestión anaerobia para aquellos que buscan una mayor comprensión y explicación 10.

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgements

Esta investigación es apoyada con el apoyo del USDA a través de los Institutos Nacionales de la Alimentación y la Agricultura (NIFA), el número de concesión 2007-35504-05381; por concesión no. 58872 de NYSERDA y Nueva York 123 444 a través de los fondos de la Universidad de Cornell, Estación Experimental Agrícola de la fórmula federal de la NIFA USDA.

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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