This research was supported by the German Federal Ministry of Research and Education to Project Management Julich (PtJ). The authors thank Mr. Ulf L&#252;der, for technical support in the biochar laboratory. The authors are also thankful to Ms. Maria Sanchez, and Mr. Jonas Nekat for their volunteer activities in the biogas, and analytical laboratory, respectively. Marcel Schmidt and Antje Schmidt are also acknowledged for their valuable efforts on videography and editing.

1. Anaerobe Vergärung von Weizenstroh Hinweis: Für die anaerobe Vergärung in 39 L Fachhochschulen Reaktoren verwenden 5-65 mm lang rohe Koteletts Weizenstroh als Futtermittel. Die organische Trockensubstanzgehalt des Ausgangsmaterials in diesem speziellen Experiment war 85,9% und Rohfaser Fraktion betrug 46,3%. Die Fachhochschulen Reaktoren aus Edelstahl mit einem Sichtfenster aus Acrylglas gefertigt. Zwei 30 L anaeroben Filter (AF) werden mit jedem L 39 Fachhochschulen Reaktor kombiniert. Der AFS sind aus transparentem Acrylglas gebaut. Die schematische Darstellung der Reaktorsysteme sind in Fig. 2 gezeigt und Architektur anderswo 4 beschrieben. Details zum Impfen und der Inbetriebnahme der Reaktoren sind an anderer Stelle 5 angegeben. <ol><li> Füllen Sie die einzelnen AF 325 mit tonnenförmigen Polyethylen Biofilmträger. Hinweis: Die Biofilmträgern verwendet werden, eine Oberfläche von 305 m 2 / m 3. </li><li> Stellen Sie die Wasserpumpen für ProzessflüssigkeitskreislaufIn beiden mesophilen und thermophilen Reaktoren für eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,15 l / Std. </li><li> Stellen Heizbädern Temperaturstufe des gewünschten Reaktor, 37 ° C für die mesophile und 55 ° C für die thermophilen Reaktor. </li><li> Für die tägliche Fütterung von den Fachhochschulen Reaktoren, wiegen 120 g FM Weizenstroh (= 99,5 g VS) für jeden Reaktor, um eine Raumbelastung von 2,5 g VS / L · Tag zu erreichen. </li><li> Offene Fachhochschulen &quot;Ernährungssonde entfernen und den Stempel. </li><li> Gießen Weizenstroh in der Diagonale Futterrohr und schieben Sie es in der Unterseite des Reaktors mit Hilfe der Futtermarke. Von da an wird das Stroh gegen ein Sieb treiben und bilden die Solid-State-Bett. </li><li> Reinigen Sie die Dichtfläche, um sicherzustellen, es ist gasdicht und schließen Sie dann die Magensonde. </li><li> Die Pumpen werden ständig laufen, Fördern 1,2 l / h Prozessflotte durch das Reaktorsystem (Fachhochschulen und AF). </li><li> Messen Biogasstrom kontinuierlich mit Trommel-Gas meters und Speicher in einem 20 L-Gas-Tasche. Hinweis: Stellen Sie einen Ausweg aus der Gassack in die Biogas-Analysator. Im Biogas Analysator, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 und H 2 werden gemessen. Zuerst das Biogas zu 3 verschiedene Filter, um die Feuchtigkeit zu entfernen, und andere giftige Verbindungen, die schädlich für den Detektor passieren. Der Analysator muss einmal in der Woche für genaue Biogaszusammensetzung kalibriert werden. </li><li> Messen Biogas Zusammensetzung regelmäßig mit einem Industrie Biogas Analysator. Hinweis: Die Biogas-Analysator kann nur messen, wenn das Biogas Biogas Tasche ist mindestens halb voll. Für die Messung der Zusammensetzung von Biogas, das Ventil an der Gassack geöffnet werden muss und warten für den stationären Biogaszusammensetzung (es dauert ca. 20-30 Sek.). </li><li> Für die Prozesssteuerung, pH-Wert und Temperatur messen, online mit installiert pH-Meter und Thermometer. </li><li> Entfernen Sie ca. 3 kg Gärrest (80-90% wet) einmal pro Woche, die einen Feststoffretentionszeit (SRT) gibt of 2-3 Wochen. Verwenden Sie diese Gärreste als Futter für HTC-Verfahren. Die danach entstehende Biogas ist ausreichend, um die Luft zu extrudieren und zu etablieren anaeroben Bedingungen innerhalb von wenigen Stunden. </li><li> Analysieren Prozessflotte und Gärgut auf einer wöchentlichen Basis für ihre chemische Eigenschaften (pH, EC, TS, VS, Fettsäuren, CHNS, Ammoniak, Spurenelemente und Rohfaser). </li></ol> 2. Hydrothermale Carbonisierung, Weizen, Stroh Gärgut Anmerkung: Bei der hydrothermalen Carbonisierung Gärrest aus Schritt 1 ein gerührten 18 l Batch-Reaktor verwendet wird. Die Steuerung und das Timing der Prozess wird über Reaktor 4848-Controller und die Software SpecView 32 849 durchgeführt wird, auf einem Computer ausgeführt werden. In dem Programm kann die Reaktortemperatur, Heizung Manteltemperatur, Druck und Rühren Rate gezeigt werden. Darüber hinaus wird das Programm für die Prozessparameter (Starttemperatur, Solltemperatur, Heizrate, Rühren Rate) für jede HTC Experimente eingestellt werden. <ol><li> Wiegen 2,5 kgStroh Gärreste mit einer Waage mit einer Genauigkeit von 0,1 g und Transfer zum Reaktorbehälter. </li><li> Verwenden Sie die gleiche Balance zu messen, 10 kg Make-up Wasser und gießen Sie sie in den Reaktorbehälter als auch. Dies wird Gärreste, Wasser im Verhältnis 1:4 zu halten. </li><li> Vor dem Schließen pneumatisch, manuell rühren die Reaktorinhalt auf Blockade der Propellerrührers verhindern. Schließen Sie den Reaktor und sichern Sie sie durch Festziehen der Schrauben über Kreuz mit einer Kraft von 50 Nm. </li><li> Stellen Sie die Reaktion durch das folgende Fahrkurve: </li><li> Erreichen Sie die Starttemperatur von 30 ° C in 15 min von Raumtemperatur. <ol><li> Stellen Sie die Heizzeit für Reaktionstemperatur von 230 º C 100 min. </li><li> Halten Sie das endgültige Reaktionstemperatur für 6 Stunden. </li><li> Nach 6 h Haltezeit, Abkühlen des Reaktors 15 h von 230 ° C bis Raumtemperatur. </li><li> Rühren Sie den Reaktorinhalt auf 30 rpm über den gesamten HTC-Verfahren. </li><li> Schalten Sie den Rührer nach der Kühlphase und pdrängen, das Gas in einem 20 L-Gas-Tasche. </li><li> Sicherzustellen, dass das Gas durch eine Kondensatfalle sowie einem Aktivkohlefilter passiert. </li><li> Bewahren Sie das Gas für die weitere Analyse. </li></ol></li><li> Nachdem die Gasprobennahme Drain des Schlamms aus dem Behälter zu einem Behälter durch eine Hochtemperatur-Hochdruck-Kugelventil und filtern sie durch ein Sieb mit einer Porengröße von etwa 0,5 mm. </li><li> Sammeln Sie die Flüssigkeit und tarieren Sie die Biokohle produziert HTC, die Menge der erzeugten HTC-char Vergleich zum Ausgangsmaterial zu bestimmen. </li></ol> 3. Elementaranalyse von Roh, Gärgut und HTC Biokohle aus Weizenstroh Hinweis: Für jede Festbrennstoffanalyse wird eine Elementaranalyse oder CHONS Analysator oft verwendet. Die elementare Zusammensetzung der atomaren Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel kann aus dieser Analyse erhalten werden. Von CHONS, kann man die Brennwert-oder Energiewert des Brennstoffs zu schätzen. Darüber hinaus wird die Atom Schwefelgehalt auch indicaß die Qualität des Brennstoffs. In dieser Studie wird eine Elementaranalyse verwendet, um den Brennwert von HTC Biokohle, rohe Weizenstroh und Gärgut zu bestimmen. Da der Analysator erlaubt nur eine sehr kleine Probenmenge, Analyse jeder Probe mindestens drei Mal für eine bessere Reproduzierbarkeit. <ol><li> In einer Probenschale (Zinn, 6 x 6 x 12 mm), 30 mg wiegen Wolfram (VI)-oxid unter Verwendung des spezifischen Gleichgewicht in der Elementar Paket. Hinweis: Die Genauigkeit einer solchen Bilanz ist in der Regel 1 ug. Wolfram (VI)-oxid wirkt als Katalysator bei der Elementaranalyse. </li><li> Wiegen 5-10 mg der Trockenprobe und in der gleichen Probe Pfanne, mischen Sie es, und wickeln Sie es. Die Probenschale gewickelt Größe sollte etwa 2 x 2 x 5 mm 3 sein. </li><li> Geben Sie die Proben im Autosampler. Die Position jeder Probe und verwenden sulfonsäure in diesem Elementaranalyse als Referenz </li><li> Start des Vario-Software in den Computer, um die Elementaranalysegerät verbunden ist, definieren die Bedingungen, Muster Gasfluss, Temperaturen von der2 Öfen (die 2 Öfen bei 1.150 und 850 ° C, beziehungsweise). Dann definieren Sie die Probenbezeichnungen nach automatisierten Liquid-Positionen. Starten Sie das Programm. Die Maschine arbeitet automatisch, führt die Analyse, und speichert die Ergebnisse in den Computer. Hinweis: Elemental CHNS sind der Ausgang der Elementaranalyse und in der Regel direkt auf dem Computer-Bildschirm berichtet. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Fachhochschulen Reaktoren sind in der Lage, die in der Einleitung diskutiert Mängel zu mildern. Allerdings gibt es viel Raum für Verbesserungen. Feeding System und Gärgut zieh sind noch manuelle. Die Fachhochschulen System steht vor Probleme bei der Handhabung Einsatzstoffe größer als 60 mm. Das System arbeitet besser mit Fasereinsatzstoffe, wie sie in der Flüssigkeit schwimmen, aber auch andere Einsatzstoffe wie Gülle und Klärschlamm den Fachhochschulen System nicht begünstigen könnten. Die UASs System derart, daß die Prozeßflüssigkeit zirkuliert von Reaktor zu Reaktor wieder AF ausgebildet ist. Allerdings wurde auch 2-5% Feststoff in der zirkulierenden Flüssigkeit als problematisch erwiesen, da sie hinter im AF oder Sperrung der Rohreingang und Flüssigkeitszirkulation behindern. Die chemische Analyse der Prozessflüssigkeit ist wichtig, da die Produktion von freien Fettsäuren und Stickstoff können die mikrobiellen System was untypisch Biogasproduktion ändern. Die Fachhochschulen System ist robust und kann mehr als 200 Tagen ohne irgendwelche significa laufennt Probleme. Die Rohre Verbindung von Pumpen, Reaktoren AFS müssen jeden Monat Alternative ersetzt werden. Der Wasserstand im Wasserbad muss wöchentlich überprüft und gegebenenfalls nachgefüllt werden. HTC nasser Gärrest ist sehr effektiv für die Abfallbehandlung sowie die Herstellung von festen Biokraftstoff. Die dewateribility des festen Produktes wird auch von der HTC-Verfahren, wie in der Abbildung 7 dargestellt erleichtert werden., HTC Gärreste muss jedoch vorzugsweise noch am selben Tag, dass der Gärrest entfernt wird so bald wie möglich durchgeführt werden. Andernfalls startet der Gärreste biologisch abbau, was nicht günstig für HTC. Wie HTC ist ein hoher Temperatur (200-260 ° C) und hohem Druck (20-50 bar) Prozess, bei notwendigen Vorsichtsmaßnahmen während des HTC Verfahren ist sehr wichtig. Alle Anschlüsse befinden sich mindestens einmal im Monat, um sicherzustellen, dass sie gasdicht sind, überprüft. HTC Prozessflüssigkeit eine höhere Konzentration an Furfural, 5-HMF und Phenol Compounds, die als Giftstoffe bewertet werden. Also, ist es empfehlenswert, eine Gesichtsmaske und Handschuhe verwenden beim Umgang mit HTC-Verfahren Flüssigkeit, besonders wenn HTC-Verfahren Lauge aus Reaktorbehälter in einen anderen Behälter abgelassen. Obwohl HTC hat viele Vorteile für nassen Rohstoff wie Gärreste, ist es noch ein Batch-Prozess. In einem wirtschaftlichen Bewertung wird HTC Batch-Verfahren schwer zu rechtfertigen sein. Somit ist mehr Forschung erforderlich, um den Dauerbetrieb von HTC zu erleichtern. Elementaranalyse ist ein effektives Verfahren für die homogene feste Substrate, nicht aber für heterogene Substraten. Als feste Biokraftstoff ist in der Regel heterogenen und Elementaranalyse erlaubt nur 5-10 mg Probengröße, empfiehlt es sich, mindestens drei Wiederholungen und Nutzung Durchschnitt durchzuführen. Eine weitere Einschränkung der Elementaranalyse ist die Messung von festen Substraten mit hohem Aschegehalt. Elemental Analysatoren messen CHONS und keine anderen anorganischen Stoffen. Also, Elementaranalyse des hohen Asche festen Substraten vielleicht nicht reveal die tatsächlichen Konzentrationen CHONS. Probenvorbereitung in der Elementaranalyse ist von entscheidender Bedeutung, als Probe genau eingewickelt werden, sonst wird es eine Inkonsistenz in Analysen werden muss. Brennwert des Feststoff aus CHONS geschätzt werden, aber es wird empfohlen, einen Bomben-Kalorimeter für präzise Kraftstoffwertbestimmung zu verwenden. Über 92 bis 161 l Methan pro Kilogramm flüchtigen Feststoff in Futtermitteln. Der flüchtige festen oder organischen Gesamtfest der trockenen Weizenstroh war 86,9%. Trocken Gärreste hat niedrigere atomarem Sauerstoff und Wasserstoff-Konzentration, die ein weiteres Indiz für Abbau von Polysacchariden und einfachen Zucker Abbau während der anaeroben Vergärung 22,23 ist. Außerdem unteren H und O-Konzentrationen erhöhen die HHV der Gärreste 24. HHV von trockenen Gärrest ist 22% höher als trocken rohen Ausgangsmaterial. Ähnliche Ergebnisse werden mit einer detaillierten statistischen Analyse von Pohl et al 23 erhalten. Gärgut aus der anaeroben Vergärung enthält 80-90% Wasser 6. Dies sind hydrophil und Wasser teilweise in mikrobiellen oder pflanzlichen Zellen gebunden. Als ein Ergebnis Entwässerung oder Trocknung von Gärrest ist umständlich und sehr energieintensiv. Zum Beispiel, 2 kg Trocken Gärreste bindet 8 kg Wasser (80% nass), die 20,7 MJ erfordert von Wärme, um Gärreste zu trocknen. Darüber hinaus, um biologisch degradieren neigt es relativ schnell unter Umgebungsbedingungen verliert Pflanzennährstoffen und Mitteilungen THG (Treibhausgas-Emissionen), wie N 2 O und CH 4. Also, trotz höherer Energiepotenzial, frische Gärreste können nicht direkt als fester Brennstoff verwendet werden. Es müssen direkt nach der Verdauung 20 getrocknet werden. Aus Tabelle 1 kann gezeigt werden, dass die Trocken Gärrest hat einen ähnlichen Atomkohlenstoffgehalt als Ausgangs Stroh, und sie optisch ähnlich vor und nach der anaeroben Vergärung (Abbildung 6). Dies deutet darauf hin, dass Lignin und Lignin-Cellulose-verkrustetemeist unreagiert. Doch eine Massenausbeute von 63% beobachtet, was bedeutet, das verarbeitete Stroh ist 37% leichter als trockene Rohstoffe Stroh. Ähnliche elementaren Kohlenstoffkonzentration bedeutet, dass keine Verkohlung während der anaeroben Vergärung 22 aufgetreten. Wie in 7 gezeigt, ist HTC Biokohle aus Gärrest (thermophil) sehr stabil und weich. Wegen der erheblichen Zunahme der Hydrophobie, kann es buchstäblich ins Wasser tauchen seit Monaten ohne seine physikalischen und chemischen Struktur beeinträchtigt 12,25. Die Hydrophobie verbessert auch die Entwässerung von HTC Biokohle 14. Struktur des Strohs ist nicht erkennbar in der HTC Biokohle mehr, was bedeutet, dass Zellulose könnte umgesetzt worden. Eine signifikante Karbonisierung in HTC Pflanzenkohle zusammen mit der Verringerung der atomaren Sauerstoff beobachtet. Dies ist ein weiterer Hinweis auf Zellulose ist Lignin nicht reagiert. Atomaren Kohlenstoffkonzentration in Lignin ist viel höher als die von Zellstoff 24-29. Als Ergebnis HTC biochar hat eine HHV von 29,6 MJ / kg, die 61% höher als Roh-Stroh und 32% höher als trocken Gärreste bzw. sind. HHV von HTC verarbeitete Stroh beträgt 28,8 MJ / kg, die auch ähnlich zu der HTC verarbeitete Stroh Gärrest (29,6 MJ / kg) ist. Allerdings ist Massenausbeute in HTC Stroh 40,7% höher als die von HTC mit Gärresten im Vergleich zu rohen Ausgangsmaterial. Als Ergebnis, wenn 1 kg rohe Stroh (18,4 MJ) hydrothermal verkohlt, HTC Stroh Biokohle wird das Potenzial von 11,0 MJ. Andernfalls, wenn dieselbe Menge an AD und HTC, insgesamt 13,2 MJ Bioenergie angewendet wird, in Form von Bio-Erdgas (5,2 MJ) und HTC Biokohle aus Gärrest (8,0 MJ), kann (Abbildung 8) hergestellt werden. Auch ist Flüssigphase des UASs Verfahren ein Potential Flüssigdünger. Darüber hinaus könnte HTC Biokohle höheres Potenzial auf hochwertige Materialeinsatz haben oder die Verwendung als Bodenverbesserung. Für die Kohlenstoffbindung oder Kohlenstoffkreislauf Sicht ist stoffliche Nutzung von Biokohle HTC mehr möglich, dass Energieproduktion. &lt;/ P&gt; Anaerobe Vergärung in Kombination mit hydrothermalen Karbonisierung können mehr Bioenergie als die einzelnen Prozesse ergeben. Jedoch wird eine kaskadierte Design für eine bessere Effizienz benötigt. Die Gesamtenergiebilanz, gefolgt von einer wirtschaftlichen Bewertung, ist erforderlich, um diesen Prozess zu validieren. Zukünftige Forschung sollte gehören der Einsatz von HTC Schnaps und nach der Behandlung (chemisch oder biologisch) von HTC-Biokohle. Außerdem werden sowohl die Automatisierung der UASs und HTC Systeme benötigt werden. Diese Studie wurde auf der Verwendung eines Labormaßstab Fachhochschulen und HTC-Reaktor durchgeführt, aber Scale-up des Prozesses notwendig wäre, wenn das Verfahren kommerzialisiert werden.

Die Suche nach erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen sind wichtige Anliegen in der Welt der Energiesektor. Kürzlich berichteten die Vereinten Nationen, dass bis zu 77% des weltweiten Energie im Jahr 2050 aus erneuerbaren Quellen 1 zu erwarten. Lignocellulose-Biomasse wie Stroh, Gräser, Reisschalen, Maiskolben haben keine Konflikte mit der Nahrung gegen Kraftstoff-Thema. Darüber hinaus ist die Biomasse wahrscheinlich die einzige erneuerbare Energiequelle mit Vollkarbon, im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne, Wasser und 2. Allerdings Handlingeigenschaften, geringere Schüttdichte, hohem Aschegehalt und niedrigeren Energiegehalt behindern den Einsatz von Lignocellulose-Biomasse für die Energieproduktion 2. Anaerobe Vergärung (AD) ist eines der Paradebeispiele für die Herstellung von Bioenergie aus Abfall-Biomasse. 3 In der Regel gibt es vier Abbauschritte sind in der anaeroben Vergärung, wie in Abbildung 1 gezeigt 4 </sup&gt;. In den ersten drei aufeinanderfolgenden Schritten werden die Polysaccharide der Biomasse in organische Säuren überführt. Im letzten Schritt, methanogenen Organismen produzieren Biomethan. Traditionelle AD ist eine Zeit und Energie raubender Prozess. Die kontinuierliche Rühren reduziert die Gesamtökonomie AD, insbesondere für AD von Lignocellulose-Biomasse. Ein Roman Upflow anaeroben Festkörper-(Fachhochschulen)-Reaktor das Potenzial, die genannten Mängel (Abbildung 2) 4 überwunden hat. Spontane Fest-Flüssig-Trennungen ist einer der wesentlichen Vorteile der Fachhochschulen, da die entworfene erleichtert Biogasblasen um nicht umgesetzte feste Rückstände nach oben 5 zu heben. Das die Verwendung von Rührer zu beseitigen und reduziert den Verbrauch von Vor-Ort-Leistung daher. Darüber hinaus gewährleistet Flüssigkeitskreis Verteilung der Mikroorganismen und Stoffwechselprodukte in der gesamten Reaktor sowie 5. Im Vergleich zu festen Biobrennstoffen ist Biogas einfacher zu handhaben und lässt wenig oder keine Rückstände. In der Tat, die spezifische EnergiedichteBiogas ist mehrfach höhere Rohstoff Biomasse 4. Allerdings AD begünstigt einfachen Polysacchariden wie Stärke, Fettsäuren, und Hemicellulose ein. Als Ergebnis, Cellulose und Lignin, Hauptteil Faser Lignocellulose wie Weizenstroh, bleibt als feste Gärreste nach der AD-5. Obwohl die Biogasproduktion ist von dem Ausgangsmaterial, Art der Mikroorganismen, der Reaktionstemperatur und Reaktionszeit wird eine riesige Menge von Gärresten in der Regel produziert. Während Biogas wird zur Energiegewinnung genutzt werden Gärreste (bis zu 90% Wasser) in der Regel in einem Gärrest-Depot, um die verbleibenden Methanemissionen zu sammeln gespeichert. Danach werden diese getrocknet und auf dem Acker verteilt, um die Bodenfruchtbarkeit und Wasserrückhaltevermögen zu verbessern. Hohe anorganische Inhalt oft behindern Gärreste direkt für Kraftstoff, als große Mengen von Schlacke könnte das Gerät 6 korrodieren. Hydrothermale Carbonisierung (HTC) ist ein thermochemische Behandlung Prozess vor allem für Nass konzipiert. Ausgangsmaterial, in der Biomasse (mit 80-90% Wasser) bis zu 200-260 ° C bei Wassersättigung Druck erhitzt und halten Sie für 0,5-6 h (Abbildung 3) 7,8 Subkritische Wasser hat die maximale Ionenprodukt bei 200 - 260 ° C, das Wasser unter diesen Bedingungen bedeutet, ist reaktiv und verhält sich wie einer milden Säure und einer milden Base gleichzeitig 9. Hemicellulose, zusammen mit anderen Inhaltsstoffe, verschlechtern um 180-200 ° C, während die Cellulose reagiert, um 220-230 ° C, und Lignin reagiert bei relativ höheren Temperaturen (&gt; 250 º C), aber viel langsamer als Cellulose und Hemicellulose 10. Aufgrund einer erheblichen Austrocknung und Decarboxylierung, HTC Ergebnisse festes Produkt namens HTC Biokohle, mit Massenausbeute (trocken HTC Biokohle / Trockenfutter) von 40-80% Flotte, Carbonsäuren, Furan-Derivate, phenolische Substanzen und Zucker-Monomeren und 5 - 10% CO 2-reiche Gasprodukt 11. Während HTC, sind sauerstoffhaltige flüchtige Substanzen deutlichreduziert und somit Kommentar kohlenstoffreichen Feststoff. HTC Biokohle ist auch stabil, hydrophobe und brüchig zu vergleichen, um rohen Ausgangsmaterial feucht 12,13. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften, dewateribility von HTC Biokohle erhöht mehrfach im Vergleich zu rohen Gärreste oder sogar roh Biomasse. 14-18 Darüber hinaus hat HTC Biokohle Kraftstoffwerte ähnlich wie Braunkohle Kohle 16,17. Allerdings, Cellulose und Lignin teilweise in der HTC-Umgebung 18 abzubauen. Jetzt Hemicellulose und Cellulose in der Biomasse zu Biogas beitragen während AD, während Zellulose und Lignin meist solide HTC Biokohle 4,5 beizutragen. So kann die Kombination von AD-HTC potenziell erhöhen Bioenergie Gesamtausbeute. Hoffmann et al. Simuliert eine ähnliche Kombination, sondern mit AD und HTL (hydrothermale Verflüssigung) als AD-19 HTC. HTL ist eine gängige Methode zur Verflüssigung von Biomasse-Anteil und flüssige Produkt hat eine hohe Brennwert [43,1 MJ / kg]. Allerdings HTL requIRES sehr hohem Druck (250 bar) im Vergleich zu HTC (10-50 bar), die eine hohe Installations-und Betriebskosten als HTC bringt. Auch hier kann die Kombination Folge von AD und HTC als Wirth et al Frage gestellt werden. Kürzlich berichtet AD von HTC-Verfahren Flüssigkeit 20. Allerdings hängt eine effektive AD auf der Zuckerkonzentration in den Einsatzstoffen. Zucker in flüssiger HTC-Verfahren, bei der Hydrolyse hergestellt, die oft schnell zersetzen unterkritischen Wasser. Das ist, warum AD vor HTC ist in Sachen Bioenergie günstiger. Allerdings kann der AD HTC Prozessflüssigkeit zusätzliche Erzeugung von Bioenergie, in dem Fall wäre die Kombination Sequenz AD-HTC-AD sein. Das Ziel der Arbeit war es, die Integration von AD und HTC Prozesse zur Produktion von Bioenergie (Abbildung 3) zu bewerten. Die Biogasproduktionspotenzial für thermophilen und mesophilen AD von Fachhochschulen Reaktor wurde bei einem Dauerbetrieb von mehr als 200 Tagen ausgewertet. Anschließend HTC Biokohle Produktion from Gärreste wurde ebenfalls untersucht. Die Masse-und Energiebilanz der kaskadierten AD-HTC wurde durchgeführt und verglichen mit den Einzelprozessen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="715">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:151px;">Company</td>
			<td style="width:151px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">UASS reactor</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">Patented design</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;">KERN</td>
			<td style="width:151px;">440-55N</td>
			<td style="width:167px;">0.2 g precision</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Biofilm carrier</td>
			<td style="width:151px;">RVT Process Equipment GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;">Bioflow 40</td>
			<td style="width:167px;">Establish 305&#160; m2/m3</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Heating bath</td>
			<td style="width:151px;">Lauda-Konigshofen, Germany</td>
			<td style="width:151px;">Lauda Ecoline 011</td>
			<td style="width:167px;">Ensure mesophilic and thermophilic temperature</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Recirculation pump</td>
			<td style="width:151px;">Heidolph pumpdrive</td>
			<td style="width:151px;">5201</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Wheat straw</td>
			<td style="width:151px;">Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">5-65 mm length</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Biogas analyzer</td>
			<td style="width:151px;">Pronova, Germany</td>
			<td style="width:151px;">SSM 6000</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Gas meter</td>
			<td style="width:151px;">Ritter, Germany</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">Drum type</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Process parameters</td>
			<td style="width:151px;">Mettler, Toledo, USA</td>
			<td style="width:151px;">InPro 4260</td>
			<td style="width:167px;">Online</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">HTC reactor</td>
			<td style="width:151px;">Parr instrument, Moline, IL, USA</td>
			<td style="width:151px;">Parr 4555</td>
			<td style="width:167px;">5 gallon volume</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">HTC Temperature controller</td>
			<td style="width:151px;">Parr instrument, IL, USA</td>
			<td style="width:151px;">4848</td>
			<td style="width:167px;">K type thermocouple</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;">KERN FKB</td>
			<td style="width:167px;">0.1g precision&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:247px;">Heating system</td>
			<td style="width:151px;">Parr</td>
			<td style="width:151px;">A1600EEE</td>
			<td style="width:167px;">Band heater, 2 &#176;C min-1</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Software</td>
			<td style="width:151px;">SpecView</td>
			<td style="width:151px;">32849</td>
			<td style="width:167px;">Digital monitoring and programming interface</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Catalyst</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;">Tungsten (VI) oxide</td>
			<td style="width:167px;">Elemental analyzer</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:151px;">SN-1128123281</td>
			<td style="width:167px;">Precision 1 &#181;g</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Sample pan</td>
			<td style="width:151px;">Elemental Analyssystem GmbH</td>
			<td style="width:151px;">Tin (Sn) 6x6x12 mm pan</td>
			<td style="width:167px;">Elemental analysis</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Drying oven</td>
			<td style="width:151px;">Binder GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;">FP 115</td>
			<td style="width:167px;">105 oC oven</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Elemental analyzer</td>
			<td style="width:151px;">Vario</td>
			<td style="width:151px;">EL III</td>
			<td style="width:167px;">CHNS analyzer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluation of integrated anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for bioenergy production

Lignocellulose-Biomasse ist eine der am häufigsten vorkommenden noch nicht ausgelastet erneuerbarer Energiequellen. Sowohl die anaerobe Vergärung (AD) und hydrothermale Carbonisierung (HTC) sind vielversprechende Technologien für die Produktion von Bioenergie aus Biomasse in Form von Biogas und Biokohle HTC sind. In dieser Studie wird die Kombination von AD und HTC vorgeschlagen, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen. Weizenstroh wurde anaerob in einem Roman Upflow anaeroben Festkörper-Reaktor (Fachhochschulen) in beiden mesophilen (37 ° C) und thermophilen (55 ° C) Bedingungen verdaut. Wet aus thermophilen AD verdaut wurde hydrothermal bei 230 ° C für 6 Stunden für HTC Biokohle Produktion verkohlt. Bei thermophilen Temperatur ergibt die Fachhochschulen System durchschnittlich 165 L CH4 / kg VS (VS: flüchtige Feststoffe) und 121 L CH4 / kg VS bei mesophilen AD über den kontinuierlichen Betrieb von 200 Tagen. Inzwischen 43,4 g HTC Biokohle mit 29,6 MJ / kg dry_biochar war obtvon HTC von 1 kg Gärrest (Trockenmasse) aus mesophilen AD ained. Die Kombination von AD und HTC, in diesem bestimmten Satz von Experiment ergeben 13,2 MJ Energie pro 1 kg Trockenweizenstroh, die mindestens 20% höher als HTC allein und 60,2% höher als nur AD ist.

Anaerobe Vergärung Das Biogas Experimente zeigten, dass die UASs System befähigt sind, 38% und 50% der Methanbildungspotential bei mesophilen (37 ° C) und thermo (55 ° C) Betriebsstellungen ist. Bei thermophilen AD ergibt die Fachhochschulen System durchschnittlich 165 L CH4 / kg VS (VS: flüchtige Feststoffe) und 121 L CH4 / kg VS bei mesophilen AD für ein 200 Tage Dauerbetrieb (Abbildung 4). Diese Performance-Werte wurden aus der quantitativen und qualitativen Analyse des Biogases auf die trockene Rohstoffbasis bezogen berechnet. Die Biomethanpotenzial für die Weizenstroh wurde bestimmt (nach VDI-Richtlinie 4630) auf 304,3 L CH4 / kg VS für mesophilen Betrieb für thermophile und 244,2 L CH4 / kg VS sind, und in Abbildung 5 dargestellt0; 21. In Bezug auf Qualität, Biogas produziert von Fachhochschulen zwischen 41% und 61% der Methan (Abbildung 5) enthalten ist. HTC Gärreste Abbildung 6 zeigt trockenen Stroh, trockenen Gärresten aus Stroh von AD abgeleitet und HTC Biokohle aus trockenen Gärresten von HTC stammt. Trocken Gärreste ähnelt dem trockenen Stroh, die nur ein wenig dunkler in der Farbe. Für diese Arbeit wurden Gärresten aus thermophilen Bedingungen für HTC betrachtet. Wie in Tabelle 1 gezeigt, bleibt im Gärrest (Tabelle 1) 63% der Gesamtmasse. Trocken HTC Biokohle ist leichter als trockene Rohstoffe Stroh, wahrscheinlich aufgrund der Abbau von Monomeren und Polymeren, die durch einfache thermophilen Mikroorganismen während der AD. Abbildung 7 zeigt die hydrophobe Verhalten und Weichheit des HTC Biokohle. Während HTC, werden die Faser kristallinen Strukturen zerstört und erzeugen einen weichen amorphen ca.rbon reichen HTC Biokohle 16,17,28. Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich ist, dass die Massenausbeute von Gärresten und rohe Stroh abgeleitet HTC Biokohle sind 43,4% und 38,3% betragen. Das feste Produkt ist HTC Biokohle sehr hydrophob 12; sie kann in Kontakt mit Wasser für eine längere Zeit 13 bleiben. Auch ist es sehr weich, wie es kaum erfordert keinen Druck, es zu pulverisieren. Für Kohle-zu-Energie-Industrie, ist die Aufrechterhaltung Weichheit des Ausgangsmaterials sehr wichtig, da dies die expansive Schritte Pulverisieren zu beseitigen. Die Elementaranalyse Aus den in Tabelle 1 angegebenen elementaren Zusammensetzungen kann gesehen werden, daß elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff gleich bleiben im festen ganzen anaeroben Vergärung. Elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff erhöht Rückgänge bei HTC. Die meisten der elementaren Stickstoff bleibt in der festen, da der elementare Stickstoff-Gehalt wird sowohl während der Verdauung eine erhöhte<html> d HTC Prozesse. Da Schwefel im Weizenstroh Spur wird die Konzentration von elementarem Schwefel in den Ergebnissen dargestellt. Elementaren Sauerstoffgehalt wurde durch Subtrahieren C, H, 100% berechnet, und N und auch in Tabelle 1 dargestellt, unter der Annahme das Ausgangsmaterial besteht aus nur CHONS. Die Sauerstoffkonzentration verringert drastisch während HTC, während es bei der Verdauung ähnlich bleibt. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig1highres.jpg" width="500" /> Abbildung 1. Grundkonzept und Schritte der anaeroben Vergärung. Dieser Wert beschreibt die grundlegenden Konzepte der anaeroben Vergärung. In dieser Figur sind vier allgemeine Schritte (Hydrolyse, acedogenesis, Acetogenese und Methanogenese) der anaeroben Vergärung präsentiert werden g2highres.jpg &quot;width =&quot; 500 &quot;/&gt; Abbildung 2:. Schematische Darstellung des Labormaßstab Fachhochschulen Reaktor zur anaeroben Vergärung Dies ist das Schema der Fachhochschulen Reaktorsystem. Hier UASs Reaktor und anaeroben Filter (AF) durch einen Flüssigkeitsstrom, wobei in dem Reaktor erzeugt UASs Fettsäuren AF kommen und Methan erzeugt verbunden ist. Von der Unterseite des AF wird ein weiterer Flüssigkeitsstrom UASs, wo Mikroorganismen gehen von AF zu UASs Reaktor abgezogen. <img alt="Fig. 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig3highres.jpg" width="500" /> Teilweise umgesetzten 24 Abbildung 3. (Oben) Konzept der HTC von Lignocellulose-Biomasse, (unten) Integrationskonzept der anaeroben Vergärung und HTC * Zellulose sein. In diesem Blockschaltbild ist ersichtlich, daß verschiedene Faserkomponenten in Kontakt mit unterkritischem Wasser stammen und in HTC Pflanzenkohle umgewandelt (Coal Typ). <img alt="Fig. 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig4highres.jpg" width="500" /> Abbildung 4. Methanproduktion aus Fachhochschulen Reaktor in beiden thermophilen und mesophilen anaeroben Bedingungen mit dem Filter. Sind Versuchsergebnisse der Fachhochschulen Reaktor 210 Tage Betrieb für thermophilen und mesophilen Bedingungen. Die X-Achse ist Tagen Betrieb, während die Y-Achse ist die Methanausbeute (L CH4 / kg VS) gegenüber flüchtigen Feststoff (VS). <img alt="Figur 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig5highres.jpg" width="500" /> Abbildung 5. Methananteil von Biogas aus Fachhochschulen Reaktor in beiden thermophilen und mesophilen Bedingungen. Sind Versuchsergebnisse der Fachhochschulen Reaktor 210 Tagen Betrieb sowohl unter thermophilen eind mesophilen Bedingungen. Die X-Achse ist Betriebstagen, während der Y-Achse ist der Methananteil (%) in den Biogas. Die angegebenen Werte sind Durchschnittswerte von Duplikaten. <img alt="Fig. 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig6highres.jpg" width="500" /> Abbildung 6. (Von links nach rechts) Trockenweizenstroh, Weizenstroh trocken Gärreste und HTC Biokohle Weizenstroh Gärreste. Dies ist die Echtzeit-Bild der verschiedenen Zustände von Weizenstroh. Hier in dieser Figur, kann die Wirkung der anaeroben Vergärung (AD) und HTC sichtbar. Die Faserstruktur noch im Gärrest sichtbar, während sie pulverförmig nach HTC. <img alt="Fig. 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig7highres.jpg" width="500" /> Abbildung 7. Hydrophobie des HTC Biokohle (links), Brüchigkeit des HTC Biokohle (rechts) </strong&gt;. Dies wiederum ist die Echtzeit-Bild der Hydrophobie und Brüchigkeit des HTC Biokohle. Im ersten Bild wird HTC Biokohle unter Wasser versenkt, während die nächsten zwei Bilder der Zustand der Biokohle vor und nach der Niederschla hart gezeigt. <img alt="Fig. 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig8highres.jpg" width="500" /> Abbildung 8. (Oben) Bioenergiepotenzial durch anaerobe Vergärung (AD) aus 1 kg rohe Weizenstroh und (unten) Bioenergiepotenzial durch die Integration von AD-HTC aus 1 kg Weizenstroh trocken. Dies ist eine Figur, die Notwendigkeit der Kombination bewerten Konzepte. Das Blockdiagramm zeigt, wie viel Energie das Extrahieren von AD und HTC aus dem Ausgangsmaterial. <img alt="Tabelle 1" fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/51734/51734table1v2.jpg" width="700" /> Tabelle 1. Elementaranalyse, HHV, Massenausbeute und Faseranalyse von rohen Weizenstroh, Gärreste (thermophil) und entsprechende HTC Biokohle. HHV von CHNS Zusammensetzung berechnet als in der Literatur 18,24 gezeigt. Tabelle 1 zeigt die experimentellen Ergebnisse der Elementaranalyse und Massenausbeute nach AD und HTC. Lignin, Cellulose und Hemicellulose werden von van Soest Faseranalyse [12] gemessen. Hinweis:. Na nicht analysiert <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51734/51734table1.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.</a>

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Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Ein Roman Upflow Anaerobe Solid State (Fachhochschulen) Reaktor wurde für die Biogasproduktion aus Faserausgangsstoffe verwendet. Gärresten aus Fachhochschulen Reaktor wurde hydrothermal in HTC Biokohle in einem Druck Batch-Reaktor verkohlt. Die Integration der beiden Bioenergie-Konzepte wurde in dieser Studie angewendet, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen.

Bewertung des integrierten Biogas-und Hydrothermale Karbonisierung für die Bioenergieproduktion

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

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Research

JoVE Journal

Environment

25.3K Aufrufe.  Leibniz Institute for Agricultural Engineering.  Ein Roman Upflow Anaerobe Solid State (Fachhochschulen) Reaktor wurde für die Biogasproduktion aus Faserausgangsstoffe verwendet. Gärresten aus Fachhochschulen Reaktor wurde hydrothermal in HTC Biokohle in einem Druck Batch-Reaktor verkohlt. Die Integration der beiden Bioenergie-Konzepte wurde in dieser Studie angewendet, um die Gesamt Bioenergie-Produktion zu erhöhen. 

Serie: Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals is often not well understood. Here we demonstrate an integrated field lysimetry and porewater sampling method for evaluating the mobility of chemicals applied to soils and established vegetation. Lysimeters, open columns made of metal or plastic, are driven into bareground or vegetated soils. Porewater samplers, which are commercially available and use vacuum to collect percolating soil water, are installed at predetermined depths within the lysimeters. At prearranged times following chemical application to experimental plots, porewater is collected, and lysimeters, containing soil and vegetation, are exhumed. By analyzing chemical concentrations in the lysimeter soil, vegetation, and porewater, downward leaching rates, soil retention capacities, and plant uptake for the chemical of interest may be quantified. Because field lysimetry and porewater sampling are conducted under natural environmental conditions and with minimal soil disturbance, derived results project real-case scenarios and provide valuable information for chemical management. As chemicals are increasingly applied to land worldwide, the described techniques may be utilized to determine whether applied chemicals pose adverse effects to human health or the environment.

Field lysimetry and porewater sampling allow researchers to evaluate the fate of chemicals applied to soils and established vegetation. The goal of this protocol is to demonstrate how to install required instrumentation and collect samples for chemical analysis during integrated field lysimetry and porewater sampling experiments.

Integrierte Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme für die Bewertung von Chemical Mobilität in Böden und Vegetation Gegründet

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

Forschung

Umwelt

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a series of incubators. A temperature gradient is passively established across the surface of the table between the heated and cooled ends and is lost quickly at distances above the surface. Since temperature is only controlled on the table surface, experiments are restricted to shallow containers, such as Petri dishes, placed on the table. Welding continuous aluminum vertical strips or gussets perpendicular to the surface of a table enables temperature control in depth via convective heat flow. Soil in the channels between gussets was maintained across a gradient of temperatures allowing a greater diversity of experimentation. The gusseted design was evaluated by germinating oat, lettuce, tomato, and melon seeds. Soil temperatures were monitored using individual, battery-powered dataloggers positioned across the table. LED lights installed in the lids or along the sides of the gradient table create a controlled temperature chamber where seedlings can be grown over a range of temperatures. The gusseted design enabled accurate determination of optimum temperatures for fastest germination rate and the highest percentage germination for each species. Germination information from gradient table experiments can help predict seed germination and seedling growth under the adverse soil conditions often encountered during field crop production. Temperature effects on seed germination, seedling growth, and soil ecology can be tested under controlled conditions in a laboratory using a gusseted thermogradient table.

Traditional thermogradient tables create a range of temperatures across the surface. Welding gussets perpendicular to the surface of a thermogradient table will control temperature in depth increasing possible research applications.

Ein Gusseted Thermogradient Tabelle zur Bekämpfung von Bodentemperaturen für das Pflanzenwachstum Beurteilung und Überwachung von Bodenprozessen

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a ...

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as redox potential (Eh) and pH, but also to microbial activities that can play a direct or indirect role on speciation and/or mobility. Indeed, some bacteria can directly oxidize As(III) to As(V) or reduce As(V) to As(III). Likewise, bacteria are strongly involved in Hg cycling, either through its methylation, forming the neurotoxin monomethyl mercury, or through its reduction to elemental Hg&#176;. The fates of both As and Hg are also strongly linked to soil or aquifer composition; indeed, As and Hg can bind to organic compounds or (oxy)hydroxides, which will influence their mobility. In turn, bacterial activities such as iron (oxy)hydroxide reduction or organic matter mineralization can indirectly influence As and Hg sequestration. The presence of sulfate/sulfide can also strongly impact these particular elements through the formation of complexes such as thio-arsenates with As or metacinnabar with Hg.
Consequently, many important questions have been raised on the fate and speciation of As and Hg in the environment and how to limit their toxicity. However, due to their reactivity towards aquifer components, it is difficult to clearly dissociate the biogeochemical processes that occur and their different impacts on the fate of these TE.
To do so, we developed an original, experimental, column setup that mimics an aquifer with As- or Hg-iron-oxide rich areas versus iron depleted areas, enabling a better understanding of TE biogeochemistry in anoxic conditions. The following protocol gives step by step instructions for the column set-up either for As or Hg, as well as an example with As under iron and sulfate reducing conditions.

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron OxyHydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of arsenic and mercury in aquifers are closely related to physio-chemical conditions and microbial activity. Here, we present an original experimental column setup that mimics an aquifer and enables a better understanding of trace element biogeochemistry in anoxic conditions. Two examples are presented, combining geochemical and microbiological approaches.

Experimentelle Spalte Setup für das Studium der anaerober biogeochemischer Interaktionen zwischen Eisen (Oxy) Hydroxide, Spurenelemente und Bakterien

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

Ecosystem Fabrication (EcoFAB) Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A better mechanistic understanding of these complex plant-microbe interactions will be crucial to improving plant production as well as performing basic ecological studies investigating plant-soil-microbe interactions. Here, a detailed description for ecosystem fabrication is presented, using widely available 3D printing technologies, to create controlled laboratory habitats (EcoFABs) for mechanistic studies of plant-microbe interactions within specific environmental conditions. Two sizes of EcoFABs are described that are suited for the investigation of microbial interactions with various plant species, including Arabidopsis thaliana, Brachypodium distachyon, and Panicum virgatum. These flow-through devices allow for controlled manipulation and sampling of root microbiomes, root chemistry as well as imaging of root morphology and microbial localization. This protocol includes the details for maintaining sterile conditions inside EcoFABs and mounting independent LED light systems onto EcoFABs. Detailed methods for addition of different forms of media, including soils, sand, and liquid growth media coupled to the characterization of these systems using imaging and metabolomics are described. Together, these systems enable dynamic and detailed investigation of plant and plant-microbial consortia including the manipulation of microbiome composition (including mutants), the monitoring of plant growth, root morphology, exudate composition, and microbial localization under controlled environmental conditions. We anticipate that these detailed protocols will serve as an important starting point for other researchers, ideally helping create standardized experimental systems for investigating plant-microbe interactions.

Ecosystem Fabrication EcoFAB Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

This article describes detailed protocols for ecosystem fabrication of devices (EcoFABs) that enable the studies of plants and plant-microbe interactions in highly controlled laboratory conditions.

Ökosystem-Herstellung (EcoFAB)-Protokolle für den Bau von Labor Ökosysteme entwickelt, um die Pflanze-Mikroben Interaktionen zu untersuchen

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the deep ocean. Roles of minerals are critical in many hydrothermal organic geochemical processes. Traditional hydrothermal methodology, which includes using reactors made of gold, titanium, platinum, or stainless-steel, is usually associated with the high cost or undesired metal catalytic effects. Recently, there is a growing tendency for using the cost-effective and inert quartz or fused silica glass tubes in hydrothermal experiments. Here, we provide a protocol for carrying out organic-mineral hydrothermal experiments in silica tubes, and we describe the essential steps in the sample preparation, experimental setup, products separation, and quantitative analysis. We also demonstrate an experiment using a model organic compound, nitrobenzene, to show the effect of an iron-containing mineral, magnetite, on its degradation under a specific hydrothermal condition. This technique can be applied to study complex organic-mineral hydrothermal interactions in a relatively simple laboratory system.

Earth-abundant minerals play important roles in the natural hydrothermal systems. Here, we describe a reliable and cost-effective method for the experimental investigation of organic-mineral interactions under hydrothermal conditions.

Ein experimentelles Protokoll für die Untersuchung von mineralischen Auswirkungen auf organische hydrothermalen Transformationen

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

An Anaerobic Biosensor Assay for the Detection of Mercury and Cadmium

Mercury (Hg) bioavailability to microbes is a key step to toxic Hg biomagnification in food webs. Cadmium (Cd) transformations and bioavailability to bacteria control the amount that will accumulate in staple food crops. The bioavailability of these metals is dependent on their speciation in solution, but more particularly under anoxic conditions where Hg is methylated to toxic monomethylmercury (MeHg) and Cd persists in the rhizosphere. Whole-cell microbial biosensors give a quantifiable signal when a metal enters the cytosol and therefore are useful tools to assess metal bioavailability. Unfortunately, most biosensing efforts have so far been constrained to oxic environments due to the limited ability of existing reporter proteins to function in the absence of oxygen. In this study, we present our effort to develop and optimize a whole-cell biosensor assay capable of functioning anaerobically that can detect metals under anoxic condition in quasi-real time and within hours. We describe how the biosensor can help assess how chemical variables relevant to the environmental cycling of metals affect their bioavailability. The following protocol includes methods to (1) prepare Hg and Cd standards under anoxic conditions, (2) prepare the biosensor in the absence of oxygen, (3) design and execute an experiment to determine how a series of variable affects Hg or Cd bioavailability, and (4) to quantify and interpret biosensor data. We show the linear ranges of the biosensors and provide examples showing the method's ability to distinguish between metal bioavailability and toxicity by utilizing both metal-inducible and constitutive strains.

Here, we present a protocol to use an anaerobic whole-cell microbial biosensor to evaluate how different environmental variables affect the bioavailability of Hg and Cd to bacteria in anoxic environments.

Eine anaerobe Biosensor-Test zum Nachweis von Quecksilber und Cadmium

Mercury (Hg) bioavailability to microbes is a key step to toxic Hg biomagnification in food webs. Cadmium (Cd) transformations and bioavailability to ...

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

Stomatal movement mediates plant gas exchange, which is essential for photosynthesis and transpiration. Stomatal opening and closing are accomplished by a significant increase and decrease in guard cell volume, respectively. Because shuttle transport of ions and water occurs between guard cells and larger neighboring epidermal cells during stomatal movement, the spaced distribution of plant stomata is considered an optimal distribution for stomatal movement. Experimental systems for perturbing the spaced pattern of stomata are useful to examine the spacing pattern's significance. Several key genes associated with the spaced stomatal distribution have been identified, and clustered stomata can be experimentally induced by altering these genes. Alternatively, clustered stomata can be also induced by exogenous treatments without genetic modification. In this article, we describe a simple induction system for clustered stomata in Arabidopsis thaliana seedlings by immersion treatment with a sucrose-containing medium solution. Our method is easy and directly applicable to transgenic or mutant lines. Larger chloroplasts are presented as a cell biological hallmark of sucrose-induced clustered guard cells. In addition, a representative confocal microscopic image of cortical microtubules is shown as an example of intracellular observation of clustered guard cells. The radial orientation of cortical microtubules is maintained in clustered guard cells as in spaced guard cells in control conditions.

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

The goal of this protocol is to demonstrate how to induce clustered stomata in cotyledons of Arabidopsis thaliana seedlings by immersion treatment with a sugar-containing medium solution and how to observe intracellular structures such as chloroplasts and microtubules in the clustered guard cells using confocal laser microscopy.

Ein Ansaugsystem für gruppierte Spaltöffnungen durch Zucker Lösung eintauchen Behandlung in Arabidopsis Thaliana Sämlinge

Stomatal movement mediates plant gas exchange, which is essential for photosynthesis and transpiration. Stomatal opening and closing are accomplished by a ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Simulation von hydrothermalen Schornsteinen der frühen Erde in einer Umgebung mit thermischem Gradienten

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

In situ simulierte anaerobe Methode zur Kultivierung von Umweltmikroben

A Set of In Situ Informed Simulated Medium Formats for Culturing Environmentally Acquired Anaerobic Microorganisms

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth conditions (e.g., pH and carbon sources) for anaerobic microorganisms while also allowing samples to be extracted without compromising the artificial environment. To this end, methods that are informed by and simulate an in situ environment can be of great aid in culturing microorganisms from that environment. Here, we outline an in situ informed and simulated anaerobic method for culturing terrestrial surface and subsurface microorganisms, emphasizing anaerobic sample collection with minimal perturbation. This protocol details the production of a customizable anaerobic liquid medium, and the environmental&#160;acquisition and in vitro growth of anaerobic microorganisms. The protocol also covers critical components of an anaerobic bioreactor used for environmental simulations of sediment and anaerobic liquid media for environmentally acquired cultures. We have included preliminary Next Generation Sequencing data from a maintained microbiome over the lifespan of a bioreactor where the active culture dynamically adjusted in response to an experimental carbon source.

Autor im Rampenlicht: Die Geheimnisse terrestrischer anaerober Mikroorganismen in unerforschten Umgebungen durch In-situ-Kultivierung enträtseln

The focus of this paper is to detail best practices for making media for fastidious anaerobic microorganisms acquired from an environment. These methods help manage anaerobic cultures and can be applied to support the growth of elusive uncultured microorganisms, the "microbial dark matter."

Eine Reihe von in situ informierten simulierten Medienformaten für die Kultivierung umweltbedingt erworbener anaerober Mikroorganismen

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth ...