מחקר זה נתמך נתמך על ידי משרד החקלאות האמריקאי באמצעות המכון הלאומי המזון והחקלאות (NIFA), מספר מענק 2007-35504-05381, על ידי מענק לא. 58872 מ NYSERDA ו-NYC 123444 באמצעות כספים פדרליים אוניברסיטת קורנל תחנה חקלאית של ניסוי נוסחה NIFA USDA.

<ol>
	<li>Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solids+retention+in+anaerobic+waste+treatment+systems.">Solids retention in anaerobic waste treatment systems.</a> J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).</li><li>McCarty, P. L., Smith, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+wastewater+treatment.">Anaerobic wastewater treatment.</a> Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).</li><li>Lettinga, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+and+wastewater+treatment+systems.">Anaerobic digestion and wastewater treatment systems.</a> Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).</li><li>De Baere, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+of+solid+waste:+state-of-the-art.">Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art.</a> Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).</li><li>Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Dom&#237;nguez-Espinosa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+bioenergy+and+biochemicals+from+industrial+and+agricultural+wastewater.">Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater.</a> Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).</li><li>Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methane+fermentation+of+energy+crops+-+maximum+conversion+kinetics+and+in-situ+biogas+purification.">Methane fermentation of energy crops - maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification.</a> Biomass &#38; Bioenergy. 5, 261-278 (1993).</li><li>Weiland, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomass+digestion+in+agriculture:+A+successful+pathway+for+the+energy+production+and+waste+treatment+in+Germany.">Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany.</a> Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).</li><li>Zaks, D. P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contribution+of+anaerobic+digesters+to+emissions+mitigation+and+electricity+generation+under+U.S.+climate+policy.">Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy.</a> Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).</li><li>Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf &#38; Eddy. , (2003).</li><li>Speece, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. , (1996).</li><li>Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixed+culture+biotechnology+for+bioenergy+production.">Mixed culture biotechnology for bioenergy production.</a> Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).</li><li>Angenent, L. T., Wrenn, B. A., Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chp.+15.">Chp. 15.</a> Bioenergy. , (2008).</li><li>Werner, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+community+structures+are+unique+and+resilient+in+full-scale+bioenergy+systems.">Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).</li><li>Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+future+of+anaerobic+digestion+and+biogas+utilization.">The future of anaerobic digestion and biogas utilization.</a> Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).</li><li>Hoffmann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+shear+on+performance+and+microbial+ecology+of+completely-stirred+anaerobic+digesters+treating+animal+manure.">Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure.</a> Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).</li><li>Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).</li><li>Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anaerobic+digestion+from+the+viewpoint+of+microbiological,+chemical,+and+operational+aspects:+a+review.">Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review.</a> Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).</li></ol>

אין ניגוד עניינים הצהיר.

מערכת עיכול אנאירובי שהוצג במאמר זה מספק מבוא כללי ועוד כמה הנחיות בסיסיות לטיפול ברוב מצעים במסגרת ניסיונית. מגוון רחב של סוגי המצע, תצורות digester, פרמטרים הפועלים, וכן את האקולוגיה הייחודית של הקהילה מעורבים חיידקים אלה שבבסיס מערכות מונע מתאר מדדים כמותיים קשיחים, ?...

עיכול אנאירובי (AD) היא טכנולוגיה בשלה מעורבים בתיווך המרה ביולוגית של מורכבות מצעים פסולת אורגנית אל תוך ביוגז שימושיים עם מתאן כנשא אנרגיה. ישנם יתרונות רבים של טיפול אנאירובי, כולל אנרגיה מינימלית ותשומות מזין מופחת ייצור biosolids בהשוואה לטיפול אירובית 10. בנוסף, את הרבגוניות של קהילת חיידקים מעורבת הגלום במערכות אלו הופך מגוון רחב של מצעים אורגניים מתאימים כמו ממקורות 11,12. אכן, בשל היתרונות הללו, כי מספר גדל והולך של יישומים עבור לספירה הם מאומצים מחוץ טיפול קונבנציונלי שפכים עירוניים, בעיקר את ענפי התעשייה, עירוניים (כגון: פסולת מזון), וחקלאי 4,7,13. AD חווה תחילת התפשטות הגדול הראשון שלה בשנת 1980 בתגובה למשבר האנרגיה הלאומית של העשור הקודם. כל העולם עומד בפני משבר האנרגיה העולמי הולך וגדל,יחד עם הידרדרות הסביבה, התמקדות רבה יותר בימים אלה מונחת על טכנולוגיות דלק ביולוגי ואת המושג פסולת אל האנרגיה בפרט. לדוגמה, בארצות הברית, עיכול אנאירובי יכולים להפיק 5.5% של החשמל בסך הכל צריך 8. זו הגדילה את הביקוש מחקר מבוקר היטב ניסיוני ב הטייס ואת בקנה מידה מעבדה כדי לבחון את התאמת חדשים חומרי פסולת אורגנית ותערובות פסולת עבור עיכול אנאירובי 14. אנו מתכוונים לספק מודל גנרי בנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של digester מעבדה בקנה מידה אנאירובי כי יהיה מתאים הערכות חזקים. Digesters אנאירוביים קיים בתצורות שונות. כמה תצורות נפוצות כוללות: ברציפות, עוררה הכור מיכל (CSTR) עם האכלה influent מתמשך, רצוף עורר digester אנאירובי (CSAD) עם האכלה influent תקופתי; זרימת תקע (PF), שמיכה upflow בוצה אנארוביים (UASB); נודדות אנאירובי שמיכה כור (AMBR); הכור מבולבל אנאירובי (ABR), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9,15. תצורת CSTR ו CSAD אומצו באופן נרחב על מעבדת ניסויים בקנה מידה בגלל קלות ההתקנה בתנאי הפעלה נוחים. בגלל ערבוב רציף, זמן השמירה הידראולי (HRT) שווה לזמן בוצה השמירה (SRT). SRT היא פרמטר חשוב בעיצוב מודעות. התצורה היא גם תורמת ניסויים מבוקרים בשל אחידות מרחבית גדולה יותר של פרמטרים, כגון מינים ריכוזים כימיים, טמפרטורה, ושיעורי דיפוזיה. יש לציין, עם זאת, תצורה האופטימלי בקנה מידה מלא של digester אנאירובי תלוי התכונות הפיסיקליות והכימיות המיוחדות של המצע האורגני בין היבטים פחות טכניים אחרים, כגון איכות השפכים היעד. כך, למשל, לדלל זרמים פסולת עם תכולה גבוהה יחסית littl אורגני מסיסחלקיקים אלקטרוניים, כגון מבשלת שפכים, בדרך כלל חווים המרת אנרגיה רבה יותר תצורה גבוהה שיעור upflow bioreactor (למשל, UASB) ולא תצורת CSAD. ללא קשר, יש פרמטרים ההפעלה הבסיסיים החיוניים לעיכול מוצלח ורלוונטי לכל התצורות, המצדיקים בהסבר כללי השימוש בתצורה זו. אכן, בכל מערכת לספירה ובה קהילה מגוונת, פתוחה של חיידקים אנאירוביים יהיה סדרתי לעכל את המצע כדי מתאן (סופי המוצר הסופי עם האנרגיה הנמוכה ביותר פנוי לכל אלקטרונים). על מסלולים מטבוליים המעורבים בתהליך זה מהווה מארג מזון מורכב מסווג באופן רופף לארבעה שלבים trophic: הידרוליזה; acidogenesis; acetogenesis וכן methanogenesis. ב הידרוליזה, פולימרים אורגניים מורכבים (למשל, פחמימות, שומנים וחלבונים) מפורקים על מונומרים של כל אחד מהם (למשל, סוכרים, ארוכות שרשרת חומצות שומן וחומצות אמינו) על ידי hydrolyzing, חיידקים תסיסה. ב acidogenesis, מונומרים אלה מותסס על ידי חיידקים acidogenic לחומצות שומן נדיפות (VFAs) ו אלכוהול, אשר acetogenesis, הם מתחמצנים עוד יותר אצטט ומימן על ידי מימן לייצור חיידקים homoacetogenic ומחייב, בכבוד 5. בשלב האחרון של methanogenesis, אצטט ומימן עוברים מטבוליזם על ידי מתאן methanogens acetoclastic ו hydrogenotrophic. חשוב להבין כי תהליך לספירה הכללית, על ידי הסתמכות על סדרת ביניהם של חילוף חומרים על ידי קבוצות שונות של חיידקים, יהיה תלוי בתפקוד מוצלח של כל חבר לפני המערכת כולה יהיה לבצע בצורה אופטימלית. עיצוב ובנייה של מערכת bioreactor לספירה צריך תמיד לקחת בחשבון את הדרישה כדי לאטום לחלוטין bioreactor. דליפות קטנות העליון של bioreactor (הפרדת אמיץ) או במערכת הגז הטיפול עלול להיות קשה לזהות, ולכן המערכת צריכה להיות פרהנבדק בטוח לפני השימוש. לאחר הבטחת ההתקנה ללא דליפה, כשלים עם מחקרים digester אנאירובי קרובות נובעות שגיאות במהלך חיסון, culturing, ואת היום יום המבצע. כתוצאה מכך, digesters יש מוניטין של להיות לא יציב באופן מהותי ונוטים כישלון צפוי. למה זה אז בקנה מידה מלא digesters כבר פעלו בתנאים יציבים במשך עשרות שנים 13? כישלון הוא עשוי לנבוע טיפול לא נכון על ידי המפעיל, במיוחד בתקופת ההפעלה שבהן הקהילה חיידקים חייב להסתגל לאט להרכב פסולת אורגנית חוזק. לכן, המטרה שלנו היא לא רק לספק מתודולוגיה לבניית מערכת לספירה, אבל גם כדי להבהיר את תהליכי חיסון, הפעלה וניטור של מערכות אלה. בחלק הראשון של המאמר יסביר כיצד לבנות CSTR או מערכת CSAD, בעוד החלק השני יספק הליך digester עם חיסון פעיל methanogenic ביומסה. זה מעשי יותר ופחות זמן רב כדי לחסן digesters עם ביומסה methanogenic פעיל מ מעורב אלכוהול או שפכים של digester ההפעלה היא טיפול מצע דומה, מאשר לנסות לפתח ביומסה מספיק מהתרבות המתהווה. החלק השלישי של המאמר יכסה שיקולים הפעלה, כגון מצע האכלה, decanting בשפכים, וכן פתרון בעיות הכור שונים. האכלה המצע decanting בשפכים עבור מערכת זו תתבצע על בסיס חצי רציפה (כלומר, האכלה תקופתית decanting בעוד רוב ביומסה ומשקאות חריפים מעורבת נשאר bioreactor). התדירות שבה digester מוזן / יצק הוא בסמכותו של המפעיל. באופן כללי, הזנת / decanting תכופה יותר במרווחים קבועים תקדם יציבות digester יותר עקביות בביצועים בין מחזורי האכלה. השער הרביעי יציג פרוטוקול ניטור בסיסי לשמש במהלך experimental נקודה. ניתוח רגיל, כמה, אשר המתוארים השיטות הסטנדרטיות לבדיקת מים ושפכים 16 (טבלה 1, 2), יידרש לאפיון של המצע ואת מערכת ניטור תקין. בנוסף המשתנים הנמדדים, היבט חשוב של פיקוח הוא לבדוק את רכיבי המערכת digester מתפקד כיאות. תחזוקה שוטפת למערכת digester שתסכל בעיות במערכת הגדולות שעלולות לסכן את הביצועים לאורך זמן ואת היציבות של digester. לדוגמה, כשל של גוף החימום, מה שמוביל לירידה בטמפרטורה, עלול לגרום הצטברות של חומצות שומן נדיפות על ידי הפחתת קצב חילוף החומרים של methanogens. בעיה זו יהיה מורכב אם המערכת חסרה בסיסיות מספיק כדי לשמור על רמות pH מעל מעכבות עבור methanogens. כמו כן, חשוב לזהות ולסגור דליפות אפשריות לאחר ירידות בלתי צפויות עכברוש ייצור ביוגזES. לכן, שכפול בתוך עיצוב ניסיוני על ידי, למשל, פועל שני bioreactors Side-by-side ובתנאי עבודה מדויקים, חשוב לזהות הפסדים גבוהים צפויים שנגרמו על ידי תקלות במערכת, כגון דליפות קטנות.

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> הכור ציוד </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגי </td><td> תגובות </td></tr><tr><td> מחוממת Recirculator </td><td> VWR מדעי </td><td> 13271-063 VWR </td><td> לשימוש עם מערכת מעיל חימום הכור </td></tr><tr><td> משתנה מהירות החשמל מעבדה stirrer </td><td> קליבלנד מיקסר ושות </td><td> (דגם 5VB) </td><td> מודל זה מאפשר הרכבה מיקסר עם מעמד טבעת </td></tr><tr><td> Wet-Type גז Precision Meter </td><td> ריטר Gasmeters </td><td> (דגם TG-01) </td><td> מודל זה צריך זרימת מינימום של (0.1 ליטר / שעה) והוא יכול להתמודד עם זרימה מרבי של 30 ליטר / שעה </td></tr><tr><td> גז Bubbler </td><td> Chemglass </td><td> (דגם AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> דגימת גז Tube </td><td> Chemglass </td><td> (מודל CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; נטיית ציר גלגל מניע </td><td> מברק &quot; </td><td> R04560-25-קול בן הזוג </td><td> להבי מאיץ עם מ&quot;מ 7.9375 נשא בקוטר </td></tr><tr><td> מאיץ פיר </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1.83 מ &#39;עם מוט נירוסטה 7.9375 מ&quot;מ OD (יש לחתוך לגודל המתאים) </td></tr><tr><td> הברזל תמיכה יצוקה מעמדים </td><td> מוצרים החינוך האמריקנית </td><td> (דגם 7-G16) </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> שלוש שיניים הרחבה ערכת השמע </td><td> טופר </td><td> 21572-803 VWR </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> קלאמפ רגיל מחזיק </td><td> טופר </td><td> 21572-501 VWR </td><td> עבור מיקסר גובר </td></tr><tr><td> Peristaltic משאבה </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80-קול בן הזוג </td><td> עבור השפכים decanting </td></tr><tr><td> L / S משאבה סטנדרטית ראש </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21-קול בן הזוג </td><td> עבור לערות בשפכיםing-אביזר למשאבה peristaltic </td></tr><tr><td> L / S משאבה Precision Tubing </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18-קול בן הזוג </td><td> עבור decanting בשפכים - אביזר למשאבה peristaltic </td></tr><tr><td> ניתוח ציוד / ריאגנטים </td><td> חברה </td><td> מספר קטלוגי </td><td> תגובות </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> pH ניתוח </td></tr><tr><td> ה-pH מטר </td><td> תרמו פישר סיינטיפיק - אוריון </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> סה&quot;כ ונפיץ ניתוח מוצקים (שיטות סטנדרטיות: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> אבק זכוכית dessicator </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30-קול בן הזוג </td><td></td></tr><tr><td> פורצלן מתאדים מנות </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> מעבדה תנור </td><td> תרמו פישר סיינטיפיק </td><td> (דגם 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> לשכת בינוני מאפי תנור </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> חומצה נדיפה ניתוח סה&quot;כ שומן (שיטות סטנדרטיות: 5560-C) </td></tr><tr><td> קיבולת גדולה משתנה מהירות צנטריפוגה </td><td> סיגמא </td><td> WU-17451-00-קול בן הזוג </td><td></td></tr><tr><td> המעבדה חם פלייט </td><td> Thermo Scientific </td><td> (דגם HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> גדול Condenser </td><td> Kemtech אמריקה </td><td> (דגם C150190) </td><td></td></tr><tr><td> מגיב חומצה אצטית [CAS: 64-19-7] </td><td> אלפא Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; צריכת החמצן הכימית (שיטות סטנדרטיות: 5520-C) </td></tr><tr><td> חסום COD דוד </td><td> HACH </td><td> (דגם DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> תרבות צינורות בורוסיליקט </td><td> פיירקס </td><td> (דגם 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> מגיב Dichromate אשלגן [CAS: 7778-50-9] </td><td> Avantor חומרים ביצועים </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> מרקורי מגיב II סולפט [CAS: 7783-35-9] </td><td> Avantor חומרים ביצועים </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroin מחוון פתרון [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca כימית </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> אמוניום ברזל (ב &#39;) hexahydrate סולפט [CAS: 7783-85-9] </td><td> אלפא Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> גז הרכב לפי ניתוח גז כרומטוגרפיה </td></tr><tr><td> כרומטוגרף </td><td> SRI מכשירים </td><td> דגם 8610C </td><td> חייב להיות מצויד בגלאי conductibility תרמית (TCD), באמצעות טור שהוזכרו להלן וגז הספק פועל בטמפרטורה מקורר באופן איזוטרמי של 105 ° C </td></tr><tr><td> הליום גז </td><td> Airgas </td><td> הוא HP300 </td><td> כדי לשמש הגז המוביל </td></tr><tr><td> ארז עמודות </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> לשמש N 2, CH 4, CO 2 ההפרדה </td></tr></tbody></table>

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

עיכול אנאירובי (AD) היא Bioprocess המשמש בדרך כלל להמיר פסולת אורגניות מורכבות לתוך ביוגז שימושיים עם מתאן הספק האנרגיה 1-3. יותר ויותר לספירה נמצא בשימוש פסולת תעשייתי, חקלאי, ועירוניים (מים) במהלך טיפולים 4,5. השימוש בטכנולוגיה מאפשר לספירה מפעילי תחנת להפחית עלויות סילוק פסולת השירות לקזז הוצאות האנרגיה. בנוסף לטיפול פסולת אורגנית, גידולי האנרגיה נמצאים להמרה מתאן האנרגיה המוביל 6,7. כמו יישום של טכנולוגיית לספירה מרחיב לטיפול של מצעים חדשים ושיתוף המצע תערובות 8, כך גם הביקוש מתודולוגיה בדיקות אמין על הטייס ואת קנה המידה-במעבדה. מערכות עיכול אנאירובי יש מגוון של תצורות, כולל הכור הטנק זז כל הזמן (CSTR), זרימת תקע (PF), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9 </sup&gt;. CSTR משמש לעתים קרובות במחקר, בשל הפשטות בתכנון המבצע, אלא גם על יתרונותיה של ניסויים. לעומת תצורות אחרות, CSTR מספק אחידות רבה יותר של פרמטרים במערכת, כגון טמפרטורה, ריכוז ערבוב, כימיים, ריכוז המצע. בסופו של דבר, בעת תכנון הכור בקנה מידה מלא, תצורת הכור האופטימלי יהיה תלוי אופיו של מצע מסוים בין שיקולים רבים אחרים פחות טכניים. עם זאת, תצורות לשתף את כל תכונות עיצוב בסיסיות ופרמטרים ההפעלה להבהיר את CSTR מתאים הערכות ראשוניות ביותר. אם חוקרים ומהנדסים להשתמש בזרם influent עם ריכוזים גבוהים יחסית של מוצקים, אז במעבדה בקנה מידה תצורות bioreactor לא ניתן להגיש ברציפות עקב בעיות חיבור של המעבדה בהיקף משאבות עם מוצקים או שיקוע של מוצקים בצינור. עבור תרחיש זה עם דרישות ערבוב רציף, מעבדה בקנה מידה bioreactors ניזונים מעת לעתואנחנו מתייחסים תצורות כגון digesters אנאירוביים שהסעירו ברציפות (CSADs). מאמר זה מציג מתודולוגיה כללית בנייה, יחסנו, הפעלה ופיקוח על מערכת CSAD לצורך בדיקת התאמתם של מצע אורגני ניתן לעיכול ארוך טווח אנאירובי. בסעיף הבנייה של מאמר זה יכסה בניית מערכת המעבדה בהיקף הכור. סעיף חיסון יסביר כיצד ליצור סביבה אנאירובית מתאים עם זריעת הבידוד methanogenic פעיל. סעיף ההפעלה יכסה, תפעול ותחזוקה, ופתרון בעיות. בסעיף בקרה יציג בדיקות פרוטוקולים באמצעות ניתוח סטנדרטי. השימוש באמצעים אלה הוא הכרחי עבור הערכות ניסיוניים אמינים של התאמה מצע של אלצהיימר. פרוטוקול זה אמור לספק הגנה טובה יותר מפני טעות נפוצה שנעשו מחקרים לספירה, שהיא להסיק כישלון כור נגרם על ידי המצע אניהשימוש n, כאשר באמת זה היה מבצע המשתמש לא נאות 10.

Watch this Scientific Journal Video about Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation at JoVE.com

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

מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות עוררה digester אנאירובי.

ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית

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 ...

continuously-stirred-anaerobic-digester-to-convert-organic-wastes

Research

JoVE Journal

Bioengineering

33.7K Views.  Cornell University. מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות ...

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

Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal carbonization (HTC) are promising technologies for bioenergy production from biomass in terms of biogas and HTC biochar, respectively. In this study, the combination of AD and HTC is proposed to increase overall bioenergy production. Wheat straw was anaerobically digested in a novel upflow anaerobic solid state reactor (UASS) in both mesophilic (37 &#176;C) and thermophilic (55 &#176;C) conditions. Wet digested from thermophilic AD was hydrothermally carbonized at 230 &#176;C for 6 hr for HTC biochar production. At thermophilic temperature, the UASS system yields an average of 165 LCH4/kgVS&#160;(VS: volatile solids) and 121 L CH4/kgVS&#160;at mesophilic AD over the continuous operation of 200 days. Meanwhile, 43.4 g of HTC biochar with 29.6 MJ/kgdry_biochar was obtained from HTC of 1 kg digestate (dry basis) from mesophilic AD. The combination of AD and HTC, in this particular set of experiment yield 13.2 MJ of energy per 1 kg of dry wheat straw, which is at least 20% higher than HTC alone and 60.2% higher than AD only.

A novel Upflow Anaerobic Solid State (UASS) reactor was used for biogas production from fibrous feedstock. Digestate from UASS reactor was hydrothermally carbonized into HTC biochar in a pressurized batch reactor. The integration of the two bioenergy concepts was applied in this study to increase overall bioenergy production.

הערכה משולבת אנאירובי העיכול והידרותרמיים פחום ליואנרגיה הפקה

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

Environment

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

עיצוב של bioreactor לחץ על מחזורי Ex Vivo מחקר של מסתמי הלב אבי העורקים

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described in detail. The PLBR can be utilized for the analysis of single bacteria and microcolonies to investigate biotechnological and microbiological related questions concerning, e.g.&#160;cell growth, morphology, stress response, and metabolite or protein production on single-cell level. The device features continuous media flow enabling constant environmental conditions for perturbation studies, but in addition allows fast medium changes as well as oscillating conditions to mimic any desired environmental situation. To fabricate the single use devices, a silicon wafer containing sub micrometer sized SU-8 structures served as the replication mold for rapid polydimethylsiloxane casting. Chips were cut, assembled, connected, and set up onto a high resolution and fully automated microscope suited for time-lapse imaging, a powerful tool for spatio-temporal cell analysis. Here, the biotechnological platform organism Corynebacterium glutamicum&#160;was seeded into the PLBR and cell growth and intracellular fluorescence were followed over several hours unraveling time dependent population heterogeneity on single-cell level, not possible with conventional analysis methods such as flow cytometry. Besides insights into device fabrication, furthermore, the preparation of the preculture, loading, trapping of bacteria, and the PLBR cultivation of single cells and colonies is demonstrated. These devices will add a new dimension in microbiological research to analyze time dependent phenomena of single bacteria under tight environmental control. Due to the simple and relatively short fabrication process the technology can be easily adapted at any microfluidics lab and simply tailored towards specific needs.

In this protocol the fabrication, setup and basic operation of a microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) for single-cell analysis of prokaryotic microorganisms is introduced. Industrially relevant microorganisms were analyzed as proof of principle allowing insights into growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity over certain time periods, hardly possible with conventional methods.

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Operation of a Benchtop Bioreactor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to carefully control temperature, pH, and dissolved oxygen concentrations in particular makes them essential to efficient large scale growth and expression of fermentation products. This video will briefly describe the advantages of the fermentor over the shake flask. It will also identify key components of a typical benchtop fermentation system and give basic instruction on setup of the vessel and calibration of its probes. The viewer will be familiarized with the sterilization process and shown how to inoculate the growth medium in the vessel with culture. Basic concepts of operation, sampling, and harvesting will also be demonstrated. Simple data analysis and system cleanup will also be discussed.

Fermentors are used to increase culture yield and productivity of bioengineered cells. After screening multiple microbial or animal cell culture candidates in shake flasks, the next logical step is to increase the selected culture&#x2019;s biomass with the fermentor. This video demonstrates the setup and operation of a typical benchtop bioreactor system.

מבצע של Bioreactor Benchtop

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to ...

Sensing of Barrier Tissue Disruption with an Organic Electrochemical Transistor

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the passage of necessary ions and molecules. A breach in this barrier can be caused by a reduction in the extracellular calcium concentration. This reduction in calcium concentration causes a conformational change in proteins involved in the sealing of the barrier, leading to an increase of the paracellular flux. To mimic this effect the calcium chelator ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N&#39;,N&#39;-tetra acetic acid (EGTA) was used on a monolayer of cells known to be representative of the gastrointestinal tract. Different methods to detect the disruption of the barrier tissue already exist, such as immunofluorescence and&#160;permeability assays. However, these methods are time-consuming and costly and not suited to dynamic or high-throughput measurements. Electronic methods for measuring barrier tissue integrity also exist for measurement of the transepithelial resistance (TER), however these are often costly and complex. The development of rapid, cheap, and sensitive methods is urgently needed as the integrity of barrier tissue is a key parameter in drug discovery and pathogen/toxin diagnostics. The organic electrochemical transistor (OECT) integrated with barrier tissue forming cells has been shown as a new device capable of dynamically monitoring barrier tissue integrity. The device is able to measure minute variations in ionic flux with unprecedented temporal resolution and sensitivity, in real time, as an indicator of barrier tissue integrity. This new method is based on a simple device that can be compatible with high throughput screening applications and fabricated at low cost.

The Organic Electrochemical Transistor is integrated with live cells and used to monitor ion flux across the gastrointestinal epithelial barrier. In this study, an increase in ion flux, related to disruption of tight junctions, induced by the presence of the calcium chelator EGTA (ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N',N'-tetra acetic acid), is measured.

חישה של שיבוש טישו גדר עם טרנזיסטור אלקטרוכימי אורגני

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the ...

Medium Preparation for the Cultivation of Microorganisms under Strictly Anaerobic/Anoxic Conditions

In contrast to aerobic organisms, strictly anaerobic microorganisms require the absence of oxygen and usually a low redox potential to initiate growth. As oxygen is ubiquitous in air, retaining O2-free conditions during all steps of cultivation is challenging but a prerequisite for anaerobic culturing. The protocol presented here demonstrates the successful cultivation of an anaerobic mixed culture derived from a biogas plant using a simple and inexpensive method. A precise description of the entire anoxic culturing process is given including media preparation, filling of cultivation flasks, supplementation with redox indicator and reducing agents to provide low redox potentials as well as exchanging the headspace to keep media free from oxygen. Furthermore, a detailed overview of aseptically inoculating gas tight serum flasks (by using sterile syringes and needles) and suitable incubation conditions is provided. The present protocol further deals with gas and liquid sampling for subsequent analyses regarding gas composition and volatile fatty acid concentrations using gas chromatography (GC) and high performance liquid chromatography (HPLC), respectively, and the calculation of biogas and methane yield considering the ideal gas law.

As obligate anaerobic organisms are unable to grow upon oxygen exposure, the use of anaerobic culturing techniques is indispensable. Here, we demonstrate a simple and effective method to cultivate a mixed culture derived from a biogas plant from media preparation to gas and volatile fatty acid quantification.

הכנה בינונית לטיפוח מיקרואורגניזמים בתנאים אנאירובית/אנקסימית בלבד

In contrast to aerobic organisms, strictly anaerobic microorganisms require the absence of oxygen and usually a low redox potential to initiate growth. As ...

Biochemistry

גידול מיקרו-אצות לביו-מתאן מפסולת חזירים ביוגז

Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of polluting gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide to increase the content of methane. In this study, we used a microalgal cultivation technology to treat and purify biogas produced from organic waste from the swine industry to obtain ready-to-use biomethane. For cultivation and purification, two 22.2 m3 open-pond photobioreactors coupled with an absorption-desorption column system were set up in San Juan de los Lagos, Mexico. Several recirculation liquid/biogas ratios (L/G) were tested to obtain the highest removal efficiencies; other parameters, such as pH, dissolved oxygen (DO), temperature, and biomass growth, were measured. The most efficient L/Gs were 1.6 and 2.5, resulting in a treated biogas effluent with a composition of 6.8%vol and 6.6%vol in CO2, respectively, and removal efficiencies for H2S up to 98.9%, as well as maintaining O2 contamination values of less than 2%vol. We found that pH greatly determines CO2 removal, more so than L/G, during cultivation because of its participation in the photosynthetic process of microalgae and its ability to vary pH when solubilized due to its acidic nature. DO, and temperature oscillated as expected from the light-dark natural cycles of photosynthesis and the time of day, respectively. Biomass growth varied with CO2 and nutrient feeding as well as reactor harvesting; however, the trend remained primed for growth.

מחבר זרקור: קנה מידה של ביוטכנולוגיה מיקרו-אצות לייצור ביו-מתאן משופר 

Air pollution impacts the quality of life of all organisms. Here, we describe the use of microalgae biotechnology for the treatment of biogas (simultaneous removal of carbon dioxide and hydrogen sulfide) and the production of biomethane through semi-industrial open high-rate algal ponds and subsequent analysis of treatment efficiency, pH, dissolved oxygen, and microalgae growth.

טיהור ביוגז באמצעות שימוש במערכת מיקרו-אצות-חיידקים בבריכות אצות חצי תעשייתיות בקצב גבוה

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of ...

פרוטוקול רספירומטריה לעיכול אנאירובי של פסולת מזון ובוצה

Measuring Biomethane Potential of Food Scrap Waste Anaerobically Co&#45;Digested with Waste&#45;Activated Sludge Using Respirometry

The use of respirometry to study the biokinetics of microbiota treating wastewater or digesting wastewater sludges has become more prevalent over the last few decades. The use of respirometry to examine the biokinetics of anaerobic microbiota co-digesting organic waste streams such as wastewater sludge and food scrap is an area of active research. To date, no visualized protocol has been published on the topic. Accordingly, in this protocol, we configured a respirometer to measure methane production and flow rate over time using three different food-to-microorganism (F:M) ratios and food scrap waste and waste-activated sludge as substrates. The resulting data, coupled with substrate utilization measurements, provides the basis for understanding how different substrate concentrations influence the rate at which anaerobic microbiota produce methane. Additionally, this protocol presents a method to develop biokinetic parameters (e.g., methane production rate constant and yield). Others can use this respirometry protocol to examine organic degradation under anaerobic conditions and develop microbial parameters.

מחבר זרקור: קידום מחקר מיקרוביוטה אנאירובית באמצעות פרוטוקול רספירומטריה חדשני

This protocol describes a best practice for determining methane production and microbial kinetic parameters using respirometry for anaerobic microbiota co-digesting food scrap waste and waste-activated sludge.

מדידת פוטנציאל ביו-מתאן של פסולת שאריות מזון המתעכלת באופן אנארובי עם בוצה המופעלת על ידי פסולת באמצעות רספירומטריה

The use of respirometry to study the biokinetics of microbiota treating wastewater or digesting wastewater sludges has become more prevalent over the last ...

ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית

Summary

Explore More Videos

PLAYLIST