Atıksu Alg İyileştirme için Fotosentetik Reaktör Sistemde Ölçeği Karşılaştırılması
Summary
Deneysel metodoloji (100 L), küçük ve büyük (1,000 L) performansını karşılaştırmak depolama atıksu yosun iyileştirme için tasarlanmış reaktörler ölçekli sunulmuştur. hacim oranı, tutma süresi, biyokütle yoğunluğu, ve atık su besleme konsantrasyonları yüzey alanı dahil olmak üzere sistem özellikleri, uygulamaya göre ayarlanabilir.
Abstract
Deneysel metodoloji atıksu arıtma için tasarlanmış iki farklı büyüklükte reaktörlerin performansını karşılaştırmak için sunulmuştur. Bu çalışmada, amonyak çıkarma azot giderme ve yosun büyümesi depolama atık suyun alg iyileştirme için tasarlanmıştır (100L) ve küçük (1,000 L), büyük reaktörler eşleştirilmiş setlerinde 8 haftalık bir süre boyunca karşılaştırılır. Her haftalık test aralığının başlangıcı iki ölçek arasında eşit başlangıç koşulları sağlamak için önce küçük ve büyük ölçekli reaktörlerde içeriği karışık. hacim oranı, tutma süresi, biyokütle yoğunluğu, ve atık su besleme konsantrasyonları yüzey alanı dahil olmak üzere sistem özellikleri, daha iyi her iki ölçekte meydana gelen koşulları eşitlenmesi için ayarlanabilir. Kısa 8 haftalık temsilcisi süre zarfında, başlangıç amonyak ve toplam azot konsantrasyonu sırasıyla 3,1-14 mg NH3-N / L, ve 8,1-20,1 mg N / L, arasında değişmektedir. arıtma sisteminin performansı değerlendirilmiştir dayalıkabiliyeti amonyak ve azot oranına çıkarılması ve alg biyokütlesinin üretilmesi için. Amonyak kaldırma standart sapma, toplam azot giderimi ve biyokütle büyüme oranları ortalama ±, 0.02 ± 0.03 g biyokütle / L / gün 0.95 ± 0.3 mg NH3-N / L / gün, 0.89 ± 0.3 mg N / L / gün vardı ve sırasıyla. Tüm gemiler, ilk amonyak konsantrasyonu ve amonyak kaldırma oranı arasında pozitif bir ilişki (= 0.76 R2) gösterdi. Laboratuar ölçekli deney verileri, ticari ölçekli üretim değerlerinin önceden için uygun olan, farklı ölçek reaktörlerde ölçülen işlem verim ve üretim değerlerinin karşılaştırması belirlenmesinde yararlı olabilir.
Introduction
büyük ölçekli uygulamalarda tezgah ölçekli verilerin Çeviri biyoproseslerde ticarileştirilmesi önemli bir adımdır. Küçük ölçekli reaktör sistemlerinin, mikroorganizmaların kullanımı üzerine odaklanan özellikle üretim verimleri, sürekli olarak, genel olarak endüstriyel ölçekli sistemler, 1, 2, 3, 4 meydana gelen verim önceden gösterilmiştir. Zorluklar da biyoyakıt üretimi için, bu tür kozmetik ve ilaç gibi değeri yüksek ürünler, üretim amacıyla büyük sistemlere laboratuvar ölçeğinden yosun ve siyanobakteriler fotosentez ekimi ölçeklendirme var, ve atık su tedavisi için. Büyük ölçekli alg biyokütle üretimi için talep biyoyakıt, ilaç / nutrasötikler ve hayvan yemi 5 yosun için ortaya çıkan sanayi ile büyüyor. açıklanan metodolojiBu el yazması biyokütle büyüme oranı ve besin giderimi üzerine bir fotosentez reaktör sisteminin ölçeğini artırarak etkisini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Burada yer alan sistem yosun sızıntı suyunun atık düzeltmek için, ancak çeşitli uygulamalar için adapte edilebilir kullanır.
büyük ölçekli sistemlerin üretim verimleri genellikle küçük ölçekli deneyler kullanılarak tahmin edilmektedir; Ancak, birçok faktör ölçekli biyoprosesler performansını etkilediği gösterilmiş olduğu gibi, bu tahminler doğruluğunu saptamak için dikkate alınmalıdır. Örneğin, (2004) Junker 30 L Pilot- ya ticari ölçeklerde gerçek verimliliği değerlerinin küçük kullanılarak tahmin hemen hemen daima daha düşük olduğunu göstermiştir 19.000 L aralığındaki, sekiz farklı büyüklükte fermentasyon reaktörlerin bir karşılaştırma sonuçları sunulmaktadır ölçeğindeki çalışmalar 4. damar boyut, karıştırma gücü, ajitasyon türü, besin kalitesi ve gaz transferi eşitsizlikler olduğu tahmin edildiverimlilik azaldı 4 sebeplerinin başında. Benzer şekilde, ölçek 6 arttırıldığı zaman biyokütle büyümesi ve biyokütle ilgili ürünler hemen hemen her zaman düşük olduğu yosun büyümesi reaktörlerde gösterilmiştir.
Biyolojik, fiziksel ve kimyasal faktörler bu faktörlerin bir çok 7, küçük ölçeklerde farklı daha büyük ölçekte 2 mikrobiyal aktiviteyi etkileyen ile bir reaktör boyutuna sahip değişir. Böyle oluk havuzları gibi yosun için en tam ölçekli sistemleri, yana, dışarıda var, dikkate alınması gereken bir biyolojik faktör mikrobiyal türler ve bakteriyofajlar mevcut mikrobiyal türlerin değiştirebilir ve böylece mikrobik işlevi olabilir, çevreye tanıttı olmasıdır sistemi. mikrobiyal topluluğun etkinliği aynı zamanda ışık ve sıcaklık gibi çevresel faktörlere karşı duyarlı olacaktır. gazları ve Akışkan hareketinin kitlesel transferleriMikrobiyal proseslerin ölçek kadar etkilenir fiziksel faktörlerin örnekleri. küçük reaktörlerin ideal karıştırma sağlanması kolaydır; Ancak, artan ölçek ile, ideal karıştırma koşulları mühendisi bir sorun haline gelmektedir. Daha büyük ölçeklerde de, reaktör kütle transferi 2 ölü bölgeleri, ideal olmayan karıştırılması ve azaltılmış verim olması daha olasıdır. yosun fotosentetik organizmalar olduğundan hacmini artırırken, ticari büyüme nedeniyle su derinliği ve yüzey alanı değişikliklere radyasyona maruz kalmasına değişimlerini hesaba katmak zorundadır. Yüksek biyokütle yoğunluğu ve / veya düşük kütle transfer hızlarını CO biyokütle büyümesi, 8 inhibisyonu ile sonuçlanabilir, her ikisi de 2 konsantrasyonları ve artan O 2 konsantrasyonlarda azalmasına neden olabilir. Bir yosun büyüme sisteminde kimyasal faktörler dolayısıyla böyle çözünmüş CO olarak pH tamponlama bileşikleri değişikliklerden etkilenen su ortamında 2, pH dinamikleri tarafından tahrik edilmektedir <sub> 2 ve karbonat türleri. Bu faktörler genellikle öngörülemeyen biçimlerde 9, biyolojik, fiziksel ve kimyasal faktörlerin karmaşık etkileşimleri tarafından birleştirilir.
Bu çalışma düzenleyen ve iki farklı ölçeklerde damarlarda büyüme koşullarını karşılaştırmak için tasarlanmış bir eşleştirilmiş reaktör sistemini sunuyor. Deney protokolü sızıntı suyu arıtma ve yosun büyüme ölçülmesi üzerinde duruluyor; Ancak, tür zamanla mikrobiyal topluluğun değişiklikler veya yosun CO2 haciz potansiyeli gibi diğer ölçümleri izlemek için adapte edilebilir. Burada sunulan protokol bir sızıntı suyu arıtma sisteminde alg büyüme ve azot giderimi üzerine ölçek etkisini değerlendirmek üzere tasarlanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sistem performansı:
8 haftalık çalışma boyunca, bir sistem içinde küçük ve büyük ölçekli damarların verimliliği karşılaştırıldı. Bu çalışmada azot ve amonyak kaldırma oranları ve biyokütle büyüme oranlarında arıtma sisteminin verimlilik ölçütleri olarak kullanılmıştır. Sistem, her hafta ayrı koşullar altında çalıştırılan bir yarı-parti reaktöründe olarak çalıştırıldı. Temsilcisi sonuçları sistem operasyonun ilk 8 hafta boyunca, ancak bir …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar kendi bilgi ve sızıntı suyu paylaşmak için Felton, DE Sandtown Landfill teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| Aquarium Tank | Any 100+L aquarium tank with optically clear glass can be used | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Overhead mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Plastic or glass, lab grade, 125-200mL | |
| Transfer Pumps | Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen – Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45µm filters |
References
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. d. C., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. . Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , (2008).
- Clesceri, L. S., et al. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- . . Statistics for Macintosh v.23.0. , (2015).
- Devore, J. L. . Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
