Name: continuously-stirred anaerobic digester to convert organic wastes into biogas: system setup and basic operation
Uploaded: 2012-07-13T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation at JoVE.com

Cette recherche est soutenue est pris en charge par l&#39;USDA par le National Institutes of alimentation et l&#39;agriculture (NIFA), numéro d&#39;obtention 2007-35504-05381; par voie de subvention non. 58872 à partir NYSERDA et New York-123444 grâce à des fonds de la Station de l&#39;Université Cornell Agricultural Experiment de formule fédérale de la NIFA USDA.

1. Construction digesteur <ol><li> Sélectionnez un navire digesteur qui contient toutes les caractéristiques indiquées dans la Fig. 1 (un cône n&#39;est pas nécessaire), et votre volume de travail souhaité (typiquement entre 1-10 L). Si votre bateau digesteur n&#39;est pas équipé d&#39;une veste chauffée d&#39;eau, placez le digesteur dans un autre environnement à température contrôlée, comme un bain d&#39;eau chauffée ou de la chambre d&#39;incubation. </li><li> Fixez le navire dans une...

<ol>
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Le système de digestion anaérobie présenté dans cet article fournit une introduction générale et quelques directives de base pour le traitement de la plupart des substrats dans un contexte expérimental. La grande variété de types de substrats, les configurations de digestion, les paramètres de fonctionnement, et aussi l&#39;écologie unique de la communauté microbienne mixte qui sous-tend ces systèmes empêche décrivant durs mesures quantitatives, qui peuvent être appliqués universellement. Malgré toute ...

La digestion anaérobie (AD) est une technologie mature impliquant la conversion biologique de médiation complexes substrats de déchets organiques en biogaz utiles avec du méthane comme source d&#39;énergie. Il ya de nombreux avantages de traitement anaérobie, y compris un minimum d&#39;énergie et les apports de nutriments et la réduction de la production des biosolides par rapport au traitement aérobie 10. En outre, la polyvalence de la communauté microbienne mixte inhérent à ces systèmes rend une grande variété de substrats organiques appropriés en tant que matières premières 11,12. En effet, elle est due à ces avantages qu&#39;un nombre croissant de demandes d&#39;AD sont en cours d&#39;adoption en dehors du traitement conventionnel des eaux usées municipales, en particulier dans les secteurs industriels, municipaux (par exemple, les déchets alimentaires), et de l&#39;agriculture 4,7,13. AD a connu son premier commencement prolifération dans les années 1980 en réponse à la crise de l&#39;énergie nationale de la décennie précédente. Comme le monde est confronté à une crise de l&#39;énergie mondiale croissante,couplé à la dégradation de l&#39;environnement, mettre davantage l&#39;accent est maintenant mis sur les technologies des biocarburants et le concept des déchets à l&#39;énergie en particulier. Par exemple, aux États-Unis, la digestion anaérobie peut générer 5,5% de la puissance électrique totale doit 8. Cela a augmenté la demande pour le bien-contrôlé de recherche expérimentale sur le pilote et l&#39;échelle du laboratoire pour évaluer la pertinence des nouveaux matériaux de déchets organiques et les mélanges de déchets pour la digestion anaérobie 14. Nous avons l&#39;intention de fournir un modèle générique pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un digesteur anaérobie à l&#39;échelle laboratoire qui sera adapté pour les évaluations robustes. Les digesteurs anaérobies existent dans de nombreuses configurations différentes. Quelques configurations communs comprennent: continu-réacteur à réservoir agité (CSTR) avec une alimentation continue affluents; agité en continu digesteur anaérobie (CSAD) avec l&#39;alimentation affluent périodique; écoulement piston (PF), refoulement de boue anaérobie blanchet (UASB); anaérobie réacteur à lit de la migration (Ambr); anaérobie réacteur à chicanes (ABR), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9,15 configurations. La configuration CSTR et CSAD ont été largement adopté pour l&#39;échelle du laboratoire des expériences en raison de sa facilité de configuration et les conditions d&#39;exploitation favorables. Raison de mélange continu, le temps de rétention hydraulique (HRT) est égal au temps de rétention des boues (SRT). Le SRT est le paramètre important de la conception de l&#39;ADS. La configuration est également propice à des expériences contrôlées en raison d&#39;une plus grande uniformité spatiale des paramètres, tels que les concentrations des espèces chimiques, la température, et les taux de diffusion. Il convient de noter, cependant, que la pleine échelle optimale de configuration pour un digesteur anaérobie repose sur les qualités physiques et chimiques particulières du substrat organique parmi d&#39;autres aspects non techniques, tels que la qualité des effluents cible. Par exemple, diluer les flux de déchets avec teneur relativement élevée en organique soluble et littlparticules e, tels que la brasserie des eaux usées, généralement l&#39;expérience de conversion énergétique dans une configuration de haut-débit ascendant bioréacteur (par exemple, UASB) plutôt que d&#39;une configuration CSAD. Peu importe, il ya des paramètres d&#39;exploitation fondamentaux qui sont essentiels à la digestion réussie et pertinente à toutes les configurations, qui justifient une explication générique de cette configuration. En effet, chaque système AD contenant une société diverse, communauté ouverte de microbes anaérobies série métaboliser le substrat pour le méthane (la finale du produit final avec le moins d&#39;énergie disponible gratuitement par électron). Les voies métaboliques impliquées dans ce processus constituent un réseau alimentaire complexe vaguement classés en quatre étapes trophiques: l&#39;hydrolyse; acidogénèse; acétogénèse et méthanogénèse. Dans l&#39;hydrolyse, complexes polymères organiques (par exemple, des hydrates de carbone, des lipides et des protéines) sont répartis à leurs monomères respectifs (par exemple, les sucres, les acides gras à longue chaîne, et les acides aminés) par hydrolyzing, bactéries fermentaires. En acidogénèse, ces monomères sont fermentés par les bactéries acidogènes à des acides gras volatils (AGV) et les alcools, qui acétogénèse, sont en outre oxydés en acétate et d&#39;hydrogène par homoacetogenic et obligatoire hydrogène bactéries productrices, respectueusement 5. Dans l&#39;étape finale de la méthanogénèse, l&#39;acétate et l&#39;hydrogène sont métabolisés au méthane par les méthanogènes acetoclastic et hydrogénotrophe. Il est important de reconnaître que le processus de AD globale, en s&#39;appuyant sur une série interconnectée des métabolismes par les différents groupes de microbes, dépendra de la fonction réussie de chaque membre avant que le système dans son ensemble de manière optimale. La conception et la construction d&#39;un système de bioréacteur AD devrait toujours prendre en considération l&#39;obligation de sceller complètement le bioréacteur. Les petites fuites dans le top du bioréacteur (séparation l&#39;espace de tête) ou dans le système de gaz de traitement peut être difficile à détecter, et donc le système doit être la pressionvous testé avant son utilisation. Après s&#39;être assuré une installation sans fuite, échecs avec des études de digesteurs anaérobies souvent attribuables à des erreurs lors de l&#39;inoculation, la culture, et au jour le jour le fonctionnement. En conséquence, les digesteurs ont une réputation comme étant intrinsèquement instable et enclin à l&#39;échec inattendu. Pourquoi est-il alors que la pleine échelle digesteurs ont été opérés dans des conditions stables pendant des décennies 13? L&#39;échec est susceptible de provenir de mauvaise manipulation par l&#39;opérateur, en particulier pendant la période de démarrage au cours de laquelle la communauté microbienne doit s&#39;acclimater lentement à la composition des déchets organiques et de la force. Par conséquent, notre objectif n&#39;est pas seulement de fournir une méthodologie pour construire un système AD, mais aussi d&#39;élucider les processus de l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance de ces systèmes. La première section de l&#39;article va vous expliquer comment construire le CSTR ou d&#39;un système CSAD, tandis que la deuxième section d&#39;une procédure de digesteur inoculation avec actif methanogbiomasse ENIC. Il est plus pratique et moins de temps pour inoculer digesteurs de biomasse avec méthanogène actif de la. De la liqueur mixte ou de l&#39;effluent d&#39;un digesteur d&#39;exploitation qui est le traitement d&#39;un substrat similaire à celle de tenter de développer une biomasse suffisante à partir d&#39;une culture naissante La troisième section de l&#39;article portera sur des considérations d&#39;exploitation, tels que substrat d&#39;alimentation, la décantation des effluents, et le dépannage des problèmes de réacteurs différents. Nourrir substrat et la décantation des effluents de ce système sera réalisée sur une base semi-continu (c.-à-alimentation périodique et décantation alors que la plupart de la biomasse et de la liqueur mixte reste dans le bioréacteur). La fréquence à laquelle le digesteur est alimenté / décanté est la prérogative de l&#39;opérateur. En général, l&#39;alimentation / décantation plus fréquemment et à intervalles réguliers de promouvoir une plus grande stabilité digesteur et la cohérence de la performance entre les cycles d&#39;alimentation. La quatrième section présentera un protocole de surveillance de base à utiliser lors de l&#39;expériencepériode rimentale. Plusieurs analyses standard, qui sont décrites dans les méthodes normalisées pour l&#39;examen de l&#39;eau et des eaux usées 16 (tableau 1, 2), sera nécessaire pour la caractérisation du substrat et le suivi correct du système. En plus des variables mesurées, un aspect important de la surveillance est de vérifier que les composants du système de digestion fonctionnent correctement. L&#39;entretien régulier du système digesteur anticiper les problèmes majeurs du système qui pourraient autrement mettre en péril la performance à long terme et la stabilité du digesteur. Par exemple, une défaillance de l&#39;élément chauffant, ce qui conduit à une baisse de la température, peut provoquer l&#39;accumulation d&#39;acides gras volatils en réduisant le taux métabolique de bactéries méthanogènes. Ce problème serait aggravé si le système n&#39;avait pas alcalinité suffisante pour maintenir le pH au-dessus des niveaux d&#39;inhibition pour les méthanogènes. Il est également important de détecter et fermer les fuites possibles après des chutes inattendues chez le rat la production de biogazes. Par conséquent, la duplication dans la conception expérimentale, par exemple, l&#39;exécution de deux bioréacteurs side-by-side dans les conditions de fonctionnement exactes, est important pour détecter les pertes de performances inattendues causées par un dysfonctionnement du système, tels que les petites fuites.

<table border="1"><tbody><tr><td> Équipement d&#39;un réacteur </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Recirculateur chauffée </td><td> VWR Scientific </td><td> 13271-063 VWR </td><td> Pour une utilisation avec un système de réacteur de chauffage gaine </td></tr><tr><td> Électrique à vitesse variable Agitateur de laboratoire </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modèle 5VB) </td><td> Ce modèle mélangeur facilite le montage avec un support universel </td></tr><tr><td> Wet-type de compteur de gaz de précision </td><td> Ritter Gasmeters </td><td> (Modèle TG-01) </td><td> Ce modèle a besoin d&#39;un débit minimum de (0,1 L / h) et peut traiter un débit maximal de 30 L / h </td></tr><tr><td> Gaz barboteur </td><td> Chemglass </td><td> (Modèle AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Tube d&#39;échantillonnage de gaz </td><td> Chemglass </td><td> (Modèle CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; Turbine axiale </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25-Cole Parmer </td><td> Pales de la turbine avec 7,9375 mm de diamètre, </td></tr><tr><td> Arbre de la couronne </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m en acier inoxydable avec tige 7,9375 mm de diamètre extérieur (doit être coupé à la taille appropriée) </td></tr><tr><td> Support en fonte Stands </td><td> Américains Produits éducatifs </td><td> (Modèle 7-G16) </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Clamp prolongation de trois Prong </td><td> Talon </td><td> 21572-803 VWR </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Titulaire régulier Clamp </td><td> Talon </td><td> 21572-501 VWR </td><td> Pour mélangeur de montage </td></tr><tr><td> Pompe péristaltique </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80-Cole Parmer </td><td> Pour les effluents de décantation </td></tr><tr><td> L / S Tête de pompe standard </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21-Cole Parmer </td><td> Pour décanter les effluentsING-accessoire pour pompe péristaltique </td></tr><tr><td> L / S Tube de pompe de précision </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18-Cole Parmer </td><td> Pour les effluents de décantation - accessoire pour pompe péristaltique </td></tr><tr><td> Appareils d&#39;analyse / Réactifs </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Analyse du pH </td></tr><tr><td> pH-mètre </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total et volatile Analyse des solides (méthodes standard: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Dessiccateur à vide en verre </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30-Cole Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porcelaine d&#39;évaporation Plats </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> Four Lab </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modèle 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Moyen Four à moufle Chambre </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Analyse totale d&#39;acides gras volatils (Méthodes standard: 5560-C) </td></tr><tr><td> Grande Vitesse Centrifugeuse Capacité variable </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00-Cole Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laboratoire Hot Plate </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modèle HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> À condensateur à large </td><td> Kemtech Amérique </td><td> (Modèle C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Réactif Acide acétique [CAS: 64-19-7] </td><td> Alfa Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; Demande Chimique en Oxygène (Méthodes standard: 5520-C) </td></tr><tr><td> Chauffe-bloc COD </td><td> HACH </td><td> (Modèle DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Les tubes de culture borosilicaté </td><td> Pyrex </td><td> (Modèle 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Réactif bichromate de potassium [CAS: 7778-50-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Réactif Mercure sulfate II [CAS: 7783-35-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Ferroïne Indicateur Solution [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca chimique </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Ammonium et de fer (II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Composition du gaz par chromatographie en phase gazeuse </td></tr><tr><td> Chromatographe en phase gazeuse </td><td> SRI Instruments </td><td> Modèle 8610C </td><td> Doit être équipé d&#39;un détecteur de conductibilité thermique (TCD), à l&#39;aide de colonne mentionnée ci-dessous et de gaz porteur utilisé à une température isothermique de 105 ° C </td></tr><tr><td> Hélium gaz </td><td> Airgas </td><td> Il HP300 </td><td> À être utilisé comme gaz porteur </td></tr><tr><td> Emballé-Colonne </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Pour être utilisée que pour N 2, CH 4 et CO 2 de séparation </td></tr></tbody></table>

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

La digestion anaérobie (DA) est un bioprocédé qui est couramment utilisé pour convertir les déchets organiques complexes en biogaz utiles avec du méthane comme le vecteur énergétique 1-3. De plus en plus, AD est utilisé dans l&#39;industrie, les déchets agricoles et municipaux (eau) des applications de traitement 4,5. L&#39;utilisation de la technologie AD permet aux exploitants de réduire les coûts d&#39;élimination des déchets et de compenser les dépenses des services publics d&#39;énergie. En plus de traiter les déchets organiques, les cultures énergétiques sont convertis en le méthane vecteur d&#39;énergie 6,7. Comme l&#39;application de la technologie AD élargit pour le traitement de nouveaux substrats et co-substrat mélanges 8, tout comme la demande pour une méthodologie de test fiable sur le pilote et l&#39;échelle du laboratoire. Des systèmes de digestion anaérobie ont une variété de configurations, y compris le réacteur à réservoir agité en continu (CSTR), les flux de bouchon (PF), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9 configurations </sup&gt;. Le CSTR est fréquemment utilisé dans la recherche en raison de sa simplicité dans la conception et le fonctionnement, mais aussi pour ses avantages en matière d&#39;expérimentation. Comparé à d&#39;autres configurations, le CSTR fournit une plus grande uniformité des paramètres du système, comme la température, le mélange, la concentration chimique et la concentration du substrat. En fin de compte, lors de la conception d&#39;un réacteur à pleine échelle, la configuration du réacteur optimal dépendra de la nature d&#39;un substrat donné parmi beaucoup d&#39;autres considérations non techniques. Cependant, toutes les configurations de partager les caractéristiques de conception fondamentaux et des paramètres de fonctionnement qui rendent le CSTR approprié pour la plupart des évaluations préliminaires. Si les chercheurs et les ingénieurs utilisent un courant affluent avec des concentrations relativement élevées de matières solides, puis configurations de bioréacteurs à l&#39;échelle du laboratoire ne peut pas être alimenté en continu en raison de problèmes de brancher l&#39;échelle du laboratoire pompes avec des solides ou le dépôt des solides dans la tubulure. Pour ce scénario avec les exigences continues de mélange, de laboratoire échelle des bioréacteurs sont alimentés régulièrementet nous nous référons à des configurations telles que continuellement agité digesteurs anaérobies (CSADs). Cet article présente une méthodologie générale pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un système de CSAD pour le but de tester l&#39;aptitude d&#39;un substrat organique donné à long terme la digestion anaérobie. La section de la construction de cet article portera sur la construction du système de réacteur de laboratoire échelle. La section inoculation allons vous expliquer comment créer un environnement anaérobie approprié pour le semis avec un inoculum actif méthanogène. La section de fonctionnement couvrira exploitation, l&#39;entretien et le dépannage. La section de surveillance présentera protocoles d&#39;essai en utilisant des analyses standard. L&#39;utilisation de ces mesures est nécessaire pour des évaluations fiables des expériences d&#39;aptitude substrat pour AD. Ce protocole devrait fournir une meilleure protection contre une erreur commune faite dans les études AD, qui est de conclure que l&#39;échec du réacteur a été provoqué par le substrat in utilisation, alors qu&#39;en réalité il était mauvaise opération de l&#39;utilisateur 10.

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

L&#39;échelle du laboratoire digesteurs anaérobies permettre aux scientifiques de la recherche de nouvelles façons d&#39;optimiser les applications existantes de la biotechnologie anaérobie et d&#39;évaluer le potentiel du méthane production de divers déchets organiques. Cet article présente un modèle généralisé pour la construction, l&#39;inoculation, l&#39;exploitation et la surveillance d&#39;un laboratoire échelle agité en continu digesteur anaérobie.

Continu agité digesteur anaérobie pour convertir les déchets organiques en biogaz: configuration du système et le fonctionnement de base

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Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

Microbulles magnétiques, acoustiques et optiques triple-réactives pour l’hyperthermie magnétique et la thérapie du cancer combinée pothototherme

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...

Self-Assembly of Gamma-Modified Peptide Nucleic Acids into Complex Nanostructures in Organic Solvent Mixtures

Auto-assemblage d’acides nucléiques peptides gamma modifiés en nanostructures complexes dans des mélanges de solvants organiques

Current strategies in DNA and RNA nanotechnology enable the self-assembly of a variety of nucleic acid nanostructures in aqueous or substantially hydrated ...