Modello di scala di laboratorio per valutare odore e le concentrazioni di Gas emesse dal profondo Bedded Pack letame

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Summary

Un protocollo è stato sviluppato per misurare gas, odori e composizione nutriente in confezioni di concime letti in scala di laboratorio, che può essere utilizzato per studiare i modi per migliorare la qualità dell'aria nelle strutture commerciali bestiame utilizzando letame profondo-bedded Pack.

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Spiehs, M. J. Lab-Scale Model to Evaluate Odor and Gas Concentrations Emitted by Deep Bedded Pack Manure. J. Vis. Exp. (137), e57332, doi:10.3791/57332 (2018).

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Abstract

Un modello in scala di laboratorio simulato bedded pack è stato sviluppato per studiare la qualità dell'aria e la composizione nutrizionale di profondo-bedded Pack utilizzati in impianti mono-pendio di bestiame. Questo protocollo è stato usato per valutare efficacemente molti materiali da lettiera diverse variabili ambientali (temperatura, umidità) e potenziale trattamenti di mitigazione che possono migliorare la qualità dell'aria nelle strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Il modello è dinamico e permette ai ricercatori di raccogliere facilmente molte misurazioni chimiche e fisiche dal pack a due letti. Misure settimanale, raccolte nel corso di sei o sette settimane, consente di tempo sufficiente per vedere i cambiamenti nelle misure di qualità di aria nel tempo come il pack bedded matura. I dati raccolti dai Pack bedded simulato sono all'interno della gamma di concentrazioni precedentemente misurati in strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Studi precedenti hanno dimostrato che 8-10 unità sperimentale al trattamento sono sufficienti per individuare le differenze statistiche fra i Pack bedded simulati. Le confezioni a due letti sono facili da mantenere, che richiede meno di 10 minuti di lavoro per letti pacchetti per settimana per aggiungere delle urine, feci e biancheria da letto. Raccolta dei campioni utilizzando il sistema di campionamento del gas richiede 20-30 minuti per confezione a due letti, a seconda delle misure che vengono raccolti. L'uso di confezioni a due letti in scala laboratorio consente al ricercatore di controllo variabili quali temperatura, umidità e fonte di biancheria da letto che sono difficili o impossibili da controllare in una ricerca o la funzione commerciale. Mentre non una perfetta simulazione delle condizioni "reali", il simulato bedded Pack servire come un buon modello per i ricercatori a utilizzare per esaminare le differenze di trattamento tra confezioni a due letti. Diversi studi su scala di laboratorio possono essere condotta per eliminare possibili trattamenti prima di provare in una ricerca o la struttura delle imprese di dimensioni medie.

Introduction

Strutture di confinamento di bovini da carne sono un'opzione di alloggio popolare nel Midwest e Upper Great Plains. Strutture di confinamento sono più comuni in questa regione di pianure meridionali perché la regione riceve più precipitazione annuale, che crea più deflusso di foraggio che deve essere contenuto. Molti produttori ha scelto di costruire fienili mono-pendio per bovini da carne. Principali motivi citati dai produttori per la selezione di una struttura mono-pendio era la capacità di pianificazione del lavoro e letame rimozione e prestazioni migliorate rispetto per aprire sacco feedlot1. Una maggioranza dei produttori di bestiame (72,2%) utilizzando mono-pendio fienili mantenere un pack a due letti per un turno di bestiame o più, utilizzando un sistema di gestione di profondo-biancheria da letto per biancheria da letto e1di rifiuti. Il più comune materiale di biancheria da letto usato è paglia di mais, anche se report produttori utilizzando stoppie di soia, paglia del frumento, pannocchie di mais e segatura1. A causa della domanda regionale per biancheria da letto di paglia di mais, molti produttori sono stati interessati a materiali alternativi biancheria da letto che potrebbero essere utilizzati in mono-pendio strutture. Oltre a economia e comfort degli animali, i produttori interrogato come il materiale di biancheria da letto avrebbe un impatto dell'ambiente della struttura, tra cui la produzione di gas odorosi, composizione nutrizionale della risultante letame/biancheria da letto e la presenza di agenti patogeni.

Pochi studi sono stati condotti per misurare la qualità dell'aria derivanti dalla biancheria da letto di diversi materiali utilizzati nella custodia di bestiame, con la maggior parte concentrandosi solo su ammoniaca. La maggior parte delle precedenti valutazioni della qualità dell'aria includono la raccolta dei dati in azienda con uno o due unità sperimentale per trattamenti analizzati contemporaneamente2,3,4,5. Avendo limitato il numero di unità sperimentali richiede lo studio deve essere ripetuto più volte, aggiungendo così ulteriori variabili quali condizioni meteorologiche, età o fase della produzione di animali, e forse biancheria da letto materiali prodotte in diverse stagioni di crescita .

Con nessun modello in scala di laboratorio noto per studiare i fattori che influenzano la qualità dell'aria e composizione nutrizionale di biancheria da letto/concime miscela derivanti da strutture mono-pendio profondo-bedded manzo, i ricercatori in primo luogo ha tentato di utilizzare strutture commerciali bestiame utilizzando un sistema profondo-letti6,7,8. Alloggiamenti di flusso statico erano usati per misurare le concentrazioni di NH3 sulla superficie delle strutture mono-pendio profonda bedded bestiame nel corso di un periodo di 18 mesi6. Due penne in ciascuna delle due fienili sono stati misurati. Stocchi di mais tritati erano il materiale preferito biancheria da letto, ma steli di paglia e soia di frumento sono stati utilizzati anche per biancheria da letto durante brevi periodi di questo progetto. Biancheria da letto uso variato da 1,95-3,37 kg a giorno e penna densità ha variata da 3,22-6.13 m2 per animale per animale. Studi successivi hanno misurato le emissioni di ammoniaca e acido solfidrico dal fienile7e le concentrazioni di particolato fuori il fienile8. Questi studi sono stati condotti su un periodo di 2 anni utilizzando da due a quattro posizioni di granaio. La sfida con la raccolta dei dati in azienda è la mancanza di controllo che la ricerca ha sopra il sistema. Produttori cambiare la dieta del bestiame, spostare gli animali da penna a penna, utilizzare materiali da lettiera da diverse fonti e pulita e ri-letto penne come loro produzione e forza lavoro permette, così molte variabili di confusione. Azienda agricola ricerca coinvolge anche le spese di viaggio e grandi quantità di trattamenti sperimentali (ad esempio materiale da lettiera). L'obiettivo di questo progetto era di sviluppare un modello di scala di laboratorio che possa essere utilizzato per studiare i fattori che influenzano la qualità dell'aria e gestione degli elementi nutritivi in strutture di bestiame profondo-bedded mono-pendenza.

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Protocol

Lo studio è progettato per essere condotto oltre 42 giorni con raccolta dati settimanali. Tutte le procedure di animali erano esaminate e approvate dal comitato di uso e noi carne animale ricerca centro istituzionale Animal Care.

1. costruzione simulata Bedded Pack

  1. Iniziare con i contenitori di cilindro di plastica che sono 0,42 m di altezza con un diametro di 0,38 m.
    Nota: In questo studio, un contenitore particolare trash commerciale di 10-gallon è stato usato (veda Tabella materiali), ma altri contenitori di plastica di dimensioni simili sarebbe adatto.
  2. Sei 1 cm fori equidistanti intorno alla circonferenza del contenitore plastico in ogni contenitore di plastica circa 5 cm parte superiore del contenitore plastico. Rimuovere eventuali residui di plastica dal contenitore.
  3. Tara del contenitore in plastica e registrare la massa sul lato del contenitore in plastica. Pesare 320 g di materiale di assestamento selezionato in padella pesare usando una bilancia e aggiungere biancheria da letto di materiale per il contenitore di plastica.
    Nota: Qualsiasi materiale di assestamento ritenuti idonei per uso in strutture di allevamento può essere usato9,10,11,12,13,14,15. Per la modellazione di strutture profonde bestiame a due letti in Upper Great Plains, residui del mais sono considerato il più comune materiale di biancheria da letto1 ma stover soia, paglia di grano, e trucioli di legno sono anche stati usati1. Se usando questo sistema a strutture suina o prodotti lattiero-caseari modello profondo-bedded, paglia di grano, orzo paglia, paglia di avena, fieno, trucioli di legno, trucioli di legno, segatura, giornale, pannocchie di mais, paglia di soia, riso scafi, o sabbia può essere più adatto16,17 ,18.
  4. Pesano 320g di bestiame fresco feci su una plastica piastra usando equilibrio e aggiungere al contenitore di plastica.
    Nota: Urina e le feci sono raccolti e mantenute come descritto in precedenza11.
  5. Misura 320 mL di urina fresca bestiame nel cilindro graduato 1000 mL. Vuoto contenuto nel contenitore di plastica. Con una bacchetta (5,08 cm di circonferenza), mescolare la miscela di materiale di biancheria da letto leggermente per 30 s.
    Nota: In questo caso, è stato utilizzato un cavo tondino d'acciaio con una copertura di plastica sull'estremità. In alternativa, potrebbe essere utilizzato qualsiasi tipo di asta.
  6. Pulire l'estremità della bacchetta tra ogni confezione letti usando un batuffolo imbevuto di antisettico disposizione per evitare la contaminazione incrociata dei microbi.
    Nota: Un secchio di acqua saponata calda utilizzabile anche per pulire la bacchetta. Un sacchetto di sandwich di plastica può essere fissato con un elastico alla fine dell'asta e sostituito dopo ciascuna con letti pack per evitare la contaminazione incrociata.
  7. Pesare e registrare la massa finale della miscela di biancheria da letto. Posizionare il contenitore in plastica a camera ambientale19 impostato su una temperatura ambiente di 18-20 ° C con un punto di rugiada di 12 ° C.

2. mantenere il simulato Bedded Pack

  1. Quarantotto ore prima di aggiungere le feci e urina, togliere congelate feci e urina dal freezer e far per scongelare a temperatura ambiente (20-25 ˚ c).
  2. Meno di un'ora prima dell'aggiunta dell'urina bedded Pack, misurare il pH delle urine.
  3. Mettere su appropriati dispositivi di protezione individuale (guanti, occhiali di sicurezza) necessari per la gestione di 6 M NaOH.
  4. Versare 25 mL di 6 M di idrossido di sodio (NaOH) nel cilindro graduato. Mescolare il composto, quindi verificare il pH usando una sonda di pH. Ripetere fino a quando raggiunge l'urina pH 7.4, pH fisiologico20.
  5. Dopo aver regolato il pH delle urine, richiudere il contenitore di urina quando non in uso per evitare la volatilizzazione dell'azoto dall'urina.
  6. Pesare e registrare la massa della confezione a due letti. Se fresca biancheria da letto deve essere aggiunto in questo giorno, pesano 320 g di selezionato materiale da lettiera nella vaschetta di alluminio con equilibrio e aggiungere materiale di assestamento ai rispettivi letti Pack. Se alcuna biancheria da letto deve essere aggiunto in questo giorno, continuare a punto 2.7.
  7. Pesano 320g di bestiame scongelato feci su una plastica piastra usando equilibrio e aggiungere al pack a due letti.
    Nota: Il giorno 21, utilizzare feci fresche invece feci scongelate.
  8. Misura 320 mL di urina di bovini scongelati nel cilindro graduato 1000 mL. Contenuto vuoto sulla confezione a due letti.
    Nota: Il giorno 21, utilizzare l'urina fresca invece di urina scongelato.
  9. Con una bacchetta, mescolare la miscela di confezione di biancheria da letto leggermente per 30 secondi. Pulire l'estremità in plastica della bacchetta tra ogni confezione a due letti per evitare la contaminazione incrociata dei microbi. Pesare e registrare la massa finale della miscela di biancheria da letto.
  10. Restituire il contenitore di plastica in camera climatica.
  11. Ripetere i passaggi 2.1-2.10 il lunedì, mercoledì e venerdì di ogni settimana, con biancheria da letto materiale aggiunto (passo 2.6) e campioni di aria raccolti ogni mercoledì.

3. raccolta dei campioni dai Pack Bedded simulati

Nota: Campioni vengono raccolti dai Pack bedded simulato una volta alla settimana, prima dell'aggiunta di feci, urina e lenzuola fresche.

  1. Preparando a raccogliere campioni di aria da spazio di testa di ogni pack bedded simulato.
    1. Accendere tutte le apparecchiature di campionamento aria e lasciarlo per riscaldare secondo le indicazioni del produttore, circa 1 ora.
      Nota: Vedi Tabella materiali per ammoniaca (NH3), solfuro di idrogeno (H2S), metano (CH4), protossido di azoto (N2O) e gli analizzatori di gas di anidride carbonica (CO2) utilizzati in questo studio.
    2. Misurare la distanza dalla parte superiore della confezione bedded simulata alla parte superiore del contenitore di plastica che tiene il pack bedded simulato usando un righello.
    3. Calcolare il volume dell'area dello spazio di testa utilizzando la seguente formula:
      Equation 1
      dove r = raggio del contenitore plastico,
      h = distanza dalla parte superiore della confezione letti alla parte superiore del contenitore plastico, e
      Vcamera di flusso = volume della camera di flusso si trova sulla parte superiore del contenitore in plastica.
      Nota: Gli alloggiamenti di flusso utilizzati in questo studio avevano un volume interno di 0,007 m3 con una superficie di 0,064 m21,22.
    4. Spingere un palo di metallo circa 5 cm nella superficie della confezione a due letti al centro approssimativo della confezione. Tubazione inerte di 0,64 cm attraverso uno dei fori di 1 cm nella parte superiore di ogni contenitore di pack bedded simulato e sicuro su un palo di metallo 12,5 cm 1,3 cm sopra la superficie della confezione biancheria del filetto. Posto in acciaio inox emisferica flusso statico chambers21,22 con gonne di gomma in cima a ogni confezione bedded simulato (Figura 1).
      Nota: Gonne in gomma sono 61 cm quadrati in gomma morbida, elastica con fori del diametro di 22,9 cm tagliati al centro. Il foro si adatta sopra la camera di flusso e le gonne formano una guarnizione sulla parte superiore del contenitore di plastica quando sono immessi sul contenitore.
    5. Fissare il tubo inerte 0,64 cm per gli alloggiamenti di flusso utilizzando raccordi a compressione inerte.
      Nota: La tubazione inerte è collegata al collettore di campionamento di gas che alimenta l'apparecchiatura di campionamento aria. Sistema di campionamento del gas è controllato da un relè di logica programmabile 24 volt (Vedi Tabella materiali) che segnali multi-posizionali 3 vie solenoidi per aprire e chiudere una delle linee di ingresso aria otto sul collettore di campionamento di gas. Una linea viene aperta in un momento per consentire per il campionamento aria individuale da ogni confezione a due letti.
    6. Iniziare lo svuotamento dell'aria ambiente dalla camera attraverso la tubazione ad un tasso di 5 L min-1 per 30 minuti.
      Nota: Vedi Tabella materiali per pompa utilizzata per svuotare l'aria attraverso le linee di sezione.
  2. Misurare la concentrazione di ammoniaca, anidride carbonica, metano e solfuro di idrogeno in spazio di testa di confezioni bedded simulati.
    1. Dopo adeguatamente vampate di calore il simulato bedded Pack, aprire il rubinetto sulla linea di campione per aspirare aria ambiente dalla camera in inerte campione linee collegate al collettore di campionamento di gas.
    2. Attivare il relè di logica programmabile per iniziare tirando in aria l'apparecchiatura di campionamento aria. Valori di misurazione da aria ambiente per 20 minuti determinare la concentrazione di gas misurata nell'aria ambiente. Questo fungerà da una concentrazione di aria di fondo. Al termine di concentrazione nell'aria ambiente di raccolta, chiudere il rubinetto di intercettazione sulla linea del campione.
    3. Attivare il relè di logica programmabile per iniziare il campionamento aria dalle linee campione inerte assegnati ogni sezione di flusso. Valori di misurazione da ogni riga di esempio per 20 minuti determinare le concentrazioni di gas misurati in spazio di testa di ogni confezione a due letti.
    4. I risultati possono essere riportati come la concentrazione media del gas (NH3, CO2, N2O, CH4, H2S) nei campioni di aria (mg kg-1 o ppm), o la densità di flusso (tasso di emissione) del gas può essere calcolata su una massa per unità di zona a base di tempo unità utilizzando la seguente equazione:
      Equation 2
      dove J = il flusso in µ g m-2 min-1,
      A = area della sorgente (m2) all'interno della camera,
      Q = la sweep aria flusso tasso m3 min-1, e
      Caria = la concentrazione di COV lasciando la camera (µ g m-3)23.
  3. Misurare la concentrazione di composti organici volatili odorose in spazio di testa di confezioni bedded simulati.
    1. Mettiti i guanti monouso in lattice o nitrile.
    2. Dopo adeguatamente vampate di calore il simulato bedded Pack, è possibile rimuovere tappi in ottone deposito dai tubi sorbente precondizionati in acciaio inox.
      Nota: I tubi sorbenti utilizzato in questo studio sono stati 89 mm × 6,4 mm che od riempito con Tenax TA sorbente (Vedi Tabella materiali). Tappi in ottone hanno puntali di polythtrafluorethylene (PTFE).
    3. Allegare alla fine ha ottenuta del tubo assorbente per la porta di ingresso sulla camera di flusso usando tubi flessibili in gomma e l'altra estremità del tubo assorbente per una pompa a vuoto.
      Nota: La pompa a vuoto utilizzata in questo studio (Vedi Tabella materiali) tirato aria attraverso i tubi assorbenti ad una portata di 75 mL min-1.
    4. Lasciare la pompa tira aria nel tubo assorbente per 5 min per un volume di campione da 0.375 L, quindi spegnere la pompa e scollegare il tubo assorbente. Sostituire i tappi di deposito di ottone alle estremità dei tubi sorbenti.
    5. Ripetere i passaggi 3.3.1 - 3.3.4 per raccogliere un tubo assorbente per ogni confezione a due letti.
    6. Archivio tubi sorbente fino all'analisi di desorbimento termico-gas cromatografo--spettrometria di massa (TD-GC-MS). Tubi possono essere conservati a temperatura ambiente (20-25 ˚ c) per < 24h. Se archiviazione > 24 h, conservare in frigorifero.
    7. Immediatamente prima dell'analisi dei campioni sul sistema TD-GC-MS, togliere i tappi in ottone deposito dai tubi sorbente e sostituire con PTFE tappi analitica23.
    8. Analizzare assorbente tubi per composti organici volatili24 (acido acetico, acido butirrico, acido propionico, acido isobutirrico, acido isovalerico, acido valerico, acido esanoico, acido eptanoico, fenolo, p-cresolo, indolo, scatolo, solfuro dimetilico e dimetil trisolfuro di commercio) utilizzando TD-GC-MS23,24,25.
    9. I risultati possono essere riportati come concentrazione di VOC nei campioni di aria (µ g m-3), o la densità di flusso (tasso di emissione) della VOC può essere calcolata su una massa per unità di superficie a base di tempo unità utilizzando la seguente equazione:
      Equation 2
      dove J = il flusso in µ g m-2 min-1,
      A = area della sorgente (m2) all'interno della camera,
      Q = la sweep aria flusso tasso m3 min-1, e
      Caria= la concentrazione di COV lasciando la camera (µ g m-3)23.
  4. Raccogliere le misurazioni fisiche e chimiche delle confezioni bedded simulate.
    Nota: Temperatura, pH e perdita di acqua per evaporazione sono misurati ogni volta materiali aggiuntivi sono stati aggiunti ai Pack bedded simulato. Composizione nutrizionale è determinato al giorno 0 e 42 giorni. Spazio libero di aria è determinato solo al giorno 42.
    1. Determinare la temperatura del pacco a due letti con l'inserimento di una sonda di temperatura al centro della confezione a due letti, circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione bedded simulata. Lasciare che la temperatura stabilizzare e registrare.
    2. Determinare la perdita di acqua per evaporazione stimato
      1. Posizionare il contenitore di plastica sulla bilancia.
      2. Misurare e registrare la massa della confezione bedded simulata prima e dopo ogni aggiunta di feci/urina/biancheria da letto, il Pack bedded simulato.
      3. Calcolare la perdita di acqua per evaporazione stimato sottraendo messa di inizio del giorno corrente dalla massa finale del giorno precedente. La differenza è la massa stimata di acqua evaporata dal pack letti tra i giorni e può essere utilizzato per confrontare le differenze relative fra letti pack, anche se non riflette in assoluto la perdita.
    3. Determinare il pH di simulato bedded pack
      1. Raccogliere un campione rappresentativo 5-10 g da ogni confezione bedded simulato dal centro della confezione ad una profondità di circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione a due letti. Mettere il campione in una provetta conica di plastica da 50 mL, tappo ed etichetta.
      2. Tarare il pH-metro con pH buffer 4 e 7, secondo le indicazioni del produttore.
      3. Determinare la massa di ogni conica.
      4. Diluire ogni campione 1:2 su una base di massa con acqua distillata e deionizzata. Agitare la conica per mescolare il materiale acqua e biancheria da letto. Inserire la sonda pH la conica, misurare e registrare il pH del campione.
    4. Giorni 0 e 42 solo, determinare contenuto nutriente del pack bedded simulato.
      1. Raccogliere un campione rappresentativo di 50g da ogni confezione bedded simulato dal centro della confezione ad una profondità di circa 7,6 cm sotto la superficie della confezione a due letti. Mettere in un sacchetto di carta del suolo del campione.
      2. Trasporto ad un laboratorio per analisi dei nutrienti entro 24 ore. Conservare in frigorifero fino a quando i campioni possono essere trasportati ad un laboratorio per analisi dei nutrienti.
        Nota: Qualsiasi macro o micro nutrienti possono essere analizzati. Analizziamo per azoto totale26, fosforo e zolfo analisi27 presso un laboratorio commerciale.
    5. Il giorno 42 solo, determinare lo spazio di aria nel pack bedded simulato.
      1. Posizionare il contenitore di plastica su un equilibrio e registrare la massa. Riempire lentamente con acqua fino a quando la superficie dell'acqua è anche con la superficie della confezione bedded simulata. Far riposare fino a che non bolle più stanno arrivando dal pack bedded simulato l'acqua, quindi registrare la massa del contenitore plastico
      2. Determinare la percentuale di spazio libero di aria utilizzando il seguente calcolo:
        Equation 3
  5. Dopo aver completato tutti i desiderata dei dati raccolta i passaggi (passaggi 3.1 - 3.4), aggiungere le feci, l'urina e biancheria da letto ai Pack bedded simulato seguendo passaggi 2.1 - 2.10.

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Representative Results

Fin qui, sette ricerca gli studi sono stati pubblicati9,10,11,12,13,14,15 utilizzando questa procedura, con modifiche e adeguamenti per migliorare il modello e riflettono gli obiettivi degli esperimenti specifici. Questa procedura è stata utilizzata per valutare l'effetto di numerosi materiali da lettiera e temperatura ambiente su odore e produzione di gas, nonché a modifiche che possono essere aggiunti per controllare le emissioni di ammoniaca. Proprietà chimiche e fisiche delle confezioni a due letti sono stati misurati in granai commerciale6,28 , così come nelle confezioni dei letti simulate (tabella 1). Questi dati è stati utilizzati per determinare se il protocollo è stato un modello adatto per integrare costosi in azienda ricerca prove. Dati di qualità di aria ha raccolti da strutture commerciali e simulato bedded Pack utilizzando due metodi diversi (tabella 2). Sistema di campionamento del gas descritto in questo protocollo è la nuova tecnologia che è stata testata e rispetto ai metodi utilizzati in precedenza.

La composizione di sostanza secca del simulato Pack letti erano all'interno della gamma del tenore di sostanza secca pubblicato del materiale bedded pack raccolto da strutture commerciali6,28. La prima volta il protocollo usato11, 400 g di biancheria da letto erano inizialmente è stato aggiunto per le confezioni a due letti con aggiunte successive di 200 g alla settimana di biancheria fresca e 400 g ciascuno di urine e feci aggiunte tre volte a settimana. Questo è stato istituito per simulare commerciale granai in cui più balle di biancheria da letto vengono aggiunti inizialmente e solo uno o due balle aggiunti al pack a settimana da allora in poi. Il rapporto dei rifiuti di biancheria da letto: bestiame è stato stimato utilizzando i dati raccolti da strutture mono-pendio profonda commerciale letti1,6. Alla fine del primo studio, il contenuto di sostanza secca delle confezioni a due letti era simile al contenuto di sostanza secca misurato in letti pacco materiale raccolto da strutture commerciali6,28. Tuttavia, l'osservazione visiva delle confezioni bedded indicato che c'era un sacco di variabilità nella capacità dei materiali di biancheria da letto di trattenere l'acqua. Ad esempio, confezioni a due letti con pannocchie di mais è apparso molto bagnati, ma avevano una sostanza secca contenuto di 27,2 ± 1,5%16, mentre confezioni a due letti con biancheria da letto di paglia di grano è apparso relativamente asciutto, ma ha avuto un secco importa contenuto di 21,2 ± 1,1%11. Per cercare di aumentare il secco contenuto in sostanza i letti Pack per meglio rappresentare commerciale granai6,28, il protocollo è stato regolato leggermente con 320 g di biancheria da letto, delle urine e feci aggiunte quando il pacchetto è stato avviato, tre settimanale aggiunte da 320 g ciascuno di urine e feci e un'aggiunta settimanale di 320 g di materiale aggiunto per i Pack di assestamento. Questo protocollo ha sollevato il contenuto di sostanza secca delle confezioni a due letti, ma era altamente dipendente la biancheria da letto materiale13 usato nell'esperimento e la temperatura delle camere ambientali14. Anche se fosse variabile, il contenuto di sostanza secca delle confezioni bedded simulate erano all'interno della gamma misurata nei granai commerciale in modo che il secondo protocollo è stato utilizzato per tutti gli studi successivi.

La composizione nutrizionale, pack temperatura e pH delle confezioni bedded simulate forniscono ulteriore prova che i Pack bedded simulati sono un buon modello per rappresentare letame bedded Pack in strutture commerciali. N totale, P totale, totale S e K totale sono sempre stati all'interno della gamma del contenuto dei nutrienti misurati da strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti6,28. Compostaggio parziale si verifica nei letti Pack di profondo-bedded strutture mono-pendio, quindi era importante replicare la temperatura delle strutture commerciali nei Pack bedded simulato in scala di laboratorio. Temperatura dei letti Pack in strutture commerciali a letti profondo quando la temperatura dell'aria ambiente era compreso tra 0 e 20,6 ° c era 19,2 ± 0,3 ° c 6. La temperatura nelle camere ambientali è stata fissata a 20 ˚ c per la maggior parte degli studi condotti usando questo protocollo. In questi studi, la temperatura delle confezioni bedded simulate è stato costantemente tra 18,3 e 20,1 ˚ c. L'eccezione a questo è stato quando la temperatura era un fattore che è stato testato in un esperimento fattoriale di tre vie. Due camere ambientali sono state impostate su 40 ˚ c e due erano a 10 ˚ c. In quello studio, la temperatura delle confezioni bedded simulate era 12-13 ˚ c nelle camere di freddo e 32-35 ˚ c negli alloggiamenti più caldi. Ancora una volta, questo riflette commerciale granai, dove le temperature pack erano 15,4 ± 0,4 ° c quando la temperature ambiente erano 0 ˚ c o più freddo e 29.0 ± 0,3 ° c quando la temperatura dell'aria ambiente era maggiore di 20,6 ° c 6. Il pH delle confezioni letti nei granai commerciale utilizzando mais stover letti è stato misurato in uno studio6 e variava da 7.5-8.0. Simulato confezioni a due letti con biancheria da letto di paglia di mais hanno avuto valori di pH di 7.1-7.311,13. Il pH di tutti i Pack bedded simulati ha spaziato da 6,2 a 9.0, che riflette una varietà di materiali da lettiera utilizzati negli esperimenti.

Sistema di campionamento del gas che viene utilizzato in questo protocollo è stato adattato da una serie di studi condotti in allevamenti commerciali, suina e fienili lattiero-caseari come parte di uno studio di monitoraggio di emissioni di nazionale aria29. Questo sistema Elimina aria attraverso la camera di flusso, creando una camera di flusso dinamico che misura la concentrazione dei gas selezionati che vengono emesse per un periodo di 20 minuti. Precedente utilizzando il sistema di campionamento del gas, la concentrazione di steady-vece di NH3 è stata determinata attraverso la raccolta di campioni d'aria da ogni confezione letti utilizzando camere di flusso statico con acidi trappole che contiene 2 mol L-1 acido solforico6, 22. l'aria all'interno della camera è stato riciclato attraverso le trappole acide ad un tasso di 1 L min-1 per 20 minuti. Totale ridotte solfuri sono stati raccolti utilizzando un campionatore portatile. Campioni d'aria erano ricircolati attraverso le camere di flusso statico utilizzando una piccola pompa con una portata di 1 L min per non più di 4 minuti. Un minimo di quattro campioni consecutivi sono stati disegnati da ogni confezione bedded simulato. Le concentrazioni di gas a effetto serra (N20, CO2e CH4) sono state determinate attraverso la raccolta di un campione di 20 mL di aria da ogni confezione bedded simulato utilizzando i setti nella parte superiore di ogni alloggiamento di flusso statico. I campioni sono stati successivamente analizzati utilizzando un cromatografo a gas. Il precedente metodo di raccolta di tutti questi campioni di gas era molto laborioso e richiesto due o tre persone gestire tutte le attrezzature di raccolta. Uso del sistema di campionamento del gas è molto meno laborioso. Una persona è in grado di impostare il sistema di campionamento del gas, avviare il relè programmabili logica e restituire circa 160 minuti più tardi, quando i campioni terminata la raccolta dei dati gas da 8 confezioni bedded simulati.

Il protocollo di campionamento precedente, alta intensità di lavoro i risultati vengono visualizzato, così come i risultati dal sistema di campionamento del gas (tabella 2). A causa della quantità di manodopera necessaria per raccogliere i dati, non tutti i dati è stato in grado di essere raccolti da strutture commerciali. Concentrazione di ammoniaca è stato raccolto utilizzando il metodo acido-trappola dalla superficie dei letti Pack in strutture commerciali mono-pendio e rispetto ai Pack bedded simulato. Le concentrazioni di ammoniaca misurate nelle confezioni dei letti simulate erano costantemente simili a NH3 concentrazioni misurate da letti Pack in strutture commerciali di bestiame. Le concentrazioni di ammoniaca utilizzando il nuovo sistema di campionamento del gas sembrano essere sulla parte bassa delle concentrazioni presenti nelle strutture di bestiame. Che può essere causato dall'analizzatore3 NH o può essere un riflesso dei trattamenti negli esperimenti che utilizzato il nuovo sistema di campionamento del gas. Si potrebbe anche riflettere un più alto tasso del flusso d'aria sopra i Pack bedded simulati rispetto al flusso d'aria nei granai commerciali, che sarebbe diluire la concentrazione dei campioni ammoniaca. Una serie di esperimenti testato l'uso di allume come un emendamento di superficie che può essere applicato ai letti Pack per abbassare il pH di confezione, riducendo così la volatilizzazione dell'azoto come NH3. Anidride carbonica, CH4e N2O non sono stati misurati sulla superficie di un pack letti in strutture commerciali. Tuttavia, l'intervallo di concentrazioni di questi gas misurata in confezioni bedded simulati utilizzando il precedente metodo di cromatografia in fase gassosa e la gamma di concentrazioni misurate utilizzando il sistema di campionamento del gas sono molto simili. Un po' più alte concentrazioni sono state prodotte quando i Pack bedded simulati sono stati alloggiati in una camera di 35 ˚ c ambientale rispetto alla camera del 20 ˚ c, che rappresenta la variabilità degli esperimenti. Confronto tra TRS di solfuro di idrogeno non è un confronto diretto, poiché TRS comprende più di solfuro di idrogeno. Pertanto, non sorprende il fatto che le concentrazioni di TRS da simulato confezioni a due letti sono leggermente superiore di H2S concentrazioni misurate utilizzando il sistema di campionamento del gas. Questo è anche un riflesso degli studi condotti utilizzando i due protocolli di campionamento. Confezioni a due letti che conteneva la biancheria da letto di cedro verde generano molto alto TRS concentrazioni12, mentre quelli che contengono la biancheria da letto di paglia di mais non ha fatto. I campioni raccolti utilizzando il sistema di campionamento del gas sono usati paglia di mais, paglia di grano, stover soia e pino chip biancheria da letto materiali ma senza biancheria da letto di cedro verde.

Commerciale granai1-2 Simulato Bedded Pack3-6
Sostanza secca % 29.99 ± 3.15 16,0 – 36,6 20,8-27,2 22,3 – 26,1 24.0 – 58,0 20,8 – 24,9
Totale N, g kg-1 60.97 ± 13,77 21,2 – 23,6 19,4-28.2 17,8 – 22,3 15.6-18,6 17,8 – 23,8
Totale P, g kg-1 14.13 ± 3.99 6.7 – 7,5 6.2 – 9,6 7.1 – 9,6 6.7 – 8,5 6.2 – 9,6
Totale S, g kg-1 7,88 ± 1,48 5.6 – 6.7 3.6 – 6,5 4.5-5.3 --- 3.6 – 6,5
Totale K, g kg-1 32.74 ± 8,39 15,5 – 21,1 16.3 – 23,1 --- 18,8 – 25,6 16.3 – 25,2
Lignina, g kg-1 --- --- 26,5 – 139.6 49,9 – 136,9 --- 62,6 – 139.6
Cenere, g kg-1 --- 154 - 214 119.3 – 200,5 98,9 – 223.6 --- 119.3 – 200,5
Rapporto c / n --- --- 17,4 – 28.2 20.2 – 29,7 --- 20,6 – 27,5
pH --- 7,5-8 6.2 – 7.2 6.8 – 7,6 8,5-9,0 7.4 – 7,7
Temperatura, ˚ c --- 15.4 – 29.0 18,3 – 19,9 18.4 – 20,0 12,0 – 35,0 19,7 – 20,1
1 Euken, 2009. Deviazione standard come riportato da Euken, 2009 è mostrato. P totale e totale K sono stati calcolati convertendo segnalati P2O5 e K2O composizione, rispettivamente.
2 Spiehs et al., 2011. I dati raccolti da due penne in ciascuna delle due barchesse. Stocchi di mais tritati erano il materiale preferito biancheria da letto, ma steli di paglia e soia di frumento sono stati utilizzati anche per biancheria da letto durante brevi periodi di questo progetto. Biancheria da letto uso variato da 1.95 – 3,37 kg per animale e al giorno e penna densità variata da 3,22 – 6,13 m2 per animale.
3 Spiehs et al., 2012. I dati raccolti da confezioni bedded simulati. Biancheria da letto materiali inclusi residui del mais, fagiolo stover, pannocchie di mais pellettato, paglia di grano, carta, trucioli di legno e segatura.
4 Spiehs et al., 2014b. I dati raccolti da confezioni bedded simulati. Biancheria da letto materiale inclusi paglia di mais, trucioli di legno di pino, cedro bagnato patatine e trucioli di cedro secco.
5 Ayadi et al., 2015b. I dati raccolti da simulato Pack letti utilizzando paglia di mais e stover fagiolo materiale da lettiera. Due temperature sono stati utilizzati (40 ° c e 10 ° c)
6 Spiehs et al., 2017. I dati raccolti da confezioni bedded simulati utilizzando miscele di materiale di assestamento che contiene 0, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100% pino con il restante è mais stover.

Tabella 1. Gamma di sostanza secca segnalato e composizione nutriente (sostanza secca base) del materiale di biancheria da letto/letame da profonde letti mono-pendio strutture commerciali (Euken, 2009 e Spiehs et al., 2011) e da studi conducendo utilizzando il simulato bedded Pack (Spiehs et altri, 2012, 2014, 2017 e Ayadi et al., 2015).

Statico di flusso camera metodo1 Flusso dinamico camera metodo2
Ammoniaca, ppm 95,8 – 641.1 350,8 – 516.7 381 - 1584 386.3 – 502.3 non valido 89,4 – 166,7
TRS, ppb --- 8.2 – 165.9 --- 5.3 – 11,4 ---
Solfuro di idrogeno, ppb --- --- --- --- 0,1 – 18,1
Anidride carbonica, ppm --- 1232 - 2000 2322 - 6917 918 - 1158 957-2149
Metano, ppm --- 2.3 – 3.6 7.2 – 87,0 4.4 – 6.7 3.2 – 16,7
Protossido di azoto, ppm --- 0.67 – 0,72 0,31 – 0,77 0.21-0.23 0,44 – 0,58
1 Spiehs et al., 2011, 2014La, 2015a, 2016a. Dati di questi studi sono stati raccolti utilizzando acidi trappole per ammoniaca, un campionatore portatile di solfuri ridotte totale e un campione dallo spazio di testa di ogni pack bedded simulato analizzati su un gas serra GC per anidride carbonica, metano e protossido di azoto.
2 Questo dati rappresenta tre studi conducendo utilizzando diversi materiali da lettiera e modifiche superficiali per il controllo emissioni di odori e gas. Questi studi sono state conducendo utilizzando il sistema di campionamento del gas e non sono ancora stati pubblicati.

Tabella 2. Gamma di segnalato concentrazioni di ammoniaca, totale ridotto solfuri (TRS), solfuro di idrogeno, anidride carbonica, metano e protossido di azoto da profonde letti mono-pendio delle strutture commerciali (Spiehs et al., 2011) e da studi conducendo utilizzando il simulato confezioni a due letti (Spiehs et al., 2014La, 2016 e Ayadi et al., 2015).

Figure 1
Figura 1. Simulato bedded Pack in contenitori di plastica con acciaio inossidabile flux chambers e scenette di gomma collegati e pronto per il campionamento dell'aria. I pacchetti bedded simulati si trovano all'interno le camere ambientali. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

L'aggiunta frequente di urina e feci ai letti Pack è un passo fondamentale. Abbiamo sperimentato con l'aggiunta di urina e feci solo una volta alla settimana, ma trovato che il pack bedded sviluppato una crosta, che intrappolato gas all'interno del pacco e non era rappresentativo di strutture commerciali. L'uso di feci fresche all'inizio dello studio assicura che i letti Pack viene inoculato con popolazioni batteriche comuni trovati in strutture di bestiame. È anche importante, quando si aggiunge l'urina, per ricordarsi di regolare il pH a pH fisiologico prima dell'aggiunta per i pacchi a due letti. In un'occasione, è stato commesso un errore e urina pH basso è stato aggiunto per le confezioni a due letti. Questo ha ucciso la popolazione di batteri di methanogenic. Quando si configura il sistema di campionamento del gas, tutti i raccordi devono essere sicure per evitare perdite che possono compromettere la qualità delle misurazioni gas.

Il protocollo è stato adattato dal momento che esso è stato sviluppato. Adattando la camera di flusso statico per essere camere di flusso dinamico permette ai ricercatori di calcolare le emissioni invece solo concentrazioni in gas dello spazio di testa. L'uso dei nuovi sistemi di campionamento gas dinamica consente inoltre il campionamento essere completato da una sola persona invece di aver bisogno di due o tre persone per gestire tutta la raccolta di dati.

Gli adattamenti potrebbero essere fatto utilizzare il Pack bedded simulato per valutare materiali da lettiera o emendamenti odore utilizzati in suina o impianti lattiero-caseari. Regolazioni avrebbero bisogno di essere fatto per determinare rapporti di biancheria da letto: concime appropriato tipici in suina o impianti lattiero-caseari. Letteratura pubblicata dovrebbe fornire materia secca e le aspettative di composizione nutriente da commerciale suina o impianti lattiero-caseari che avrebbero aiutato a stimano la quantità di biancheria da letto, feci e urine che avrebbe bisogno di essere necessario per regolare il pack bedded simulato protocollo per rappresentare una struttura suina o prodotti lattiero-caseari. Il protocollo non è stato usato mai per misurare un materiale inorganico biancheria da letto, come la sabbia, che viene spesso utilizzato in impianti lattiero-caseari. Mentre non vi è alcun motivo di credere che non avrebbe correttamente misurare le emissioni di gas da una a due letti confezione contenente materiale di assestamento inorganici, ciò richiederebbe ulteriori test.

Ci possono essere ulteriori gas che potrebbe essere provato che non abbiamo valutato. Qualsiasi strumento di campionamento di gas che può essere collegato a una linea di campionamento gas inerte dovrebbe, in teoria, essere in grado di essere utilizzato con questo sistema.

Il modello potrebbe essere adattato anche per esplorare i rapporti differenti di biancheria da letto: letame se un ricercatore ha scelto di farlo. Forse un ricercatore era interessato a determinare l'importo massimo di letame o di urina che può essere aggiunto a un pack letti prima di odori significativi sono stati rilevati. O un ricercatore ha desiderato esaminare diverse temperature ed umidità effetti sulla qualità dell'aria. Il modello potrebbe essere adattato anche per esaminare questi fattori.

Il protocollo è stato sviluppato per misurare la qualità dell'aria e composizione nutriente da in scala laboratorio bedded Pack in un ambiente controllato ed è stato usato per valutare efficacemente molti materiali da lettiera diverse, variabili ambientali (temperatura, umidità), e potenziali trattamenti di mitigazione che possono migliorare la qualità dell'aria nelle strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Il modello è dinamico e permette ai ricercatori di raccogliere facilmente molte misurazioni chimiche e fisiche dal pack a due letti, tra cui NH3, CH4, N2O, CO2, H2S, VOC, temperatura, pH, composizione nutriente, aria libera spazio e potenzialmente altri che non sono ancora state misurate. Download misure raccolte nel corso di sei o sette settimane consente di tempo sufficiente per vedere le modifiche nelle misure di qualità di aria nel tempo come il pack bedded maturo. I dati raccolti dai Pack bedded simulato sono all'interno della gamma di concentrazioni precedentemente misurati in strutture commerciali del mono-pendio di profondo-letti. Studi precedenti hanno dimostrato che che 8-10 unità sperimentale al trattamento sono sufficienti per individuare le differenze statistiche fra il simulato bedded Pack9,10,11,12, 13,14,15. Le confezioni a due letti sono facili da mantenere, che richiede meno di 10 minuti di lavoro per letti confezione a settimana per aggiungere delle urine, feci e biancheria da letto. Raccolta dei campioni utilizzando il sistema di campionamento del gas richiede 20-30 minuti per confezione a due letti, a seconda delle misure che vengono raccolti. In passato, fino a 20 confezioni a due letti sono stati analizzati da una sola persona in una normale giornata lavorativa di 8 ore. L'uso di confezioni a due letti in scala laboratorio consente al ricercatore di controllo variabili quali temperatura, umidità e fonte di biancheria da letto che sono difficili o impossibili da controllare in una ricerca o la funzione commerciale. Diversi studi su scala di laboratorio possono essere condotta per eliminare possibili trattamenti prima di provare in una ricerca o la struttura delle imprese di dimensioni medie.

Il limite principale del modello è che non si tratta di una simulazione perfetta delle condizioni "reali". È difficile da simulare perfettamente le condizioni commerciali come continuo aggiuntive di urine e feci che si verifica in una struttura di bestiame. Sulla base del tenore di sostanza secca e la sostanza nutriente composizione delle confezioni bedded simulate rispetto a strutture commerciali e la manodopera disponibile nel nostro laboratorio, abbiamo stabilito tre volte settimanali aggiunte di urine e feci per essere sufficiente. Tuttavia, se una modifica potrebbe essere sviluppata per aggiungere periodicamente le feci e l'urina fresca più volte al giorno, che sarebbero meglio simulano l'ambiente commerciale.

Un altro riconosciuto limitazione è l'uso di congelati e scongelate feci e urine. Mentre ogni sforzo è fatto per congelare velocemente l'urina e le feci per impedire la volatilizzazione di qualsiasi crescita batterica e l'azoto, urina e feci raccolte da uno studio sull'equilibrio sono raccolti solo una volta al giorno. Ci vuole un'ora o più per raccogliere, pesare, reimpostare i contenitori di raccolta e partizionare l'urina e le feci. Richiede anche diverse ore per una damigiana di 20 L di urina di congelare completamente, anche dopo essere stato messo in un congelatore-4 ˚ c. Durante questo tempo, volatilizzazione e crescita batterica può verificarsi. Per compensare questo ritardo di tempo tra la raccolta e congelamento, l'urina viene acidificato a pH 4 subito dopo aver tolto il contenitore dall'apparecchio insieme per prevenire la crescita batterica e la volatilizzazione dell'azoto. L'urina viene ripristinato a pH 7, una volta si è scongelato, ma questo potrebbe non essere esattamente lo stesso come l'aggiunta di urina fresca. Tuttavia, come non ci è stati nessun aumento osservato nel volatilizzazione di NH3 dopo l'aggiunta di urina fresca ai letti Pack rispetto ad urina congelato, crediamo che noi abbiamo ridotto al minimo questa limitazione. Popolazioni batteriche vengono uccisi o diminuiti quando feci è congelato. Si tratta di una limitazione riconosciuta del protocollo che abbiamo tentato di ridurre al minimo con l'aggiunta di feci fresche il giorno 0 e 21 giorno.

L'uso di un tondino di acciaio dolce mix che appena aggiunta feci e urina con il materiale di biancheria da letto non possono perfettamente simulare il peso del bestiame in una struttura commerciale, così con conseguente diversa compattezza e capacità di ritenzione idrica. Per tenere conto la porosità delle parti posteriori letti e come un'indicazione dello spazio libero di aria che possono essere presente nella confezione a due letti, acqua è stata versata nei letti Pack alla fine di ogni studio per determinare la percentuale di spazio libero di aria presente in ogni confezione bedded9 < / c 0 >,10,11,12,13,14,15. Spazio libero di aria alloggiato generalmente uniforme da uno studio a altro, ma non è stato confrontato con lo spazio libero di aria che è presente in un impianto commerciale.

Il protocollo non è stato testato con altri tipi specie o di un impianto di bestiame, come cerchi di profondo-bedded suina o svedese profondo-letti da parto strutture, fienili compost lattiero-caseari o altri impianti lattiero-caseari a due letti o qualsiasi tipo di struttura di pollame con biancheria da letto. Mentre sembra che il modello avrebbe il potenziale per essere utilizzato come un modello per altre strutture di allevamento, adattamenti del protocollo possono essere necessari rappresentare adeguatamente qualsiasi struttura di là di un impianto di profondo-letti di bovini da carne.

Mentre il modello non è una simulazione perfetta di strutture commerciali, può offrire un punto di partenza durante la valutazione di fattori quali la biancheria da letto, temperatura, umidità o emendamenti che possono essere aggiunti a un pack a due letti in una struttura di bestiame. Esso consente un ricercatore valutare le differenze di trattamento in un ambiente controllato ed eliminare potenzialmente meno efficaci opzioni di trattamento prima di spendere soldi sulle risorse necessarie per una piena operatività commerciale-taglia.

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Disclosures

Questa ricerca è stata finanziata dai fondi stanziati dal governo federale per l'USDA Agricultural Research Service, numero del progetto di ricerca 3040-41630-001-00D.

Menzione di marchi o prodotti commerciali in questo articolo è solo scopo di fornire informazioni specifiche e non implica raccomandazione o approvazione da parte di USDA.

USDA è un fornitore di pari opportunità e il datore di lavoro.

Acknowledgments

L'autore desidera ringraziare Alan Kruger, Todd Boman, Shannon Ostdiek, Elaine Berry e Ferouz Ayadi che ci ha assistito con raccolta dati mediante i Pack bedded simulati. L'autore riconosce anche Tami Brown-Brandl e Dale Janssen per la loro assistenza mantenendo le camere ambientali.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 gallon plastic cylinder containers Rubbermaid Model 2610 Other similar-sized plastic containers are suitable
Mass balance Any Capable of measuring 0.1 gram
Electric drill with 1 cm bit Any
Methane analyzer Thermo Fisher Scientific Model 55i Methane/Non-methane Analyzer
Hydrogen sulfide analyzer Thermo Fisher Scientific Model 450i
Ammonia analyzer Thermo Fisher Scientific Model 17i
Carbon dioxide analyzer California Analytical Model 1412
Nitrous oxide analyzer California Analytical Model 1412
Programmable Logic Relay TECO Model SG2-020VR-D
Stainless steel flux chambers Any Constructed using the parts list and directions cited at Woodbury et al., 2006
Rubber skits Any Constructed from flexible rubber material. Cut into squares (61 cm x 61 cm) with 22.9 cm diameter hole in center. 
pH meter Spectrum Technologies IQ150
thermometer Spectrum Technologies IQ150
Ruler or tape measure Any Capable of measuring in cm
Sorbent tubes Markes International Tenax TA
Pocket pumps SKC Inc. Series 210
Inert sampling line Teflon 0.64 cm diameter
Pump Thomas 107 series Used to flush air through sample lines

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References

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