Feedstock
The feedstock was provided by American Crystal Sugar Company, Minnesota. Aliquots of 0.45 kg (wet weight as received) of spent pulp were taken in Ziploc airtight plastic bags and stored in deep freezer. Content of one bag (i.e., 0.45 kg) was loaded into a digester for each experimental run. To prevent compaction of the solids, 2 kg of a bulking material (lava rocks from landscaping supplier, 0.025 m (in average size) was also mixed with the spent pulp. The liquid volume held in the digester was 2 l (0.002 m3) after the addition of bulking material.
Anaerobic digestion protocol
The bags were removed from the freezer 6 h prior to the loading of the digester to allow sufficient time for thawing. The experiments were carried out in triplicate using Digesters 1, 2 and 3 and in each digester five runs were carried out serially. All digestion experiments were carried out at thermophilic temperature by placing the digesters in an incubating chamber set at 55 C. The first run in each digester was inoculated with 2 L (0.002 m3) of inoculum taken from thermophilic digester that had been digesting sugar beet tailings for over a year. In addition, 10 g/ L of sodium bicarbonate was also added to buffer against pH changes. Once the gas production from first experimental run tapered down, the digesters were opened and next batch (0.45 kg) of pulp charged from top. The second run in each digester was initiated by the digester liquor remaining from first run, no further inoculum or sodium bicarbonate was added. The digesters were then closed, placed in the incubator and digestion allowed to proceed. The experimental runs were repeated three more times to complete five runs in each digester.
Analysis
Total solids were determined gravimetrically after drying overnight at 105 C. Volatile solids content was determined by ashing a dried sample at 550 C for 2 h and determining the ash-free dry weight. Methane and carbon dioxide content in the biogas was determined with a gas chromatograph. The GC was calibrated with an external standard containing N2:CH4:CO2 in volume ratio 25:45:30. Gas chromatograms were processed and recorded using an integrator. Methane volume was reported at standard temperature and pressure conditions. For soluble analysis the leachate samples withdrawn from the digesters were centrifuged, filtered using Whatman filter paper (45 lm), pipetted (2 ml) in COD vials (range: 2–150 ppm) and placed in COD reactor for 2 h. The COD of the leachate was measured by using colorimeter. The performance of the digesters (five runs each) was evaluated by fitting the cumulative methane production data to the modified Gompertz equation. The Gompertz equation describes cumulative methane production from batch digesters assuming that methane production is a function of bacterial growth.
Сырье
Сырьё было предоставлено Американской сахарной компанией, штат Миннесота. Аликвоты 0,45 кг (полученный влажный вес) отработанной целлюлозы были помещены в герметичные пластиковые пакеты Ziploc и хранились в глубокой морозильной камере. Содержимое одного пакета (т.е. 0,45 кг) загружали в метантенк для каждого эксперимента. Для предотвращения уплотнения твердых частиц, 2 кг сухой смеси (лавовые породы от поставщика ландшафтного дизайна, средний размер 0,025 м) также смешивались с отработанной пульпой. После добавления сухой смеси объем жидкости в метантенке составил 2 л (0,002 м3).
Протокол анаэробного сбраживания
Мешки извлекались из морозильной камеры за 6 часов до загрузки метантенка, чтобы дать достаточно времени для оттаивания. Эксперименты проводились трижды (в трех экземплярах) с использованием метантенков 1, 2 и 3, и в каждом метантенке последовательно проводилось по пять прогонов. Все эксперименты по сбраживанию проводились при термофильной температуре путем помещения метантенков в инкубационную камеру, установленную на 55 C. В первый прогон в каждый метантенк вносили 2 л (0,002 м3) инокулята, взятого из термофильного метантенка, который сбраживал хвосты сахарной свеклы в течение года. Кроме того, было добавлено 10 г/л бикарбоната натрия для буферизации против изменений рН. После того, как выделение газа в результате первого экспериментального цикла уменьшилось, метантенки были открыты и сверху загружена следующая партия (0,45 кг) целлюлозы. Второй цикл в каждом метантенке был инициирован метантенком, оставшимся после первого цикла, без добавления закваски или бикарбоната натрия. Затем метантенки закрывались, помещались в инкубатор, и сбраживание продолжалось. Эксперименты повторяли еще три раза, чтобы завершить пять запусков в каждом метантенке.
Анализ
Общее содержание твердых веществ определялось гравиметрически после сушки в течение ночи при 105 C. Содержание летучих твердых веществ определялось путем озоления высушенного образца при 550 C в течение 2 ч и определения беззольного сухого веса. Содержание метана и углекислого газа в биогазе определяли с помощью газового хроматографа. ГХ (газовые хроматограммы) калибровали с помощью внешнего стандарта, содержащего N2:CH4:CO2 в объемном соотношении 25:45:30. Газовые хроматограммы обрабатывались и записывались с помощью интегратора. Объем метана указывался при стандартных условиях температуры и давления. Для анализа растворимого ХПК (химическое потребление кислорода) образцы фильтрата, отобранные из метантенков, центрифугировали, фильтровали с помощью фильтровальной бумаги Whatman (45 лм), пипеткой (2 мл) переносили во флаконы с ХПК (диапазон: 2-150 ppm) и помещали в реактор ХПК на 2 ч. ХПК фильтрата измеряли с помощью колориметра. Производительность метантенков (по пять запусков в каждом) оценивалась путем подгонки данных по кумулятивному производству метана к модифицированному уравнению Гомпертца. Уравнение Гомпертца описывает кумулятивное производство метана в метантенках периодического действия, предполагая, что производство метана является функцией роста бактерий.
Глоссарий
aliquot - аликвота
compaction of the solids – уплотнение твердых частиц
bulking material – сухая смесь
thawing – оттаивание
inoculum – инокулят, закваска
sugar beet tailings – хвосты сахарной свёклы
buffer – буферизация
experimental run – экспериментальный цикл
total solids – твердые частицы
volatile solids – летучие вещества
ashing – озоление
performance - производительность