Филогенетическое распределение родов внутри ( A ) филума Firmicutes и ( B ) филума Euryarchaeota .Хотя все роды (> 0,005% от общего числа последовательностей) включены в круговую диаграмму для Firmicutes , только роды, представляющие ≥1% последовательностей по крайней мере в одном из образцов, включены в легенду для уменьшения размера. Наиболее доминирующие роды выделены жирным шрифтом для облегчения визуальной интерпретации.

Относительная численность OTU, классифицированных на уровне рода или наивысшем возможном ранжированном таксономическом уровне ( A ), и их связь с рабочими условиями и переменными процесса в мезофильном ( B ) и термофильном ( C) ) метантенки, оцененные с помощью анализа главных компонентов (PCA). Химические переменные, включенные в графики PCA, представляют собой значения NH ₃ , CH ₄ (мл / неделя) и ЛЖК (пропионат; «Pro», ацетат; «AC», н-бутират; «n-Bu. », И-бутират;« и-бу », и-валерат;« и-ва »). В гистограмме аннотированы только самые распространенные таксоны, чтобы упростить задачу. Полная таблица OTU представлена ​​в дополнительном электронном материале, Таблица S1.

Архей, принадлежащих к типу Euryarchaeota , среди MDi и McoDi преобладали Methanobacterium и Methanosaeta (рис.6Б). Распределение родов внутри этого типа было сходным для начальной и конечной фаз в MDi, где доминировал Methanosaeta , составляя 53% и 62% (в начальной и конечной фазах, соответственно) последовательностей архей. Methanosaeta также был заметен в McoDi (43% и 36% в начальной и конечной фазах соответственно), но значительно ниже по сравнению с MDi (дополнительный рисунок S2). Помимо Methanobacterium и Methanosaeta , заметная часть метаногенной популяции также была отнесена к роду Methanobrevibacter в McoDi, с увеличением относительной численности с течением времени (с 7% последовательностей архей на начальной фазе до 22% на заключительном этапе). Methanobrevibacter , скорее всего, произошел из навоза, использованного в этом исследовании, поскольку анализ образцов навоза показал, что Methanobrevibacter является единственной доминирующей архей (рис. 6B). В то время как Methanosaeta известен как метаноген, использующий ацетат, Methanobacterium и Methanobrevibacter содержат H ₂ , использующий метаногены ³¹ , что указывает на смешанный путь производства метана в мезофильной системе совместного переваривания.Причина наличия утилизаторов с высоким содержанием водорода может частично быть связана с немного более высоким уровнем свободного аммиака, наблюдаемым в McoDi (81 мг / л по сравнению с 50 мг / л в MDi), а частично из-за постоянного добавления Methanobrevibacter через навоз. Это согласуется с предыдущими исследованиями, показывающими преобладание водорода с использованием метаногенов в варочных котлах навоза ^32,33 .

Микробный состав термофильных дигестеров

Бактериальные сообщества в TDi и TcoDi в основном состояли из четырех типов (относительная численность> 1%) Thermotogae , Firmicutes , Synergistetes и Bacteroidetes (Fig. 5). Однако относительная численность этих типов заметно различалась в пределах TDi и TcoDi, за исключением Bacteroidetes , на долю которых приходилось 1-2% от общего числа последовательностей в обоих гидролизерах. Глубокое влияние совместного переваривания на бактериальное сообщество на заключительной фазе TcoDi отражалось в увеличении относительной численности Firmicutes (62% всех последовательностей) и снижении относительной численности Thermotogae (15% всех последовательностей). . Для сравнения, относительная численность Firmicutes и Thermotogae составляла 35% и 40% в TDi, соответственно.Примечательно, что распределение Synergistetes , представленных в основном родом Anaerobaculum , значительно различается в термофильных варочных котлах (дополнительный рис. S2), составляя 11% и 4% в конечной фазе TDi и TcoDi, соответственно. Члены этого таксона ферментативно превращают полипептиды и органические кислоты в ацетат, H ₂ и CO ₂ ³⁴ . По сравнению с начальной фазой относительное содержание Thermotogae увеличивалось с течением времени в обоих термофильных реакторах, тогда как относительное содержание Firmicutes уменьшалось только в TDi (рис.5). Как и в случае с мезофильными переваривающими агентами, совместное переваривание навоза и пищевых отходов, по-видимому, стимулировало рост и доминирование Firmicutes в TcoDi, в то время как переваривание пищевых отходов само по себе способствовало более равномерному распределению Thermotoga и Firmicutes и поддерживалось разработка более Synergistetes в TDi.

В то время как филотипы, отнесенные к роду Coprothermobacter , составляли более 50% последовательностей, отнесенных к Firmicutes в исходных образцах как TDi, так и TcoDi, эта доля была значительно снижена на заключительной фазе (15% и 8% от Firmicutes , в TDi и TcoDi соответственно).Вместо этого на заключительной фазе наблюдалось более равномерное распределение нескольких родов (рис. 6A) с преобладанием Syntrophomonas (16% и 11% от Firmicutes , в TDi и TcoDi соответственно), Thermactogenium (9 % и 10% в TDi и TcoDi соответственно) и неклассифицированные филотипы, отнесенные к подразделениям-кандидатам SHA-98 (17% и 9% в TDi и TcoDi соответственно) и MBA08 (8% и 28% в TDi и TcoDi соответственно). Coprothermobacter — протеолитическая бактерия, участвующая в синтрофной ферментации полипептидов, и высокое доминирование на начальной фазе, скорее всего, отражалось сильным доминированием популяции Coprothermobacter в посевной культуре биогазовой установки FREVAR, как сообщается в предыдущее исследование ³⁵ .OTU, отнесенные к роду Thermacetogenium , по всей вероятности, были связаны с Thermacetogenium phaeum . ³⁵ , бактерия, способная синтезировать ацетат и расти ацетогенно на органических кислотах и ​​спиртах ^36,37 .

Филотип, связанный с порядком кандидатов MBA08, был заметно выше в TcoDi по сравнению с TDi. Это, вероятно, предполагает роль членов группы кандидатов MBA08 в совместном переваривании пищевых отходов и навоза.Li ³⁸ также сообщил о кандидате MBA08 как об одной из основных бактериальных групп в термофильном реакторе ступенчатой ​​системы, используемой для совместного переваривания сыворотки и навоза. Однако ни одна из последовательностей, ассоциированных с Firmicutes , полученных из коровьего навоза, не была связана с MBA08 в текущем исследовании. Напротив, относительное количество кандидата порядка SHA-98 было больше в варочном котле, подаваемом пищевыми отходами (т.е. TDi). Практически ничего не известно о функциях членов неклассифицированного отряда SHA-98, и никакие роды не могут быть отнесены к этой группе.

Большинство филотипов, которые можно отнести к известному роду в порядке Clostridiales , вероятно, участвовали в деградации полисахаридов, ферментируемых углеводов и синтрофическом окислении насыщенных жирных кислот ²⁶ . Считается, что члены Syntrophomonas окисляют анаэробно C ₄ -C ₁₈ насыщенные жирные кислоты ³⁹ . Clostridium состоит из бактерий, обладающих метаболической универсальностью ^26,40 .Семейства Ruminococccaceae , Caldicoprobacteriaceae и Lachnospiraceae были менее доминирующими семействами. Caldicoprobacter , который был представлен исключительно Caldicoprobacteriaceae в обоих гидролизерах, ферментирующих ксилан и простые сахара до лактата, ацетата, H ₂ и CO ₂ ⁴¹ . Интересно, что семейство Lachnospiracea , хотя и менее многочисленное, различается по роду и в основном состоит из Butyrivibrio в TcoDi и из Coprococcus в TDi.Члены Butyrivibrio и Coprococcus оба используют ферментируемые углеводы, однако члены Butyrivibrio также участвуют в деградации растительных материалов и являются основным компонентом микробиоты ⁴¹ рубца. Члены Butyrivibrio , вероятно, произошли от коровьего навоза и смогли сохранить свою активность и рост в TcoDi.

В отличие от большого разнообразия, наблюдаемого в пределах Firmicutes , второго наиболее доминирующего типа, Thermotogae (рис.5), продемонстрировал очень низкое разнообразие, так как почти все последовательности были отнесены к разделению-кандидату Thermotoga S1. Примечательно, что четкое различие было обнаружено в относительной численности этого типа в конечной фазе TDi (40% всех последовательностей) и TcoDi (15% всех последовательностей). Как описано ранее ⁴² , члены Thermotoga способны расти на различных простых (например, глюкоза) и сложных (например, ксилан и крахмал) полисахаридах. Более низкая численность видов Thermotoga может объяснить более низкий выход метана в TcoDi (на 23% меньше), чем в TDi, особенно с учетом более высокого количества ХПК в виде твердых частиц (на 44% выше), которое оставило TcoDi по сравнению с TDi. .Наличие более высокого ХПК твердых частиц может быть связано с неэффективным преобразованием сложных углеводов в корме, в частности, в труднокальцитируемом навозе. Кроме того, анализ основных компонентов (рис. 7C) показал корреляцию между относительным содержанием S1 и концентрациями ЛЖК, указывая на то, что повышенные концентрации ЛЖК в TDi могут быть причиной повышенной деградации полисахаридов под действием Thermotoga S1. Кроме того, измеренный свободный аммиак составил 2.В 2 раза больше TcoDi (431 мг / л), чем TDi (198 мг / л), что позволяет предположить, что аммоний может влиять на численность видов Thermotoga ⁴³ .

В целом, кажется, что обнаружение более высокого относительного количества генов 16S рРНК, относящихся к родам Anaerobaculum , Coprothermobacter , Thermotoga и Syntrophomonas в TDi, может косвенно подразумевать усиленный гидролиз и ацидогенез пищевых продуктов. отходы по сравнению с совместным перевариванием пищевых отходов и навоза.Это может дополнительно подтверждаться наличием значительно большего количества ЛЖК (ацетата, пропионата и бутирата) в TDi, чем в TcoDi (рис. 4).

Анализ последовательностей архей (рис. 6) показал, что конфигурация процесса (переваривание по сравнению с совместным перевариванием) мало влияла на состав метаногенов и что почти полностью преобладал род Methanothermobacter , который содержит утилизаторы водорода. в TDi и TcoDi. Наблюдалась корреляция между Methanothermobacter и Coprothermobacter , а также связь с образованием метана (рис.7C). О таком сосуществовании часто сообщалось в литературе, где описывается сценарий синергической взаимосвязи, когда Coprothermobacter поставляет Methanothermobacter водородом ⁴⁴ . Преобладание Methanothermobacter согласуется с предыдущим исследованием структуры сообщества на термофильной биогазовой установке (FREVAR), откуда был взят инокулят для запуска термофильных варочных котлов, используемых в этом исследовании ³⁵ . Отсутствие видов Methanosaetaceae отражает неблагоприятную окружающую среду (например,g. , высокое содержание свободного аммиака) за их активность в TDi и TcoDi, что позволяет предположить преобладание гидрогенотрофного пути метаногенеза в обоих варочных котлах. Помимо неблагоприятной окружающей среды, преобладание представителей Methanothermobacter может быть связано с улучшенным гидролизом и ферментацией при повышенной температуре, что потребовало синтрофических реакций для эффективного преобразования промежуточных продуктов, таких как H ₂ и карбоновые органические кислоты.

Границы | Производство метана на установках полномасштабного анаэробного сбраживания, рассчитанное на основе биометанового потенциала субстрата, хорошо сопоставимо с производством, измеренным на месте

Введение

Биогаз из биомассы — одна из возможностей производства возобновляемой энергии для сокращения выбросов парниковых газов.В Швейцарии 0,29% от общего национального потребления энергии в 2014 году было покрыто за счет биогаза, а биогаз составлял около 8% от общего производства возобновляемой энергии, за исключением гидроэнергетики. На очистных сооружениях (КОС) производство биогаза внедряется на протяжении десятилетий, но скорее для стабилизации осадка отходов путем анаэробного сбраживания (AD), чем для производства энергии. Недавний обзор показывает, что в Соединенных Штатах Америки небольшое количество биогаза используется для производства тепла и электроэнергии на месте, и большая его часть сжигается на факелах (Shen et al., 2015). Иная ситуация в Европе (Bodík et al., 2011; Bachmann, 2015). Примером является станция очистки сточных вод Берна, которая была частью представленного здесь исследования и производит в два раза больше энергии в виде биометана, чем энергии, потребляемой из сети (https://www.arabern.ch/). Столь высокое производство биогаза на очистных сооружениях может быть достигнуто только за счет совместного сбраживания, т. Е. AD сбросного ила вместе с другими субстратами с более высокой органической нагрузкой (Shen et al., 2015). Совместное пищеварение стало горячей темой в исследованиях БА, о чем свидетельствует резкое увеличение количества публикаций по этой теме и обзоров, обобщающих результаты этой огромной работы (Mata-Alvarez et al. , 2011, 2014). Совместное переваривание имеет преимущество не только в увеличении общего производства биогаза в растении AD, но также позволяет использовать субстраты, которые трудно переваривать, в качестве единственного субстрата из-за несбалансированного содержания питательных веществ, слишком быстрой перевариваемости, приводящей к подкислению, и наличия ингибиторов. соединения. Хотя в определенных случаях могут возникать синергические эффекты, совместное переваривание чаще всего следует принципу аддитивности, что означает, что производится столько метана, сколько сумма производства метана с отдельными субстратами (Astals et al., 2014; Эбнер и др., 2016). Однако совместное сбраживание может улучшить кинетику процесса, что позволяет более эффективно строить заводы AD с меньшими метантенками или использовать слишком большие метантенки с неиспользуемой производительностью (Astals et al., 2014).

Чтобы оценить количество метана, которое может быть произведено с конкретным субстратом, можно применить так называемый тест биометанового потенциала (BMP) (Angelidaki et al. , 2009). Этот тест проводится в лабораторном масштабе и основан на периодических анализах, в которых аликвота субстрата переваривается подходящим посевным материалом (Raposo et al., 2012). BMP выражается как объем сухого газообразного метана при стандартных условиях (273,15 K и 101,33 кПа) на массу летучих твердых веществ (VS) добавленного субстрата, с единицей измерения NL _Ch5 кг _VS ^-1 . Международный межлабораторный тест показал, что тесты BMP еще недостаточно стандартизированы для получения согласованных результатов для одного и того же субстрата (Raposo et al., 2011). Мы надеемся, что недавно опубликованное руководство по итогам международного семинара, проведенного в июне 2015 года в Лейзине, Швейцария, поможет получить более надежные и последовательные результаты в будущем (Holliger et al., 2016).

Технико-экономические оценки заводов AD зависят от множества различных параметров, причем производство метана из органических материалов, которые будут перевариваться, является одним из наиболее важных (Zamalloa et al. , 2011; Dave et al., 2013). Количество произведенного метана также оказывает значительное влияние на схему последующей обработки произведенного биогаза. Это влияет, например, на выбор когенераторов для производства электроэнергии и тепла, их количество и мощность. Но также системы хранения и очистки газа будут рассчитаны и спроектированы в зависимости от количества произведенного метана.В принципе, промышленность использует три способа оценки добычи метана на полномасштабных установках. Они либо берут данные о производстве метана, опубликованные для аналогичных растений, в случае растений AD, которые обрабатывают один субстрат и для которых можно ожидать, что его состав почти такой же. Хорошим примером являются растения, переваривающие кукурузный силос. Для заводов совместного сбраживания проводятся либо пилотные исследования в лабораторном масштабе с непрерывными или полунепрерывными системами, вариант, который редко применяется из-за высоких затрат, либо берутся BMP субстратов и на их основании рассчитывается производство метана.Для последнего BMP либо определяются специализированными лабораториями на образцах субстратов, которые нужно переваривать, либо они берутся из литературных данных для аналогичных субстратов. Затем рассчитывается производство метана на полномасштабной установке путем умножения BMP на органические нагрузки конкретных субстратов. Кроме того, часто учитывается коэффициент экстраполяции 0,8–1,0, не зная, оправдан ли применяемый коэффициент или, возможно, слишком высокий или слишком низкий.Коэффициент применяется для учета различий между партиями и непрерывным процессом, а также эффектов масштабирования.

Однако существует очень мало исследований, изучающих эффект масштабирования производства метана на конкретных субстратах. BMP обычно определяются в лабораторных условиях в реакторах периодического действия, тогда как полномасштабные установки работают непрерывно или полунепрерывно. Кроме того, твердые субстраты часто гомогенизируют для лабораторных испытаний BMP, но при полномасштабном сбраживании размер частиц может достигать сантиметров.Сравнение производства метана из лабораторных и субпилотных анаэробных варочных котлов показало, что BMP смесей совместного сбраживания сырья точно оценили диапазон метана, производимого из трех 100-литровых реакторов с поршневым потоком (Sell et al., 2011). Производство метана в 300-литровом реакторе полунепрерывного действия составляло примерно 75–80% от уровня, определенного в 6-литровых реакторах периодического действия с подпиткой (Ruffino et al., 2015). Сравнение результатов ЛМУ в лабораторных условиях с полномасштабным производством биогаза еще не проводилось.

Таким образом, цель настоящего исследования состояла в том, чтобы сравнить производство метана, рассчитанное по BMP отдельных субстратов, с метаном, произведенным на полномасштабной установке, осуществляющей совместное сбраживание. Особое внимание было уделено отбору репрезентативных образцов субстратов, которые совместно перевариваются на двух исследованных полномасштабных установках. Кроме того, производство метана на полномасштабной установке было определено с использованием наиболее надежного параметра, измеренного в полном объеме, либо электричества, либо очищенного газа, закачанного в соответствующую сеть.Это также позволило предложить коэффициент экстраполяции, который следует использовать при расчете полномасштабного производства метана на заводе с BMP.

Материалы и методы

Полномасштабные заводы AD

Две полномасштабные установки AD были выбраны для сравнения производства метана, рассчитанного на основе BMP субстратов, совместно переработанных на заводе, и производства метана, измеренного на установке AD, одна с сухим, а другая с жидким процессом AD. .

Установка сухого AD принадлежит группе SATOM, Монте, Швейцария, расположена в Вильневе, Швейцария, и основана на процессе Kompogas (Axpo Kompogas AG, Баден, Швейцария).Он обрабатывает зеленые отходы, собранные в домашних условиях, и пищевые отходы из ресторанов и супермаркетов. Эти два отхода перед переработкой обрабатываются отдельно. Зеленые отходы измельчают на куски размером не более 10 см. Пищевые отходы разбавляются, измельчаются, отделяются от пластиковых упаковочных материалов и хранятся в резервуаре. AD происходит в реакторе с горизонтальным поршневым потоком при высоком содержании твердых веществ 25–35% в термофильных условиях (приблизительно 55 ° C), а среднее время удерживания подаваемого материала обычно составляет не менее 15 дней.Биогаз используется для комбинированного производства электроэнергии и тепла.

Установка жидкого AD является частью очистных сооружений города Берн (Араберн, Херреншванден, Швейцария). Он занимается переработкой осадка отходов первичного осветления и обратной промывки биофильтров, а также семи дополнительных органических отходов различного происхождения для увеличения производства биогаза. Дополнительными субстратами были пищевые отходы, сточные воды от производства кофе, сыворотка, шлам для удаления масел и жиров, промышленные пищевые отходы, отходы скотобойни и технический спирт.Пищевые отходы кондиционируются на установке за пределами площадки и предварительно обрабатываются для удаления оставшихся нежелательных материалов. Косубстраты хранятся в нескольких различных резервуарах, в одном из которых поддерживается температура 50 ° C для обеспечения хорошей текучести жиросодержащих отходов. БА происходит в мезофильных условиях (приблизительно 35 ° C), а среднее время удерживания в двухэтапном процессе составляет 18–20 дней. Произведенный биогаз очищается и закачивается в сеть природного газа.

Инокулят и субстраты

Посевной материал был собран на станции очистки сточных вод (ERM, Морж, Швейцария), которая обрабатывает отходы отстоя с помощью AD в мезофильных условиях (приблизительно 35 ° C).Отходы ила первичной и вторичной очистки — единственный субстрат этой полномасштабной установки; следовательно, совместное переваривание не происходит. Посевной материал был взят из первой полностью перемешанной стадии процесса AD за несколько дней до начала испытаний BMP. Он имел общее содержание твердых веществ (TS) 38,9 ± 2,6 г л ⁻¹ и содержание VS 22,5 ± 1,2 г л ⁻¹ (n = 26), и производился в среднем 1,612 ± 180 нмл _Ch5 L ^{–1 Инокулят} во время различных тестов BMP, которые длились 23–49 дней.Посевной материал хранился в среднем 2–3 дня при комнатной температуре в полностью заполненном и закрытом пластиковом контейнере в период от отбора проб до установления в тестах BMP, в течение которых TS, VS и, возможно, другие параметры (pH, NH ₄ , и концентрация ЛЖК).

Как уже упоминалось ранее, на заводе по производству сухих веществ AD в Вильневе перевариваются только два вида субстратов. Зеленые отходы были очень неоднородными, поэтому была применена особая процедура отбора проб.Каждый месяц отбора проб (декабрь 2013 г., март, апрель, май, июнь и июль 2014 г.) образцы отбирались на полномасштабной установке в течение четырех 4 дней (с понедельника по четверг). Каждый будний день образец весом примерно 1 кг собирали с конвейерной ленты, транспортирующей измельченные зеленые отходы, и это повторялось восемь раз в течение дня с интервалом примерно в 1 час. Из 8 кг зеленых отходов, собранных в течение 1 дня, примерно 1 кг был измельчен до частиц размером 10 мм с помощью режущей мельницы SM 200 (Rentsch GmbH, Хаан, Германия) и хранился в морозильной камере при -20 ° C до использования для испытаний BMP. и др. Анализ.Как и при отборе проб зеленых отходов, 1 л разбавленных пищевых отходов также отбирали один раз в час и все восемь проб смешивали. Из этих 8 л пищевых отходов 1 л хранился в морозильной камере до использования. В результате каждый месяц брали 4 образца зеленых отходов и 4 образца пищевых отходов, всего 24 образца для каждого субстрата.

На очистных сооружениях Берна отработанный ил был переработан совместно с семью дополнительными субстратами. Поскольку субстраты доставлялись нерегулярно, отбор проб проводился персоналом станции очистки сточных вод, и образцы хранились в морозильной камере при -20 ° C.Замороженные образцы регулярно доставлялись в лабораторию и в дальнейшем хранились замороженными до использования в тестах и ​​анализе BMP. Количество проанализированных образцов на субстрат указано в разделе «Результаты».

Микрокристаллическую целлюлозу, закупленную у Sigma-Aldrich, использовали в качестве положительного контроля во всех тестах BMP. Он имел содержание TS – VS 95,1%.

Испытания BMP, анализ и представление данных, а также химические аналитические методы

Испытания BMP проводились с использованием системы AMPTS II от Bioprocess Control (Лунд, Швеция) с некоторыми модификациями стандартной процедуры, предложенной поставщиком.Перед настройкой тестов BMP, TS и VS посевного материала и субстратов были определены в соответствии со стандартными методиками (APHA 1998). Нерегулярно определяли pH, концентрацию аммония и летучих жирных кислот в посевном материале, а в зависимости от субстрата также и для последнего. Концентрация аммония измерялась с помощью тестового набора Merck Ammonium Spectroquant ^® 114739 (диапазон 10–2000 мг _Nh5-N L ^-1 ), тогда как летучие жирные кислоты определялись с помощью ВЭЖХ, как описано ранее (Gonzalez-Gil and Holliger , 2011).

Флаконы емкостью 500 мл были заполнены либо 450 г инокулята для заготовок, либо 450 г инокулята плюс субстрат для других тестовых бутылок. Соотношение посевной материал-субстрат (ISR) на основе VS было в целом 4, только для зеленых отходов применялось ISR, равное 1, из-за низкого BMP этого субстрата. Свободное пространство над продуктом промывали смесью N ₂ и CO ₂ (60% / 40%; об. / Об.), И бутылки закрывали специальными пробками системы AMPTS II с включенным смесительным устройством. Тестовые флаконы инкубировали при 37 ± 1 ° C с периодическим перемешиванием (1 мин каждые 15 мин при 80% максимальной скорости).Автоматическое удаление завышенного количества газа было отключено, поскольку промывочный газ представлял собой не только N ₂ , а смесь N ₂ и CO ₂ . Холостые образцы были выполнены в двух экземплярах, субстраты были проанализированы в трех экземплярах, а для положительного контроля был проведен только один анализ для каждого теста BMP. BMP целлюлозы составлял 383 ± 18 нмл _Ch5 г _VS ^-1 , добавленных для 23 определенных BMP для одной бутылки, и все 23 измеренные BMP для целлюлозы находились в диапазоне 85–100% от теоретического. BMP, позволяющий проверить результаты испытаний BMP (Holliger et al., 2016). Испытания были прекращены, когда суточная добыча метана составила <1% от общего накопленного объема произведенного метана.

Объем накопленного метана в заготовках и подложках, который уже нормализован для сухого газа при стандартных условиях (273,15 K и 101,33 кПа) с помощью AMPTS II, используется для расчета BMP подложки. Среднее значение двух заготовок вычитается из объема газообразного метана, определенного для трех партий субстрата, чтобы удалить фоновое образование метана из-за посевного материала.Оставшийся объем газообразного метана делили на массу VS субстрата, добавляемого за партию. Среднее значение трех повторов представляет BMP субстрата, который выражается как NmL _Ch5 g _VS ^-1 . Чтобы учесть вариабельность повторов, BMP субстрата рассчитывали следующим образом:

Расчет производства метана крупномасштабными установками АД с БМП

Еженедельное производство метана было рассчитано путем умножения массы индивидуального субстрата, подаваемого в полномасштабные варочные котлы на еженедельной основе, на свойства различных субстратов, определенные в лаборатории.Полученное образование метана субстратов было суммировано, предполагая аддитивность без синергетических или ингибирующих эффектов. Добыча метана рассчитывалась следующим образом:

, где Q — масса субстрата, подаваемого в варочные котлы в неделю [тонны], TS — общее содержание твердых веществ в субстрате [%], VS — содержание летучих твердых частиц в субстрате [%], а BMP — биометановый потенциал субстрата [Нм ³ _Ch5 t _VS ^-1 ].Данные о массе субстратов, подаваемых в неделю, были предоставлены операторами двух полномасштабных установок AD.

Расчет производства метана на промышленных установках AD

Производство метана за период отбора проб продолжительностью приблизительно 6 месяцев рассчитывалось на еженедельной основе. Хотя производство биогаза измеряется онлайн на полномасштабных установках, а содержание метана либо онлайн, либо вручную, оно не использовалось напрямую для расчета производства метана из-за неточности приборов полномасштабной установки.Измеренное производство метана сравнивалось с измеренными эквивалентами энергии, подаваемой в сети, в виде электричества или природного газа за исследуемые периоды, поскольку они очень точно измеряются компаниями, управляющими сетевыми системами. Эквиваленты энергии, закачанные в сеть, были преобразованы в метан, произведенный путем применения выхода 40% для когенерационной установки и 99% для системы очистки газа, выходы, которые гарантированы поставщиками оборудования для производства электроэнергии и биометана и подтверждены операторы заводов.К этому объему метана, рассчитанному на основе данных оператора сети, был добавлен объем сожженного метана, который был небольшим, но не пренебрежимо малым. Последний был рассчитан путем умножения часов работы в течение 6 месяцев на номинальный расход факела. Наконец, два объема метана, один измеренный с помощью приборов на месте, а второй рассчитанный по продажам энергии и сжиганию, были сопоставлены и дали поправочный коэффициент, который затем был применен к измеренному суточному производству метана.Производство метана и количество субстрата, подаваемого в варочные котлы, учитывались еженедельно. Поскольку две установки AD питаются непрерывно и работают в стабильных условиях (насколько это возможно на полномасштабных установках), предполагалось, что еженедельный период позволяет получить средние репрезентативные данные.

Результаты и обсуждение

Аддитивность образования метана при совместном сбраживании

Подход, который был выбран для сравнения лабораторного и полномасштабного производства метана, заключался в изучении двух заводов AD, осуществляющих совместное сбраживание, и их различных субстратов.Поскольку аддитивность производства метана из двух или более субстратов является предметом разногласий в области исследований AD (Astals et al., 2014; Ebner et al., 2016), и поскольку испытания BMP основаны на аддитивности производства метана из посевной материал и субстрат, были проведены испытания BMP с различными смесями субстратов из двух растений AD. Таблица 1 показывает, что 10 экспериментов по совместному перевариванию привели к очень схожему производству метана по сравнению с рассчитанным на основе BMP отдельных субстратов.Тест Стьюдента t подтвердил, что результаты не имеют статистически значимых различий. На основании этих результатов в данном исследовании были определены и использованы только BMP отдельных субстратов.

Таблица 1 . Измеренные и рассчитанные биометановые потенциалы (BMP) смесей двух субстратов.

Сравнение измеренного и расчетного производства метана на установке жидкого АЦ

Отходы ила очистных сооружений Берна показали очень стабильный состав, что отражено в его содержании TS и VS и BMP (Таблица 2).Отходы ила с точки зрения VS, подаваемого в варочный котел, были наиболее важным субстратом, в среднем 63,8 ± 2,6% от общего количества VS, подаваемого в неделю. BMP 407 ± 22 NL _Ch5 кг _VS ⁻¹ , определенное для осадка отходов, было аналогично BMP, о котором сообщалось в другом исследовании (Zhu et al., 2011), и примерно на треть выше, чем указанные BMP. в другом месте (Davidsson et al., 2008; Luostarinen et al., 2009).

Таблица 2 . Характеристики субстратов, которые подвергались совместной переработке на очистных сооружениях Берна.

Пищевые отходы, отходы скотобоен и технический спирт были наиболее часто используемыми косубстратами на очистных сооружениях Берна и составляли 22,8 ± 2,1, 5,2 ± 0,8 и 4,4 ± 1,5% от общего количества ПС, скармливаемых в неделю, соответственно (Таблица 2) . Состав этих косубстратов был аналогичен сточному шламу и также был достаточно стабильным. BMP пищевых отходов были в порядке величины других исследований (Davidsson et al., 2007; Zhang et al., 2007; Browne and Murphy, 2013), в то время как BMP пищевых отходов были довольно низкими для субстрата, который должны преобладать липиды (Davidsson et al., 2008; Чжу и др., 2011). BMP технического спирта был очень близок к теоретическому значению для этанола, которое составляет 832 NL _Ch5 кг _VS ^-1 .

Остальные четыре косубстрата подавались в меньших количествах и для некоторых из них имели весьма различный состав, отраженный в их содержании TS, но также и в их BMP, как это было в случае шлама для удаления масла и жира (Таблица 2). BMP шлама обезжиривающего средства было ниже по сравнению с другими исследованиями, в которых сообщалось, что BMP для отходов жироуловителя составляли от 850 до 1000 NL _Ch5 g _VS ^-1 (Davidsson et al., 2008; Zhu et al., 2011), тогда как BMP сыворотки был выше (Ergüder et al., 2001).

Общая масса субстрата, подаваемого в варочные котлы очистных сооружений, составляла в среднем 5 253 ± 279 т в неделю в течение 29-недельного периода исследования. Это привело к продолжительности пребывания 18–20 дней, что довольно мало для AD на очистных сооружениях. Косубстраты составляли 11,6 ± 1,7% от общей массы, подаваемой за неделю. Общая масса ВС, подаваемого в неделю, составляла 200,3 ± 10,8 т, а количество косубстратов составляло 36.3 ± 2,2% загруженного ВС. Производство метана, рассчитанное на основе массы, подаваемой за неделю, и BMP отдельных субстратов показано на рисунке 1A. Добыча метана варьировалась от 82 067 до 104 576 м ³ в неделю и составляла в среднем 92 860 м ³ в неделю. Всего за 29 недель исследования было произведено 2 750 886 м 9 0005 3 9 0006 метана. На косубстраты приходилось 44% произведенного метана, и в среднем было произведено 463,5 ± 5,3 NL _Ch5 кг _VS ^-1 .

Рисунок 1 . Еженедельное производство метана на установке влажного анаэробного сбраживания в течение 29 недель. (A) Еженедельное производство метана рассчитано на основе биометанового потенциала субстратов и еженедельных органических нагрузок (светло- и темно-серые поверхности) и измерено на заводе (черная линия). (B) Относительная разница между измеренной и рассчитанной добычей метана.

Как описано выше, производство метана метантенками очистных сооружений было рассчитано на основе измеренного на месте объема произведенного биогаза, биометана, закачанного в сеть, и сожженного избыточного биогаза.Факел использовался в течение 38 дней, и в целом было сожжено 2,3% произведенного метана. Измеренная добыча метана колебалась от 69 721 до 100 930 м 3 ³ в неделю (рис. 1A) и составляла в среднем 87 247 м ³ в неделю. Общая добыча метана за 29 недель составила 2 569 907 м ³ и в среднем было произведено 435,7 ± 31,9 NL _Ch5 кг _VS ^-1 .

Все эти числа указывают на то, что производство метана, рассчитанное на основе BMP отдельных субстратов, немного завышает производство метана, произведенное на полномасштабной установке.На долю последнего приходилось 93,1% расчетной добычи метана с учетом общей добычи за 29 недель. Рисунок 1B показывает, что для 26 из 29 недель расчетная добыча метана была завышена измеренной, которая составляла в среднем 94,0 ± 6,8% расчетной добычи метана.

Сравнение измеренного и расчетного производства метана на установке сухого АД

Зеленые отходы были основным субстратом для сухой установки AD. Содержание TS в отходах, собранных с декабря по июль, снизилось, что указывает на то, что зеленые отходы были более влажными весной и летом (Таблица 3).Содержание VS было достаточно стабильным на протяжении всего периода обучения. Различный сезонный состав согласуется с другим исследованием, в котором изучалось компостирование биоотходов, собранных весной, летом, осенью и зимой (Hanc et al., 2016). Разница в составе зеленых отходов, по-видимому, также приводит к тому, что органическая фракция лучше поддается анаэробному разложению, поскольку BMP постоянно увеличивается и более чем в два раза для отходов июня и июля по сравнению с зимними отходами (Таблица 3).

Таблица 3 .Характеристики субстратов, которые подвергались совместному перевариванию на установке для сухого анаэробного сбраживания Villeneuve.

Пищевые отходы поступили из ресторанов и супермаркетов. Сначала он был обработан для удаления не поддающихся биологическому разложению материалов (в основном пластмасс), что подразумевало разбавление довольно неопределенными объемами воды, что приводило к изменению содержания TS от одного образца к другому. Для дальнейших расчетов было решено учитывать среднее TS. Пищевые отходы имели высокое содержание VS, а BMP было в среднем примерно в три раза выше, чем BMP зеленых отходов (Таблица 3).Зеленые отходы и пищевые отходы составили 76,3 ± 5,7 и 23,7 ± 5,7% от общего количества коров, скармливаемых еженедельно, соответственно.

Общая масса субстрата, подаваемого в полномасштабные варочные котлы сухого растения AD, составила 4810 т VS в течение 39 недель исследования. Однако, в отличие от установки с жидким AD, еженедельная нагрузка органических веществ значительно варьировалась из-за сезонного производства зеленых отходов. Он увеличился с 66,5 т VS в неделю в течение первых 12 недель до 110,7 т в течение последних 12 недель для зеленых отходов. Пищевых отходов пришлось 22.3% от общей массы скармливались и не имели сезонного характера. Масса VS, происходящего из жидкости для центрифугирования, значительно варьировалась и составляла от 0,3 до 10,7% VS, подаваемого в неделю, в среднем 4,2 ± 2,8%. Производство метана, рассчитанное на основе массы, подаваемой за неделю, и BMP отдельных субстратов показано на рисунке 2A. Производство метана варьировалось от 21 572 до 43 975 м ³ в неделю и составляло в среднем 24 846 м ³ в неделю с декабря по февраль, 34 447 м ³ в неделю с марта по май и 37 371 м ³ в неделю с июня по август.Всего за 39 недель исследований было произведено 1 234 193 м ³ метана. Пищевые отходы составляли 50% произведенного метана, и в среднем 259,7 ± 22,3 NL _Ch5 кг _VS ^-1 было произведено на смеси двух основных субстратов.

Рисунок 2 . Еженедельное производство метана на установке для сухого анаэробного сбраживания в течение 39 недель. (A) Еженедельное производство метана рассчитано на основе биометанового потенциала субстратов и еженедельных органических нагрузок (светло- и темно-серые поверхности) и измерено на заводе (черная линия). (B) Относительная разница между измеренной и рассчитанной добычей метана.

Для сухой установки AD производство метана рассчитывалось на основе электроэнергии, подаваемой в сеть, и сжигаемого избыточного газа. Факел использовался очень регулярно, и в целом было сожжено 16,8% произведенного метана. Измеренное производство метана варьировалось от 18 509 до 34 126 м 3 ³ в неделю (Рисунок 2A) и составляло в среднем 22 756 м ³ в неделю с декабря по февраль, 29 321 м ³ в неделю с марта по май и 30 273 м ³ в неделю с июня по август.Общая добыча метана за 39 недель составила 1 070 549 м ³ и в среднем 224,2 ± 24,5 NL _Ch5 кг было произведено _VS ^-1 .

Как и в случае с данными установки жидкого AD, все эти числа указывают на то, что производство метана, рассчитанное на основе BMP отдельных субстратов, завышает количество метана, произведенного в полномасштабной установке сухого AD. На долю последнего приходилось 86,7% расчетной добычи метана с учетом общей добычи за 39 недель.Рисунок 2B показывает, что для 37 из 39 недель расчетная добыча метана завышала измеренную добычу метана, которая составляла в среднем 86,3 ± 8,1% от расчетной. Однако органические нагрузки, применяемые в течение недель 16–18 и 29–33, указывали на перегрузку варочных котлов, что привело к неполной деградации подаваемых субстратов. Следовательно, завышенная оценка потенциального производства метана на основе BMP была еще выше в эти периоды и обусловлена ​​неполной деградацией из-за перегрузки системы.Если не учитывать данные этих периодов, то измеренная добыча метана составила 89,3 ± 5,7% от расчетной. За недели с перегрузкой измеренная выработка метана составила всего 74,6 ± 4,9% от расчетной.

Масштабный эффект AD субстратов, используемых при совместном переваривании

В нескольких исследованиях рассматривался вопрос о масштабных эффектах AD путем сравнения периодических экспериментов в масштабе 1 л с пилотными реакторами, работающими в полунепрерывном и полунепрерывном режимах.При изучении взаимосвязи между результатами, полученными с помощью испытаний BMP и субпилотных реакторов (100 л), был сделан вывод, что BMP смесей совместного сбраживания сырья могут достаточно точно оценить диапазон метана, произведенного тремя 100-литровыми поршневыми потоками. реакторы (Sell et al., 2011). В этом исследовании BMP смеси субстратов значительно варьировалось, и BMP использовались для определения максимального и минимального прогнозируемого BMP суточного производства метана, которое составляло примерно 80 и 40 л _Ch5 день ^-1 .Ежедневная выработка метана в трех поршневых реакторах объемом 100 л оставалась в этих пределах. Это означает, однако, что суточную добычу метана невозможно спрогнозировать более точно, чем в диапазоне коэффициента 2. В других исследованиях были получены результаты, аналогичные результатам настоящего исследования. Сравнение BMP различных типов отходов кожевенного производства (мякоти, обрезки кожи и осадка сточных вод) с производством метана в реакторах, работающих полунепрерывно, показало, что последние производили 79–93% метана, рассчитанного из BMP отдельных субстратов (Zupančič and Jemec, 2010).Смешивание твердых и жидких пищевых отходов привело к выходу метана, полученному в реакторах полунепрерывного действия, который составлял от 60 до 80% от выхода, полученного в периодических испытаниях (Zhang et al., 2013). Выходы метана, полученные в пилотном реакторе емкостью 300 л, составили примерно 80% от выхода метана, полученного в ходе испытаний меньшего масштаба (Ruffino et al., 2015). Небольшие различия между BMP и выходами метана, полученными с помощью ферментера на 1700 л, наблюдались для отходов из макроводорослей, перерабатываемых для биотоплива, фармацевтической или пищевой промышленности (Barbot et al., 2015). В целом эти различные исследования показывают, что периодические испытания дают хорошую оценку выхода метана, который может быть получен в более крупном масштабе, однако в целом с небольшим завышением.

В настоящем исследовании сравниваются BMP, определенные в лабораторных условиях в реакторах периодического действия объемом 500 мл, с производством метана, полученным на полномасштабных установках. Для обеих установок с влажным или сухим AD недельная выработка метана в целом была завышена примерно на 10%. Для мокрой установки AD завышение в среднем составило 6.0 ± 6,8%, для сухого процесса AD — 10,6 ± 5,8% без учета периодов с органической перегрузкой. Следовательно, это согласуется с результатами исследований по сравнению БМП с выходами метана пилотных реакторов.

Несколько более высокая оценка для сухого процесса AD, вероятно, связана с его совершенно другими условиями по сравнению с испытаниями в партии. Полномасштабный варочный котел представляет собой реактор поршневого типа, работающий с содержанием TS около 25% и размером частиц субстрата в несколько сантиметров.Парковые испытания проводят с приблизительно 5% TS в полностью перемешанном сосуде с размером частиц субстрата менее 10 мм.

Заключение

Это исследование показало, что производство метана, рассчитанное на основе BMP расщепленных субстратов и их удельных органических нагрузок, хорошо сравнивается с производством метана, измеренным на месте, однако с явной тенденцией к завышению последнего. Для двух заводов AD измеренное еженедельное производство метана было значительно ниже, чем расчетное производство метана для 26 из 29 и 37 из 39 недель, соответственно, и составило 94.0 ± 6,8 и 89,3 ± 5,7% от расчетной добычи метана. Основываясь на этих результатах, мы пришли к выводу, что BMP можно использовать для уверенной оценки производства метана для проектирования и эксплуатации полномасштабных установок, если субстраты хорошо охарактеризованы и не испытывают недостатка в питательных веществах, и если рабочие параметры адаптированы к субстраты и процесс AD. Однако следует применять коэффициент экстраполяции не менее 0,8–0,9, чтобы избежать переоценки производства метана и соответствующего технико-экономического потенциала планируемой установки AD.

Авторские взносы

CH задумал и спроектировал исследование, руководил экспериментальной работой и написал рукопись, GH выполнил экспериментальную работу, HFL задумал и разработал исследование, рассчитал производство метана растениями и отредактировал рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Это исследование финансировалось Швейцарским федеральным управлением энергетики в рамках проекта No. 154365/103311. Авторы благодарны операторам Андреасу Шиллеру (AraBern) и Жюльену Довату (SATOM Villeneuve) двух полномасштабных установок AD за приятное сотрудничество, помощь с отбором проб и предоставление данных о производстве биогаза и метана / энергии в полном объеме. шкала.

Список литературы

Ангелидаки, И., Алвес, М., Бользонелла, Д., Borzacconi, L., Campos, J. L., Guwy, A.J. и др. (2009). Определение биометанового потенциала (BMP) твердых органических отходов и энергетических культур: предлагаемый протокол для периодических анализов. Water Sci. Technol. 59, 927–934. DOI: 10.2166 / wst.2009.040

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Асталс, С., Батстон, Д. Дж., Мата-Альварес, Дж., И Дженсен, П. Д. (2014). Выявление синергетического воздействия при анаэробном совместном сбраживании органических отходов. Биоресурсы.Technol. 169, 421–427. DOI: 10.1016 / j.biortech.2014.07.024

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бахманн, Н., Янсен, Дж., Бохманн, Г., и Монпарт, Н. (2015). «Устойчивое производство биогаза на городских очистных сооружениях», под ред. Д. Бакстер, МЭА Биоэнергетика.

Google Scholar

Барбот, Ю. Н., Томсен, К., Томсен, Л., и Бенц, Р. (2015). Анаэробное сбраживание отходов ламинарии японской из остатков промышленного производства в лабораторных и экспериментальных масштабах. Mar. Drugs 13, 5947–5975. DOI: 10.3390 / md13095947

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бодик И., Седлачек С., Кубаска М. и Хутнян М. (2011). Производство биогаза на муниципальных очистных сооружениях — текущий статус в ЕС с акцентом на Словацкую Республику. Chem. Bioch. Англ. Q. 25, 335–340.

Google Scholar

Браун, Дж. Д., и Мерфи, Дж. Д. (2013). Оценка ресурса, связанного с биометаном из пищевых отходов. Прил. Энергия 104, 170–177. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2012.11.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дэйв А., Хуанг Ю., Резвани С., Макилвин-Райт Д., Новаес М. и Хьюитт Н. (2013). Технико-экономическая оценка разработки биотоплива путем анаэробного переваривания европейских морских холодноводных водорослей. Биоресурсы. Technol. 135, 120–127. DOI: 10.1016 / j.biortech.2013.01.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Davidsson, Å, Gruvberger, C., Кристенсен, Т. Х., Хансен, Т. Л., и Янсен, Дж. Л. С. (2007). Выход метана в отсортированной по источникам органической фракции твердых бытовых отходов. Управление отходами. 27, 406–414. DOI: 10.1016 / j.wasman.2006.02.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Давидссон, А., Левстедт, К., Ла Кур Янсен, Дж., Грувбергер, К., и Аспегрен, Х. (2008). Совместное сбраживание осадка жироуловителя и осадка сточных вод. Управление отходами. 28, 986–992. DOI: 10.1016 / j.wasman.2007.03.024

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эбнер, Дж. Х., Лабатут, Р. А., Лодж, Дж. С., Уильямсон, А. А., и Трабольд, Т. А. (2016). Совместное анаэробное переваривание коммерческих пищевых отходов и молочного навоза: характеристика биохимических параметров и синергетических эффектов. Управление отходами. 52, 286–294. DOI: 10.1016 / j.wasman.2016.03.046

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эргюдер Т. Х., Тезель У., Гювен Э.и Демирер Г. Н. (2001). Анаэробная биотрансформация и потенциал образования метана сырной сыворотки в реакторах периодического действия и UASB. Управление отходами. 21, 643–650. DOI: 10.1016 / S0956-053X (00) 00114-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gonzalez-Gil, G., and Holliger, C. (2011). Динамика структуры микробного сообщества и усиление биологического удаления фосфора аэробными гранулами, выращенными на пропионате или ацетате. Прил. Environ. Microbiol. 77, 8041–8051. DOI: 10.1128 / AEM.05738-11

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hanc, A., Ochecova, P., and Vasak, F. (2016). Изменение параметров при компостировании биоотходов, собранных за четыре сезона. Environ. Technol. 1–14. DOI: 10.1080 / 095.2016.1246611

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холлигер, К., Алвес, М., Андраде, Д., Ангелидаки, И., Асталс, С., Байер, У. и др. (2016). На пути к стандартизации тестов на биометановый потенциал. Water Sci. Technol. 74, 2515–2522. DOI: 10.2166 / wst.2016.336

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луостаринен, С., Лусте, С., и Силланпяя, М. (2009). Увеличение производства биогаза на очистных сооружениях за счет совместного сбраживания осадка сточных вод с осадком жироуловителя мясоперерабатывающего завода. Биоресурсы. Technol. 100, 79–85. DOI: 10.1016 / j.biortech.2008.06.029

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мата-Альварес, Дж., Dosta, J., Macé, S., and Astals, S. (2011). Переваривание твердых отходов: обзор его использования и перспектив, включая моделирование. Крит. Rev. Biotechnol. 31, 99–111. DOI: 10.3109 / 07388551.2010.525496

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мата-Альварес, Дж., Доста, Дж., Ромеро-Гуиза, М. С., Фонолл, X., Печес, М., и Асталс, С. (2014). Критический обзор достижений анаэробного совместного пищеварения за период с 2010 по 2013 год. Renew. Поддерживать. Energ.Ред. 36, 412–427. DOI: 10.1016 / j.rser.2014.04.039

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рапосо, Ф., Де Ла Рубиа, М.А., Фернандес-Сегри, В., и Борха, Р. (2012). Анаэробное разложение твердых органических субстратов в периодическом режиме: обзор выхода метана и экспериментальных процедур. Обновить. Поддерживать. Energ. Ред. 16, 861–877. DOI: 10.1016 / j.rser.2011.09.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рапосо, Ф., Фернандес-Сегри, В., Де Ла Рубиа, М.А., Борха, Р., Белин, Ф., Кавинато, К. и др. (2011). Биохимический метановый потенциал (BMP) твердых органических субстратов: оценка анаэробной биоразлагаемости с использованием данных международного межлабораторного исследования. J. Chem. Technol. Biotechnol. 86, 1088–1098. DOI: 10.1002 / jctb.2622

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Руффино, Б., Фиоре, С., Роати, К., Кампо, Г., Новарино, Д., и Занетти, М. (2015). Масштабный эффект тестов анаэробного сбраживания в периодическом и полунепрерывном режимах для технической и экономической осуществимости полномасштабного варочного котла. Биоресурсы. Technol. 182, 302–313. DOI: 10.1016 / j.biortech.2015.02.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Селл, С. Т., Бернс, Р. Т., Муди, Л. Б., и Раман, Д. Р. (2011). Сравнение производства метана лабораторными и субпилотными анаэробными метантенками. Прил. Англ. Agric. 27, 821–825. DOI: 10.13031 / 2013.39570

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен, Ю., Линвилл, Дж. Л., Ургун-Демиртас, М., Минц, М.М., Снайдер С. В. (2015). Обзор производства и использования биогаза на полномасштабных очистных сооружениях (СОСВ) в США: проблемы и возможности для энергонейтральных очистных сооружений. Обновить. Поддерживать. Energ. Ред. 50, 346–362. DOI: 10.1016 / j.rser.2015.04.129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zamalloa, C., Vulsteke, E., Albrecht, J., and Verstraete, W. (2011). Технико-экономический потенциал возобновляемых источников энергии за счет анаэробного переваривания микроводорослей. Биоресурсы. Technol. 102, 1149–1158. DOI: 10.1016 / j.biortech.2010.09.017

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан К., Су, Х. и Тан, Т. (2013). Периодическое и полунепрерывное анаэробное сбраживание пищевых отходов в двойной твердожидкостной системе. Биоресурсы. Technol. 145, 10–16. DOI: 10.1016 / j.biortech.2013.03.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, Р., Эль-Машад, Х. М., Хартман, К., Ван, Ф., Лю, Г., Choate, C., et al. (2007). Характеристика пищевых отходов как сырья для анаэробного сбраживания. Биоресурсы. Technol. 98, 929–935. DOI: 10.1016 / j.biortech.2006.02.039

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжу, З., Сюэ, М. К., и Хе, К. (2011). Улучшение биометанирования осадка бытовых отходов с помощью отходов жироуловителя в качестве вспомогательного субстрата. Обновить. Энергия 36, 1802–1807. DOI: 10.1016 / j.renene.2010.11.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зупанчич, Г.Д., и Джемек А. (2010). Анаэробное сбраживание отходов кожевенного производства: полунепрерывные и анаэробные процессы в реакторе периодического действия. Биоресурсы. Technol. 101, 26–33. DOI: 10.1016 / j.biortech.2009.07.028

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оптимизация выхода биогаза из лигноцеллюлозных материалов с помощью различных методов предварительной обработки: обзор | Биотехнология для производства биотоплива

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

выхода энергии из системы анаэробного сбраживания на ферме

Введение

В этой информационной таблице представлена ​​основная информация, необходимая для расчета тип, количество и экономическая ценность энергии, которую можно ожидать производиться с помощью анаэробной системы пищеварения на ферме.Он также предоставляет пример энергетического баланса для варочного котла.

Что такое система анаэробного сбраживания на ферме?

Фермерская система анаэробного сбраживания (AD) представляет собой герметичный подогреваемый контейнер. расположен на ферме, которая разрушает органические материалы для производства биогаза. Этот биогаз, содержащий около 60 процентов метана, используется для генерировать энергию.

Одной из особенностей системы AD на базе фермы является жидкий компонент стоки из варочного котла распространяются на местной земле в качестве урожая источник питательных веществ.Твердый компонент (при наличии) может быть распределен как питательное вещество, используемое в качестве подстилки для домашнего скота или продаваемое в виде компоста или биоматериал.

Дополнительную информацию о системах AD на базе фермы можно получить в Министерство сельского хозяйства, продовольствия и сельских районов Онтарио ( OMAFRA ) Информационный лист под названием «Основы анаэробного пищеварения».

Рис. 1. Система анаэробного сбраживания на ферме работает в Онтарио.

Органические материалы, добавленные в фермерскую систему AD

Органические материалы, пригодные для пищеварения, могут быть помещены в на три общие категории:

Нормативные требования к добавлению органических материалов зависят от типы и комбинации используемых материалов. В некоторых случаях Сертификат одобрения (C of A) по охране окружающей среды Акт (EPA) может потребоваться как для объекта AD, так и для приложения. смешанных материалов на суше.Последние изменения в EPA и Nutrient Закон об управлении (NMA) разрешит ограниченный процент определенных несельскохозяйственных исходные материалы должны быть добавлены без требования для C или A (однако требования в NMA должны быть выполнены). Также это законодательство изменение позволяет получить результат анаэробного пищеварения (который может быть твердым или жидкость) из фермерских хозяйств смешанного типа AD, чтобы соответствовать определению сельскохозяйственного исходного материала, если более 50 процентов вводимых ресурсов генерируются при сельскохозяйственной операции (даже если требуется C из A согласно Части V Закона об охране окружающей среды для системы AD).

За дополнительной информацией обращайтесь в Контактный центр сельскохозяйственной информации. по этой теме по телефону 1-877-424-1300 или по электронной почте: [email protected].

Факторов, влияющих на выход энергии от анаэробов Варочный котел

Выход энергии из анаэробного варочного котла зависит от материала используется для «подпитки» варочного котла. Есть пять основных характеристик любого заданного сырья, которое влияет на выход энергии.

Содержание сухого вещества

Обычно количество доступной энергии материала увеличивается с повышенное содержание сухого вещества (СВ). Материалы с очень низким содержанием сухого вещества содержимое (например, промывная вода или сильно разбавленный навоз) будет иметь очень низкий (или отрицательный) выход энергии — то есть энергия, необходимая для нагрева материал для пищеварения может приближаться к количеству энергия, производимая варочным котлом.Эти материалы можно использовать для разбавления другие материалы или использовались, если есть финансовый стимул для лечения (например, чаевые).

Для материалов с высоким содержанием сухого вещества (> 20% СВ) требуется различные методы эксплуатации варочного котла. Эти материалы будут должны быть смешаны с другими, более разбавленными входящими материалами, или должны быть смешаны с рециркулированными стоками из метантенка. Альтернативные способы сбора урожая энергия также может рассматриваться вместо пищеварения (например,грамм. горение материала для производства тепла в системе сжигания биомассы, когда материал> 70% DM).

Большинство сельскохозяйственных лабораторий могут выполнять определение сухого вещества. Кроме того, такие источники информации, как NMAN OMAFRA программное обеспечение может предоставить полезные оценки для сухой содержание веществ в сельскохозяйственных материалах.

Содержание летучих твердых веществ

В дополнение к основному содержанию сухого вещества в веществе способность этого материала для эффективного разложения в варочном котле необходимо считаться (e.грамм. песок имеет высокое содержание сухого вещества, но не дайджест). Летучие твердые вещества (VS) — это органические соединения животного или растительного происхождения. источник. Иногда их называют органическими твердыми веществами (ОТС). Высшее Значение VS обычно приводит к более высокому выходу энергии. Это значение указано в процентах от содержания сухого вещества. Для большинства материалов, используемых в фермерских хозяйствах. В системах AD это значение колеблется от 63 до 98 процентов от сухого вещества. в материале.Несколько лабораторий в Онтарио могут выполнить это измерение.

Для большинства варочных котлов рекомендуется верхний предел летучих загрузка твердых тел в сутки. Если этот предел превышен, варочный котел станет сложнее работать на стабильной основе и проблемы например, может произойти плохое производство биогаза или пенообразование. Этот предел обычно выражается в килограммах летучих твердых веществ в день на кубический метр мощности метантенка (кг / сут / м ³⁾ .Ценности более 4,5 кг / сут / м ³ приближаются к эксплуатационным пределам варочного котла, особенно во время пуска.

Выход биогаза на тонну летучих твердых веществ

Выход биогаза — это измерение производства биогаза во времени. период нахождения материала в варочном котле. Более высокое значение выхода биогаза на тонну летучих твердых частиц дает более высокую энергию урожай.Это количество сильно варьируется в зависимости от типа и состояния. материала. Информация из Германии указывает дальность действия 200 м ³ до 4500 м ³ биогаза на тонну летучих твердых веществ для различных материалы, обычно используемые в варочном котле. Доступны диаграммы, дающие ожидаемый диапазон урожайности. Однако знания аналогичного варочного котла работающие с теми же материалами или из специализированной лаборатории, которая переваривает материал за указанный период (рисунок 2) рекомендуется для обеспечения ожидаемого производства биогаза из материал.

Рисунок 2. Метод отбора проб биогаза.

Содержание метана в биогазе

Биогаз состоит из метана, двуокиси углерода, сероводорода, воды. пар и другие составляющие. Содержание метана в биогазе от сельскохозяйственные источники обычно составляют от 50 до 65 процентов. Многие лаборатории в Онтарио имеют возможность измерять метан. содержание.

Ингибирующие компоненты в сырье

Высокое содержание азота в исходном сырье может препятствовать процессу пищеварения особенно при более высоких рабочих температурах. Свиной и птичий помет может иметь достаточно высокий уровень азота, чтобы вызвать этот ингибирующий эффект. Такие материалы, как сульфид меди или антибиотики в сырье, могут также подавляют пищеварение. Лабораторные исследования или знания из аналогичных дигестеров работа с одними и теми же материалами часто необходима для обеспечения надлежащего операция.

Введение новых материалов в варочный котел

Пищеварение — это биологический процесс. Требуется время, чтобы этот процесс приспособиться к другому материалу, загружаемому в варочный котел.

Перед тем, как представить новый продукт, должен быть разработан план за скорость внедрения и шаги, предпринятые для отслеживания изменений и реагирования на них. Например, можно было бы добавить новые материалы, начиная с 10 за процентов от полной загрузки и постепенно увеличивая до полной загрузки в четырехнедельный период.Эта часть также может включать в себя концепцию медленного внедрения. новых материалов и / или изменить время перемешивания при чрезмерном вспенивании обнаружен в варочном котле.

Оценка выхода энергии из исходного сырья

Доступна основная информация для оценки выхода энергии для многих видов сырья. и комбинации исходного сырья без полного тестирования. Однако для получения точная оценка ожидаемой урожайности, информация часто понадобится можно получить у консультанта, знакомого с биогазовой технологией.В консультант обычно использует лабораторные тесты, результаты аналогичных учреждений. и опыт прогнозирования урожайности. На рисунке 3 показано сводка расчетных объемов производства биогаза и энергии, рассчитанных для трех обычное сырье на основе европейского опыта.

Источник: Böhni Energie & Umwelt, Systemoptimierungen Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen Umsetzung

м ³ / т = кубический метр на тонну
кВтч / т = киловатт-час на тонну

* Предполагается 35-процентное преобразование энергии биогаза в электричество, 45 процентное преобразование энергии биогаза в тепло.Часть этого тепла будет потребуются для нагрева варочного котла. Электрический КПД может варьироваться от От 25 до 42 процентов.

Выход энергии от животноводства

Используя рисунок 3, базовая оценка биогаза и энергии производство может быть завершено. Следующие шаги показывают расчеты необходимо для молочной фермы, где есть 140 дойных коров (плюс пополнение). Примечание: приведенные ниже расчеты предназначены только для информационных целей.Индивидуальная оценка квалифицированным персоналом требуется для окончательный проект объекта.

Оценка недвижимости:

140 коров плюс ремонтное молодняк дают около 5600 тонн в год навоза (программа OMAFRA MSTOR)

Выход электроэнергии: 5600 тонн / год x 48 кВтч / тонна = 269000 кВтч / год (730 кВтч в сутки)

Тепловая мощность: 5600 тонн / год x 62 кВтч = 350 000 кВтч в год (950 кВтч в сутки)

В холодные зимние дни 50% тепла может потребоваться для поддержания температура варочного котла.Таким образом, в самый холодный зимний день 475 кВтч / сут. имеется избыток тепла. (3413 БТЕ (британская тепловая единица) на кВтч, это обеспечит тепло, эквивалентное стандартной печи на 100000 БТЕ. на 16 часов.)

Для экономических расчетов, приведенных ниже, 25% от общего количества тепла было предполагается, что подворье используется в качестве источника тепла, что дает полезная тепловая мощность 87 500 кВтч / год.

Выход энергии от добавления материалов вне фермы

Варочный котел на ферме может смешивать до 10-25% источников вне фермы материал и работать эффективно.Следующие расчеты для описанной выше молочной фермы с добавлением 10 на цент хлебопекарных отходов.

В этом случае вырабатывается значительно больше тепла, чем производится только из навоза. Во многих случаях на животноводческих фермах не хватит использования всего этого тепла. Для следующих экономических расчетах предполагается, что 25% тепла утилизируется дающий полезный выход тепла 175 000 кВт / ч в год

Валовая стоимость электроэнергии и тепла

Если электричество из приведенных выше примеров продается по цене 12 ¢ / кВтч (приблизительная стоимость энергии от биогазовых систем при продаже через Программа стандартных предложений возобновляемых источников энергии, включая пиковую выработку электроэнергии), текущая годовая потенциальная валовая стоимость электроэнергии составляет 32000 долларов США. только за навоз, или 65000 долларов за навоз, смешанный с несельскохозяйственным источником материалы.См. Информационный бюллетень OMAFRA Анаэробное пищеварение и возобновляемые источники Программа предложений по энергетическому стандарту и информационный лист. Соображения и возможности для создания системы анаэробного варочного котла на ферме в Онтарио, август 2007 для более подробной информации о ценах ..

Рисунок 4. Бункер для кукурузного силоса для подачи в варочный котел.

На основе сделанных выше предположений, что 25% от общего количества используется тепло, тогда ценность тепла в качестве замены природного газа ($ 0.05 за кВтч) составляет 4300 долларов США только за навоз и 8600 долларов США за навоз, смешанный с материалами несельскохозяйственного происхождения.

Выход энергии от энергетических культур

Многие фермы в Европе используют энергетические культуры для производства биогаза. В Используемая основная культура — кукурузный силос. На основании рисунка 3, следующие расчеты производятся с использованием кукурузного силоса с одного гектара.

Анаэробная ферментация казеина и свиной крови с подпиткой и связанные с ней изменения в составе микробного сообщества

Цитирование: Ковач Э., Вирт Р., Мароти Г., Баги З., Рахели Г., Ковач К.Л. (2013) Производство биогаза из белков. Богатая биомасса: анаэробная ферментация казеина и свиной крови с подпиткой и связанные с этим изменения в составе микробного сообщества.PLoS ONE 8 (10): e77265. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265

Редактор: Дуэйн Элиас, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 7 мая 2013 г .; Одобрена: 30 августа 2013 г .; Опубликовано: 16 октября 2013 г.

Авторские права: © 2013 Kovács et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Работа поддержана проектами ЕС HUSRB / 1002/214/041 IPA, HURO / 1001/193 / 2.2.2. CBC и IEE / 10/235 SI2.5 GreenGasGrids. Благодарим за финансирование от Baross_ALGOLABH OMFB-00356/2010, TÁMOP 4.2.4.A / 2-11-1-2012-0001 и TÁMOP-4.2.2 / B-10 / 1-2010-0012. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Анаэробное сбраживание (AD) с одновременным производством биогаза является экологически привлекательной технологией обработки органических отходов. Биогаз обеспечивает экологические преимущества в отношении обработки отходов, снижения загрязнения, производства CO ₂ — нейтральной возобновляемой энергии и улучшения методов ведения сельского хозяйства за счет повторного использования питательных веществ для растений [1].

Биогаз можно сжигать для получения тепла или сжигать в газовых двигателях для выработки электроэнергии, а после очистки его можно использовать в любых приложениях, для которых сегодня используется природный газ из ископаемого топлива.AD применяется к целому ряду потоков промышленных отходов, особенно в агропромышленном комплексе, который является источником высоких концентраций легко разлагаемого органического материала, состоящего в основном из сложных молекул. Несмотря на промышленно-экономическое значение основных микробиологических событий, мало что известно о роли и деятельности микроорганизмов, населяющих анаэробные ниши [1].

В Европейском Союзе (ЕС) в настоящее время работают более 7 800 биогазовых установок, но ни одна из них не перерабатывает в основном богатые белком отходы, несмотря на то, что огромное количество таких материалов образуется постоянно.Эти загрязнители накапливаются в огромных количествах, и их удаление является дорогостоящим и энергоемким. Примерно 1 миллион тонн богатых белком отходов, ежегодно производимых во всем мире свиноводством, животноводством и птицеводством, содержит навоз, кровь и перья [2], тип биомассы, классифицируемый как опасные отходы в нескольких странах. Производство цыплят-бройлеров в мире растет быстрее, чем производство любого другого мяса. 30,9% мяса птицы в мире поставляется из ЕС [3]. Сектор яиц и птицеводства ЕС вносит свой вклад 6.3% от общего объема сельскохозяйственной продукции ЕС, что составляет около 23,3 млрд евро в год [4]. Это означает 500 000 тонн богатых белком отходов в год только в ЕС. Многие другие части мира сталкиваются с подобной проблемой.

Белок также составляет основную часть органической нагрузки в сточных водах молочных предприятий [5]. Низкий уровень АД, вместе с проблемами ингибирования, вызванными определенными компонентами, были определены как ответственные за ограниченную активность биогазовых реакторов, работающих с молочными стоками [6,7].Другие отрасли пищевой промышленности, такие как скотобойни и переработка сыворотки, сыра, казеина и некоторых овощей, обычно производят сточные воды, содержащие относительно высокие концентрации белка [5]. Такие формы богатой белком биомассы были бы чрезвычайно ценными в качестве биогазовых субстратов, если бы можно было решить основные вопросы, касающиеся их БА. Помимо преимуществ производимого биогаза, безвредные для окружающей среды остатки ферментации являются отличным удобрением для сельского хозяйства [2,6].

Белки состоят из аминокислот, связанных пептидными связями, которые при разложении гидролизуются протеазами. Аминокислоты ферментируются разными путями, в зависимости от природы и концентрации присутствующих аминокислот [5,8]. Продукты разложения включают органические кислоты с короткой или разветвленной цепью, NH ₃ , CO ₂ и H ₂ . Аминокислоты метаболизируются двумя основными путями: пары аминокислот могут разлагаться посредством реакции Стикленда; и отдельные аминокислоты могут разлагаться в присутствии бактерий, использующих H ₂ [5,8].Реакция Стикленда является самым простым способом разложения аминокислот и обеспечивает клетку 0,5 моль АТФ на моль трансформированной аминокислоты [9]. Реакции Стикленда обычно протекают быстрее, чем ферментация несвязанных аминокислот [5].

год нашей эры требует согласованных действий многих групп микробов, каждая из которых выполняет свою особую роль в общем процессе деградации [10,11]. В отсутствие концевых акцепторов электронов, таких как нитрат, кислород или сульфат, метаногенное преобразование органического вещества является важной особенностью многих экосистем [12].Оптимальное соотношение углерод / азот / фосфор (C / N / P) для высокого выхода метана составляет около 100: 3: 1 [13,14]. Усвояемость отходов, богатых углеводами, можно улучшить, смешивая их с субстратами с высоким содержанием азота, тем самым улучшая соотношение C / N [15-17]. При анаэробной ферментации ацидогены и метаногены различаются по своей физиологии, потребностям в питании, кинетике роста и чувствительности к условиям окружающей среды [18,19]. Несоблюдение баланса между этими двумя группами является основной причиной нестабильности процесса [20].

Введение в процесс AD в больших количествах богатых энергией [21] белковых отходов не рекомендуется ввиду повышенного риска ингибирования аммиаком [6,10,22]. В литературе уровень подавления общей концентрации аммиака варьируется в зависимости от таких условий, как посевной материал, субстрат, потребность в акклиматизации, период работы, pH и температура [23-27]. Свободный NH ₃ является основной причиной ингибирования, поскольку он проницаем для мембран [23,28] и вызывает дисбаланс протонов и / или дефицит калия [29-31].Ион аммония (NH ₄ ⁺ ) менее токсичен [32]. Адаптированные к аммиаку анаэробные консорциумы ингибировались при концентрации NH ₃ 0,7-1,1 г NH ₃ -N / л [25,27].

Сообщается об акклиматизации микробных сообществ, образующих биогаз, к широкому спектру потенциально ингибирующих веществ [33]. В ненарушенном естественном микробном сообществе ингибирующий уровень аммиака может составлять всего 0,08-0,10 г NH ₄ ⁺ -N / л [28,34].Тем не менее, также сообщалось о допуске до 3-4 г NH ₄ ⁺ -N / л для адаптированного процесса [25].

Edström et al. [35] использовали кровь, содержимое желудка и кишечника, а также пищевые отходы при совместной ферментации с навозом. Смеси сырья, содержащие 8-15% отходов животноводства, могут быть совместно переработаны в стабильных условиях при общей концентрации 4,5-5,0 г NH ₄ ⁺ -N / л. Успешная работа анаэробных фильтров достигнута в 6 лет.0-7,8 г N / л после периода адаптации [28,36]. Такие эксперименты ясно демонстрируют, что после начальной фазы адаптации можно проводить ферментацию с концентрацией, превышающей 4-5 г NH ₄ ⁺ -N / л [33,37]. Однако более низкий выход биогаза и / или выход CH ₄ наблюдался в случае повышенной нагрузки аммиака [38,39]. Общей чертой всех предыдущих попыток адаптации к аммиаку было то, что субстрат с высоким содержанием азота подавался вместе со значительным количеством богатых углеродом материалов, чтобы приблизиться к рекомендуемому соотношению C / N / P.Относительно немного исследований рассматривали эффекты увеличения масштаба в биогазовом ферментере при строго сопоставимых условиях и геометрии реактора [31].

NH ₃ оказывает вредное влияние на метаногены, утилизирующие ацетат; его эффекты на H ₂ -использующие метаногенные археи и синтрофные бактерии менее выражены [10]. Повышенный уровень аммиака (0,8-6,9 г NH ₄ ⁺ -N / л) вызывает изменения в микробных сообществах; Переход от уксусно-пластического метаногенеза к синтрофическому ацетатному окислению является следствием эффекта ингибирования NH ₃ [40,41].Относительное количество некоторых уксусных метаногенов уменьшилось в реакторе, подвергнутом стрессу аммиака, тогда как численность бактерий увеличилась. Устойчивость к аммиаку некоторых синтрофных ацетатокисляющих бактерий, таких как Clostridium ultunense , Syntrophaceticus schinkii и Tepidanaerobacter aceatoxidans , по-видимому, дала сообществу конкурентное преимущество [41]. Другие исследования показали, что представители Methanosarcinaceae и Methanosaetaceae сильно ингибируются NH ₃ [30,42].

Был разработан полуколичественный метод для быстрого различения микробных таксонов на основе их толерантности к аммиаку [43]. Аналогичным образом росли археи и бактерии в присутствии 0,8–2,3 г NH ₄ ⁺ -N / л. При концентрациях аммония 4,4 г / л и 8,6 г / л археи квази-отсутствовали или отсутствовали соответственно. В микробных сообществах AD основными конкурентами синтрофных ацетатокисляющих бактерий являются уксусные метаногены, в том числе Methanosarcina и Methanosaeta .Также известно, что уксусные метаногены более чувствительны, чем гидрогенотрофные метаногены, к уровням аммиака и летучих жирных кислот (ЛЖК) [44].

Целью настоящего исследования было определение возможности применения богатых белком субстратов в качестве моносубстратов для микробного консорциума, производящего биогаз, в лабораторных анаэробных варочных котлах с подпиткой и периодической загрузкой. Чтобы проверить пределы системы, в некоторых экспериментах в реакторы загружали увеличивающееся количество богатых белком субстратов до тех пор, пока не произошел сбой процесса.Также были определены условия для устойчивой, стабильной работы и увеличения масштабов. Реакция микробного сообщества на белковые субстраты казеин и кровь свиней изучалась путем измерения параметров процесса и изменений в составе микробного сообщества с использованием метагеномного подхода следующего поколения, основанного на секвенировании.

Результаты и обсуждение

Активность протеазы увеличивается во время роста на белковом субстрате

Разложение сложных биополимеров на аминокислоты является критическим этапом, и поэтому одним из наиболее важных предварительных условий использования богатого белком субстрата является уровень протеазной активности в системе.Следовательно, активность протеазы была выбрана в качестве функционального индикатора производительности микробного сообщества во время его акклиматизации к необычным субстратам. На рисунке 1 показано увеличение протеазной активности по мере увеличения загрузки белка в процессе AD с подпиткой. В целом, протеазная активность увеличивалась в 5 раз в случае казеина и в 3,5 раза, когда в качестве субстрата использовалась свиная кровь, по сравнению с таковой в начале эксперимента, соответственно. Разовую дозу белка подавали в реактор каждую неделю, и было обнаружено, что максимальная активность фермента достигается при добавлении 100 г казеина, что значительно выше, чем нагрузка белка, необходимая для получения максимального выхода биогаза (рис. 1).Это можно понять, приняв во внимание рост концентрации летучих жирных кислот (ЛЖК), которые должны были потребляться метаногенами. Гидролизующие бактерии в основном ответственны за выработку протеазы. Для них более низкий уровень pH не вызывает большого беспокойства, и они могут выжить при высоких концентрациях ЛЖК. Ограничивающими скорость участниками процесса производства биогаза являются метаногены, рост и биологическая активность которых ограничиваются при высокой концентрации ЛЖК и аммиака (3-4 г N / л).

Рис. 1. Изменения активности протеаз во время акклиматизации.

Сообщество, производящее биогаз, выращивалось на казеине (синяя линия) или свиной крови (красная линия) в качестве богатых белком субстратов. Недельные дозы белка указаны в синем (казеин) и красном (свиная кровь) столбцах. Черная вертикальная линия обозначает окончание периода адаптации, то есть кормление постоянной низкой дозой протеина.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g001

Следовательно, когда среда все еще является приемлемой для гидролизующих бактерий и они обильно продуцируют протеазы, та же среда становится все хуже для выделения метаногенов и биогаза.Примечательно, что активности протеаз и скорость загрузки белка, по-видимому, коррелируют, т. Е. Более резкое увеличение нагрузки белка сопровождалось более резким увеличением общей активности протеазы в случае казеина, в то время как менее быстрое повышение уровня белка. Еженедельная доза белка сопровождалась более медленным ростом дополнительной активности протеазы в случае свиной крови. Результаты показывают, что повышенная протеазная активность является важной предпосылкой для производства биогаза из богатой белком биомассы, но другие факторы также могут играть важную роль в процессе адаптации и стабилизации микробного консорциума, производящего биогаз.

Производство биогаза из богатых белком субстратов

Выделение биогаза началось сразу после того, как в реакторы был подан протеиновый моносубстрат, то есть до того, как стали заметны какие-либо изменения активности протеазы или параметров процесса. Это указывает на то, что сообщество уже включало некоторые микробы, способные разрушать белки, и в течение периода акклиматизации они постепенно стали доминирующими членами сообщества под давлением отбора состава корма.На пике производства биогаза из богатых белком субстратов (8-12 недели) микробное сообщество производило в 3,5 раза больше газа из единицы количества белка, чем в начале адаптации. Максимальный выход биогаза наблюдался, когда еженедельная нагрузка казеина составляла 30 г (рис. 2), а количество белка крови свиньи составляло 20 г (рис. 3).

Рисунок 2. Производство биогаза из казеина.

В реакторы периодического действия с подпиткой подавали возрастающие количества белка с недельными интервалами.Дозировки протеина показаны красной линией. В столбцах указаны средние удельные урожаи биогаза, производимые каждую неделю. Пунктирная линия показывает производительность биогаза по результатам замеса.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g002

Рисунок 3. Производство биогаза из свиной крови.

В реакторы периодического действия с подпиткой подавали возрастающие количества белка с недельными интервалами. Дозировки протеина показаны красной линией. В столбцах указывается удельный выход биогаза за каждую неделю.Пунктирная линия показывает производительность биогаза по результатам замеса.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g003

Поскольку белковая нагрузка распределялась еженедельно, суточный выход биогаза в период кормления варьировался. Через один или два дня после добавления субстрата производство биогаза быстро увеличилось, но к концу 7-дневного периода кормления производство биогаза значительно упало, но никогда не достигло нуля (данные не показаны). В течение недели и среди реакторов суточные колебания достигли 40%, с учетом всего периода испытаний средние колебания составили 23 и 24% для реакторов с кормлением свиньей и казеином, соответственно.Оставшийся в реакторе субстрат может способствовать последующему производству биогаза, следовательно, это может привести к явно завышенным значениям выхода биогаза через 7-10 недель, когда было достигнуто максимальное производство биогаза (Рисунки 2, 3). Таким образом, выход биогаза определялся в ходе отдельных серийных испытаний. В случае казеина 0,403 ± 0,004 л СН ₄ / г оСД, тогда как для крови свиней 0,420 ± 0,003 л СН ₄ / г оСД измеряли при нормальных условиях. Хотя содержание метана в биогазе составляло 52 и 51% для казеина и крови, соответственно, выходы значительно выше, чем выходы из обычно используемых биогазовых субстратов, например.грамм. навоз (0,12 л CH ₄ / г oDM), кукурузный силос (0,29 л CH ₄ / г oDM) или силос из сахарной свеклы (0,25 л CH ₄ / г oDM) [45].

В случае с кровью свиней ситуация была в чем-то похожа на ситуацию с казеином, но процесс не прекратился так быстро, как в случае с казеином. Помимо фибриногена, осажденный образец белка крови содержит важные минералы, которые могут способствовать стабилизации системы. Более того, скорость увеличения дозы белка была не такой высокой, как в случае казеина (см. Рисунки 1 и 4), и поэтому микробы подвергались менее стрессовым условиям.Оптимизация стратегии адаптации и кормления может дополнительно улучшить стабильность процесса.

Рис. 4. Изменения значений VOA / TAC во время AD казеина (синяя линия) и крови (красная линия).

Белковые нагрузки, вводимые с недельными интервалами, показаны синим (казеин) и красным (кровь) столбцами. Черная вертикальная линия обозначает окончание периода адаптации, то есть кормление постоянной низкой дозой протеина. Серая область указывает диапазон VOA / TAC при оптимальных условиях эксплуатации.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g004

Исходя из классического уравнения, разработанного Саймонсом и Басвеллом [46], теоретический потенциал биогаза составляет 0,5 л CH ₄ из 1 г «среднего» белка oDM. . Во время ферментации казеина среднее содержание CH ₄ составляло 53%, а средний выход биогаза составлял 0,462 NL / г oDM; во время AD средняя концентрация белка в крови CH ₄ составляла 54%, а средний выход биогаза составлял 0,476 NL / g oDM. Как указывалось ранее, суточное и недельное производство биогаза значительно колебалось.Преимущество режима загрузки с подпиткой заключается в накоплении перевариваемого субстрата во время фазы адаптации. Это открытие предполагает, что периодическое кормление может быть рекомендуемым подходом, когда ожидается существенное изменение субстрата и сопутствующего микробного сообщества. С учетом всего экспериментального периода были оценены средние выходы 0,25 NL CH ₄ / г казеина oDM и 0,26 NL CH ₄ / г белка крови oDM. Из рисунков 2 и 3 видно, что система работала в неоптимальных условиях в период адаптации и с 9-12 недели, когда начали проявляться симптомы сбоя процесса.Это объясняет разницу между средним выходом биогаза в этих экспериментах и ​​производительностью биогаза, определенной в периодических ферментациях.

Наборы данных были подвергнуты статистическому корреляционному анализу Пирсона [47], и была обнаружена сильная корреляция между белковой нагрузкой и производством биогаза. Коэффициенты Пирсона в течение первых 9 недель составили 0,7408 и 0,7478 для казеина и свиной крови соответственно. Еще более сильная отрицательная корреляция между накопленным поступлением белка и производством биогаза наблюдалась во время фазы «белковой перегрузки», т.е.е. на 11-15 неделе в случае казеина (коэффициент Пирсона r = -0,9400) и на 9-16 неделе в случае белка крови (r = -0,9749). Отрицательные знаки коэффициента Писона однозначно указывают на несбалансированную работу системы.

Изменение соотношения VOA / TAC во время AD богатых белком субстратов

Соотношение летучих органических кислот (VOA) и общей щелочной емкости (TAC) было предложено Нордманном [48] и сформулировано МакГи [49] как подходящая мера функциональной стабильности процесса AD.Отношение VOA / TAC ниже 0,2 означает, что реактор нуждается в подпитке, тогда как при соотношении ≥0,6 ввод биомассы является избыточным и процесс не сбалансирован. Во время адаптации к белковому субстрату в нашем исследовании микробы получали только ограниченное количество субстрата, что могло послужить для них стимулом приспособить свой метаболизм к необычному веществу. В качестве проверки производительности системы интенсивность кормления увеличивалась до тех пор, пока не прекратилось выделение биогаза из-за сбоя процесса.Признаки обвала производства биогаза начали накапливаться с 12-13 недели; уровни ЛЖК увеличились, удельная добыча газа снизилась, а отношение VOA / TAC приблизилось, а затем превысило критическое значение 0,6 (Рисунок 4).

Отношение VOA / TAC в нашем случае оказалось надежным индикатором стабильности процесса. В этом контексте следует отметить, что pH в реакторе постоянно контролировался и не обнаруживал каких-либо существенных изменений. Он колебался между 8.01 и 8.32, поэтому корректировка pH не требовалась. Во время деградации белка органические кислоты и аммиак производились одновременно и приблизительно в равной степени, тем самым уравновешивая pH.

Накопление ЛЖК в анаэробных реакторах с белковой подачей

В течение первых 4 или 5 недель фазы адаптации микробам был предоставлен такой же низкий уровень белкового субстрата. До увеличения еженедельной дозы протеина уровень производства биогаза непрерывно повышался, и наблюдались низкие концентрации ЛЖК.На этом этапе активность протеазы существенно не изменилась (рис. 1). Концентрация ацетата достигла критического предела 3 г / л на 12-13 неделе, и другие характерные органические кислоты также начали накапливаться. В то же время выход биогаза начал снижаться, вероятно, из-за снижения метаногенной активности. Поскольку pH не изменился, прямое блокирование процесса VFA или накопление NH ₃ могло быть причиной этого ингибирования. Накопление ЛЖК показано на рисунке 5 для казеина в качестве субстрата.АД свиной крови показала, по существу, такое же поведение (данные не показаны). В целом, результаты показывают, что на ранних стадиях ферментации доступность протеаз, вероятно, была ограничивающим фактором, но перегрузка белком также была вредной из-за накопления метаболитов.

Рис. 5. Изменения в накоплении летучих жирных кислот при AD казеина.

Цвета указывают на концентрации ацетата (синий), пропионата (красный), изобутирата (зеленый), бутирата (фиолетовый) и изовалерата (голубой).Серая область показывает диапазон концентрации ацетата при оптимальных условиях эксплуатации. Черная вертикальная линия обозначает конец периода адаптации, т.е. кормление постоянной низкой дозой белка (см. Рисунки 1 и 4).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g005

Изменение концентраций NH

Уровень растворенного NH ₄ ⁺ постепенно увеличивался в ходе эксперимента (Рисунок 6).В этом нет ничего удивительного, поскольку бактерии питались только белком, а одним из продуктов разложения был аммиак. Концентрация NH ₄ ⁺ -N начала увеличиваться даже во время периода акклиматизации и превысила критический уровень 4 г / л [33,37], прежде чем производство биогаза достигло своего максимума. Система показала стабильную работу и увеличивала производительность по биогазу до 7-8 г NH ₄ ⁺ -N / л. Не было заметной разницы между казеином и субстратами крови свиньи в отношении образования аммиака, хотя примечательно, что закономерности очень напоминали дозировку белка (см. Рисунки 1 и 4), но не следовали тенденции накопления ЛЖК. (Рисунок 5).

Рис. 6. Накопление аммония во время AD казеина (синяя линия) и крови свиньи (красная линия).

Серая область обозначает диапазон концентраций аммонийного азота при оптимальных рабочих условиях. Черная вертикальная линия обозначает окончание периода адаптации, то есть кормление постоянной низкой дозой протеина.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g006

Постепенное накопление H ₂ S, которое сопровождалось ростом на богатых белком субстратах, достигало 1500-1800 частей на миллион при время перегрузки белком (данные не показаны).

Сравнение белковых субстратов

Изменения концентраций ацетата, продуцируемого двумя белковыми субстратами, показаны на фиг. 7. Перед добавлением первой богатой белком дозы в обоих случаях наблюдался стабильный процесс (с низкими уровнями ацетата). Переход на питание исключительно белком не привел к заметному увеличению концентрации ацетата в течение нескольких недель. Только примерно через 3 месяца после начала непрерывно увеличивающейся еженедельной нагрузки белковым субстратом наблюдалось заметное изменение концентрации ацетата.На 12-й неделе производство ацетата в результате ферментации свиной крови начало превышать критическую концентрацию 3 мг / мл. На 15 неделе ферментация казеина достигла ацетатного порога 3 мг / мл. Скорость увеличения дозы белка была ниже в случае свиной крови (рисунки 1 и 4) и сопровождалась более эффективным производством биогаза и более высокой. стабильность против сбоев процесса (рисунки 2 и 3) по сравнению с казеином, но тенденция была иной, когда сравнивались скорости накопления ацетата.Рассмотрение этого наблюдения вместе с накоплением аммиака предполагает, что, хотя обе системы выдерживали довольно высокий уровень аммиака, ингибирование аммиаком в конечном итоге было наиболее вероятной причиной сбоя процесса в условиях перегрузки белком в реакторах периодического действия с подпиткой.

Рис. 7. Сравнение накопления ацетата во время роста на казеине (синяя линия) или на крови свиньи (красная линия) в партии AD с подпиткой.

Вертикальная черная линия указывает конец периода адаптации, т.е.е. кормление постоянной низкой дозой протеина.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g007

Увеличение объемов производства биогаза из биомассы, богатой белком

Все представленные эксперименты проводились в реакторах с рабочим объемом 5 л. Затем была исследована возможность масштабирования процесса. Для этого были построены реакторы очень похожей конструкции, но с рабочим объемом 50 л. Конструкция и размещение импеллера в корпусе, устройства подачи и удаления сточных вод и датчики мониторинга также были аналогичными.Субстратом в этих тестах был осажденный белок крови свиньи. На практике широко наблюдается, что увеличение масштаба обычно сопровождается снижением выхода и эффективности [50]. В нашем случае, однако, реакторы большего размера работали, по крайней мере, так же хорошо, как и меньшие, хотя и после несколько более медленной адаптации (рис. 8). Эффективное производство биогаза из свиной крови было достигнуто в реакторах обоих размеров, что указывает на то, что серьезные препятствия, по-видимому, маловероятны, если такие богатые белком субстраты применяются в еще большем объеме ферментации.Это обнадеживает, хотя явно не достаточно с точки зрения прямых крупномасштабных приложений.

Рисунок 8. Увеличение АД белка крови.

Средние удельные выходы биогаза за неделю определяли в реакторах с полностью перемешиваемым резервуаром объемом 5 л (синие столбцы) или 50 л (красные столбцы). Ось X показывает еженедельные дозы субстрата для реакторов на 5 л (первое число) и 50 л (второе число). Обратите внимание, что в оба реактора подавали одинаковое количество субстрата в течение 3 недель, после чего недельная доза была увеличена.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g008

Стабильность производства биогаза из богатых белком субстратов во времени

Чтобы проверить устойчивость производства биогаза из белкового субстрата, такую ​​же еженедельную дозу белка крови свиньи вводили в реакторы AD с подпиткой объемом 5 л. Предыдущие эксперименты (рисунки 3 и 4) показали, что максимальный выход биогаза был произведен из 18-20 г белка крови свиней в неделю. Это количество белка распределялось еженедельно в течение 2 месяцев (8-16 недели на Фигуре 9) после периода адаптации в течение 5 недель и постепенного увеличения дозы белка в течение последующих 3 недель.

Рисунок 9. Тестирование устойчивости производства биогаза из свиной крови.

Среднее удельное производство биогаза за неделю показано синими столбцами, а дозировка белка крови показана красной линией.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g009

Значение pH в реакторе варьировалось от 8,0 до 8,4, регулировка pH не требовалась. Отношение VOA / TAC также существенно не изменилось, значение варьировалось от 0,13 до 0.20 на протяжении этих экспериментов. Содержание CH ₄ в газе оставалось практически постоянным и составляло 54-58%. Однако концентрация H ₂ S в выделяющемся газе увеличилась с начальных 300 ppm (неделя 2) до 1600 ppm (неделя 16), что является значительным. Концентрация NH ₄ ⁺ -N также выросла во время теста на устойчивость, хотя и не так заметно, как концентрация H ₂ S, и стабилизировалась на уровне 8-10 г / л на 8-16 неделе.

В период постоянного кормления (9-16 недели на Рисунке 9) среднее содержание биогаза CH ₄ составляло 55%, следовательно, средний выход CH ₄ был равен 0.447 л CH ₄ / г oDM. Это хорошо согласуется с выходом 0,420 л CH ₄ / г oDM, определенным в периодических испытаниях, и указывает на то, что хорошо адаптированное микробное сообщество способно преобразовать богатый белком субстрат с эффективностью преобразования 89% относительно теоретического максимума. Такая высокая эффективность производства биогаза примечательна, особенно в случае производства биогаза практически из моносубстрата. Применение технологии периодической ферментации с подпиткой могло способствовать этому результату, поскольку некоторая часть субстрата оставалась в реакторе в течение длительного периода времени.

Изменение состава микробного сообщества при адаптации к казеину

Во время периодических ферментаций с подпиткой состав микробного сообщества определяли 4 раза в случае AD казеина: в начале адаптации (0-я неделя), после периода адаптации (5-я неделя), когда система работал на полную мощность (9 неделя) и ближе к концу процесса (неделя 12), когда появились признаки сбоя процесса. Структура метаногенного сообщества была определена с использованием высокопараллельного метода секвенирования ДНК нового поколения SOLiD ^® (Sequencing by Oligo Ligation and Detection) [11].

Распределение видов в микробном сообществе, производящем биогаз, в начале экспериментов (неделя 0) было очень похоже на то, что было выявлено в более ранних исследованиях состава микробного сообщества в обычном процессе AD с использованием навоза и кукурузного силоса в качестве субстратов. [11,49-51]. Этого и следовало ожидать, поскольку инокулят, используемый для запуска наших ферментеров, был получен из свиного навоза и кукурузного силоса. Таким образом, результаты, полученные на этом этапе, можно рассматривать как внутренний контроль, подтверждающий подход к секвенированию метагенома [11].

Наблюдалось несколько характерных изменений относительно исходного микробного состава (неделя 0) в результате процесса адаптации (неделя 5). Что касается всего экспериментального периода, наибольшие изменения в области бактерий продемонстрировали филы Firmicutes и Proteobacteria. Классы Clostridia, Bacilli и Gamma-proteobacteria составили большинство бактерий в варочном котле биогаза.

К концу экспериментов по адаптации, как и следовало ожидать, в сообществе доминировали виды, разрушающие белок, и те, которые используют аминокислоты или другие богатые азотом соединения.Внутри класса Bacilli членов отрядов Bacillales и Lactobacillales стало больше. В классе Clostridia отряды Clostridiales и Thermoanaerobacterales показали очень выраженные изменения (рис. 10). В неадаптированном сообществе были обнаружены только следы Natranaerobiales, и наблюдалось заметное увеличение их количества по сравнению с их исходной численностью. Значительно снизилось количество целлюлозы или других бактерий, разлагающих углеводы; действительно, некоторые из них исчезли к концу ферментации белка.

Рис. 10. Изменения в составе микробного сообщества бактерий, вызванные адаптацией к казеину как единственному источнику углерода.

Относительная численность таксономических групп определялась на неделе 0 (голубые столбцы), неделе 5 (средне-синие столбцы), 9 неделе (темно-синие столбцы) и 12 неделе (фиолетовые столбцы).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g010

Подобно более ранним находкам [11,51-53], представители типа Firmicutes составляли подавляющее большинство от общей численности исходного инокулята ( неделя 0).По мере того, как адаптация к белковым субстратам прогрессировала (неделя 5), временное снижение численности Firmicutes сопровождалось увеличением количества Proteobacteria. На пике продуктивности биогаза (9-я неделя) Firmicutes восстановили импульс, и они достигли практически той же численности, когда системный сбой начал проявляться (12-я неделя). Подобные тенденции наблюдались в классе Clostridia и отряде Clostridiales, тогда как класс Bacilli и отряд Bacillales демонстрировали постоянную потерю репрезентативности.Эта тенденция, вероятно, была связана с сокращением количества разлагающих полисахариды видов, которые утратили свое значение во время кормления белком.

Параллельно с частичным сокращением количества членов микробного сообщества, потребляющих полисахариды, бактерии, разлагающие белок, начали преобладать по мере того, как прогрессировала акклиматизация к богатым белком субстратам. Некоторые из выдающихся представителей этой группы значительно увеличили свою относительную численность (табл. 1). Неожиданным исключением стал Candidatus Cloacamonas acidaminovorans , который практически исключился из двух.От 0% до 0,0%.

Таблица 1. Наиболее значимые изменения на уровне штамма в количестве бактерий (%) во время ферментации казеина.

Caldanaerobacter subterraneus , который продуцирует L-аланин в качестве основного конечного продукта, требует для своего роста дрожжевой экстракт или биотриптиказу [54]. Clostridium sticklandii разлагает аминокислоты предпочтительным последовательным образом. Организм предпочитает треонин, аргинин, серин, цистеин, пролин и глицин в качестве источников углерода и энергии и выделяет глутамат, аспартат и аланин.Энергосбережение в первую очередь достигается за счет фосфорилирования на уровне субстрата в ферментативных путях. Необычная особенность Cl. sticklandii — наличие генов, кодирующих ферменты, участвующие в двух различных путях фиксации CO ₂ ; эта бактерия содержит как глицинсинтазу / глицинредуктазу, так и пути Вуда-Люнгдаля [56]. Клетки Thermoanaerobacter pseudethanolicus восстанавливают тиосульфат до H ₂ S. Они могут метаболизировать различные углеводы, включая ксилозу, целлобиозу, крахмал, глюкозу, мальтозу и сахарозу, а также могут использовать белковые субстраты.Для смеси CO ₂ / H ₂ [57] роста не наблюдалось, поэтому потребление H ₂ маловероятно. Alkaliphilus Metalliredigens (штамм QYMF) растет с использованием Fe (III) -цитрата, Fe (III) -EDTA, Co (III) -EDTA или Cr (VI) в качестве акцептора электронов, а дрожжевой экстракт и лактат могут служить в качестве донор электронов [58]. Интересно, что A. Metalliredigens ранее был идентифицирован как основной участник метаногенных консорциумов [11]. Хотя может быть нетривиальным объяснить появление бактерий, восстанавливающих металл, в анаэробном сообществе, производящем биогаз, следует отметить, что эти бактерии также обладают высокоактивными [FeFe] -гидрогеназами [59].Организмы-восстановители металлов, такие как Geobacter Metallireducens , были вовлечены в прямой перенос электронов между синтрофными партнерами в метаногенном сообществе [60]. Выполняя роль поглотителей электронов, они могут подавлять активность сульфатредуцирующих бактерий и метаногенез [61], но при БА свиного навоза они способствовали образованию биогаза [62]. Alkaliphilus oremlandii — это строгий анаэроб, который ферментирует лактат через акрилатный путь, а также использует фруктозу и глицерин.Он также обладает респираторной способностью, будучи способным использовать арсенат и тиосульфат в качестве концевых акцепторов электронов с ацетатом, пируватом, формиатом, лактатом, фумаратом, глицерином или фруктозой в качестве донора электронов [63]. Его способность расти на белковом субстрате ранее не была признана. Candidatus Cloacamonas acidaminovorans может окислительно дезаминировать аминокислоты для использования в качестве субстратов для роста. Он получает большую часть углерода и энергии в результате ферментации аминокислот.Аминокислоты превращаются в пируват, центральный промежуточный продукт метаболизма. Это ферментативный продуцент H ₂ , содержащий [FeFe] -гидрогеназу, которая является признаком синтрофического метаболизма. C. Cc. acidaminovorans не может продуцировать полиамины и ряд кофакторов: тиамин, биотин, липоевую кислоту, пирроло-хинолинехинон, кофермент B12, фолиевую кислоту, пиридоксин и гем [53,55]. Все эти ингредиенты должны быть получены из окружающей среды, что может объяснить, почему она не может переносить резкое изменение состава субстрата и не может расти на моносубстратах белка, несмотря на их полезные свойства.Исчезновение г. C. Cc. acidaminovorans иллюстрирует тот факт, что множество подходящих условий необходимо для того, чтобы штамм стал стабильным членом метаногенного сообщества в ответ на изменения в составе субстрата.

Сообщество архей представлено на достаточно низком уровне, т.е. <10% от общей численности микробов в сообществе. Более того, они имеют разнообразное распространение (рис. 11), представлены почти все филогенетические группы архей.

Рис. 11. Изменения в составе микробного сообщества архей, вызванные адаптацией к казеину как единственному источнику углерода.

Относительная численность таксономических групп определялась на неделе 0 (голубые столбцы), 5 неделе (средне-синие столбцы), 9 неделе (темно-синие столбцы) и 12 неделе (фиолетовые столбцы).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g011

Эвриархеоты доминируют в сообществе архей. Внутри этого типа наиболее многочисленны представители класса Methanomicrobia, за которыми следуют термококки и метанококки.Подобный образец перегруппировок наблюдался среди архей, как и в домене бактерий, то есть в течение периода адаптации численность Methanomicrobia сначала уменьшилась (неделя 5), а затем восстановилась (неделя 12), как и Clostridia (Рисунок 10). Метанококки вели себя так же, как бациллы среди бактерий. Класс термококков продемонстрировал отчетливую реакцию на казеин в качестве субстрата: они стимулировались субстратом и увеличивали их относительную представленность в сообществе.Тем не менее, из-за относительно небольшого количества архей в сообществе, углубленный анализ их распределения с более высоким разрешением предполагает высокую степень неоднозначности. Исследование T-RFLP изменений в сообществе архей в образцах, взятых из одних и тех же ферментаций на 1-й и 5-й неделе процесса адаптации, показало, что по существу одни и те же штаммы могут быть обнаружены обоими подходами. Однако относительная численность показала несколько отчетливую картину [64]. Это изменение можно объяснить тем, что разные уровни специфичности смещаются на этапах ПЦР в обоих подходах.

Изменение состава микробного сообщества при адаптации к белку крови свиньи

Некоторые изменения, наблюдаемые в составе микробного сообщества, продуцирующего биогаз, когда осажденный белок крови свиньи использовался в качестве моносубстрата в процессе AD, были очень похожи на результаты, обсужденные выше в отношении казеина.

В этом случае также тип Firmicutes доминировал в бактериальном домене, хотя Bacteroidetes и Proteobacteria также характеризовались значительной представленностью, особенно на 8-й неделе, т.е.е. на пике активности производства биогаза (Рисунки 12 и 3). Хотя их относительное количество уменьшалось в ходе эксперимента, на таксономическом уровне классов и порядков прослеживалась та же тенденция, что и в случае казеина в качестве субстрата.

Рис. 12. Изменения в составе микробного сообщества бактерий, вызванные адаптацией к белку крови свиньи как единственному источнику углерода.

Относительная численность таксономических групп определялась на неделе 0 (светло-коричневые столбцы), 8 неделе (средне-коричневые столбцы) и 12 неделе (темно-коричневые столбцы).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g012

Наиболее выраженные изменения на уровне штамма наблюдались Alkaliphilus metalliredigens и A. oremlandii , которые присутствовали в большом количестве, как и в Казеина. Дополняет общую картину акклиматизации число C. Cc. acidaminovorans снизился практически до нуля, что указывает на то, что этот штамм не мог хорошо адаптироваться к белковому субстрату или что в этих моносубстратах не присутствовал какой-либо компонент, жизненно важный для его роста (Таблица 2).Некоторые другие различия в ответах на субстраты, вероятно, были результатом различий в минорных компонентах между побочным продуктом молока и фракцией крови, содержащейся в отходах бойни (см. Таблицу 3).

Таблица 2. Наиболее значимые изменения на уровне штамма в количестве бактерий (%) во время ферментации свиной крови.

Таблица 3. Свойства субстратов, использованных в этом исследовании.

Dethiosulfovibrio peptidovorans эффективно пролиферировал на субстрате крови свиньи.Эта бактерия использует пептиды и аминокислоты, но не может жить на сахаре или жирных кислотах. Он ферментирует серин, гистидин и казаминовые кислоты, тогда как аргинин, глутамат, лейцин, изолейцин, аланин, валин, метионин и аспарагин используются только в присутствии тиосульфата. Пептиды превращаются в ацетат, изобутират, изовалерат, 2-метилбутират, H ₂ и CO ₂ , и этот штамм особенно активно развивается в период интенсивного производства биогаза, но его обилие уменьшается позже [65].В этой работе численность изменилась аналогичным образом в случае Anaerobaculum Hydrogeniformans , который продемонстрировал явное предпочтение крови свиней до тех пор, пока не начали проявляться признаки сбоя процесса. Эти примеры показывают, что различные штаммы по-разному реагируют на стрессовые условия в отношении накопления NH ₄ ⁺ и H ₂ S. подложки.Картирование колебаний внутри сообщества с более высоким разрешением должно обеспечить более полное понимание этих явлений.

Распределение архей на уровне филума было таким же, как и для варочных котлов, питаемых казеином (рис. 13).

Рис. 13. Изменения в составе микробного сообщества архей, вызванные адаптацией к свиной крови как единственному источнику углерода.

Относительная численность таксономических групп определялась на неделе 0 (светло-коричневые столбцы), 8 неделе (средне-коричневые столбцы) и 12 неделе (темно-коричневые столбцы).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0077265.g013

Однако тенденции указывают на неоднозначную картину. Относительная численность Methanomicrobiales снизилась, а Thermococcales увеличилась, как и в случае казеина в качестве субстрата. Количество Methanococcales увеличивалось во время акклиматизации к белку крови свиньи, тогда как противоположное наблюдалось, когда сообщество производило биогаз из казеина.

Таким образом, была продемонстрирована возможность использования богатых белком субстратов с очень низким соотношением C / N для производства биогаза в резервуарном реакторе периодического действия с подпиткой.Предпосылкой для поддержания эффективного АД казеина или крови свиней было подвергнуть микробиологическую систему процессу адаптации, за эффективностью которого следили путем измерения протеазной активности всего сообщества. AD этих белковых субстратов привело к очень высокому производству биогаза с выходом биогаза (с точки зрения oDM), значительно превышающим таковой из кукурузного силоса или навоза [45]. Параметры процесса указывали на дисбаланс в случае перегрузки белком.Тенденции изменений различных показателей указывали на аммиак и H ₂ S как на факторы, определяющие окончательный крах микробиологического сообщества, когда в реакторы было введено слишком много белка. Тем не менее, система стабильно работала с этими богатыми белками субстратами при концентрациях ниже перегрузочных. Характерные изменения в составе микробного сообщества были обнаружены с помощью секвенирования следующего поколения, а структуры сообщества были определены для обоих субстратов на различных этапах процесса с использованием метагеномного подхода.Помимо обычных изменений в структуре микробного сообщества, которые были приписаны введению белковых субстратов, были выявлены специфические реакции на определенные вещества. Эти данные способствуют пониманию динамических изменений внутри сообщества во время AD органических отходов [66]. В конечном итоге это может привести к интродукции преобладающих видов и, следовательно, к рациональному проектированию более эффективных сообществ, производящих биогаз, что может сократить или исключить адаптацию к изменяющемуся составу субстрата.

Оптимизация параметров процесса для увеличения выхода биогаза при анаэробном совместном сбраживании OFMSW и биотвердых веществ