Diese Forschung wird unterstützt durch das USDA durch die National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), Grant Number 2007-35504-05381 unterstützt; durch Grant No. 58872 von NYSERDA und NYC-123444 durch die Cornell University Agricultural Experiment Station der föderalen Formel Mitteln aus dem USDA NIFA.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Die anaerobe Vergärung System in diesem Artikel vorgestellten bietet eine allgemeine Einführung und einige grundlegende Richtlinien für die Behandlung von den meisten Substraten in einem experimentellen Kontext. Die Vielfalt der Arten Substrat, Fermenter-Konfigurationen, Betriebsparameter und auch die einzigartige Ökologie des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft hinter diesen Systemen schließt umreißt harte quantitative Kennzahlen, die universell eingesetzt werden können. Trotz all dieser Variabilität, folgen a...

Vergärung (AD) ist eine ausgereifte Technologie mit den biologisch vermittelte Umwandlung von komplexen organischen Abfälle in nützliche Substrate Biogas mit Methan als Energieträger. Es gibt viele Vorteile der anaeroben Behandlung, einschließlich der minimalen Energie-und Nährstoffzufuhr und reduzierte Biofeststoffe Produktion im Vergleich zu aeroben Behandlung 10. Darüber hinaus macht die Vielseitigkeit des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft innewohnenden zu diesen Systemen eine Vielzahl von organischen Substraten geeignet als Einsatzstoffe 11,12. Tatsächlich ist es aufgrund dieser Vorteile, dass eine wachsende Zahl von Anwendungen für die AD wird außerhalb der konventionellen kommunalen Abwasserreinigung, insbesondere in den industriellen, städtischen (zB Speisereste), 4,7,13 und Landwirtschaft verabschiedet. AD erlebte seine erste große Verbreitung zu Beginn in den 1980er Jahren als Reaktion auf die nationale Energiekrise des vergangenen Jahrzehnts. Die Welt steht vor einer wachsenden globalen Energiekrise,gekoppelt mit Umweltzerstörung, wird mehr Aufmerksamkeit nun auf Biokraftstoff-Technologien und dem Waste-to-Energie-Konzept insbesondere platziert. Zum Beispiel in den USA, können anaerobe Vergärung erzeugt 5,5% der gesamten elektrischen Energie benötigt 8. Dies hat die Nachfrage nach gut kontrollierten experimentellen Forschung an der Pilot-und Labor-Maßstab vergrößert, um die Eignung der neuen organischen Reststoffen und Abfällen Mischungen für die anaerobe Vergärung 14 zu beurteilen. Wir beabsichtigen, ein generisches Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab anaeroben Faulbehälter, die als geeignet für robuste Abschätzungen liefern. Biogasanlagen gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Ein paar gemeinsame Konfigurationen beinhalten die: Tankreaktor (CSTR) mit kontinuierlicher Zulauf Fütterung kontinuierlich gerührt; ständig gerührt Faulbehälters (CSAD) mit periodischen Zulauf Fütterung; Plug-Flow (PF), Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB); anaeroben wandernde Decke Reaktor (AMBR); anaeroben Reaktor verwirrt (ABR) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9,15. Der CSTR und CSAD Konfiguration wurden weitgehend für Labor-Experimente durch seine einfache Einrichtung und günstigen Betriebsbedingungen angenommen. Durch kontinuierliches Mischen, ist die hydraulische Verweilzeit (HRT) gleich der Schlammverweilzeit (SRT). Die SRT ist die wichtige Design-Parameter für ADS. Die Konfiguration ist auch förderlich für kontrollierte Experimente, weil eine größere räumliche Gleichförmigkeit von Parametern, wie z. B. chemische Spezies Konzentration, die Temperatur und Diffusionsraten. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die optimale Full-Scale-Konfiguration für eine anaerobe digester auf den speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften des organischen Substrats unter anderem nicht-technische Aspekte, wie Soll Ablaufqualität abhängt. Zum Beispiel, verdünnen Abfallströme mit relativ hohen Gehalt löslichen organischen und little Partikel, wie zB Abwasser in der Brauerei, in der Regel mehr erleben Energieumwandlung in einem High-Rate Upflow Bioreaktor-Konfiguration (zB UASB) statt einer CSAD Konfiguration. Unabhängig davon gibt es grundlegende Betriebsparameter, die wesentlich für erfolgreiche Verdauung und relevant für alle Konfigurationen, die eine generische Explikation mit dieser Konfiguration zu rechtfertigen sind. In der Tat wird jeder Anzeige-System enthält eine vielfältige, offene Gemeinschaft von anaeroben Mikroben seriell verstoffwechseln das Substrat zu Methan (das letzte End-Produkt mit der niedrigsten verfügbaren freien Energie pro Elektron). Die Stoffwechselwege in diesen Prozess eingebunden bilden ein komplexes Nahrungsnetz locker in vier trophische Stufen eingeteilt: Hydrolyse, Säurebildung; Acetogenese; und Methanogenese. In Hydrolyse werden von organischen Polymeren (z. B. Kohlenhydrate, Lipide und Proteine) bis auf die jeweiligen Monomere (z. B. Zucker, langkettige Fettsäuren und Aminosäuren) durch hyd defektrolyzing, fermentative Bakterien. In Acidogenese, werden diese Monomere von säurebildenden Bakterien flüchtigen Fettsäuren (VFAs) und Alkohole, die im Acetogenese, ferner zu Acetat und Wasserstoff werden homoacetogenic und obligatorische Wasserstoff-produzierenden Bakterien oxidiert, respektvoll 5 fermentiert. Im letzten Schritt der Methanogenese werden Acetat und Wasserstoff zu Methan und acetoklastische hydrogenotrophe methanogenen metabolisiert. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Gesamtanzahl AD-Prozesses, indem auf eine miteinander verbundene Reihe von Stoffwechsel von verschiedenen Gruppen von Mikroben, werden über die erfolgreiche Funktion jedes Elements ab, bevor das System als Ganzes optimal ausführen soll. Die Konzeption und den Bau eines AD-Bioreaktor-System sollte immer in Betracht ziehen, um die Anforderung vollständig zu versiegeln den Bioreaktor. Klein Löcher in der Oberseite des Bioreaktors (Trennen des Headspace) oder in der Gasphase-Handling-System kann es schwierig sein zu erkennen, und daher sollte das System Druckunterschiedesicher, dass vor dem Einsatz überprüft. Nachdem sichergestellt wurde, eine leckfreie Setup, Ausfälle mit anaeroben Faulbehälter Studien resultieren oft aus Fehlern bei der Impfung, Kultivierung, und Tag für Tag den Betrieb. Als Ergebnis haben Fermenter einen Ruf als intrinsisch instabil und anfällig für unerwartete Ausfälle. Warum ist es dann, dass Full-Scale Fermentern unter stabilen Bedingungen für Jahrzehnte 13 operiert worden? Das Scheitern ist wahrscheinlich durch unsachgemäße Handhabung durch den Bediener ergeben sich, vor allem während des Starts, während der die mikrobielle Gemeinschaft langsam auf die organischen Abfälle Zusammensetzung und Stärke muss akklimatisieren. Deshalb ist es unser Ziel, nicht nur eine Methodik für den Aufbau eines AD-System bieten, sondern auch Aufklärung der Prozesse der Impfung, den Betrieb und die Überwachung dieser Systeme. Der erste Abschnitt des Artikels wird erklärt, wie die CSTR oder CSAD System zu konstruieren, während der zweite Abschnitt wird ein Verfahren für die Fermenter aktive Impfung mit methanog bietenENIC Biomasse. Es ist praktischer und weniger zeitaufwendig zu Faulbehälter mit aktiver Biomasse aus methanogenen impfen die Mixed-Schnaps oder Abwasser eines Betriebssystems Kocher, der eine ähnliche Behandlung von Substrat, als zu versuchen, um eine ausreichende Biomasse aus einer beginnenden Kultur entwickeln wird. Der dritte Abschnitt des Artikels wird decken die Überlegungen, wie Fütterung Substrat, Dekantieren Abwasser und Behebung verschiedener Probleme Reaktor. Zuführen Substrat und Dekantieren Abstrom für dieses System wird auf der semi-kontinuierlicher Basis durchgeführt werden (dh periodische Zuführen und Dekantieren, während die meisten der Biomasse und gemischte Flüssigkeit bleibt im Bioreaktor). Die Häufigkeit, in der die digester gefüttert / dekantiert ist das Vorrecht des Betreibers. In der Regel wird Fütterung / Dekantieren häufiger und in regelmäßigen Abständen für eine stärkere Fermenter Stabilität und Konsistenz in der Leistung zwischen Fütterung Zyklen. Der vierte Abschnitt stellt eine grundlegende Monitoring-Protokoll, um während der Erfah verwendet werdenrimentellen Periode. Mehrere Standard-Analysen, die in Standard-Methoden zur Prüfung von Wasser und Abwasser 16 (Tabelle 1, 2) beschrieben werden, werden für die Charakterisierung des Substrats und der richtigen System-Monitoring erforderlich. Zusätzlich zu den Messgrößen, ist ein wichtiger Aspekt der Überwachung, um zu überprüfen, dass die Kochersystem Komponenten ordnungsgemäß funktionieren. Die regelmäßige Wartung, um den Fermenter System zuvorzukommen großen System Probleme, die sonst gefährden könnten die langfristige Performance und Stabilität des Kochers. Zum Beispiel könnte ein Ausfall des Heizelements, was zu einem Absinken der Temperatur, die Ansammlung von flüchtigen Fettsäuren durch Verringerung der metabolischen Rate von methanogenen verursachen. Dieses Problem würde verstärkt, wenn das System nicht über ausreichende Alkalität, den pH oben hemmende Ebenen für Methanogenen aufrecht zu erhalten. Es ist auch wichtig zu erkennen und zu schließen, mögliche Leckagen nach unerwarteten Rückgang der Biogasproduktion Rattees. Daher Überschneidungen innerhalb des experimentellen Designs durch, zum Beispiel laufen zwei Bioreaktoren Side-by-Side unter die genauen Einsatzbedingungen, ist wichtig, unerwartete Performance-Verluste, die durch Fehlfunktionen des Systems, wie zum Beispiel kleine Lecks verursacht werden.

<table border="1"><tbody><tr><td> Reactor Ausrüstung </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Beheizte Umwälzkühler </td><td> VWR Scientific </td><td> VWR 13271-063 </td><td> Zur Verwendung mit einem Heizmantel Reaktorsystem </td></tr><tr><td> Variabler Drehzahl Lab Stirrer </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modell 5VB) </td><td> Dieser Mischer Modell erleichtert die Montage mit einem Ring-Stand </td></tr><tr><td> Nass-Precision Gaszähler </td><td> Ritter Gaszähler </td><td> (Modell TG-01) </td><td> Dieses Modell braucht eine Mindestmenge von (0,1 l / h) und kann einen maximalen Durchfluss von 30 l / h verarbeiten </td></tr><tr><td> Gas-Sprudler </td><td> Chemglass </td><td> (Modell AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Gas Entnahmerohr </td><td> Chemglass </td><td> (Modell CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; Axiallaufrad </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25 Cole-Parmer </td><td> Laufradschaufeln mit 7,9375 mm Bohrungsdurchmesser </td></tr><tr><td> Laufradwelle </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m Stab aus rostfreiem Stahl mit 7,9375 mm AD (muss auf entsprechende Größe zugeschnitten werden) </td></tr><tr><td> Gusstopfträger Ständer </td><td> American Educational Products </td><td> (Modell 7-G16) </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Dreipoligen Erweiterung Clamp </td><td> Kralle </td><td> VWR 21572-803 </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Regelmäßige Klemmhalter </td><td> Kralle </td><td> VWR 21572-501 </td><td> Für Montage-Mischer </td></tr><tr><td> Schlauchpumpen </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser Dekantieren </td></tr><tr><td> L / S Standard Pumpenkopf </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser dekantierenING-Zubehör, um Schlauchpumpe </td></tr><tr><td> L / S Präzisions-Pumpenschlauch </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 Cole-Parmer </td><td> Für Abwasser Dekantieren - Zubehör zum Schlauchpumpe </td></tr><tr><td> Analyse Geräte / Reagenzien </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> pH-Wert-Analyse </td></tr><tr><td> pH-Meter </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total und flüchtigen Feststoffen Analysis (Standard Methods: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Glass Vakuumexsikkator </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porzellan Abdampfschalen </td><td> VWR </td><td> VWR 89038-082 </td><td></td></tr><tr><td> Laborofen </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modell 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Mittlere Kammer Muffelofen </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C) </td></tr><tr><td> Großraum-Variable Speed-Zentrifuge </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laborheizplatte </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modell HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> Großen Kondensator </td><td> Kemtech Amerika </td><td> (Modell C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Essigsäure-Reagenz [CAS: 64-19-7] </td><td> Alfa Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; Chemischer Sauerstoffbedarf (Standard Methods: 5520-C) </td></tr><tr><td> CSB-Heizblock </td><td> HACH </td><td> (Modell DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Borosilikat-Culture Tubes </td><td> Pyrex </td><td> (Modell 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Kaliumdichromat Reagenz [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Mercury II-Sulfat-Reagenz [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor Performance Materials </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin-Indikatorlösung [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca Chemical </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Ammonium-Eisen (II)-Sulfat-Hexahydrat [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Gas-Zusammensetzung durch Gaschromatographie-Analyse </td></tr><tr><td> Gaschromatograph </td><td> SRI Instruments </td><td> Modell 8610C </td><td> Muss mit einer thermischen Leitfähigkeit (TCD) ausgestattet sein, mit unten genannten Säule und Trägergas bei einer isothermen Temperatur von 105 ° C betrieben </td></tr><tr><td> Helium-Gas </td><td> Airgas </td><td> Er HP300 </td><td> Um als Trägergas verwendet werden </td></tr><tr><td> Verpackt-Spalte </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Um sich für N 2, CH 4 verwendet werden, und CO 2-Abtrennung </td></tr></tbody></table>

continuously-stirred anaerobic digester to convert organic wastes into biogas: system setup and basic operation

Anaerobe Vergärung (AD) ist eine Bioprozess, die häufig verwendet wird, um komplexe organische Abfälle in ein nützliches Biogas umwandeln mit Methan als Energieträger 3.1. Zunehmend wird AD in industriellen, landwirtschaftlichen und kommunalen Abfällen (Wasser-) Behandlung Anwendungen 4,5 verwendet. Die Verwendung von AD-Technologie ermöglicht Anlagenbetreibern Entsorgungskosten reduzieren und ausgleichen Energieversorger Aufwendungen. Neben der Behandlung von organischen Abfällen, werden Energiepflanzen in die Energieträger Methan 6,7 umgewandelt. Da die Anwendung der AD-Technologie erweitert für die Behandlung von neuen Substraten und Co-Substrat-Gemische 8, auch die Nachfrage nach einer zuverlässigen Testmethode in der Pilot-und Labormaßstab. Vergärung Systeme verfügen über eine Vielzahl von Konfigurationen, einschließlich der kontinuierlichen Rührkessel (CSTR), Plug-Flow (PF) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9 </sup&gt;. Der CSTR wird häufig in der Forschung aufgrund seiner Einfachheit in Design und Bedienung, sondern auch für seine Vorteile in der Erprobung. Im Vergleich mit anderen Konfigurationen, stellt die CSTR eine größere Einheitlichkeit der Systemparameter, wie z. B. Temperatur, Mischung, chemische Konzentration, und Substratkonzentration. Letztlich bei der Gestaltung eines Full-Scale-Reaktor, wird die optimale Konfiguration Reaktor auf den Charakter eines gegebenen Substrats unter vielen anderen nicht-technischen Erwägungen abhängen. Allerdings teilen sich alle Konfigurationen grundlegende Design-Merkmale und die Betriebsparameter, die den CSTR für die meisten vorläufigen Abschätzungen zu machen. Wenn ein Forscher und Ingenieure Zulaufstrom verwendet mit relativ hohen Konzentrationen von Feststoffen, kann dann im Labormaßstab Bioreaktor Konfigurationen nicht kontinuierlich aufgrund von Verstopfungen Probleme im Labormaßstab Pumpen mit Feststoffen oder Ablagern von Feststoffen innerhalb Schlauch zugeführt werden. Aus diesem Szenario unter ständigem Mischen Anforderungen werden im Labormaßstab Bioreaktoren regelmäßig gefüttertund beziehen wir uns auf solche Konfigurationen als ständig gerührt Faultürmen (CSADs). Dieser Artikel stellt eine allgemeine Methodik für die Konstruktion, Impfen, Betrieb und Überwachung eines CSAD System zum Zwecke der Prüfung der Eignung eines organischen Substrats für eine langfristige anaeroben Vergärung. Der Bau dieses Artikels umfassen die Errichtung der Laborreaktor System. Die Impfung Abschnitt wird erklärt, wie eine anaerobe Umgebung geeignet für die Aussaat mit einer aktiven methanogenen Impfstoff zu schaffen. Das operative Abschnitt werden die Bedienung, Wartung und Fehlerbehebung. Die Überwachung Abschnitt stellt Ihnen Prüfprotokolle unter Verwendung von Standard-Analysen. Die Verwendung dieser Maßnahmen ist ausreichend für eine zuverlässige Experimenten zur Beurteilung der Eignung für AD Substrats. Dieses Protokoll sollte einen größeren Schutz gegen ein häufiger Fehler in AD-Studien gemacht, die zu dem Schluss, dass Reaktor Versagen durch das Substrat verursacht worden ist, biete ichn Einsatz, wenn es wirklich falsche User-Betrieb 10 war.

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Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

Labor-Faultürmen den Wissenschaftlern ermöglichen, neue Wege der Optimierung bestehender Anwendungen von anaeroben biotechnologische Forschung und die Methan bildende Potenzial von verschiedenen organischen Abfällen zu bewerten. Dieser Artikel stellt eine verallgemeinerte Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab kontinuierlich gerührt anaeroben Faulbehälter.

Kontinuierlich-gerührt anaeroben Faulbehälter zu Bio-Abfälle in Biogas umwandeln: System-Setup und Grundlagen der Bedienung

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ...

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