Modelling of the air purification from volatile organic compounds in a trickle-bed bioreactor

• Autorzy: Janecki D. , Gąszczak A. , Bartelmus G.

Identyfikatory

DOI

10.2429/proc.2016.10(1)043

Warianty tytułu

PL

Modelowanie procesu oczyszczania powietrza z lotnych związków organicznych w bioreaktorze strużkowym

• Konferencja: ECOpole’16 Conference (5-8.10.2016, Zakopane, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The biodegradation of styrene by bacterial strain Pseudomonas sp. E-93486, coming from VTT Culture Collection (Finland), was studied. The kinetic experiments with the presence of styrene as the only carbon and energy source were performed both in batch and continuous cultures at optimal environmental conditions for the growth of the tested strain (pH = 7 and 30ºC). The Haldane inhibitory model was found to be the best to fit the kinetic data, and the estimated kinetic equation parameters were: μm = 0.119 h–1; Ks = 5.984 g·m–3, Ki = 156.6 g·m–3. The experiments conducted in a chemostat at various dilution rate (D = 0.035-0.1 h–1) made it possible to determine the value of the coefficient for maintenance metabolism (md = 0.0165 h–1) and the maximum yield coefficient value ((YXS)max = 0.913). The determined complete model of growth of E-93486 strain in the presence of styrene was verified by comparison of the computed and obtained in batch experiments profiles of changes in biomass and styrene concentrations. Next the tested strain was immobilized on the packing of a pilot-scale trickle-bed bioreactor operating at co-current down-flow of gas (air contaminated by styrene) and liquid (mineral solution) phases. The effect of inlet styrene concentration on its degradation was studied for initial concentration in the air changing in the range of 0.2-1 g·m–3. The recirculation rate of liquid medium was 8 m3h–1 whereas the gas flow rate was changed in the range 50-150 m3·h–1. The conversion degree depended on operational parameters and changed in subsequent experiments in the range of 75-95%.

PL

Badano proces oczyszczania powietrza ze styrenu, substancji zaliczanej do grupy lotnych związków organicznych (LZO), prowadzony w pilotowym bioreaktorze strużkowym (TBB). Ponieważ najważniejszym etapem procesu oczyszczania powietrza z LZO w bioreaktorze strużkowym jest biologiczna reakcja jego rozkładu, zatem, projektując proces, należy przede wszystkim starannie wyselekcjonować mikroorganizmy efektywnie rozkładające usuwane z powietrza zanieczyszczenie, określić warunki najkorzystniejsze dla ich wzrostu oraz wyznaczyć kinetykę reakcji. W wyniku testów porównawczych wyselekcjonowano szczep efektywnie wykorzystujący styren jako jedyne źródło węgla i energii. Był to, pochodzący z kolekcji VTT (Finlandia), gramujemny szczep z rodzaju Pseudomonas, oznaczony symbolem E-93486. W testach wstępnych określono najkorzystniejsze dla jego wzrostu parametry (pH 7, 30ºC, DO = 5 mg·dm–3) i zarówno eksperymenty kinetyczne, jak i proces oczyszczania powietrza w TBB prowadzono, utrzymując wyznaczone, optymalne dla reakcji biochemicznej warunki. Pierwszą serię eksperymentów kinetycznych przeprowadzono w reaktorze okresowym, zmieniając w kolejnych eksperymentach początkowe stężenie substratu wzrostowego w zakresie 5-90 g·m–3. Badania wykazały inhibitujący szybkość wzrostu mikroorganizmów wpływ substratu, stąd do opisania kinetyki wzrostu E-93486 w obecności fenolu wybrano model Haldane. Zgromadzona baza danych doświadczalnych umożliwiła estymację stałych tego równania (μm = 0,119 h–1; Ks = 5,984 g·m–3, Ki = 156,6 g·m–3). Hodowle ciągłe, prowadzone przy różnej szybkości rozcieńczania (D = 0,035-0,1 h–1), umożliwiły określenie wartości współczynnika metabolizmu endogennego (md = 0,0165 h–1) i maksymalnej wartości współczynnika wydajności biomasy ((YXS)max = 0,913). Otrzymane pełne równanie kinetyczne wzrostu szczepu E-93486 w obecności styrenu zostało zweryfikowane przez porównanie obliczonych i otrzymanych eksperymentalnie profili zmian stężenia biomasy i styrenu. Badania procesu oczyszczania powietrza ze styrenu przeprowadzono w pilotowej instalacji, której głównym elementem był bioreaktor strużkowy o średnicy 1,084 m, wypełniony na wysokość 1,84 m inertnym wypełnieniem (polipropylenowe pierścienie Ralu), na powierzchni którego unieruchomiony został testowany szczep. W badaniach strumień oczyszczanego gazu zmieniano w zakresie 50-150 m3·h–1, natomiast stężenie styrenu w powietrzu doprowadzanym do reaktora zmieniano w zakresie 0,2-1 g·m–3. Podczas trwających ponad 6 miesięcy eksperymentów uzyskano stopień konwersji styrenu rzędu 75-95%, co oznacza, że przy maksymalnym obciążeniu złoża (80 g·m–3·h–1) każdego dnia usuwane było z powietrza ~2500 g styrenu. Potwierdzona została w ten sposób skuteczność testowanej technologii oczyszczania powietrza z LZO.

Słowa kluczowe

EN

styrene; kinetics; trickle-bed bioreactor

PL

styren; kinetyka; bioreaktor strużkowy

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Proceedings of ECOpole
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 10, No. 2
• Strony: 423--431
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Janecki D.

• Independent Department of Process Engineering, University of Opole, ul. R. Dmowskiego 7-9, 45-365 Opole, Poland

autor

Gąszczak A.

• Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Bartelmus G.

• Institute of Chemical Engineering, Polish Academy of Sciences, ul. Bałtycka 5, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Bina B, Dehghanzadeh R, Pourmoghadas H, Kalantary A, Torkian A. Removal of styrene from waste gas stream using a biofilter. J Res Med Sci. 2004;6:280-288. http://www.jrms.mui.ac.ir/files/journals/1/articles/933/public/933-2601-2-PB.pdf.
• [2] Djeribi R, Dezenclos T, Pauss A, Lebeault M-J. Removal of styrene from waste gas using a biological trickling filter. Eng Life Sci. 2005;5:450-457. DOI: 10.1002/elsc.200520092.
• [3] The Clean Air Act Amendments of 1990 List of Hazardous Air Pollutants. www3.epa.gov/airtoxics/orig189.html.
• [4] USEPA. https://www3.epa.gov/airtoxics/hlthef/styrene.html.
• [5] Rueff J, Teixeira JP, Santos LS, Gaspar JF. Genetic effects and biotoxicity monitoring of occupational styrene exposure. Clin Chim Acta. 2009;399:8-23. DOI: 10.1016/j.cca.2008.09.012.
• [6] Babaee R, Bonakdarpur B, Nasernejad B, Fallah N. Kinetics of styrene biodegradation in synthetic wastewaters using an industrial activated sludge. J Hazard Mater. 2010;184:111-117. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2010.08.012.
• [7] Ottengraf SPP, Diks RMM. Process technology of biotechniques. Dragt and van Ham. 1992;51:17-31. DOI: 10.1016/S0166-1116(08)70673-3.
• [8] Iliuta I, Larachi F. Modeling simultaneous biological clogging and physical plugging in trickle-bed bioreactors for wastewater treatment. Chem Eng Sci. 2005;60:1477-1489. DOI: 10.1016/J.CES.2004.10.016.
• [9] Arnold M, Riettu A, von Wright A, Martikainen PJ. Suihko M-LM. Bacterial degradation of styrene in waste gases using a peat filter. Appl Mocrobiol Biotechnol. 1997;48:738-744. DOI: 10.1007/s002530051126.
• [10] Gąszczak A, Bartelmus G, Greń I. Kinetics of styrene biodegradation by Pseudomonas sp. E-93486. Appl Microbiol Biotechnol. 2012;93:565-573 DOI: 10.1007/s00253-011-3518-6.