Published November 20, 2019
| Version v1
Publication
Open
Enhancing methane yield from crude glycerol anaerobic digestion by coupling with ultrasound or A. niger/E. coli biodegradation
Creators
- 1. Universidade do Porto
- 2. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Description
Anaerobic digestion of crude glycerol from biodiesel production is a feasible way for methane production. However, crude glycerol (CG) contains impurities, such as long-chain fatty acids (LCFA) that can inhibit methanogenic microorganisms. Ultrasound promotes the hydrolysis of LCFA and deagglomerates the microorganisms in biological flocs. Furthermore, Aspergillus niger and Escherichia coli produce lipases capable of degrading LCFA. This study aims at improving the methane yield from anaerobic digestion by coupling with ultrasound or E. coli/A. niger biodegradation. The effect of the different treatments was first assessed in a perfectly mixed batch reactor (PMBR), using diluted CG at concentrations of 0.2%, 1.7%, and 3.2% (v/v). Later, the best conditions were replicated in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor to simulate full-scale practical applications. Experiments in the PMBR showed that ultrasound or A. niger biodegradation steps improved methane yield up to 11% for 0.2% CG and 99% for 1.7% CG, respectively. CG biodegradation by E. coli inhibited the subsequent anaerobic digestion for all concentrations tested. Using a UASB digester, ultrasonic treatment of CG led to an average increase of 29% in methane production. The application of ultrasound led to a lower accumulation of propionic acid in the digested material and increased biogas production. On the other hand, an average 77% increase in methane production was achieved using a preliminary CG biodegradation step by A. niger, when operated at a loading rate of 2.9 kg COD m-3 day-1. Under these conditions, an energy gain of 0.48 kWh day-1, with the production of the 0.434 m3 CH4 kg-1 CODremoval and 0.573 m3 CH4 kg-1 VS, and a biogas quality of 73% in methane were obtained. The digested material was analyzed for the detection and quantification of added-value by-products in order to obtain a broad assessment of the CG valorization through anaerobic digestion. In some experiments, propionic and oxalic acid were detected. However, the accumulation of propionic caused the inhibition of the acetogenic and methanogenic microorganisms.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الهضم اللاهوائي للجلسرين الخام من إنتاج الديزل الحيوي هو وسيلة مجدية لإنتاج الميثان. ومع ذلك، يحتوي الجلسرين الخام على شوائب، مثل الأحماض الدهنية طويلة السلسلة (LCFA) التي يمكن أن تمنع الكائنات الحية الدقيقة المولدة للميثان. تعمل الموجات فوق الصوتية على تعزيز التحلل المائي للكائنات الحية الدقيقة في الكتل البيولوجية. علاوة على ذلك، تنتج الرشاشية السوداء والإشريكية القولونية الليبازات القادرة على تحطيم LCFA. تهدف هذه الدراسة إلى تحسين إنتاج الميثان من الهضم اللاهوائي عن طريق الاقتران بالموجات فوق الصوتية أو بكتريا الإشريكية القولونية/التحلل البيولوجي للنيجر. تم تقييم تأثير المعالجات المختلفة لأول مرة في مفاعل دفعي مختلط تمامًا (PMBR)، باستخدام CG مخفف بتركيزات 0.2 ٪ و 1.7 ٪ و 3.2 ٪ (حجم/حجم). في وقت لاحق، تم تكرار أفضل الظروف في مفاعل بطانية الحمأة اللاهوائية (UASB) لمحاكاة التطبيقات العملية واسعة النطاق. أظهرت التجارب في PMBR أن خطوات التحلل الحيوي للموجات فوق الصوتية أو A. niger حسنت إنتاج الميثان بنسبة تصل إلى 11 ٪ لـ 0.2 ٪ CG و 99 ٪ لـ 1.7 ٪ CG، على التوالي. أدى التحلل البيولوجي لـ CG بواسطة الإشريكية القولونية إلى تثبيط الهضم اللاهوائي اللاحق لجميع التركيزات التي تم اختبارها. باستخدام هاضم UASB، أدت المعالجة بالموجات فوق الصوتية لـ CG إلى زيادة متوسطها 29 ٪ في إنتاج الميثان. أدى استخدام الموجات فوق الصوتية إلى انخفاض تراكم حمض البروبيونيك في المادة المهضومة وزيادة إنتاج الغاز الحيوي. من ناحية أخرى، تم تحقيق متوسط زيادة بنسبة 77 ٪ في إنتاج الميثان باستخدام خطوة التحلل البيولوجي الأولية لـ CG بواسطة A. النيجر، عند تشغيلها بمعدل تحميل 2.9 كجم من COD m -3 day -1. في ظل هذه الظروف، تم الحصول على مكسب من الطاقة قدره 0.48 كيلو واط في الساعة في اليوم الأول، مع إنتاج 0.434 متر مكعب CH4 كجم -1 إزالة COD و 0.573 متر مكعب CH4 كجم -1 VS، وجودة غاز حيوي 73 ٪ في الميثان. تم تحليل المواد المهضومة للكشف عن المنتجات الثانوية ذات القيمة المضافة وتحديد كميتها من أجل الحصول على تقييم واسع لتثمين حوكمة الشركات من خلال الهضم اللاهوائي. في بعض التجارب، تم الكشف عن حمض البروبيونيك وحمض الأكساليك. ومع ذلك، تسبب تراكم البروبيونيك في تثبيط الكائنات الحية الدقيقة الأسيتوجينية والميثانوجينية.Translated Description (French)
La digestion anaérobie du glycérol brut provenant de la production de biodiesel est un moyen réalisable pour la production de méthane. Cependant, le glycérol brut (CG) contient des impuretés, telles que les acides gras à longue chaîne (LCFA) qui peuvent inhiber les micro-organismes méthanogènes. L'échographie favorise l'hydrolyse des LCFA et désagglomère les micro-organismes dans les flocs biologiques. De plus, Aspergillus niger et Escherichia coli produisent des lipases capables de dégrader les LCFA. Cette étude vise à améliorer le rendement en méthane de la digestion anaérobie par couplage avec des ultrasons ou la biodégradation d'E. coli/A. niger. L'effet des différents traitements a d'abord été évalué dans un réacteur en batch parfaitement mélangé (PMBR), en utilisant du CG dilué à des concentrations de 0,2%, 1,7% et 3,2% (v/v). Plus tard, les meilleures conditions ont été reproduites dans un réacteur à couverture de boue anaérobie à écoulement ascendant (UASB) pour simuler des applications pratiques à grande échelle. Des expériences dans le PMBR ont montré que les étapes de biodégradation par ultrasons ou par A. niger amélioraient le rendement en méthane jusqu'à 11 % pour 0,2 % CG et 99 % pour 1,7 % CG, respectivement. La biodégradation CG par E. coli a inhibé la digestion anaérobie ultérieure pour toutes les concentrations testées. À l'aide d'un digesteur UASB, le traitement par ultrasons de la CG a entraîné une augmentation moyenne de 29 % de la production de méthane. L'application d'ultrasons a entraîné une plus faible accumulation d'acide propionique dans le matériau digéré et une augmentation de la production de biogaz. D'autre part, une augmentation moyenne de 77% de la production de méthane a été obtenue en utilisant une étape préliminaire de biodégradation CG par A. niger, lorsqu'il est utilisé à un taux de charge de 2,9 kg de DCO m-3 jour-1. Dans ces conditions, un gain d'énergie de 0,48 kWh jour-1, avec la production de 0,434 m3 CH4 kg-1 CODremoval et 0,573 m3 CH4 kg-1 VS, et une qualité de biogaz de 73% en méthane ont été obtenus. Le matériel digéré a été analysé pour la détection et la quantification des sous-produits à valeur ajoutée afin d'obtenir une évaluation large de la valorisation CG par digestion anaérobie. Dans certaines expériences, des acides propionique et oxalique ont été détectés. Cependant, l'accumulation de propionique a provoqué l'inhibition des micro-organismes acétogènes et méthanogènes.Translated Description (Spanish)
La digestión anaeróbica del glicerol crudo de la producción de biodiesel es una forma factible para la producción de metano. Sin embargo, el glicerol bruto (CG) contiene impurezas, como ácidos grasos de cadena larga (LCFA) que pueden inhibir los microorganismos metanogénicos. El ultrasonido promueve la hidrólisis de LCFA y desaglomera los microorganismos en flóculos biológicos. Además, Aspergillus niger y Escherichia coli producen lipasas capaces de degradar los LCFA. Este estudio tiene como objetivo mejorar el rendimiento de metano de la digestión anaeróbica mediante el acoplamiento con ultrasonido o la biodegradación de E. coli/A. niger. El efecto de los diferentes tratamientos se evaluó primero en un reactor discontinuo perfectamente mezclado (PMBR), utilizando CG diluido a concentraciones de 0.2%, 1.7% y 3.2% (v/v). Más tarde, las mejores condiciones se replicaron en un reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB) para simular aplicaciones prácticas a gran escala. Los experimentos en el PMBR mostraron que los pasos de biodegradación por ultrasonido o A. niger mejoraron el rendimiento de metano hasta en un 11% para un 0,2% de CG y un 99% para un 1,7% de CG, respectivamente. La biodegradación CG por E. coli inhibió la digestión anaeróbica posterior para todas las concentraciones probadas. Usando un digestor UASB, el tratamiento ultrasónico de CG condujo a un aumento promedio del 29% en la producción de metano. La aplicación de ultrasonidos condujo a una menor acumulación de ácido propiónico en el material digerido y a una mayor producción de biogás. Por otro lado, se logró un aumento promedio del 77% en la producción de metano utilizando un paso preliminar de biodegradación CG por A. niger, cuando se opera a una tasa de carga de 2.9 kg COD m-3 día-1. Bajo estas condiciones, se obtuvo una ganancia de energía de 0.48 kWh día-1, con la producción de 0.434 m3 CH4 kg-1 CODremoval y 0.573 m3 CH4 kg-1 VS, y una calidad de biogás del 73% en metano. El material digerido se analizó para la detección y cuantificación de subproductos de valor agregado con el fin de obtener una evaluación amplia de la valorización de CG a través de la digestión anaeróbica. En algunos experimentos, se detectaron ácidos propiónico y oxálico. Sin embargo, la acumulación de propiónico provocó la inhibición de los microorganismos acetogénicos y metanogénicos.Files
Paulista2019_Article_EnhancingMethaneYieldFromCrude.pdf.pdf
Files
(3.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:55d35eab6334b6d065a624de08495fa5
|
3.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز إنتاج الميثان من الهضم اللاهوائي للجلسرين الخام عن طريق الاقتران بالموجات فوق الصوتية أو التحلل البيولوجي لبكتيريا A. niger/E. coli
- Translated title (French)
- Amélioration du rendement en méthane de la digestion anaérobie du glycérol brut par couplage avec des ultrasons ou la biodégradation d'A. niger/E. coli
- Translated title (Spanish)
- Mejora del rendimiento de metano a partir de la digestión anaeróbica de glicerol crudo mediante acoplamiento con ultrasonido o biodegradación de A. niger/E. coli
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2990727823
- DOI
- 10.1007/s11356-019-06748-w
References
- https://openalex.org/W1910101287
- https://openalex.org/W1979331241
- https://openalex.org/W1990476797
- https://openalex.org/W1996376940
- https://openalex.org/W1996787832
- https://openalex.org/W1997626288
- https://openalex.org/W1997970206
- https://openalex.org/W2002462208
- https://openalex.org/W2003126257
- https://openalex.org/W2013102317
- https://openalex.org/W2023688218
- https://openalex.org/W2028054553
- https://openalex.org/W2030979598
- https://openalex.org/W2031023348
- https://openalex.org/W2031546927
- https://openalex.org/W2050709314
- https://openalex.org/W2069999320
- https://openalex.org/W2073211946
- https://openalex.org/W2074133991
- https://openalex.org/W2080021479
- https://openalex.org/W2084450646
- https://openalex.org/W2089577768
- https://openalex.org/W2091044573
- https://openalex.org/W2094838249
- https://openalex.org/W2101356594
- https://openalex.org/W2102686705
- https://openalex.org/W2127069254
- https://openalex.org/W2145858443
- https://openalex.org/W2212979427
- https://openalex.org/W2236165844
- https://openalex.org/W2271286273
- https://openalex.org/W2317656725
- https://openalex.org/W2531500333
- https://openalex.org/W2614960634
- https://openalex.org/W2752815918
- https://openalex.org/W2789733734
- https://openalex.org/W2801691306
- https://openalex.org/W2889663024
- https://openalex.org/W4244937259
- https://openalex.org/W838744906