. L . ' 4 " ‘ 3 , 5 . ‘ 5 . 3 " ; . 1 3 ? ? ? . , 1 } é g k t z s fi . 1 4 3 c m ‘ 1 . a w ' t ‘ c ‘ é V I . 1 , . ‘ ‘ r - « H 1 ' r v 9 . 1 . 1 . l ' 1 x ! , V x z ' E L Q - g t fi ; ‘ . 5 1 ‘ m 1 ‘ 1 9 . ! ) > 3 3 2 . " 2 ; " v : " N M - u ! ¢ 1 , “ 5 5 " . “ ' m s I I I I I I I I I I I I I I I I’ I I I IIIIIIIIIIIIIIII W . ) a d “ : m e m o m s ‘ T Y U B R A R I E S L i 1 0 6 1 7 T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d C h a r a c t e r i z a t i o n o f P e r f o r m a n c e i n t h e M o n i t o r i n g o f U A S B R e a c t o r p r e s e n t e d b y M a y M e i l i a n g W u h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r P h . D d e g r e e i n E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g C o — M a j o r p r o f e s s o r D a t e 2 — 3 - 9 5 / Z f % / C o - M a j o r P r y fi a s s o r M S U i : a n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 L E E R A R Y . M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E l l R E T U R N B O X t o r e m o v e W e c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d e t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E M S U l e A n A f fi r m e t t v e A c t i o n / E q u e l O p p o r t u n i t y l n e t l t w o n W m : C H A R A C T E R I Z A T I O N O F P E R F O R M A N C E A N D M O N I T O R I N G O F T H E U P F L O W A N A E R O B I C S L U D G E B L A N K E T R E A C T O R V o l u m e I B y M a y M e i l i a n g W u A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 5 A B S T R A C T C H A R A C T E R I Z A T I O N O F P E R F O R M A N C E A N D M O N I T O R I N G O F T H E U P F L O W A N A E R O B I C S L U D G E B L A N K E T R E A C T O R B y M a y M e i l i a n g W u U p f l o w A n a e r o b i c S l u d g e B l a n k e t ( U A S B ) r e a c t o r s h a v e n u m e r o u s a p p l i c a t i o n s f o r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i n t h e f o o d i n d u s t r y . A n a e r o b i c g r a n u l e s u s e d i n U A S B r e a c t o r s y s t e m s a r e a g g r e g a t e s o f m i c r o b i a l c o n s o r t i a p e r f o r m i n g a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n ( h y d r o l y s i s , a c e t o g e n e s i s a n d m e t h a n o g e n e s i s ) o f o r g a n i c c a r b o n p r e s e n t i n w a s t e w a t e r . T h e h i g h m i c r o b i a l d e n s i t y o f t h e s e g r a n u l e s a n d t h e r e s u l t a n t h i g h r a t e o f b i o l o g i c a l t r e a t m e n t p r o c e s s a l l o w e x c e l l e n t t r e a t m e n t p e r f o r m a n c e i n s m a l l r e a c t o r v o l u m e s . T h e w i d e r a n g e o f p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s c o u p l e d w i t h t h e c o m p l e x i t y o f t h e U A S B p r o c e s s d e m o n s t r a t e t h e i m p o r t a n c e o f d e v e l o p i n g s t r o n g e n g i n e e r i n g a n d s c i e n t i fi c k n o w l e d g e t o a c h i e v e s t a b l e a n d c o n t r o l l e d p e r f o r m a n c e . T h i s s t u d y f o c u s e d o n d e s c r i b i n g o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f a n U A S B r e a c t o r t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e u s i n g a n a e r o b i c g r a n u l e s . W o r k i n c l u d e d c h a r a c t e r i z a t i o n o f U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s . m e t a b o l i c p e r f o r m a n c e , m o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g o f U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e . H y d r a u l i c s o f a n U A S B r e a c t o r w a s s t u d i e d u s i n g L i C l a s t r a c e r a n d s t i m u l u s - r e s p o n s e t e c h n i q u e t o e v a l u a t e e f f e c t s o f o r g a n i c a n d h y d r a u l i c f l u x o n r e a c t o r m i x i n g . T h r e e e x i s t i n g f l o w m o d e l s w e r e e v a l u a t e d u s i n g t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . T w o n e w m o d e l s w e r e d e v e l o p e d t o d e s c r i b e t h e U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s a t l o w a n d h i g h O L R . U A S B r e a c t o r s r e p r e s e n t e d n o n - i d e a l f l o w r e a c t o r s f o r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t e s t e d ( r a n g i n g f r o m 4 - 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d O L R a n d 1 2 h r s - 2 d a y s H R T ) . I n c r e a s e d g a s p r o d u c t i o n , a r e s u l t o f i n c r e a s e d O L R , r e d u c e d d e a d v o l u m e a n d i m p r o v e d r e a c t o r m i x i n g a t a H R T o f 1 2 h r s . S u b s t r a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d f o r a n a e r o b i c g r a n u l e s c o l l e c t e d f r o m t h e U A S B r e a c t o r t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e . M a s s t r a n s f e r w i t h i n l i q u i d b o u n d a r y l a y e r a n d w i t h i n g r a n u l e s a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s o n a c e t a t e u t i l i z a t i o n w e r e e v a l u a t e d . W h o l e g r a n u l e s , p a r t i a l l y d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d g r a n u l e fl o c s , d e v e 1 0 p e d b y m e c h a n i c a l l y d i s r u p t i n g g r a n u l e s , w e r e t e s t e d . T e m p e r a t u r e w a s v a r i e d f r o m 2 6 ° C t o 3 7 ° C . S u b s t r a t e u s e d f o r m a s s t r a n s f e r e x p e r i m e n t s i n c l u d e d a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l . I n t r i n s i c k i n e t i c p a r a m e t e r s k m a n d K s , f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l , w e r e e s t i m a t e d u s i n g g r a n u l e f l o c s . T h e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r s o f w h o l e g r a n u l e s , n , w e r e 0 . 3 2 , 0 . 4 1 , 0 . 7 5 , f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l , r e s p e c t i v e l y . M i c r o b i a l c o n v e r s i o n o f e t h a n o l u s i n g a n a e r o b i c g r a n u l e s w a s c o n d u c t e d t o e x a m i n e t h e f a t e o f s u b s t r a t e , m e t a b o l i c i n t e r m e d i a t e s , a n d fi n a l p r o d u c t s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . F r e e e n e r g y a n a l y s i s w a s p e r f o r m e d f o r 1 4 m a j o r p o t e n t i a l r e a c t i o n s . B a s e d o n t h e o b s e r v a t i o n o f n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n , t h e n - p r o p a n o l p a t h w a y w a s s t u d i e d u s i n g I 3 C b i c a r b o n a t e t o e v a l u a t e t h e r o l e o f C O : i n f o r m a t i o n o f n - p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . A n a e r o b i c g r a n u l e p h y s i c a l s t r u c t u r e a n d m i c r o b i a l p o p u l a t i o n s w e r e e x a m i n e d u s i n g l i g h t a n d C o n f o c o l m i c r o s c o p y . R e s p o n s e s o f t h e t r a c e g a s e s H 2 a n d C O a n d r e a c t o r p e r f o r m a n c e d u r i n g v a r i o u s h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e s , o r g a n i c l o a d i n g r a t e s a n d v a r i a t i o n i n f e e d c o m p o s i t i o n a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e o f a n U A S B r e a c t o r w e r e e x a m i n e d . U n s t e a d y s t a t e m o n i t o r i n g e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o s t u d y t h e p o t e n t i a l u s e o f H 2 a n d C O a s i n d i c a t o r s f o r t h e U A S B r e a c t o r s y s t e m , t o d e t e c t o n s e t o f u n s t a b l e c o n d i t i o n s ( o r g a n i c o v e r l o a d i n g ) a n d s y s t e m f a i l u r e . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d . A d y n a m i c m a t h e m a t i c a l m o d e l i n c o r p o r a t i n g r e a c t o r h y d r a u l i c s , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s a n d m a s s t r a n s f e r w i t h i n g r a n u l e s w a s d e v e l o p e d f o r t h e U A S B r e a c t o r . N u m e r i c a l m e t h o d s w e r e u s e d t o s o l v e t h e m o d e l . S e n s i t i v i t y a n a l y s e s f o r m o d e l p a r a m e t e r s w e r e p e r f o r m e d . T h e m o d e l w a s c a l i b r a t e d u s i n g d a t a f r o m t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t a n d t h e n e v a l u a t e d w i t h a c e t a t e s t e p i n c r e a s e e x p e r i m e n t s . A C K N O W L E D G M E N T S M y g r a t i t u d e g o e s f i r s t t o D r . R o b e r t H i c k e y , m y p r i n c i p a l a d v i s o r f o r h i s e n c o u r a g e m e n t , a d v i c e a n d g u i d a n c e d u r i n g m y s t u d y . I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y s i n c e r e a p p r e c i a t i o n t o D r . T h o m a s V o i c e a n d D r . C r a i g C r i d d l e , f o r t h e i r a d v i c e , a s s i s t a n c e , v a l u a b l e c o m m e n t s a n d i n t e r e s t i n t h e o u t c o m e o f t h i s r e s e a r c h . T h a n k s i s e x t e n d e d t o D r . J a m e s T i e d j e a n d D r . W i l l i a m S a u l f o r t h e i r p a t i e n c e a n d h e l p d u r i n g t h i s r e s e a r c h . M a n y p e r s o n s c o l l a b o r a t e d w i t h m e o n i n n u m e r a b l e o c c a s i o n s d u r i n g t h i s r e s e a r c h a t M i c h i g a n B i o t e c h n o l o g y I n s t i t u t e . I w a n t t o t h a n k D r . W e i - m i n W u f o r h e l p f u l a n d s t i m u l a t i n g d i s c u s s i o n s , J e f f C o o k f o r h i s s k i l l a n d d e d i c a t i o n i n t h e l a b o r a t o r y , D a n W a g n e r f o r t h e r e a c t o r f a b r i c a t i o n . T h a n k s a l s o e x t e n d e d t o D r . J a i n - E r L i n , D r . M i c h e l e v a n d e r W a l l e a n d L e s l i e N e i l s o n f o r t h e i r h e l p d u r i n g t h i s j o u r n e y . I a l s o l i k e t o t h a n k U S E P A a n d N e w Y o r k S t a t e E n e r g y R e s e a r c h A u t h o r i t y , e s p e c i a l l y t o B a r r y L i e b o w i t z , f o r t h e fi n a n c i a l s u p p o r t . F i n a l l y , I w o u l d l i k e t o t h a n k m y h u s b a n d f o r h i s e n c o u r a g e m e n t , u n d e r s t a n d i n g a n d s u p p o r t , a n d o u r s o n , J o s e p h , w i t h o u t h i m , t h i s s t u d y c o u l d b e fi n i s h e d o n e y e a r e a r l i e r . T A B L E O F C O N T E N T S C h a p t e r P a g e L I S T O F T A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i L I S T O F F I G U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v 1 . I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 . B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 A . M e t h a n o g e n e s i s a n d m e t h a n e p r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 B . S u b s t r a t e t r a n s p o r t a n d u t i l i z a t i o n w i t h i n a n a e r o b i c g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 C . P r o c e s s m o n i t o r i n g a n d d y n a m i c m o d e l i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 . O B J E C T I V E S A N D P R O C E D U R A L O V E R V I E W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 A . O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 A - l . O v e r a l l o b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 A - 2 . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 A - 3 . M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f a n U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 A - 4 . M o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g U A S B r e a c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 B . E x p e r i m e n t a l a p p r o a c h e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 B - l . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 B 2 M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f a n U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 - 3 . M o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g U A S B r e a c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 . T H E O R E T I C A L D E V E L O P M E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 A . A d y n a m i c m o d e l o f U A S B r e a c t o r w i t h g r a n u l a r s l u d g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 A - l . R e a c t o r h y d r a u l i c s a n d fl u i d fl o w m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 A - 1 . l . P a r a l l e l C S T R s a n d a d i s p e r s i o n P F R i n s e r i e s w i t h a P F R ( m o d e l l ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 A - 1 . 1 1 . D i s p e r s i o n m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 A - 1 . 1 2 . M i x e d fl o w a n d p l u g fl o w m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 v i . ~ \ - l . 2 . T w o C S T R s i n s e r i e s f o l l o w e d b y a P F R ( V a n d e r M e e r m o d e l ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 A - l . 3 . O n e C S T R a n d a d i s p e r s i o n P F R i n s e r i e s m o d e l ( m o d e l 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 A - 2 . I n t e g r a t e d r e a c t i o n - d i f f u s i o n a n d h y d r a u l i c m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 A - 2 . l . R e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 A - 2 . 2 . D e v e l o p m e n t o f a d y n a m i c m o d e l i n c l u d i n g a fl o w m o d e l c o m b i n e d w i t h a r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l f o r U A S B r e a c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 . H Y D R A U L I C C H A R A C T E R I S T I C S O F A N U A S B R E A C T O R W I T H G R A N U L A R S L U D G E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 A . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 B . O r g a n i c l o a d i n g a n d h y d r a u l i c fl u x e f f e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 B - l . U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 3 - 2 . T r a c e r s t u d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 B - 3 . O r g a n i c l o a d i n g a n d h y d r a u l i c fl u x e f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 C . E v a l u a t i o n o f e x i s t i n g fl u i d fl o w m o d e l s a n d m o d e l d e v e l o p m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 0 1 . M o d e l i n g a t l o w O L R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 C - 2 . M o d e l i n g a t h i g h O L R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 D . D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 6 . K I N E T I C S O F S U B S T R A T E U T I L I Z A T I O N B Y B R E W E R Y G R A N U L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 A . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 B . I n t r i n s i c k i n e t i c s o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l u t i l i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 B - l . D e s c r i p t i o n o f t h e l a b o r a t o r y b a t c h s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 B - 2 . E x p e r i m e n t d e s i g n a n d m e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 8 - 3 . K i n e t i c p a r a m e t e r e s t i m a t i o n f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 C . M a s s t r a n s f e r o n b r e w e r y g r a n u l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 C - 1 . L i q u i d fi l m r e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 C - 2 . E f f e c t o f g r a n u l e s i z e o n s u b s t r a t e d i f f u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 D . T e m p e r a t u r e e f f e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9 E . T h r e s h o l d a n d r e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s d u r i n g a c e t a t e a n d H 2 u t i l i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 F . D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 7 . I D E N T I F I C A T I O N O F G R A N U L E S T R U C T U R E , M A J O R M I C R O B I A L G R O U P S A N D P A T H W A Y S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7 A . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7 v i i B . E t h a n o l d e g r a d a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 1 . C a r b o n a n d e l e c t r o n b a l a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 2 . E n e r g e t i c s o f e t h a n o l d e g r a d a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C . P a t h w a y o f n — p r o p a n o l f o r m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - l . R e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s o f n - p r o p a n o l f o r m a t i o n . . . . . . . . . C - 2 . l 3 C e x p e r i m e n t o n n - p r o p a n o l f o r m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D . I d e n t i fi c a t i o n o f g r a n u l e s t r u c t u r e s a n d m a j o r m i c r o b i a l g r o u p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E . D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 . M O N I T O R I N G U A S B R E A C T O R T R E A T I N G S Y N T H E T I C B R E W E R Y W A S T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B . M o n i t o r i n g C O a n d H 2 a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . . . . . . . . . B - l . O n - l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m a n d b e n c h U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . B - 2 . P s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . S t a t i s t i c s o f H 2 , C O a n d p r o c e s s v a r i a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 1 G e n e r a l s t a t i s t i c s a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . l l M e a n , c o e f fi c i e n t o f v a r i a n c e , p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n a n d s t a n d a r d e r r o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 1 2 C o n fi d e n c e l e v e l a n d m e a n v e r s u s O L R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 1 3 C o r r e l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 1 4 A n a l y s i s o f v a r i a n c e s a n d m u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 2 O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n e f f e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - 3 . 3 S p e c t r a a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 . R e a c t i o n e n e r g e t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C . U n s t e a d y s t a t e O L R p e r t u r b a t i o n s a n d r e s p o n s e p a t t e r n s . . . . . . . . . C - l . O L R v a r i a t i o n a t 2 , 5 , 8 , 1 0 K g C O D / M 3 b e d - d . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . O L R v a r i a t i o n a t 5 , 1 0 , 1 5 , 2 0 K g C O D / M 3 b e d - d . . . . . . . . . . . . C - 3 . O L R r a n d o m v a r i a t i o n a t 1 0 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 , 6 0 , 1 0 4 K g C O D / M 3 b e d - d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 4 . O L R v a r i a t i o n a t 1 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 O K g C O D / M 3 b e d - d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D . D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . M O D E L I N G U A S B R E A C T O R U S I N G A D Y N A M I C M O D E L I N C L U D I N G R E A C T O R H Y D R A U L I C S , R E A C T I O N A N D D I F F U S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B . D e v e l o p m e n t o f a d y n a m i c m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B - l . M o d e l d e v e l o p m e n t , s o l u t i o n t e c h n i q u e , a n d p a r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i i 1 1 1 1 1 4 1 1 6 1 1 7 1 1 8 1 2 1 1 2 4 1 2 5 1 5 6 1 5 6 1 6 0 1 6 0 1 6 1 1 6 3 1 6 3 1 6 3 1 6 4 1 6 5 1 6 5 1 6 6 1 6 7 1 6 9 1 7 2 1 7 2 1 7 3 1 7 4 1 7 8 1 8 3 2 2 7 2 2 7 2 3 2 2 3 2 B - 2 . S i m u l a t i o n o f U A S B r e s p o n s e s d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 8 - 3 . M o d e l p r e d i c t i o n d u r i n g a c e t a t e s t e p i n c r e a s e s . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 C . S e n s i t i v i t y a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 D . D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 1 0 . S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 A . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 B . K i n e t i c s o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 C . M i c r o b i a l p o p u l a t i o n s a n d g r a n u l e s t r u c t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 D . M o n i t o r i n g U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 E . D y n a m i c m o d e l i n g o f U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 1 1 . R E C O M M E N D A T I O N S F O R F U T U R E R E S E A R C H . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 5 A P P E N D I C E S A . M e d i u m a n d f e e d c o m p o s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 B . M a t e r i a l a n d m e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 3 - 1 . A c t i v i t y a s s a y s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 B - 1 . l . I n o c u l u m a n d m e d i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 8 - 1 . 1 1 . I n o c u l u m p r e p a r a t i o n a n d b i o m a s s e s t i m a t i o n . . . . . . 2 7 0 B - 1 . 1 2 . M e d i u m p r e p a r a t i o n a n d i n o c u l u m t r a n s f e r t e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 B - 1 . 2 . A s s a y s f o r i n t r i n s i c k i n e t i c p a r a m e t e r s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , a n d e t h a n o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 B - 2 . R e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( R T D ) e x p e r i m e n t o n l a b o r a t o r y b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 3 - 3 . T r a c e r r e c o v e r y t e s t f o r a d s o r p t i o n o n g r a n u l a r s l u d g e . . . . . . . . . 2 7 3 3 - 4 . U n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t u s i n g t h e l a b o r a t o r y b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 8 - 5 . D i s s o l v e d h y d r o g e n a n d c a r b o n m o n o x i d e m e a s u r e m e n t s . . . . . . 2 7 5 B - 5 . 1 . T r a c e g a s a n a l y z e r I C M p r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 5 B - 5 . 2 . P r o c e d u r e f o r d i s s o l v e d H 2 a n d C O m e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 5 8 - 6 . I s o t o p i c a s s a y f o r d e t e r m i n i n g n — p r o p a n o l p a t h w a y . . . . . . . . . 2 7 7 B - 6 . 1 . P r o t o c o l f o r e x t r a c t i o n o f n - p r o p a n o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 7 B - 7 . M i c r o s c o p y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 8 i x C . Q u a l i t y a s s u r a n c e a n d q u a l i t y c o n t r o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - l . - M o n i t o r i n g a n d s a m p l e r e c o r d i n g d u r i n g l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r o p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . S a m p l i n g , s t o r a g e , a n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 1 . V F A s , e t h a n o l , a n d n - p r o p a n o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 2 . F o r m a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 . G a s p h a s e a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 1 . G a s s a m p l i n g l o o p a n d i n s t r u m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 2 . C O a n d H 2 a n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 3 . D i s s o l v e d H 2 a n d C O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 4 . C H 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 5 . G a s p r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 3 6 . C 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 2 . 4 . T o t a l s u s p e n d e d s o l i d s ( T S S ) a n d v o l a t i l e s u s p e n d e d s o l i d s ( V S S ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 5 . T o t a l s o l i d s ( T S ) a n d v o l a t i l e s o l i d s ( V S ) f o r g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 2 . 6 . L i t h i u m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C - 3 . D a t a s h e e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D . D e t e r m i n a t i o n o f M o n o d k i n e t i c p a r a m e t e r s k m a n d K s b y n o n l i n e a r l e a s t s q u a r e m e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D - l . D i f f e r e n t i a l f o r m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D - 2 . I n t e g r a t e d f o r m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E . F o r t r a n p r o g r a m o f d y n a m i c h y d r a u l i c - r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 9 2 7 9 2 8 1 2 8 1 2 8 4 2 8 5 2 8 5 2 8 6 2 9 0 2 9 1 2 9 2 2 9 3 2 9 3 2 9 4 2 9 5 2 9 6 3 0 1 3 0 1 3 0 2 3 0 5 3 1 8 T a b l e V B - l . T a b l e V B - 2 . T a b l e V B - 3 . T a b l e V B - 4 . T a b l e V B - S . T a b l e V I B — l . T a b l e V I E — 2 . T a b l e V I B - 3 . T a b l e V I E - 4 . T a b l e V I B — S . T a b l e V I C — 1 . L I S T O F T A B L E S O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r d u r i n g h y d r a u l i c e x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R T D e x p e r i m e n t a l d e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e o n U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f r e c i r c u l a t i o n o n U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l u i d i z a t i o n i n d e x o f U A S B r e a c t o r u n d e r d i f f e r e n t h y d r a u l i c o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d g r a n u l e s i z e s . . . . . . . E n v i r o n m e n t a l a n d o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s u s e d f o r t h e b e n c h - t o p r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S a m p l i n g f r e q u e n c y f o r t h e a c e t a t e u t i l i z a t i o n a s s a y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S a m p l i n g f r e q u e n c y f o r t h e p r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n a s s a y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S u m m a r y o f l i t e r a t u r e v a l u e s o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s c o m p a r e t o r e s u l t s f r o m t h i s s t u d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K i n e t i c s o f e t h a n o l a n d h y d r o g e n u t i l i z a t i o n b y t h e b r e w e r y g r a n u l e s c o m p a r e d t o r e p o r t e d v a l u e s i n t h e l i t e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x p e r i m e n t a l d e s i g n o f l i q u i d fi h n r e s i s t a n c e e x p e r i m e n t f o r t h e b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i 6 2 6 2 6 3 6 4 6 5 9 8 9 9 9 9 1 0 0 1 0 1 1 0 2 T a b l e V I C — 2 . T a b l e V I D - l . T a b l e V I E — 1 . T a b l e V I E — 2 . T a b l e V I E - 3 . T a b l e V I I B - l . T a b l e V I I C — l . T a b l e V I I C — 2 . T a b l e V I I C — 3 . T a b l e V I I C — 4 . T a b l e V I I I B - l . T a b l e V I I I B - 2 . T a b l e V I I I B - 3 . E s t i m a t e d u n s t e a d y s t a t e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r f o r s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . E s t i m a t e d k m o f w h o l e g r a n u l e s a n d fl o c s a t 3 7 ° C , 3 1 ° C a n d 2 6 ° C , i n g A c e t a t e / g V S - d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e t h r e s h o l d a n d c a l c u l a t e d m i n i m u m a v a i l a b l e G i b b ' s f r e e e n e r g y d u r i n g a c e t a t e m e t a b o l i s m . . . . . . . . . R e p o r t e d a c e t a t e t h r e s h o l d v a l u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e p o r t e d h y d r o g e n t h r e s h o l d v a l u e s f o r d i f f e r e n t h y d r o g e n o t r o p h i c a n a e r o b e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P o s s i b l e r e a c t i o n s i n v o l v i n g e t h a n o l , a c e t a t e , m e t h a n e , c a r b o n m o n o x i d e , h y d r o g e n , f o r m a t e a n d c a r b o n d i o x i d e d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n a n d t h e i r s t a n d a r d G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P o s s i b l e r e a c t i o n s i n v o l v i n g e t h a n o l , n — p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n a n d t h e i r s t a n d a r d G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S u b s t r a t e a n d m a j o r p r o d u c t s a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n s v a r i e d w i t h p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l a s s a y c h a n g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G C / M S r e s u l t s f r o m 1 3 C l a b e l e d e t h a n o l a s s a y . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y p r o fi l e s o f m a j o r r e a c t i o n s d u r i n g i n i t i a l h o u r s o f e t h a n o l d e g r a d a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M a x i m u m f r e q u e n c y o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O , H 2 , g a s p r o d u c t i o n a n d m e t h a n e a t d i f f e r e n t O L R . ( c a l c u l a t e d f r o m p e r i o d o g r a m ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i 1 0 2 1 0 3 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 4 9 1 5 0 1 5 1 1 5 2 1 5 3 2 1 6 2 1 7 2 1 8 T a b l e V I I I B - 4 . T a b l e V I I I B - S . T a b l e V I I I B - 6 . T a b l e V I I I B - 7 . T a b l e V I I I B - 8 . T a b l e V I I I B - 9 . T a b l e V I I I B - l O . T a b l e V I I I B - l 1 . T a b l e I X B - l . T a b l e I X B - 2 . T a b l e I X B - 3 . T a b l e I X B - 4 . T a b l e A - 1 . T a b l e A - 2 . T i m e p h a s e b e t w e e n e a c h p a i r o f m o n i t o m g v a r i a b l e s i n f r e q u e n c y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F i s h e r ’ s w h i t e n o i s e t e s t r e s u l t s f o r e a c h v a r i a b l e a t d i f f e r e n t o r g a n i c l o a d i n g r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R a n g e o f m e a n , c o e f fi c i e n t o f v a r i a n c e s a n d s t a n d a r d e r r o r o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n e f f e c t o n H 2 , C O a n d p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e f o r p r o p i o n a t e o x i d a t i o n a n d m e t h a n o g e n e s i s a t s t a n d a r d c o n d i t i o n s . . . . . . . . . . . . A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f e a c h m o n i t o r i n g v a r i a b l e s a m o n g O L R s o p e r a t e d a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e . . . . . . . . . R e s u l t s f r o m D u n c a n ’ s m u l t i p l e r a n g e t e s t a n d L S D t e s t o n m e a n s o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s ( g r o u p e d b y O L R ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H e a d s p a c e a n d d i s s o l v e d H 2 a n d C O i n t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e a n d s t e p O L R i n c r e a s e e x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M o d e l p a r a m e t e r s u s e d i n s i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d f r o m a c e t a t e i m p u l s e a n d s t e p O L R i n c r e a s e a n d L i t h i u m C h l o r i d e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n o f U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s a n d m a s s t r a n s f e r d u r i n g L i t h i u m C h l o r i d e a n d a c e t a t e i m p u l s e a n d a c e t a t e s t e p O L R i n c r e a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i n e r a l m e d i u m c o m p o s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o m p o s i t i o n o f t r a c e m i n e r a l s o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i i 2 1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 2 5 2 2 6 2 5 6 2 5 7 2 5 8 2 5 9 2 6 6 2 6 7 T a b l e A - 3 . T a b l e A - 4 . T a b l e A - 5 . T a b l e B - 1 . T a b l e B - 2 . T a b l e 0 1 . T a b l e C - 2 . T a b l e C - 3 . T a b l e 0 4 . T a b l e C - 5 . T a b l e C - 6 . T a b l e C - 7 . S y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d c o m p o s i t i o n , F e e d I S y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d c o m p o s i t i o n , F e e d I I , I I I , I V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l s e q u e n c y p r o g r a m d u r i n g u n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U n s t e a d y s t a t e m o n i t o r i n g p a r a m e t e r s s e t t i n g f o r P a r a g o n a n d I C M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L i s t o f i n f o r m a t i o n r e c o r d e d o n D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r s a m p l e s f r o m l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B a n d b a t c h e x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . G C o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s f o r V F A s a n a l y s i s . . . . . . . . . R e d u c e d G a s A n a l y z e r O p e r a t i n g c o n d i t i o n s . . . . . . . . . I C M p a r a m e t e r s p r o g r a m m i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S t e a d y s t a t e d a i l y m o n i t o r i n g s h e e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U n s t e a d y s t a t e m o n i t o r i n g s h e e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i v 2 6 8 2 6 8 2 6 9 2 7 4 2 7 5 2 8 0 2 8 2 2 8 3 2 8 7 2 8 9 2 9 9 3 0 0 F i g u r e I I - l . F i g u r e I I - 2 . F i g u r e I V A - 1 . F i g u r e I V A - 2 . F i g u r e I V A - 3 . F i g u r e I V A - 4 . F i g u r e I V A - 5 . F i g u r e V B - l . F i g u r e V B - 2 . F i g u r e V B - 3 . L I S T O F F I G U R E S C a r b o n a n d e l e c t r o n fl o w i n m e t h a n o g e n i c e n v i r o n m e n t s . M e t a b o l i c g r o u p s i n v o l v e d : I . h y d r o l y t i c a n d f e r m e n t a t i v e b a c t e r i a ; I I . P r o t o n - r e d u c i n g a c e t o g e n i c b a c t e r i a ; I I I . m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a a ) h y d r o g e n o p h i l i c b ) a c e t o p h i l i c ; I V . h o m o a c e t o g e n i c b a c t e r i a ; V . F a t t y a c i d - s y n t h e s i z i n g b a c t e r i a . A f t e r Z e h n d e r e t a l . [ 1 9 8 1 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e o n t h e G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s o f c o n v e r s i o n o f e t h a n o l , p r o p i o n a t e , a c e t a t e a n d h y d r o g e n d u r i n g m e t h a n e f o r m a t i o n . A f t e r M c C a r t y [ 1 9 8 1 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l o w c h a r t o f m o d e l 1 d e s c r i b i n g U A S B r e a c t o r a t l o w g a s p r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l o w c h a r t o f V a n d e r M e e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A s h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f m o d e l 2 d e s c r i b i n g U A S B r e a c t o r a t h i g h g a s p r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M a s s t r a n s p o r t , d i f f u s i o n a n d r e a c t i o n w i t h i n a s l a b o f b i o fi l m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c r o s s e c t i o n o f a g r a n u l e w i t h r a d i u s R , a c t i v e l a y e r t h i c k n e s s 8 a n d s u b s t r a t e p r o fi l e S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f fl u i d fl o w m o d e l s e v a l u a t e d i n t h i s w o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e o n h y d r a u l i c b e h a v i o r a t 2 g p m / s q f t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e o n h y d r a u l i c b e h a v i o r a t 5 g p m / s q f t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X V 1 2 1 3 1 9 2 4 2 6 2 8 3 O 5 2 5 3 5 3 F i g u r e V B - 4 . F i g u r e V B - S . F i g u r e V C - l . F i g u r e V C - 2 ( a ) . F i g u r e V C - 2 ( b ) . F i g u r e V C - 2 ( c ) . F i g u r e V C - 3 . F i g u r e V C - 4 . F i g u r e V C - 5 . F i g u r e V C - 6 ( a ) . F i g u r e V C - 6 ( b ) . F i g u r e V C - 6 ( c ) . F i g u r e v c - 7 . F i g u r e V C — 8 . C o m p a r i s o n o f e f f e c t a t t w o s u r f a c e u p fl o w r a t e s a n d a n o r g a n i c l o a d i n g r a t e o f 1 0 g C O D / L b e d - d . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n o f e f f e c t a t t w o s u r f a c e u p fl o w r a t e s a n d a n o r g a n i c l o a d i n g r a t e o f 5 g C O D / L b e d - d . . . . . . . . . . . . . M e a s u r e d d a t a c o m p a r e w i t h i d e a l C S T R a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e C H o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d — d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e H a l l m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e V a n d e r M e e r m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . R e p r e s e n t a t i o n o f M o d e l 1 u s e d t o d e s c r i b e U A S B h y d r a u l i c s a t l o w O L R a n d h i g h H R T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e M o d e l 1 a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . M e a s u r e d d a t a c o m p a r e w i t h i d e a l C S T R a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e C h o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e H a l l m o d e l a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d I - I R T 1 1 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e V a n d e r M e e r m o d e l a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . . . . . . . . . . . . . M o d e l 2 d e s c r i b e s U A S B a t h i g h O L R a n d l o w H R T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e M o d e l 2 a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . . . . . . . . . . . . . x v i 5 4 5 4 5 5 5 5 5 6 5 6 5 7 5 7 5 8 5 8 5 9 5 9 6 0 6 0 F i g u r e V C - 9 . F i g u r e V C - l O . F i g u r e V I B — l . F i g u r e V I B - 2 . F i g u r e V I B - 3 . F i g u r e V I B — 4 . F i g u r e V I B — S . F i g u r e V I C — 1 . F i g u r e V I C — 2 . F i g u r e V I C — 3 . F i g u r e V I C — 4 . F i g u r e V I C — 5 . F i g u r e V I D - l . F i g u r e V I D — 2 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e M o d e l 1 a t a n O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e M o d e l 2 a t a n O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c d i a g r a m o f b e n c h — t o p C S T R s e t - u p . . . . . . A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s a n d fi t t e d M o n o d k i n e t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s a n d fi t t e d M o n o d k i n e t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E t h a n o l u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e a n d fi t t e d M o n o d k i n e t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H y d r o g e n c o n s u m p t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . A c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e a t v a r i o u s i m p e l l e r s p e e d s . a c e t a t e = 7 m M , b i o m a s s = 2 g , p H = 7 . 0 , t e m p . = 3 7 ° C A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s , d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl e e s i n b a t c h a s s a y s ( 3 1 ° C ) . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e i n m M A c e t a t e / g V S - h . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s , d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl o c s i n b a t c h a s s a y ( 3 7 ° C ) . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e i n m M A c e t a t e / g V S - h . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e a t d i f f e r e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s a n d g r a n u l e s i z e s . T = 3 7 ° C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S i z e d i s t r i b u t i o n o f d i s r u p t e d g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e u t i l i z a t i o n a t 3 7 ° C , 3 1 ° C , 2 6 ° C b y w h o l e g r a n u l e s . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s u t i l i z a t i o n r a t e i n m M A c e t a t e / g V S - h . . . . . . A c e t a t e c o n s u m p t i o n r a t e o f fl o c s a n d w h o l e g r a n u l e s a t 3 7 ° C , 3 1 ° C , 2 6 ° C . b a r s r e p r e s e n t s t a n d a r d d e v i a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i i 6 1 6 1 8 8 8 9 8 9 9 0 9 0 9 1 9 2 9 3 9 4 9 4 9 5 9 6 F i g u r e V I D — 3 . F i g u r e V I D — 4 F i g u r e V I I B - l . F i g u r e V I I B — 2 . F i g u r e V I I B — 3 . F i g u r e V I I B — 4 . F i g u r e V I I B — S . F i g u r e V I I B — 6 . F i g u r e V I I B — 7 . F i g u r e V I I C — l . F i g u r e V I I C - 2 . L i n e a r i z a t i o n o f k m a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s f o r a c e t a t e u t i l i z a t i o n b y fl o c s . y = 3 3 . 4 4 7 9 3 - 9 8 8 8 . 5 4 x = 0 . 9 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L i n e a r i z a t i o n o f k m a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s f o r a c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s . y = 2 5 . 6 5 8 - 7 8 5 4 . 3 1 x r 2 = 0 . 9 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e ( e t h a n o l , a c e t a t e , m e t h a n e a n d c a r b o n m o n o x i d e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e ( h y d r o g e n a n d f o r m a t e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e ( p r o p i o n a t e , p r o p a n o l a n d c a r b o n d i o x i d e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E l e c t r o n b a l a n c e o f s u b s t r a t e a n d p r o d u c t s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n i n b a t c h C S T R s t u d y u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n : r e a c t i o n s 1 , 3 , 6 a n d 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n : r e a c t i o n s 2 , 4 , 5 a n d 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C a r b o n b a l a n c e o f s u b s t r a t e a n d p r o d u c t s d u r i n g e t h a n o l a s s a y u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s ( fl o c s ) i n b a t c h C S T R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f e t h a n o l o x i d a t i o n r e a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f n - p r o p a n o l f o r m a t i o n a n d c o n s u m p t i o n r e a c t i o n s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i i i 9 6 9 7 1 3 2 1 3 3 1 3 3 1 3 4 1 3 5 1 3 5 1 3 6 1 3 7 1 3 7 F i g u r e V I I C — 3 . F i g u r e v 1 1 c — 4 . F i g u r e V I I C - S . F i g u r e V I I C — 6 . F i g u r e V I I C — 7 . F i g u r e V I I D — l . F i g u r e V I I D - 2 . F i g u r e V I I D — 3 . F i g u r e V I I D — 4 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f p r o p i o n a t e f o r m a t i o n r e a c t i o n s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f p r o p i o n a t e c o n s u m p t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f e t h a n o l a n d a c e t a t e d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n u s i n g w h o l e g r a n u l e s . ( e x p e r i m e n t s t o p p e d a f t e r 7 1 h r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f p r o p i o n a t e a n d n — p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n u s i n g w h o l e g r a n u l e s . ( e x p e r i m e n t s t o p p e d a f t e r 7 1 h r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P o s s i b l e r e a c t i o n 3 o c c u r r i n g d u r i n g i n i t i a l 1 1 h o u r s i n e t h a n o l a s s a y b a e d o n a v a i l a b l e f r e e e n e r g y a n a l y s e s u s i n g b r e w e r y g r a n u l e fl o c s . a ) . t = 0 . 5 t o 5 h r . , b ) . t = 6 - 8 h r . , c ) . t = 9 - 1 1 h r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L o w m a g n i fi c a t i o n t h i n s e c t i o n m i c r o s c o p y o f g r a n u l e s f r o m b e n c h U A S B r e a c t o r - l a y e r e d s t r u c t u r e s : a ) c r o s s s e c t i o n v i e w o f g r a n u l e A . m a g n i fi c a t i o n 4 4 , b ) c r o s s s e c t i o n v i e w o f g r a n u l e B . m a g n i fi c a t i o n 6 5 , c ) a s e c t i o n o f a g r a n u l e , h i g h e r c e l l d e n s i t y i n t h e o u t e r — l a y e r . m a g n i fi c a t i o n 1 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H e t e r o g e n e o u s m i c r o b i a l d i s t r i b u t i o n s i n o u t e r — l a y e r o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - 2 e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e ) m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 . a ) fi n g e r l o o k i n g s t r u c t u r e , s p a c e s i n b e t w e e n s e r v e a s g a s v e n t . C l u s t e r s o f d i f f e r e n t r o d s d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e e n t i r e l a y e r . b ) a n o t h e r s e c t i o n o f t h e o u t e r — l a y e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T r a n s p a r e n t l a y e r : s p a c e s b e t w e e n o u t e r l a y e r a n d c e n t r a l c o r e o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - 2 e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c 0 p e . m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D e c r e a s e d c e l l d e n s i t y i n t h e c e n t r a l c o r e o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - 2 e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e . m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i x 1 3 8 1 3 8 1 3 9 1 3 9 1 4 0 1 4 2 1 4 4 1 4 5 1 4 6 F i g u r e V I I D — S . F i g u r e V I I D — 6 . F i g u r e V I I I B - l . F i g u r e V I I I B - 2 . F i g u r e V I I I B - 3 . F i g u r e V I I I B - 4 . F i g u r e V I I I B - S . F i g u r e V I I I B - 6 . F i g u r e V I I I B - 7 . F i g u r e V I I I B - 8 . F i g u r e V I I I B - 9 . F i g u r e V I I I B - l 0 . C o n f o c a l l a s e r b e a m m i c r o s c o p y o f p r e d o m i n a n t s p e c i e s i n b r e w e r y g r a n u l e s a ) M e t h a n o t h r e r - l i k e r o d s , b ) D e s q u o v i b r i o - l i k e r o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n f o c a l l a s e r b e a m m i c r o s c o p y o f p r e d o m i n a n t s p e c i e s i n b r e w e r y g r a n u l e s c ) D e s u l f o b u l b u s - l i k e b i g r o d s S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r a n d t h e o n — l i n e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l p r o fi l e s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O , H 2 , m e t h a n e a n d g a s p r o d u c t i o n a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e . ( O L R 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d , H R T 1 . 5 d , f e e d c o n c e n t r a t i o n 1 3 . 7 k g C O D / m 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B i v a r i a n t p l o t o f C O v e r s u s a c e t a t e a t e a c h p s e u d o - s t e a d y s t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B i v a r i a n t p l o t o f H 2 v e r s u s a c e t a t e a t e a c h p s e u d o - s t e a d y s t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M e a n a n d c o n fi d e n c e i n t e r v a l s o f m e t h a n e a n d g a s p r o d u c t i o n d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M e a n a n d c o n fi d e n c e i n t e r v a l s o f H 2 a n d C O d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F r e e e n e r g y c h a n g e o f p r o p i o n a t e o x i d a t i o n a n d m e t h a n o g e n e s i s d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . ( h e a d s p a c e C O a n d H 2 u s e d f o r c a l c u l a t i o n ) . . . . . . . . . F r e e e n e r g y c h a n g e o f p r o p i o n a t e o x i d a t i o n a n d m e t h a n o g e n e s i s d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . ( d i s s o l v e d C O a n d H 2 u s e d f o r c a l c u l a t i o n ) . . . . . . . . . . . . M e a n a n d c o n fi d e n c e i n t e r v a l s o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c d i a g h r a m o f c o r r e l a t i o n s a m o n g m o n i t o r i n g v a r i a b l e s a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s ( b a s e d o n r e s u l t s f r o m c o r r e l a t i o n a n a l y s i s ; ( + ) — p o s s i t i v e c o r r e l a t i o n ; ( - ) — n e g a t i v e c o r r e l a t i o n ; c o r r e l a t i o n t e s t a t a = 0 . 0 1 ) X X 1 4 7 1 4 8 1 8 9 1 9 0 1 9 1 1 9 2 1 9 3 1 9 4 1 9 5 1 9 6 1 9 7 1 9 8 F i g u r e V l I I C - l . F i g u r e V I I I C - 2 . F i g u r e V I I I C - 3 . F i g u r e V I I I C - 4 . F i g u r e V I I I C - S . F i g u r e V I I I C - 6 . F i g u r e V I I I C - 7 . F i g u r e V I I I C - 8 . F i g u r e V I I I C - 9 . F i g u r e V I I I C - l O . F i g u r e v 1 1 1 c - 1 1 . A p p l i e d O L R a n d H R T a n d r e a c t o r m e t h a n e c o n t e n t v a r i a t i o n d u r i 3 n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - l S k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H y d r o g e n , c a r b o n m o n o x i d e a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d p H d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . A p p l i e d O L R a n d H R T a n d r e a c t o r m e t h a n e c o n t e n t v a r i a t i o n d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H y d r o g e n , c a r b o n m o n o x i d e a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e , p r o p i o n a t e , b u t y r a t e , i s o b u t y r a t e a n d p H d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V o l a t i l e s u s p e n d e d s o l i d s ( V S S ) d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t ( O L R : 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . A p p l i e d O L R a n d H R T a n d r e a c t o r H 2 r e s p o n s e s d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 1 0 - 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G a s p r o d u c t i o n r a t e , C O a n d m e t h a n e c o n t e n t d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 1 0 - 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d s o l u b l e C O D d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t ( O L R : 1 0 - 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p I - I , t o t a l s u s p e n d e d s o l i d s ( T 8 3 ) a n d v o l a t i l e s u s p e n d e d s o l i d s ( V 8 3 ) d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 1 0 - 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x x i 1 9 9 2 0 0 2 0 1 2 0 2 2 0 3 2 0 4 2 0 5 2 0 6 2 0 7 2 0 8 2 0 9 F i g u r e V I I I C - 1 2 . F i g u r e v 1 1 1 c - 1 3 . F i g u r e V I I I C - l 4 . F i g u r e V I I I C - l S . F i g u r e V I I I C - l 6 . F i g u r e V I I I C - l 7 . F i g u r e V I I I C - 1 8 . F i g u r e I X B - l . F i g u r e I X B - 2 . F i g u r e I X B - 3 . F i g u r e I X B - 4 . F o u r a n d fi v e c a r b o n c o m p o u n d s m e a s u r e d d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t ( O L R 2 1 0 - 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l i e d O L R a n d H R T a n d r e a c t o r m e t h a n e c o n t e n t v a r i a t i o n d u r i n g l o a d i n g e x p e r i m e n t ( O L R : 1 0 - 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G a s p r o d u c t i o n r a t e , H 2 a n d C O r e s p o n s e s d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 1 0 - 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A c e t a t e , p r o p i o n a t e , b u t y r a t e a n d i s o b u t y r a t e d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t ( O L R 2 1 0 - 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E t h a n o l , n - p r o p a n o l , v a l e r a t e , i s o v a l e r a t e a n d 2 - m e t h y l - b u t y r a t e d u r i n g O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 1 0 - 6 0 k g C O D / m b e d - d ) . 2 M B : 2 - m e t h y l - b u t y r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p H v a r i a t i o n d u r i n g O L R e x p e r i m e n t ( O L R : 1 0 - 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C a r b o n m o n o x i d e g a s p r o d u c t i o n f r o m a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M o d e l s i m u l a t i o n o f a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g a n a c e t a t e i m p u l s e a n d m e a s u r e d d a t a f r o m a b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t s o f e f f l u e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g a s t e p i n c r e a s e i n a c e t a t e i n l e t c o n c e n t r a t i o n c o m p a r e d t o m e a s u r e d d a t a f r o m t h e b e n c h U A S B r e a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n i n m o d e l i n g d a t a f r o m t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M o d e l c o m p a r i s o n s : o n e o r t w o C S T R s a n d t h e n e w l y d e v e l o p e d h y d r a u l i c m o d e l w i t h r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 1 8 7 2 4 9 2 4 9 2 5 0 2 5 0 F i g u r e I X C - 1 . F i g u r e I X C - 2 . F i g u r e I X C - 3 . F i g u r e I X C - 4 . F i g u r e I X C - S . F i g u r e I X C - 6 . F i g u r e I X C - 7 . F i g u r e I X C - 8 . F i g u r e I X C - 9 . F i g u r e I X C - l 0 . F i g u r e C - 1 . F i g u r e C - 2 . F i g u r e C - 3 . E f f e c t o f m a x i m u m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e . k m . o n U A S B r e a c t o r r e s p o n s e d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t , K s , o n U A S B r e a c t o r r e s p o n s e d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . . . . . . E f f e c t o f v a r i a t i o n i n g r a n u l e r a d i u s R o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e a t d i f f e r e n t i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n s ( S o ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t , D , o n a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n c u r v e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f v a r i a t i o n s i n d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t , D , o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e a t d i f e r e n t i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n ( S o ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t , K L , o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f d e a d v o l u m e , V d , o n a c e t a t e i m p u l s e m o d e l i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f b y - p a s s fl o w ( 1 - j ) Q o n U A S B r e s p o n s e c u r v e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D E f f e c t o f d i s p e r s i o n f a c t o r , 7 : - ( x 1 0 ) , o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a n a c e t a t e i m p u l s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n o f d i s p e r s i o n P F R a n d P F R ( d i s p e r s i o n f a c t o r i s z e r o ) d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e m o d e l i n g . . . . . . . . . R e s p o n s e o f w o r k fi l e 7 a n d 8 t o l o w c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e s p o n s e o f w o r k fi l e 7 a n d 8 t o h i g h c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c d i a g h r a m o f o n - l i n e g a s v o l u m e m e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x x i i i 2 5 1 2 5 1 2 5 2 2 5 2 2 5 3 2 5 3 2 5 4 2 5 4 2 5 5 2 5 5 2 9 7 2 9 7 2 9 8 C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N A n a e r o b i c p r o c e s s e s h a v e b e e n u s e d f o r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t f o r m o r e t h a n a c e n t u r y . O v e r t h e p a s t t w e n t y y e a r s , a n a e r o b i c t r e a t m e n t h a s a t t r a c t e d c o n s i d e r a b l y g r e a t e r a t t e n t i o n d u e t o t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h - r a t e a n a e r o b i c p r o c e s s , a d v a n c e d m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l t e c h n o l o g i e s , a n d n e w d i s c o v e r i e s i n a n a e r o b i c m i c r o b i o l o g y . M a n y s t u d i e s h a v e b e e n p e r f o r m e d u s i n g h i g h - r a t e a n a e r o b i c p r o c e s s e s s u c h a s U A S B ( U p fl o w A n a e r o b i c S l u d g e B l a n k e t ) r e a c t o r s , a n a e r o b i c fl u i d i z e d b e d r e a c t o r s a n d a n a e r o b i c fi l t e r s . U A S B r e a c t o r s w i t h t h e i r a b i l i t y t o o p e r a t e a t s h o r t r e t e n t i o n t i m e s ( 6 — 1 2 h r s ) , h i g h o r g a n i c l o a d i n g r a t e s ( 1 0 - 1 5 k g C O D / m 3 - d ) , a n d h i g h r e m o v a l e f fi c i e n c y , h a v e b r o a d a p p l i c a t i o n s i n f o o d i n d u s t r y w o r l d w i d e . T h e y h a v e s e e n c o n s i d e r a b l e a p p l i c a t i o n i n t h e U S A a n d N e t h e r l a n d s . A n a e r o b i c g r a n u l e s i n U A S B r e a c t o r s y s t e m s a r e a g g r e g a t e s o f m i c r o b i a l c o n s o r t i a c o m p r i s e d o f 3 - 5 m a j o r g r o u p s o f o r g a n i s m s . T h e s e g r a n u l e s h a v e t h e a d v a n t a g e s o f h i g h v o l u m e t r i c d e n s i t i e s o f m i c r o o r g a n i s m s . T h i s h i g h d e n s i t y o f b i o m a s s a c c u m u l a t i o n a l l o w s e x c e l l e n t t r e a t m e n t p e r f o r m a n c e i n s m a l l r e a c t o r v o l u m e s . A l l t h r e e m a j o r s t e p s i n t h e p r o c e s s o f a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n ( h y d r o l y s i s , a c e t o g e n e s i s a n d m e t h a n o g e n e s i s ) a r e i n v o l v e d i n t r e a t i n g b r e w e r y w a s t e w a t e r . T h e c o m p l e x i t y o f t h e U A S B p r o c e s s a n d w i d e r a n g e o f p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s d e m o n s t r a t e t h e i m p o r t a n c e o f 2 I n b i o l o g i c a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s e s , t h e p r i m a r y g o a l o f c h a r a c t e r i z i n g a p r o c e s s i s t o c o m b i n e t h e k n o w l e d g e o f p h y s i c o - c h e m i c a l a n d m i c r o b i a l k i n e t i c s t o a l l o w a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e d e g r a d a t i o n p r o c e s s . S t u d y i n g U A S B r e a c t o r s , i n c l u d e s b e t t e r u n d e r s t a n d i n g t h e r e s p o n s e s o f s y s t e m v a r i a b l e s , t h e i r i n h e r e n t p r o p e r t i e s , t h e p h y s i c o - c h e m i c a l - b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , a l o n g w i t h o n - l i n e m o n i t o r i n g . S u c h r e s e a r c h s h o u l d r e s u l t i n t h e a b i l i t y t o c o n t r o l t h e p r o c e s s w i t h g r e a t c o n fi d e n c e . T h i s c a n f u r t h e r i m p r o v e s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d a v o i d g r o s s p r o c e s s f a i l u r e . T h i s r e s e a r c h f o c u s e s o n a n o v e r a l l d e s c r i p t i o n o f U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e i n t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e u s i n g a n a e r o b i c g r a n u l e s , i n c l u d i n g 1 ) c h a r a c t e r i z a t i o n o f U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s , 2 ) d e t e r m i n a t i o n o f m e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s a n d 3 ) m o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g o f U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e . C H A P T E R 2 . B A C K G R O U N D A . M e t h a n o g e n e s i s a n d M e t h a n e P r o d u c t i o n M e t h a n o g e n e s i s i s t h e t e r m i n a l s t e p i n a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o n c e i n o r g a n i c e l e c t r o n a c c e p t o r s s u c h a s n i t r a t e a n d s u l f a t e a r e e x h a u s t e d . I t i s , t h e r e f o r e , t h e m o s t i m p o r t a n t p r o c e s s i n a n a e r o b i c f r e s h w a t e r l a k e s e d i m e n t s , s e w a g e s l u d g e , o r t h e r u m e n , w h e r e t h e s u p p l y o f n i t r a t e o r s u l f a t e i s s m a l l c o m p a r e d w i t h t h e i n p u t o f o r g a n i c s u b s t r a t e s . C h e m i c a l l y s p e a k i n g , t h e e n t i r e , r a t h e r c o m p l e x , p r o c e s s o f a n a e r o b i c a l l y t r a n s f o r m i n g c o m p l e x o r g a n i c s u b s t a n c e s t o m e t h a n e a n d c a r b o n d i o x i d e i s a d i s p r o p o r t i o n a t i o n o f o r g a n i c c a r b o n i n t o i t s m o s t o x i d i z e d a n d i t s m o s t r e d u c e d f o r m . C a r b o n a n d e l e c t r o n fl o w i n m e t h a n o g e n i c e n v i r o n m e n t s c a n b e d e s c r i b e d b y a t h r e e s t e p p r o c e s s ( F i g u r e I I - l ) . C o m p l e x o r g a n i c m a t t e r i s fi r s t b r o k e n d o w n t o a l c o h o l ' s , c a r b o x y l i c a c i d s ( l o n g c h a i n f a t t y a c i d s ) t h r o u g h h y d r o l y s i s a n d f e r m e n t a t i o n . T h e s e c o m p o u n d s a r e f u r t h e r c o n v e r t e d t o a c e t a t e a n d H 2 d u r i n g a c e t o g e n e s i s . F i n a l l y , m e t h a n e i s p r o d u c e d f r o m t h e a c e t a t e a n d H 2 / C 0 2 . M a j o r m e t a b o l i c g r o u p s i n v o l v e d a r e : h y d r o l y t i c a n d f e r m e n t a t i v e b a c t e r i a ( 1 ) , p r o t o n - r e d u c i n g a c e t o g e n s ( I I ) , m e t h a n o g e n s ( h y d r o g e n o t r o p h i c a n d a c e t o c l a s t i c ) ( [ 1 1 ) a n d t h e h o m o a c e t o g e n i c b a c t e r i a ( I V ) . D e p e n d i n g o n t h e b e g i n n i n g s u b s t r a t e , a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s c o n t r i b u t e s t o a b o u t 7 0 % - 8 0 ° / o o f t h e m e t h a n e p r o d u c e d . T h e r e m a i n i n g 2 0 % - 3 0 % o f m e t h a n e i s f o r m e d b y h y d r o g e n o t r o p h i c m e t h a n o g e n e s i s . T h e p e r c e n t a g e o f m e t h a n e i n t h e g a s m i x t u r e f o r m e d d e p e n d s o n t h e o x i d a t i o n s t a t e o f t h e s u b s t r a t e u s e d . C a r b o h y d r a t e s a r e c o n v e r t e d t o e q u a l a m o u n t s o f m e t h a n e a n d c a r b o n d i o x i d e , m e t h a n o l a n d l i p i d s t o m o r e m e t h a n e t h a n c a r b o n d i o x i d e , a n d n o m e t h a n e c a n b e o b t a i n e d f r o m u r e a h y d r o l y s i s . D u r i n g b r e w e r y w a s t e w a t e r 3 4 a n d n o m e t h a n e c a n b e o b t a i n e d f r o m u r e a h y d r o l y s i s . D u r i n g b r e w e r y w a s t e w a t e r t r e a t m w t , a l l t h r e e s t e p s o f t h e a n a e r o b i c d e g r a d a t i v e p r o c e s s a r e i n v o l v e d . T h e o r e t i c a l l y , a b o u t 7 5 % m e t h a n e a n d 2 5 % C 0 2 a r e p r o d u c e d f r o m d e g r a d a t i o n o f t h e b r e w e r y w a s t e u s e d i n t h i s s t u d y . A n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f c o m p l e x o r g a n i c s r e q u i r e s t h e i n t e r a c t i o n s o f d i fl ‘ e r e n t g r o u p s o f m i c r o o r g a n i s m t o f o r m a “ n e t w o r k ” f o r a c o m p l e t e c o n v e r s i o n o f t h e o r g a n i c s t o C 0 2 a n d C I - L . T h e s e i n t e r a c t i o n s a r e s e n s i t i v e t o e n v i r o n m e n t a l c h a n g e s ( i . e . w a s t e t y p e , w a s t e s t r e n g t h , t o x i c i t y , e t c . ) . V a r i a t i o n o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s c o u l d r e s u l t i n s i g n i fi c a n t c h a n g e s i n m i c r o b i a l p o p u l a t i o n s w i t h i n t h e s y s t e m a n d a f f e c t p e r f o r m a n c e . M e t h a n o g e n i c b a c t e r i a a r e v e r y s e n s i t i v e t o p H v a r i a t i o n s . A l o w p H e n v i r o n m e n t c a n i n h i b i t m e t h a n e p r o d u c t i o n t o a g r e a t e x t e n t . M a n y t o x i c a n t s w e r e i n h i b i t o r y t o t h i s g r o u p o f o r g a n i s m s . M e t h a n o g e n s a r e s p e c i a l i z e d f o r a u n i q u e f o r m o f e n e r g y m e t a b o l i s m . T h e c e n t r a l m e t a b o l i c p a t h w a y i n a u t o t r o p h i c m e t h a n o g e n s i n v o l v e d t h e s t e p w i s e r e d u c t i o n o f a o n e - c a r b o n u n i t w h i c h w a s d e r i v e d f r o m t h e g r o w t h s u b s t r a t e s u c h a s C 0 2 . A c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s i s d e p e n d e n t u p o n t h e a b i l i t y o f t h e c e l l t o c l e a v e t h e a c e t a t e m o l e c u l e , r e d u c e t h e m e t h y l s u b s t i t u e n t a n d o x i d i z e t h e c a r b o x y l s u b s t i t u e n t . U n i q u e c o e n z y m e s f o u n d i n m e t h a n o g e n s i n c l u d e f a c t o r F m , M F R ( m e t h a n o fi t r a n , c a r b o n d i o x i d e r e d u c t i o n f a c t o r ) , m e t h a n o p t e n ' n , n i c k e l - c o n t a i n i n g f a c t o r F 4 3 0 , m o b i l e f a c t o r ( r e q u i r e d b y M e t h a n o m i c r o b i u m m o b i l e ) , c o m p o n e n t B o f t h e m e t h y l r e d u c t a s e s y s t e m . T h e s e c o e n z y m e s p l a y a m a j o r r o l e i n t h e m e t h a n o g e n i c p a t h w a y s . M e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e t o m e t h y l c o e n z y m e M ( C H 3 - S - C O M ) i n v o l v e s c o e n z y m e M 5 a s a m e t h y l e q u i v a l e n t c a r r i e r , c a r b o n m o n o x i d e d e h y d r o g e n a s e ( C O D H ) o x i d i z e s t h e c a r b o x y l c a r b o n , a n d c o b a m i d e s . M e t h a n o g e n e s i s f r o m C 0 ; a n d H 2 i n v o l v e s t h r e e c o e n z y m e s - M F R W T , a n d C o e n z y m e M - a s c a r b o n c a r r i e r s d u r i n g t h e s e q u e n t i a l r e d u c t i o n o f C O ; t o C E . T h e t e r m i n a l r e d u c t i o n o f C H 3 - S - C 0 M b y h y d r o g e n i n v o l v e s t w o a d d i t i o n a l c o f a c t o r s , c o m p o n e n t B a n d f a c t o r F 4 3 0 o f t h e C H 3 - S - C o M m e t h y l r e d u c t a s e s y s t e m w h i c h r e d u c e s t h e m e t h y l m o i e t y t o m e t h a n e . M e t h a n o g e n s a r e l i m i t e d t o s i m p l e g r o w t h s u b s t r a t e s a n d c a n o n l y o b t a i n e d l i m i t e d a m o u n t s o f e n e r g y f r o m t h e r e s u b s t r a t e s . A c o m p a r i s o n o f t h e f r e e e n e r g y c h a n g e s o f h y d r o l y s i s o f A T P ( - 3 1 . 8 k J / m o l ) a n d t h o s e o f m e t h a n e f o r m a t i o n i t e m t h e s u b s t r a t e s h y d r o g e n a n d c a r b o n d i o x i d e ( 1 3 5 . 6 k J / m o l o f C I - L ) , f o r r n a t e ( - l 3 0 . l k J ) , m e t h a n o l ( - 1 0 4 . 9 k J ) , m e t h y l a m i n e s ( a b o u t - 7 4 k 1 ) , c a r b o n m o n o x i d e ( 1 9 6 . 7 U ) a n d a c e t a t e - 3 1 . 0 U ) l e a d t o t h e c o n c l u s i o n t h a t o n l y s m a l l a m o u n t s o f e n e r g y a r e a v a i l a b l e t o t h e s e o r g a n i s m s [ D a n i e l s e t 2 1 1 . 1 9 8 4 ] [ T h a u e r e t a 1 . 1 9 7 7 ] . M e m b r a n e s o f m e t h a n o g e n s a r e i m p o r t a n t i n p r o t o n - d e p e n d e n t e n e r g y c o u p l i n g . T h i s i n c l u d e s a m e m b r a n e - a s s o c i a t e d , p r o t o n - d e p e n d e n t A T P a s e c o u p l e d t o a s o d i u m / p r o t o n a n t i p o r t e r . A N a + g r a d i e n t i s m a i n t a i n e d b y a n N a ‘ V H + a n t i p o r t e r i m p l i c a t e d i n A T P s y n t h e s i s . A c t i v e t r a n s p o r t h a s b e e n d e s c r i b e d i n t r a n s p o r t c o e n z y r n e M , n i c k e l a n d a m i n o a c i d s . H y d r o g e n a s e i s c e n t r a l t o m e t h a n o g e n b i o e n e r g e t i c s . M e t h a n o g e n e s i s a n d i t s e n e r g e t i c s h a v e b e e n t h o r o u g h l y r e v i e w e d [ J o n e s e t a l . , 1 9 8 7 ] [ D a n i e l s e t a l . , 1 9 8 4 ] . M a n y o f t h e b a c t e r i a o f g r o u p s I , I I I a n d I V h a v e b e e n c u l t i v a t e d a n d s t u d i e d i n d e t a i l i n t h e p a s t . N o t m u c h i s k n o w n a b o u t t h e b a c t e r i a o f g r o u p 1 1 b e c a u s e t h e y a r e d i fl i c u l t t o c u l t i v a t e i n d e p e n d e n t l y ; a s i n k f o r t h e r e d u c i n g e q u i v a l e n t s t h e y p r o d u c e i s 6 r e q u i r e d i f t h e a c e t o g e n i c r e a c t i o n s a r e t o h a v e f a v o r a b l e e n e r g e t i c s . T h e G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e A G ’ o f a s i n g l e c h e m i c a l r e a c t i o n m 4 + fi B — ) 7 R + ¢ S D ( I I - l ) c a n b e w r i t t e n i n t h e f o r m I D r 6 A G = A G " + R T l n ( 2 0 : 5 ) ( 1 1 - 2 ) L o w e r c a s e l e t t e r s a , b , c , d s i g n i f y m o l a r c o n c e n t r a t i o n s o f c o m p o u n d s A , B , C , D . P r i m e s d e n o t e e v a l u a t i o n i n a q u e o u s s o l u t i o n a t p H 7 . T h e s t a n d a r d f r e e e n e r g y c h a n g e A G " ' d e n o t e s t h e t h e e n e r g y c h a n g e i n a q u e o u s s o l u t i o n w i t h a l l o t h e r r e a c t a n t s a n d p r o d u c t s p r e s e n t a t 1 M c o n c e n t r a t i o n , a t 1 a t m o s p h e r e a n d 2 7 3 K . I n a c l o s e d s y s t e m , t h e r e a c t i o n w i l l p r o c e e d f r o m l e f t t o r i g h t i f a n d o n l y i f G ’ i s n e g a t i v e . S i n c e t h e p r o t o n r e d u c i n g a c e t o g e n i c b a c t e r i a ( g r o u p I I ) c a t a l y z e r e a c t i o n s w h i c h a r e t h e r m o d y n a m i c a l l y e n d e r g o n i c u n d e r s t a n d a r d c o n d i t i o n s , t h e y c a n b e c u l t i v a t e d o n l y i n t h e p r e s e n c e o f h y d r o g e n - s c a v e n g i n g b a c t e r i a s u c h a s m e t h a n o g e n s , w h i c h m a i n t a i n a s u fi c i e n t l y l o w h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e t o a l l o w s u b s t r a t e d e g r a d a t i o n [ W 0 1 i n , 1 9 7 6 ] . A s c h e m e t h a t v i s u a l i z e s t h e t h e r m o d y n a m i c a l l y d e l i c a t e s i t u a t i o n o f e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e d e g r a d i n g b a c t e r i a i s g i v e n i n F i g u r e I I - 2 . I n o r d e r f o r p r o p i o n a t e t o b e c o n v e r t e d t o a c e t a t e , t h e H 2 p a r t i a l p r e s s u r e m u s t b e m a i n t a i n e d l o w e r t h a n 1 0 ' 4 a t m . M e t h a n o g e n i c h y d r o g e n c o n s u m e r s , h o w e v e r , r e q u i r e a H 2 l e v e l h i g h e r t h a n 1 0 ' 5 a t m t o m a i n t a i n a n e g a t i v e A G ’ f o r m e t h a n o g e n e s i s . T h e l o w e r b o u n d o f H 2 r e fl e c t s a m i n i m u m e n e r g y . E n e r g y r e q u i r e m e n t s f o r m t h e b a s i s o f t h e c o n c e p t o f s u b s t r a t e t h r e s h o l d s . A t h r e s h o l d i s t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n b e l o w w h i c h a s p e c i fi c o r g a n i s m c a n n o l o n g e r u s e t h a t s u b s t r a t e a s t h e p r i m a r y g r o w t h s u b s t r a t e . 7 B . S u b s t r a t e t r a n s p o r t a n d u t i l i z a t i o n w i t h i n a n a e r o b i c g r a n u l e s R e a c t i o n k i n e t i c s w i t h i n b i o fi l m s y s t e m s ( i n c l u d i n g a n a e r o b i c g r a n u l e s ) o f t e n i n v o l v e s m a s s - t r a n s f e r i n t o b i o fi l m s a n d s i m u l t a n e o u s s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n . T h e e fi ‘ e c t o f m a s s - t r a n s f e r o r d i fi ‘ u s i o n o n a s p e c i fi c s y s t e m c a n b e d e s c r i b e d b y a c o u p l e d r e a c t i o n - d i fi i t s i o n r e l a t i o n s h i p . W h e n u s i n g m i x e d c u l t u r e s , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n c a n b e g e n e r a l l y d e s c r i b e d b y M o n o d e q u a t i o n ( $ 9 - = m ) w h e n t h e r e a r e n o m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n s . F o r M o n o d l i m i t i n g s u b s t r a t e k i n e t i c s , w h e n t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i s s m a l l ( S < < K s ) , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e i s p r o p o r t i o n a l t o 9 % , t h e r a t i o o f s p e c i fi c m a x i m u m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e I a n t o h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t K s , t i m e s t h e b i o m a s s c o n c e n t r a t i o n , X a n d s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n , S . T h e r e a c t i o n r a t e a p p r o a c h e s a c o n s t a n t K m x w h e n t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n b e c o m e s v e r y l a r g e ( S > > K s ) . K i n e t i c p a r a m e t e r s I a n a n d K 5 r e fl e c t t h e i n t r i n s i c p r o p e r t i e s o f m i c r o o r g a n i s m s f o r a s p e c i fi c s u b s t r a t e . I n a b i o fi l m s y s t e m , c a l c u l a t i o n o f t h e o b s e r v e d r a t e o f s u b s t r a t e d i s a p p e a r a n c e r e q u i r e s e v a l u a t i o n o f t h e c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e o f s u b s t r a t e w i t h i n t h e b i o fi l m . S u b s t r a t e m u s t fi r s t t r a v e r s e t h e e x t e r n a l fi l m o r l i q u i d b o u n d a r y l a y e r fi ' o m b u l k l i q u i d a n d s u b s e q u e n t l y d i f f u s e s i n t o b i o fi l r n s w h e r e t h e b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r . T h e e x t e r n a l m a s s t r a n s f e r ( s u b s t r a t e fl u x , N s i n m a s s p e r u n i t t i m e p e r u n i t a r e a ) o f s u b s t r a t e f r o m t h e b u l k l i q u i d t o t h e i n t e r f a c e o f l i q u i d fi l m a n d b i o fi l m , i s d e s c r i b e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : N S = K L ( S O - S ) ( I I - 3 ) w h e r e K 1 , i s t h e m a s s t r a n s f e r c o e fi i c i e n t . S a n d S o a r e t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n s a t t h e i n t e r f a c e a n d i n t h e b u l k l i q u i d , r e s p e c t i v e l y . T h e d i f f u s i o n o f s u b s t r a t e f o l l o w s F i c k ’ s l a w , o r i n X a x i s d i r e c t i o n fi ' 6 2 S 3 = “ D a 2 ( 1 1 . 4 ) w h e r e D i s s u b s t r a t e d i fl ‘ u s i v i t y . T h e o b s e r v e d o v e r a l l r e a c t i o n r a t e ( a p p a r e n t r a t e ) i n t h e b u l k l i q u i d t h e r e f o r e , i s a f u n c t i o n o f b o t h r e a c t i o n a n d m a s s t r a n s f e r . S u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n s w i t h i n t h e b i o fi l m v a r i e s w i t h t i m e a n d p o s i t i o n . A t s t e a d y s t a t e , t h e r a t e o f s u b s t r a t e t r a n s p o r t e d i n t o t h e b i o fi l m i s b a l a n c e d b y s u b s t r a t e c o n s u m p t i o n s o t h a t a s u b s t r a t e p r o fi l e w i t h i n t h e b i o fi l m i s e s t a b l i s h e d . T h e r e a r e s e v e r a l f a c t o r s a fi ‘ e c t i n g s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n u n d e r a m a s s t r a n s f e r l i m i t e d b i o fi l m s y s t e m : 1 ) b i o fi l m t h i c k n e s s o r g r a n u l e d i a m e t e r 2 ) i n t r i n s i c k i n e t i c p a r a m e t e r s 3 ) t e m p e r a t u r e a n d p H 4 ) s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e b u l k l i q u i d 5 ) d i f f u s i o n a n d m a s s t r a n s f e r c o e fi c i e n t s 6 ) l i q u i d fi l m t h i c k n e s s . U s i n g a d i m e n s i o n a l a n a l y s i s , t h e m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n i n t h e b i o fi l m s y s t e m c a n b e d e s c r i b e d b y a n e fi ‘ e c t i v e n e s s f a c t o r , n . T h e n i s d e fi n e d a s t h e r a t i o o f o b s e r v e d r e a c t i o n r a t e a t t h e s u r f a c e o f t h e b i o fi l m t o t h e r e a c t i o n r a t e w i t h o u t m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n , o r t h e i n t r i n s i c r e a c t i o n r a t e . W h e n 1 1 i s l o w e r t h a n 1 , t h e s y s t e m i s m a s s t r a n s f e r l i m i t e d . W h e n n a p p r o a c h e s 1 , r e a c t i o n b e c o m e s r a t e l i m i t i n g . T h e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r i s i n fl u e n c e d m o s t l y b y b i o fi l m t h i c k n e s s o r g r a n u l e s i z e . A d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r a n d i t s e v a l u a t i o n i s d e s c r i b e d e l s e w h e r e [ B a i l e y a n d 0 1 1 1 3 , 1 9 8 6 ] . M a s s d i fi ‘ u s i o n t h r o u g h b i o fi l m a p p e a r s s p e c i e s d e p e n d e n t . T h e d i f f u s i v i t y o f d i f f e r e n t s p e c i e s v a r i e s [ B e n n e t t a n d M y e r s , 1 9 8 2 ] . F o r t h e s a m e s u b s t r a t e , t h e d i f f u s i v i t y c h a n g e s w i t h t e m p e r a t u r e . “ W i t h i n t h e b i o fi l m , d i fi i t s i o n i s d e s c r i b e d b y a n e f f e c t i v e n e s s d i fl i r s i o n c o e fl i c i e n t w h i c h c o m b i n e s i n fl u e n c e s o f t h e s u b s t r a t e d i fl i r s i v i t y i n t h e b u l k l i q u i d , p a r t i c l e 9 p o r o s i t y , t o r t u o s i t y f a c t o r a n d r e s t r i c t e d d i f f u s i o n s i t u a t i o n i n p o r e s , i n t e r n a l s u r f a c e c h e m i s t r y a n d c h a r g e . C . P r o c e s s m o n i t o r i n g a n d d y n a m i c m o d e l i n g P r o c e s s m o n i t o r i n g i s p e r f o r m e d t o d e t e c t c h a n g e s o f k e y p a r a m e t e r s f r o m a t a r g e t l e v e l o r t o o b s e r v e t h e v a r i a b i l i t y o f t h e p r o c e s s . M o n i t o r i n g c a n b e c o m b i n e d w i t h c o n t r o l m e a s u r e s t o m a i n t a i n a p r o c e s s a t a c e r t a i n l e v e l o f p e r f o r m a n c e . M o n i t o r i n g i s a c c o m p l i s h e d u s i n g p r o c e s s i n d i c a t o r s . T h e fi r n c t i o n s o f p r o c e s s i n d i c a t o r s a r e : l ) t o t e l l h o w t h e p r o c e s s i s o p e r a t i n g c u r r e n t l y 2 ) t o t e l l h o w t h e p r o c e s s m a y b e b e h a v e i n t h e n e a r f u t u r e 3 ) t o i d e n t i f y p e r i o d s o f p o o r o p e r a t i o n w h e n a s s i g n a b l e c a u s e s e x i s t . I d e a l p r o c e s s i n d i c a t o r s s h o u l d b e : 1 ) s e n s i t i v e w i t h l o w n o i s e 2 ) e a s y t o m e a s u r e 3 ) h a v e i n t r i n s i c m e a n i n g 4 ) p r o v i d e e a r l y w a r n i n g a n d 5 ) b e a m e n a b l e t o o n - l i n e m e a s u r e m e n t . A n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s e s , i n g e n e r a l , a r e p H a n d t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e , v u l n e r a b l e t o t o x i c a n t s , a n d r e q u i r e a c e r t a i n r a n g e o f h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n t o m a i n t a i n a b a l a n c e b e t w e e n h y d r o g e n p r o d u c e r s a n d h y d r o g e n u t i l i z e r s . F o r b e s t p e r f o r m a n c e o f h i g h r a t e s y s t e m s , t h e p r o c e s s m u s t b e m o n i t o r e d o n a r e a l - t i m e b a s i s . V a r i o u s m e t h o d s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o d e t e c t v a r i a t i o n s i n a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s , i n c l u d i n g o n - l i n e o r o f f - l i n e , l i q u i d , s o l i d o r g a s p h a s e s m o n i t o r i n g . C o n v e n t i o n a l p r o c e s s i n d i c a t o r s i n a n a e r o b i c s y s t e m h a v e b e e n r e a c t o r l i q u i d p H , e fl l u e n t V F A a n d C O D , g a s p r o d u c t i o n a n d m e t h a n e p r o d u c t i o n . A n o t h e r c a t e g o r y o f m o n i t o r i n g h a s f o c u s e d o n p a r a m e t e r s t h a t h a v e i n t r i n s i c m e a n i n g f o r b i o l o g i c a l c o n s o r t i a . T h e s e i n c l u d e u s i n g e n z y m a t i c , i m m u n o l o g i c a l o r g e n e p r o b e a s s a y s , l i p i d c o m p o s i t i o n a n a l y s i s , 1 0 F 4 2 0 ( g r o w t h f a c t o r ) , a n d f a t t y a c i d s m e t h y l e s t e r ( F A M E ) v a r i a t i o n a m o n g m e t h a n o g e n s . M o s t o f t h e s e m e t h o d s a r e o fl ‘ l i n e a n d t i m e c o n s u m i n g . W i t h i m p r o v e m e n t s i n m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y a n d i n s t r u m e n t a t i o n , o n - l i n e m o n i t o r i n g i n a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t b e c o m e s i n c r e a s i n g l y a v a i l a b l e . I n r e c e n t y e a r s , t h e r e h a s b e e n c o n s i d e r a b l e i n t e r e s t i n t h e t r a c e g a s e s - C O a n d H 2 - f o r o n - l i n e m o n i t o r i n g . A c o m p u t e r i z e d , o n - l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m a l o n g w i t h p r o c e s s i n d i c a t o r s t h a t a r e s i m p l e , s e n s i t i v e a n d r e fl e c t m i c r o b i a l o r b i o c h e m i c a l v a r i a t i o n s c a n c o n t r i b u t e s i g n i fi c a n t l y t o t h e o p e r a t i o n o f h i g h r a t e a n a e r o b i c t r e a t m e n t p r o c e s s . S u c c e s s f u l p r o c e s s m o n i t o r i n g a l l o w s a p p l i c a t i o n o f a c o n t r o l s t r a t e g y a n d c a n p r e v e n t s y s t e m f a i l u r e . M a t h e m a t i c a l m o d e l i n g i s s t i l l m o r e o f a n a r t t h a n a s c i e n c e . S e v e r a l d i fi ‘ e r e n t a p p r o a c h e s a r e p o s s i b l e ; b a s e d o n e x i s t i n g i n f o r m a t i o n , h y p o t h e s i s f o r m u l a t i o n i n t h e l i t e r a t u r e o r t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e f r o m o t h e r b r a n c h e s o f e n g i n e e r i n g a n d s c i e n c e . T h e s e l e a d t o a n e x p l a n a t i o n o f p h e n o m e n a k n o w n t o o c c u r i n t h e fi e l d b u t n o t p r e d i c t e d b y e x i s t i n g m o d e l s . I n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s e s m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g c a n s e r v e m a n y p u r p o s e s . M o d e l i n g s e r v e s a s a c o n c e p t u a l f r a m e w o r k u p o n w h i c h t o b u i l d a n d t e s t h y p o t h e s e s , a n d i t a l l o w s f o r e x p l o r a t i o n o f t h e i m p a c t o f a w i d e r a n g e o f s y s t e m v a r i a b l e s , t h e r e b y e x t e n d i n g k n o w l e d g e . M o d e l i n g a l l o w s t h e d e v e l o p m e n t o f c o n t r o l s t r a t e g i e s b y f a c i l i t a t i n g t h e i n v e s t i g a t i o n o f t r e a t m e n t s y s t e m r e s p o n s e t o a w i d e r a n g e o f i n p u t s w i t h o u t j e o p a r d i z i n g a c t u a l s y s t e m p e r f o r m a n c e . D y n a m i c m o d e l i n g f o r b i o r e a c t o r s i s u s e d t o d e s c r i b e u n s t e a d y - s t a t e r e a c t o r p e r f o r m a n c e a n d t o c h a r a c t e r i z e t r a n s i e n t b e h a v i o r . T h e a p p l i c a t i o n o f m a t h e m a t i c a l s t r u c t u r e d m o d e l s t o a n a e r o b i c w a s t e t r e a t m e n t p r o c e s s w a s i n i t i a l l y b a s e d o n s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n a n d g r o w t h o f b i o m a s s . T h e s e s i m p l e 1 1 m o d e l s , a l t h o u g h n o t a g r e a t a d v a n c e o v e r e m p i r i c a l e q u a t i o n s f o r d e s i g n a n d o p e r a t i n g t r e a t m e n t s y s t e m s , w e r e a s t e p f o r w a r d . T h e s e m o d e l s w e r e n o t , h o w e v e r , s a t i s f a c t o r y i n d e s c r i b i n g d y n a m i c b e h a v i o r a n d t r e a t m e n t o f c o m p l e x o r g a n i c w a s t e u n d e r d i fi ‘ e r e n t r e a c t o r fl o w c o n d i t i o n s . F o r t h e s e c a s e s , a m o r e c o m p l e x s t r u c t u r e d m o d e l i s n e c e s s a r y . A s t r u c t u r e d m o d e l i s o n e w h i c h c o n s i d e r s t h e b i o m a s s a n d s u b s t r a t e t o b e d i v i d e d i n t o s e v e r a l c o m p o n e n t s w i t h b i o m a s s g r o w t h m e d i a t i n g t h e c o n v e r s i o n o f s u b s t r a t e t o i n t e r m e d i a t e s a n d fi n a l p r o d u c t s . P h y s i c a l , c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l i n t e r a c t i o n s d u r i n g t h i s p r o c e s s w i t h i n t h e b o u n d a r y v o l u m e ( i . e . t h e r e a c t o r ) a r e c o n s i d e r e d . B e c a u s e o f t h e u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e b a c t e r i a i n a n a e r o b i c t r e a t m e n t s y s t e m s ( l o w g r o w t h r a t e s , h i g h s e n s i t i v i t y t o e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a n d c o m p l e x s y n t r o p h i c p o p u l a t i o n s ) a n d v a r i a t i o n s o f r e a c t o r c o n fi g u r a t i o n s , u s e o f s u c h m o d e l i n g a p p r o a c h b e c o m e s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t . T o m a t h e m a t i c a l l y d e s c r i b e t h e b i o l o g i c a l p r o c e s s e s , t h e k i n e t i c s , s t o i c h i o m e t r i e s , m a s s t r a n s p o r t a n d h y d r a u l i c r e l a t i o n s h i p s a r e i n c o r p o r a t e d i n t o p r o c e s s m a t e r i a l b a l a n c e s . T h i s r e s u l t s i n a f a m i l y o f s i m u l t a n e o u s m a t h e m a t i c a l e q u a t i o n s ( a m o d e l ) w h i c h c a n b e u s e d t o d e s c r i b e a n d p r e d i c t s y s t e m p e r f o r m a n c e u n d e r a v a r i e t y o f c o n d i t i o n s . 1 2 B I O L O G I C A L P O L Y M E P S m a c r m c a x c r a a m I m a c r r s r s m m a n v e a x c r e a m F E R M F N r A I I O N A L C O H O L S , C A R B O X Y U C A C I D S ( c r e e p : s t e t r t e ) V ' 1 1 ' A C E ' I ' O G E N — - | A C E T O G E N E S I S 1 H 2 c 0 2 ¢ + A C E T A T E m e o w \ I I / W o e m s s r s C H I . . C 0 2 F i g u r e I I - l . C a r b o n a n d e l e c t r o n fl o w i n m e t h a n o g e n i c e n v i r o n m e n t s . M e t a b o l i c g r o u p s i n v o l v e d : I . h y d r o l y t i c a n d f e r m e n t a t i v e b a c t e r i a ; I L P r o t o n - r e d u c i n g a c e t o g e n i c b a c t e r i a ; I I I . m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a 3 ) h y d r o g e n o p h i l i c b ) a c e t o p h i l i c ; I V . h o m o a c e t o g e n i c b a c t e r i a ; V . F a t t y a c i d - s y n t h e s i z i n g b a c t e r i a . A f t e r Z e h n d e r e t a l . [ 1 9 8 1 ] . l 3 _ ' 0 T r I i L | t I u . 1 r - , Z C H ) C H 2 0 H + 5 2 2 o I Z ‘ H 3 C O O " + H 2 — 8 i n — « K ~ 2 4 ' x g c o z - ' / . c ~ , + k 2 n , o — 6 r - - < k c o l 1 " " ' 2 . — 4 5 3 0 4 3 0 4 5 0 0 " z g a z e 5 0 3 c m " . 9 3 6 0 , + H 2 0 . R i o t m F O R P R O P O N A T E R E G I O N F O R E T H A N O L 2 T o M E Y H A N E T o H E T H A N E i — - 4 1 1 1 1 1 1 — 8 - 7 - 6 - 5 . - 4 - 3 - 2 - i 0 L 0 6 [ H 2 ] F i g u r e I I - 2 . E f f e c t o f h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e o n t h e G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s o f c o n v e r s i o n o f e t h a n o l , p r o p i o n a t e , a c e t a t e a n d h y d r o g e n d u r i n g m e t h a n e f o r m a t i o n . A f t e r M c C a r t y [ l 9 8 l ] . C H A P T E R 3 . O B J E C T I V E S A N D P R O C E D U R A L O V E R V I E W A . O b j e c t i v e s A - l . O v e r a l l o b j e c t i v e s T h e g o a l o f t h i s s t u d y i s p r i m a r i l y t o e x t e n d e n g i n e e r i n g k n o w l e d g e i n t h e a r e a o f a n a e r o b i c t r e a t m e n t . T h e p r i m a r y o b j e c t i v e i s t o d e v e l o p t h e i n f o r m a t i o n b a s e n e e d e d t o i m p r o v e p r o c e s s m o n i t o r i n g , c o n t r o l a n d d e s i g n o f U A S B r e a c t o r s . S p e c i fi c t a s k s w i t h i n t h i s o b j e c t i v e i n c l u d e : - c h a r a c t e r i z e t h e U A S B r e a c t o r i n t e r m s o f i t s h y d r a u l i c , k i n e t i c , a n d m a s s t r a n s f e r a s p e c t s 0 m o n i t o r U A S B r e a c t o r o v e r a l l p e r f o r m a n c e u n d e r p s e u d o - s t e a d y s t a t e a n d d y n a m i c c o n d i t i o n s a n d d e v e l o p a d y n a m i c m a t h e m a t i c m o d e l t o d e s c r i b e p e r f o r m a n c e o f t h e U A S B r e a c t o r A - 2 . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s T h e o b j e c t i v e s o f t h i s p o r t i o n o f w o r k a r e - e x a m i n e t h e e f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e a n d h y d r a u l i c fl u x o n U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s 0 e v a l u a t i o n o f e x i s t i n g fl o w m o d e l s 0 d e v e l o p m e n t o f i m p r o v e d fl o w m o d e l s f o r t h e U A S B r e a c t o r 1 5 A - 3 . M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f a n U A S B r e a c t o r T h e o b j e c t i v e s o f t h i s p o r t i o n o f w o r k a r e e x a m i n e t h e m e t a b o l i c a c t i v i t y o f b r e w e r y g r a n u l e s u s i n g d i f f e r e n t s u b s t r a t e s e x a m i n e m a s s t r a n s f e r a n d d i f f u s i o n a l l i m i t a t i o n s w i t h i n t h e g r a n u l e s d u r i n g s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n e x a m i n e t h e e f f e c t o f t e m p e r a t u r e a n d s u b s t r a t e fl u x o n o v e r a l l s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n e x a m i n e a c e t a t e t h r e s h o l d d u r i n g m e t h a n o g e n e s i s i d e n t i f y g r a n u l e s t r u c t u r e a n d p r e d o m i n a n t m i c r o b i a l g r o u p s i d e n t i f y p a t h w a y ( s ) o f e t h a n o l f e r m e n t a t i o n i n c l u d i n g n - p r o p a n o l f o r m a t i o n A - 4 . M o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g U A S B r e a c t o r s T h e o b j e c t i v e s o f t h i s p o r t i o n o f w o r k a r e e x a m i n e t h e i m p a c t o f h y d r a u l i c l o a d i n g , o r g a n i c l o a d i n g a n d o r g a n i c c o m p o s i t i o n o n r e s p o n s e s o f H 2 a n d C O i n t h e U A S B r e a c t o r a n d r e l a t e t h e s e t o r e a c t o r p e r f o r m a n c e e x a m i n e t h e p o t e n t i a l o f u s i n g H 2 a n d C O t o d e t e c t o n s e t o f u n s t a b l e c o n d i t i o n s a n d s y s t e m f a i l u r e d e v e l o p a d y n a m i c m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r U A S B r e a c t o r s b y i n t e g r a t i n g r e a c t o r h y d r a u l i c , k i n e t i c a n d m a s s t r a n s f e r i n f o r m a t i o n a n o n - l i n e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m f o r m o n i t o r i n g H 2 , C O , m e t h a n e c o n t e n t , a n d g a s B . E x p e r i m e n t a l a p p r o a c h e s B - l . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s E x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d u s i n g a t r a c e r s t u d y f o l l o w e d b y fl o w m o d e l i n g . A n i n e r t t r a c e r , l i t h i u m c h l o r i d e w a s u s e d . A n i m p u l s e o f t h e t r a c e r w a s i m p o s e d o n t h e r e a c t o r s y s t e m a n d t h e r e s p o n s e m e a s u r e d ( r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n c u r v e s ) . S e v e r a l e x i s t i n g m o d e l s w e r e e v a l u a t e d . T h e n i m p r o v e d m o d e l s w e r e d e v e l o p e d a n d c o m p a r e d w i t h t h e s e p r e v i o u s m o d e l s . B - 2 . M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f b i o m a s s f r o m a n U A S B r e a c t o r E x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n a b a t c h C S T R ( M u l t i g e n B e n c h - T o p F e r m e n t o r ) . L i q u i d fi l m b o u n d a r y l a y e r m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n w a s e x a m i n e d b y c o n t r o l l i n g m i x i n g i n t h e r e a c t o r . T e m p e r a t u r e w a s c o n t r o l l e d i n o r d e r t o e x a m i n e t e m p e r a t u r e e f f e c t s . A n a e r o b i c g r a n u l e s w e r e d i s i n t e g r a t e d t o h e l p e x a m i n e t h e e x t e n t o f d i f f u s i o n a l l i m i t a t i o n s . S u b s t r a t e s a n a l y z e d i n c l u d e e t h a n o l , p r o p i o n a t e , a c e t a t e a n d H 2 ( d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n ) . M i c r o s c o p y w a s p e r f o r m e d t o e x a m i n e t h e i n t e r n a l p h y s i c a l s t r u c t u r e a n d b i o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f a n a e r o b i c g r a n u l e s . L a b e l e d s u b s t r a t e w a s u s e d i n d e t e r m i n i n g t h e p o t e n t i a l p a t h w a y s o f n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . B - 3 . M o n i t o r i n g a n d m o d e l i n g U A S B r e a c t o r s T h e s e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n a b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r e q u i p p e d w i t h 1 7 p r o d u c t i o n r a t e . D u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e , t h e r e a c t o r w a s o p e r a t e d a t v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f O L R , H R T a n d f e e d c o m p o s i t i o n . D u r i n g u n s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n , o r g a n i c o v e r l o a d i n g w a s i m p o s e d o n t h e r e a c t o r . T h e r e s p o n s e s o f H 2 a n d C O a n d t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e w e r e e x a m i n e d u s i n g s t a t i s t i c a l a n a l y s i s . D y n a m i c m o d e l i n g w a s b a s e d o n s i n g l e s u b s t r a t e a n d o n e m i c r o b i a l p o p u l a t i o n . A s e r i e s o f m a s s b a l a n c e s w e r e e s t a b l i s h e d d e s c r i b i n g r e a c t o r m a s s t r a n s p o r t a n d t r a n s f o r m a t i o n s . A h y d r a u l i c fl o w m o d e l a n d a d i f f u s i o n - r e a c t i o n m o d e l w e r e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e d y n a m i c m o d e l . T h e p r o b l e m w a s s o l v e d n u m e r i c a l l y b y d e v e l o p i n g a c o m p u t e r p r o g r a m ( F O R T R A N ) a n d u s i n g s u b r o u t i n e s f r o m I M S L . M o d e l c a l i b r a t i o n a n d v e r i fi c a t i o n w e r e p e r f o r m e d b y a s e p a r a t e s e t o f d a t a g a t h e r e d f r o m t h e U A S B r e a c t o r . P a r a m e t e r s s e n s i t i v i t i e s w e r e a n a l y z e d . C H A P T E R 4 . T H E O R E T I C A L D E V E L O P M E N T A . A d y n a m i c m o d e l o f U A S B r e a c t o r w i t h g r a n u l a r s l u d g e A - l . R e a c t o r h y d r a u l i c s a n d f l u i d f l o w m o d e l R e a c t o r f l o w c a n b e i d e a l l y d e s c r i b e d b y t w o fl o w p a t t e r n s : p l u g fl o w ( P F R ) a n d c o m p l e t e m i x e d fl o w ( C S T R ) . I n r e a l i t y , r e a l r e a c t o r s n e v e r f u l l y f o l l o w t h e s e fl o w p a t t e r n s . I n m o s t c a s e s d e v i a t i o n s f r o m t h e s e i d e a l fl o w p a t t e r n s c a n b e c o n s i d e r a b l e . T h i s d e v i a t i o n c a n b e c a u s e d b y c h a n n e l i n g o f fl u i d fl o w , o r b y c r e a t i o n o f s t a g n a n t r e g i o n s i n t h e r e a c t o r . T h e s e p r o b l e m s o f n o n i d e a l fl o w a r e i n t i m a t e l y t i e d t o t h o s e o f s c a l e - u p b e c a u s e t h e q u e s t i o n o f w h e t h e r t o c o n d u c t p i l o t — s c a l e t e s t i n g a n d a t w h a t s c a l e r e s t s i n l a r g e p a r t o n h o w m u c h c o n t r o l w e h a v e o f a l l t h e m a j o r v a r i a b l e s f o r t h e p r o c e s s . O f t e n t h e u n c o n t r o l l e d f a c t o r i n s c a l e - u p i s t h e m a g n i t u d e o f t h e n o n i d e a l i t y o f fl o w . I g n o r i n g t h i s f a c t o r m a y l e a d t o g r o s s e r r o r s i n d e s i g n . N o n i d e a l fl o w b e h a v i o r s u c h a s s h o r t c i r c u i t i n g a n d d e a d v o l u m e m a y b e p r e s e n t i n U A S B r e a c t o r s . I n t h i s s e c t i o n , n o n i d e a l fl o w i n a b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r w a s c o n s i d e r e d t o c o n s i s t o f d i f f e r e n t r e g i o n s i n t e r c o n n e c t e d i n v a r i o u s w a y s . T h e m o d e l i n g i s a c c o m p l i s h e d u s i n g a c o m b i n a t i o n o f d i s p e r s i o n m o d e l a n d a n e t w o r k o f i d e a l r e a c t o r s ( P F R o f C S T R ) , c o n n e c t e d i n s e r i e s o r p a r a l l e l . S i n c e b i o g a s p r o d u c t i o n f r o m t h e d e g r a d a t i o n o f o r g a n i c m a t e r i a l a f f e c t r e a c t o r fl u i d m i x i n g , s e v e r a l fl u i d fl o w m o d e l s w e r e d e v e l o p e d ( C h a p t e r V ) t o d e s c r i b e U A S B r e a c t o r fl o w u n d e r l o w a n d h i g h b i o g a s p r o d u c t i o n r e g i m e s . T h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n s o f t h e s e fl o w m o d e l s a r e p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n . 1 8 U a n n d d e r c o n d a d i s p e s i r t s i i o o n n o l f u p l g o fl w o a g w s r p a e r c o t d o u r c t i i n o p n a , r a t l h e U l e l f A o S l l B o c e a d w n b b y e c h a r a c t a p l u g fl e o r i z e d a s t w o w r e a c t o r , a s C S T R s l 9 A - l . l P a r a l l e l C S T R s a n d a d i s p e r s i o n P F R i n s e r i e s w i t h a P F R ( m o d e l 1 ) i n d i c a t e d b y F i g u r e I V A - l . Q 3 d i s p e r s i o n r e a c t o r V 3 C 3 . b y p a s s . M C S T R C , C - . Q Q ] V 1 C 1 g j l u g fl o w r e a c t o r [ i — Q > Q 2 C S T R V ; C 2 d F i g u r e I V A - l . F l o w c h a r t o f m o d e l 1 d e s c r i b i n g U A S B r e a c t o r a t l o w g a s p r o d u c t i o n . I n t h i s m o d e l , M i s t h e a m o u n t o f m a s s i n p u t i n t o t h e s y s t e m ; V i s v o l u m e ; Q i s fl o w r a t e ; C i s c o n c e n t r a t i o n ; V d i s d e a d s p a c e . T h e b y - p a s s fl o w i s c h a r a c t e r i z e d b y a d i s p e r s i o n m o d e l w h i c h i s i n - b e t w e e n m i x i n g i n a c t u a l fl o w a n d a d i f f u s i o n a l p r o c e s s . T w o p a r a l l e l C S T R s a n d a d e a d v o l u m e d e s c r i b e t h e g r a n u l a r b e d . T h e fi r s t C S T R d e s c r i b e s t h e m a i n m i x i n g r e g i o n i n t h e b e d ( V 1 ) . T h e o t h e r C S T R d e s c r i b e s a s m a l l v o l u m e b e t w e e n t h i s m a i n m i x i n g v o l u m e a n d a d e a d s p a c e . T h e d i s p e r s i o n r e a c t o r a n d C S T R s a r e f o l l o w e d b y a p l u g fl o w r e a c t o r r e p r e s e n t i n g t h e c l a r i fi c a t i o n z o n e a b o v e t h e s l u d g e b e d . _ _ a r P a x 2 + a r z + 3 2 2 I V - Z ( ) 2 0 A - l . 1 1 D i s p e r s i o n m o d e l T h e m i x i n g p r o c e s s i n v o l v e s a s h u f fl i n g o r r e d i s t r i b u t i o n o f m a t e r i a l e i t h e r b y s l i p p p a g e o r e d d i e s . T h i s i s r e p e a t e d a c o n s i d e r a b l e n u m b e r o f t i m e s d u r i n g t h e fl o w o f fl u i d t h r o u g h t h e r e a c t o r . W e c a n c o n s i d e r t h e s e s d i s t u r b a n c e s t o b e s t a t i s t i c a l i n n a t u r e , s o m e w h a t a s i n m o l e c u l a r d i f f u s i o n . F o r m o l e c u l a r d i f f u s i o n i n s t i l l w a t e r t h e g o v e r n i n g d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n i s g i v e n b y F i c k ’ s l a w 2 2 2 8 C _ D f [ 8 C a C a C ] ( N 1 ) — — — + + a : a x 2 8 Y 2 3 2 2 w h e r e C i s c o n c e n t r a t i o n i n r e a c t o r ; t i s t i m e ; D , i s d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t . I n a n a n a l o g o u s m a n n e r w e m a y c o n s i d e r a l l t h e c o n t r i b u t i o n s t o b a c k m i x i n g o f fl u i d fl o w i n g i n t h e X , Y a n d Z d i r e c t i o n s t o b e d e s c r i b e d b y a s i m i l a r f o r m o f e x p r e s s i o n , o r a c _ [ 8 2 C 8 2 C 8 2 C ] w h e r e t h e p a r a m e t e r D P , w h i c h w e c a l l t h e a x i a l d i s p e r s i o n c o e f fi c i e n t , u n i q u e l y c h a r a c t e r i z e s t h e d e g r e e o f b a c k m i x i n g o c c u r r i n g . S i n c e h e r e o n l y o n e d i m e n s i o n a l d i s p e r s i o n i s c o n s i d e r e d , t h e a b o v e e q u a t i o n i s r e d u c e d t o B C 3 2 C I n t h e c a s e w h e n a d v e c t i o n ( b u l k fl o w ) i s a l s o p r e s e n t , a m o v i n g c o o r d i n a t e s y s t e m ( X , t a x i s ) s h o u l d b e i n t r o d u c e d . T h i s X c o o r d i n a t e m o v e s a l o n g w i t h t h e s t r e a m a t t h e m a s s a v e r a g e v e l o c i t y , u . T h e fi x e d c o o r d i n a t e s y s t e m ( X ’ , t ’ ) i s d e fi n e d b y X ’ = X + u t , t ’ = t , w h e r e t i s t i m e . B y d i f f e r e n t i a t i o n , w e h a v e d X ' — — - u , d t d t ' = d t , a . - . ) d X H e n c e Q E J E Q L L C Q E W E L Q E a t E X 3 : a r m a X ' a r ' £ = § £ § £ 1 § £ § J L _ £ € 3 X a x ' a x a r ' a x a X ' S u b s t i t u t i n g t h e r e l a t i o n s i n t o e q u a t i o n I V - 3 , t h e e q u a t i o n f o r d i s p e r s i o n a n d a d v e c t i o n i n a fi x e d c o o r d i n a t e s y s t e m h a s t h e f o r m 2 9 , 3 2 - a z c B X ' a t ' ‘ " 8 X ' 2 0 1 ' 1 9 : 0 a l c _ , a _ c . a t ' ” X ' 2 a X ' 0 < t ' , 0 < X ’ < L ( I V - 4 ) L e t Z = % , w h e r e L i s t h e l e n g t h o f d i s p e r s i o n p l u g fl o w r e a c t o r . E q u a t i o n ( I V - 4 ) b e c o m e s a c D , 8 2 C ( u i j — = — — — — 0 ’ , 0 Z 1 I V - S a r ' [ s z 3 2 2 L 3 2 ( 1 ' < < ( ) T h e d i m e n s i o n l e s s f o r m o f t h e a b o v e d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n i s : 2 a c _ [ _ D _ , , ] a C _ a C ( N 6 ) 5 3 " u L 3 2 2 5 — 2 — t ' u - t ' . . . . . D w h e r e 0 = — : - = T ; t 1 3 m e a n r e s r d e n c e t i m e . T h e d i m e n s r o n l e s s g r o u p i , c a l l e d t h e t u n e — l ) d u 7 ’ c v W e h s s e L ” — — — u i s p e r s : — o , t — h > e 0 i d , o i n s n h e e u r t p m b d i e s r p , i e r s s i s i o n i s l a i s o t r n h g e e p a a n r a n e g m l d h e i e g t n b i e c r e l e w c h , i h c e h n c m e e a s u r c o n d i e t s i o o n d i t i o n s a p p r o n t a h e e x t e s c a h p c p o r m n o p t a l o f a c e h t p l e i u l x y a g m l d fl o i x i e e r s w p . s W d fl o n e . n h i w o . 2 2 U n d e r a n i d e a l i z e d i m p u l s e t h e s o l u t i o n t o e q u a t i o n s I V - 5 a n d I V - 6 y i e l d s a s y m m e t r i c c o n c e n t r a t i o n c u r v e 2 L I z q C L " ( X V I — = — — e x - I V - 7 C . 2 , / 1 t r ' D p p 4 t ' D p ( ) 1 — 0 2 E € = — ; — e x p - - £ — — l — ) l — ( I V - 8 ) 0 2 r t t é l D p 4 6 ( 4 ) u L L “ L _ E q u a t i o n ( I V — 8 ) i s a n o r m a l i z e d f o r m o f e q u a t i o n ( I V — 7 ) . T h e U A S B r e a c t o r b y - p a s s fl o w i n t h i s m o d e l i s d e s c r i b e d b y a b o v e d i s p e r s i o n p l u g fl o w e q u a t i o n s . A - 1 . 1 2 M i x e d fl o w a n d p l u g fl o w m o d e l T h e g r a n u l a r b e d i s c h a r a c t e r i z e d b y t w o p a r a l l e l C S T R s . T h e c l a r i fi c a t i o n z o n e i s b e s t c h a r a c t e r i z e d b y a p l u g fl o w r e a c t o r . A m a s s b a l a n c e i s p e r f o r m e d , a f t e r a n i n e r t t r a c e r i m p u l s e , o n t h e l i q u i d v o l u m e o f t h e C S T R s w i t h t i m e t ’ , w h i c h l e a d t o t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n s : d V l - — C ' — = - Q 1 C l w i t h i n i t i a l c o n d i t i o n C , ( 0 ) = - Q — ‘ - 1 i 1 ( I V - 9 ) d l ' Q V 1 _ g _ i _ : . _ _ A _ e x p l : - — § - ( T d - I i i - 7 : “ ) 2 : | + C C X p [ - D ( t ' - l e ) ] + E C X P [ “ F ( I ' — T d 1 ) ] a n d d C . . . . . . . Q . M V , — ' = — Q , C , w r t h m 1 t 1 a l c o n d 1 t 1 o n C 3 ( O ) = ‘ ( I V - 1 0 ) ' d t ' ' ' Q V 2 I n t e g r a t i n g t h e a b o v e e q u a t i o n s g i v e s C , z g - L - M — e x p [ - g — t ' ] ( I V - l l ) Q V 1 V 1 M 1 C 2 = g — e x p l : — g ‘ — t ' ] ( I V - l 2 ) Q V 2 v 2 o r C — ' = 2 L 1 e x p [ — g ‘ - t i l ( I V - 1 3 ) . . Q V i V i C — — 2 — — — Q - 2 — - Y — e x p — — Q — 2 t ' ( I V - l 4 ) C o Q V 2 V 2 w h e r e C o : % 4 - i s e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n a t t ’ = 0 i n a n i d e a l C S T R . A p p l y i n g a m a s s b a l a n c e o n t h e w h o l e s y s t e m g i v e s Q C = Q 3 C 3 + Q 2 C 2 + Q , C l ( I V - 1 5 ) S u b s t i t u t i n g e q u a t i o n s I V - 7 , 1 3 a n d 1 4 i n t o e q u a t i o n I V - 1 5 , t h e U A S B h y d r a u l i c m o d e l e q u a t i o n h a s t h e f o r m « I ? t ' ( I V - l 6 ) w h e r e C , - i s e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n o f t h e U A S B r e a c t o r a t t i m e i : A = 2 4 Q 3 L 2 C , , Q , I 1 t D , , : 2 2 V V B = — ; C = - Q — ' — — ; D = 2 L ; T . . . i s l a g t i m e o f p l u g fl o w r e a c t o r ; T d = £ ; . p V l Q V , u A - l . 2 T w o C S T R s i n s e r i e s f o l l o w e d b y a P F R ( V a n d e r M e e r m o d e l ) A t h i g h e r o r g a n i c l o a d i n g r a t e s ( e a . 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) , i n c r e a s e d b i o g a s p r o d u c t i o n e n h a n c e s t h e e x t e n t o f m i x i n g w i t h i n t h e g r a n u l a r b e d . T h e U A S B c a n b e d e s c r i b e d b y t h e V a n d e r M e e r m o d e l , i n w h i c h t w o C S T R s a n d a p l u g fl o w r e a c t o r a r e i n s e r i e s . B y - p a s s a n d d e a d v o l u m e a r e p r e s e n t . T h e m o d e l i s s h o w n a s f o l l o w s : 1 C i r b y - p a s s Q C S T R Q 2 . + Q r C S T R Q 2 J Q C i V , C , V , c , W Q 2 l Q i ’ V d F i g u r e I V A - 2 . F l o w c h a r t o f V a n d e r M e e r m o d e l T h e b y - p a s s s t r e a m i s a s s u m e d t o n o t o c c u p y a n y fl u i d v o l u m e . O n e o f t h e C S T R ( V I ) r e p r e s e n t s t h e s l u d g e b e d i n w h i c h t h e g r a n u l a r s l u d g e i s r e l a t i v e l y c o m p a c t a n d w e l l s e t t l e d . T h e o t h e r C S T R d e s c r i b e s t h e s l u d g e b l a n k e t w i t h u p p e r l a y e r g r a n u l e s a n d i s m b o a r e fl u i d i z e d . l a n c e o n t h e m = % e f } 0 T 0 h s a e s p c l o u n g t fl a i o n w e d r w e i a c t o r r e p t h i n t h e r l e i s q e u n i t d s v t o h e l u c m l a r i f i c e i n C a S t i T o R n z s o w n i e t . h P t e i r m f e o r , t m i i n n g a m a s s t h e c a s e x p [ — H R T } » , ( 9 — T , ) ] + % x p [ — H R T 7 ~ 2 ( 9 — T a ) ] e 0 2 5 o f a c o n s e r v a t i v e t r a c e r i m p u l s e , r e s u l t s i n t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n s : d C V , 7 1 7 ' - = — ( Q , + Q , ' ) C , + Q , ‘ C , ( I V - 1 7 ) d C , , , v , d , = ( Q , + Q , ) C , — ( Q , + Q , ) C , ( I V - 1 8 ) Q C , = Q , C , + Q , C , , ( I V - l 9 ) w h e r e Q = Q , + Q , , V = V , + V , + V , + V ” . I n i t i a l c o n d i t i o n s a r e : C , ( 0 ) = — I : / ! — , C , ( 0 ) = O . S o l u t i o n s t o e q u a t i o n I V - l 7 a n d 1 8 h a v e t h e f o r m C , = A , e x p [ x , t ] + B , e x p [ 7 t , t ] ( I V - 2 0 ) C , = A , e x p [ ? r . , t ] + B , e x p [ } t , t ] ( I V - 2 1 ) w h e r e A , + B , = C , ( 0 ) ( I V - 2 2 ) A , + B , = C , ( 0 ) ( I V - 2 3 ) W h e n c o n s i d e r i n g P F R f o l l o w i n g t h e C S T R s , a n d n o r m a l i z e C a n d t f o r t h e w h o l e s y s t e m , t h e e f fl u e n t t r a c e r c o n c e n t r a t i o n o f t h e U A S B i s g i v e n b y ( I V - 2 4 ) R T w h e r e 9 : i = — L — ; T 4 i s n o r m a l i z e d d e l a y t i m e a s a r e s u l t o f p l u g fl o w o r J . T o H R T H R T t s i m p l i f y , l e t C = g } - , D = 2 5 , E = — H R T } t , , F = — H R T } t , . E q u a t i o n I V - 2 4 b e c o m e s 0 0 £ 1 — = C e x p [ — E ( 9 — T , ) ] + D e x p [ — F ( 0 - 7 1 ) ] ( I V - 2 5 ) 2 6 o A - 1 . 3 O n e C S T R a n d a d i s p e r s i o n P F R i n s e r i e s m o d e l ( m o d e l 2 ) A s e c o n d m o d e l ( m o d e l 2 ) w a s d e v e l o p e d t o d e s c r i b e t h e U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s a t h i g h O L R . C o m p a r e d t o V a n d e r M e e r m o d e l , t h i s m o d e l u s e s a s i m p l e r e x p r e s s i o n o f o n e C S T R f o r g r a n u l a r b e d . T h e c l a r i fi e r s e c t i o n i s r e p r e s e n t e d b y a d i s p e r s i o n P F R . B o t h b y — p a s s fl o w a n d d e a d v o l u m e a r e p r e s e n t . M o d e l 2 h a s t h e f o l l o w i n g f o r m r a y - p a s s Q s . . . Q r S i . Q S t ' n Q 5 1 , Q S b Q r s o u r C S T R d i s p e r s i o n P F _ V b . S b 7 l V d F i g u r e I V A - 3 . A s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f m o d e l 2 d e s c r i b i n g U A S B r e a c t o r a t h i g h g a s p r o d u c t i o n . F o r t h e c a s e o f a d d i t i o n o f a n i m p u l s e o f a c o n s e r v a t i v e t r a c e r t h e C S T R o f t h e m o d e l 2 c a n b e e x p r e s s e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s d C V , — d — t — = V b E ( t ) — Q f C ( t ) ( I V - 2 6 ) M f . < . E ( t ) = V b 7 ; " ’ i f 0 ” I _ T ' " F o r i m p u l s e ( I V - 2 7 ) 0 . i f 1 : . s r w h e r e C ( t ) i s c o n c e n t r a t i o n w i t h i n C S T R ; V b i s w o r k i n g v o l u m e o f C S T R ( = V - V d ) ; V 4 i s d e a d v o l u m e w i t h i n C S T R ; E ( t ) i s a n i n p u t f u n c t i o n ; 5 , , i s b u l k t r a c e r c o n c e n t r a t i o n ; f i s 2 7 f r a c t i o n ; Q f i s t h e fl o w f r a c t i o n t h a t e n t e r s t h e m a i n s t r e a m ; M f i s f r a c t i o n o f m a s s i n p u t t h a t g o t h r o u g h r e a c t o r w o r k i n g v o l u m e s z i s t r a c e r i n j e c t i o n t i m e . C l a r i fi e r i s d e s c r i b e d b y a d i s p e r s i o n p l u g fl o w r e a c t o r . O n l y v e r t i c a l d i r e c t i o n a d v e c t i o n a n d d i s p e r s i o n w e r e c o n s i d e r e d i n t h i s p a r t . E q u a t i o n ( I V - 5 ) i s r e w r i t t e n t o h a v e t h e f o r m _ — — — — — — — — — , t > 0 , 0 < Z < I , I V - 2 8 a : L 3 2 2 L 3 2 ( ) B C : C , , , ( 0 , t ) = C ( t ) ( I V - 2 9 ) I C : C P K Z , 0 ) = C , , . . . ( I V - 3 0 ) w h e r e C F , i s c o n c e n t r a t i o n i n d i s p e r s i o n P F R ; X i s a v e r t i c a l c o o r d i n a t e . A n i n n e r t t r a c e r r e s p o n s e a f t e r a i m p u l s e t o t h e U A S B r e a c t o r c a n b e p r e d i c t e d b y s o l v i n g e q u a t i o n s I V - 2 6 t o 3 0 . A - 2 . I n t e g r a t e d r e a c t i o n - d i f f u s i o n a n d h y d r a u l i c m o d e l S u b s t r a t e t r a n s p o r t a n d c o n s u m p t i o n w i t h i n g r a n u l a r s l u d g e b e d c a n b e d e s c r i b e d b y a r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l . T h e m o d e l c a n b e t h e n i n t e g r a t e d w i t h r e a c t o r h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s d i s c u s s e d a b o v e ( S e c t i o n A - l . 3 ; C h a p t e r I V ) , i n o r d e r t o c h a r a c t e r i z e t h e d y n a m i c b e h a v i o r o f U A S B r e a c t o r s u n d e r o r g a n i c i m p u l s e a n d s t e p O L R i n c r e a s e e v e n t s ( C h a p t e r I X ) . T h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f t h i s d y n a m i c c o u p l e d r e a c t i o n - d i f f u s i o n - h y d r a u l i c m o d e l i s p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n . A - 2 . 1 R e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l T h e k i n e t i c p r o p e r t i e s o f t h e g r a n u l a r s l u d g e b e d i n a n U A S B r e a c t o r d e p e n d u p o n c o u p l e d m a s s t r a n s f e r a n d b i o c h e m i c a l r e a c t i o n p r o c e s s e s . A r e a c t i o n — d i f f u s i o n t y p e m o d e l c a n b e u s e d t o d e s c r i b e t h e i n t e r a c t i o n o f m a s s t r a n s p o r t a n d r e a c t i o n o f t h e g r a n u l e s , t o d e t e r m i n e t h e o v e r a l l a c t i v i t i e s . T h e m a s s t r a n s p o r t a n d b i o c h e m i c a l r e a c t i o n i n t e r a c t i o n s i n a s l a b o f b i o fi l m i s p r e s e n t e d i n F i g u r e I V A — 4 . s u p p o r t b u l k l i q u i d l i q u i d b o u n d a r y l a y e r F i g u r e I V A — 4 . M a s s t r a n s p o r t , d i f f u s i o n a n d r e a c t i o n w i t h i n a s l a b o f b i o fi l m S u b s t r a t e ( S b ) t r a n s p o r t f r o m b u l k l i q u i d t o a s t a g n a n t fi l m o r b o u n d a r y l a y e r w h i c h i s a t t h e o u t s i d e o f t h e b i o f i l m . A c o n c e n t r a t i o n g r a d i e n t i s e s t a b l i s h e d a c r o s s t h e l i q u i d fi l m . S u b s t r a t e i s t h e n c o n c u r r e n t l y d i f f u s e t h r o u g h t h e b i o fi l m a n d c o n s u m e d ( 5 , ) . B y c o n t i n u i t y o f m a s s , a t t h e i n t e r f a c e o f b u l k l i q u i d — b o u n d a r y l a y e r a n d b o u n d a r y l a y e r — g r a n u l e , t h e fl u x e s a r e e q u a l . T h u s , J b = J L a t b u l k — b o u n d a r y l a y e r i n t e r f a c e , a n d J L = J , a t b o u n d a r y l a y e r — b i o fi l m i n t e r f a c e . T h i s p h e n o m e n a r e s u l t s i n a s u b s t r a t e p r o fi l e i n d i c a t e d i n h i s u s c V r A s i t e r t t t e d e x t t G n r e I e t v n . r e c s t r e i s s c e t F p e ( t s a a a c i l s s t p c o A c i a f r u r r t K u r t r e n a s o f o f a e r i L e o g r b a r d y r m t u a ) e s n f c e d s a t h e a c s n 5 t s m m d e t s u p a p i e c r e e a b y s p r p m o a l i c e ( i e a o t a a o n ( e C d h A — i e v : i w i o o e n e a s t c c i v w a n f e e t o n g n n n s , t i f p r t d i s b m a w a r a g d . u u fi n h t l a 4 f o i h f l u e b n o t e t c s a t o e i i e h e f l i n i , s l d d t a t i h t y o r i e t d e m r T m h e o c k b b t n r f m s V e u s e r u y a , r t n ) a f I O u t h i i e t t u l t i d a t a u e t b t a o b L n I n l s r c s a b e t e s l 4 r n t s o s n l i i o m o g i o , c s e x w m u i o t y i t r c o n l t n o e b e n e o p s c l l c e d r n f . ) f i r t o k a k t r g . fi a o h d i o o s h b o a R D n r l t o l e e u a h g c t b s fi f a e o o s s a e r g T o m T n . t s c m i F o r r h w e s t i l i l e w e i d e h o e e c a e i c i r e e n o T u r r t f d c n ( e t c v c o t 8 i t h u n f h g p e f e c a a ) u a r b t r n ( n o n . r e n s m i e o i s a s e a d o l e s c o u s e M I b ) v t f b b s n u s m a a e u i V e i , i r a l a p n r d m D a n e n a f f r l e t r a x A o l e p t o o e p t i r r t t h c n n m r o e d e a h e e r l s t r u i i n — f fi a s r s y m t c r i b m t v o a i t y i m a c g c g r s r a o n r t o r ( 5 i o h g r f a a l m o r h e t a n f v o a c t ( a h f y , i s a t c e 5 s r s n e fl e a e ) t d , a n s n e t s h q , r w m t o b a m b o o i a a s b s ) u d t v l o t a u c l h i u s a h a r p e e y w p m n f o i t a t n e o i n e s n o n r fi f s r w l y t y a g i s e r e f t a u w ( i p f s t o i o f u o r o r l h e t r o o n i s n u t e u b c b . a s t c m r . a f c n e o c l w n r i s i t i n e C k a t v r h b s t a e t i o s e i c r B s t i o o p e n s p t l i k i t t r o e n n e r v d d h e f r i a n c a y e t u e f b k f e w e g e e e p i fi m c l i r d d a t q e o t o r r r e a i h u a s V e n c n a e b a i r t t t v d m i t n i c e c i c s i s a y a I u l n e h u c a l n n o n l I t l r d e l c o a t t e p u o s i a t o p D g t d e p o e l n n r h i o e r a f n s m a e i l c h i o w . s r o t h n t t t e ) e m f r a t t f d o i a r o e o m i l h s t b u v o n o t h T u m o n t i e n p e i a b i t e r h s o e u i t i o o o h t a n a i o c o i c d t fi e s h e n e f g t o n t f r a s l e c n o r w l l a t d t d y i t n a l n l o o a a l n b t h s t e s m r t i s o h h w c o c a y e o a e d o f e t s t s e h l u h t o k n c v a i ( t t c . e n o a f ( u a a i o n w i t n t r g n s e i r h d m o l d e r o T l b i i h l , a n a s n a e t a n a h a n l w t n a a i e e e d s c r s g i a d c h m o v t t t w e i u s r e K x e r c r t r y a a t s y t s g e a t y s r i c o r i s a r t n t a l w o a t h n n l ) e d t i , r i o e i c e i r t e a n u t o n ( c c o y v i c a i e e e u e . i s a u 5 k f o f r r i i s f h a a h o i t c m r c h n r r t A n g s i t g a e e o n f e a s t w ) r R s a h , . s e n ) r t t i 2 9 c e n t r a l c o r e a r e s m a l l c o m p a r e d t o t h a t i n t h e a c t i v e l a y e r a n d c a n b e i g n o r e d . D u e t o t h e 3 0 s l o w g r o w t h r a t e o f m e t h a n o g e n s t h e g r o w t h a n d d e c a y o f g r a n u l e b i o m a s s w e r e i g n o r e d . S u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e s t h r o u g h t h e g r a n u l e s a r e s y m m e t r i c a b o u t t h e c e n t e r o f t h e g r a n u l e s . A b a s i c m o d e l i s s h o w n i n F i g u r e I V A — 5 . S e v e r a l a s s u m p t i o n s a r e m a d e : 1 ) e f f e c t i v e s u b s t r a t e d i f f u s i v i t y w i t h i n t h e g r a n u l e s i s c o n s t a n t a n d 2 ) t h e r e a c t i o n c a n b e d e s c r i b e d u s i n g M o n o d k i n e t i c s . V ? ‘ F i g u r e I V A — 5 . A c r o s s e c t i o n o f a g r a n u l e w i t h r a d i u s R , a c t i v e l a y e r t h i c k n e s s 8 a n d s u b s t r a t e p r o fi l e S . T h e s h e l l b a l a n c e o n s u b s t r a t e S i n c o o r d i n a t e — a r r e s u l t s i n a s e c o n d - o r d e r p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n 2 5 3 — 5 : 3 S + 2 3 _ S — k " ' X " ' S ( I V - 3 1 ) a t E i r 2 r 3 r K x + S w i t h b o u n d a r y c o n d i t i o n s ' 8 S I V 3 2 ( 1 ) D a — r + K , S = K , S , , r = R ( - ) ( i i ) i s : = 0 , r = R - 5 . . . ( I V - 3 3 ) 3 r A t s t e a d y s t a t e 9 8 g t = 0 f o r e q u a t i o n I V - 3 5 , t h u s w e h a v e f o l l o w i n g s e c o n d - o r d e r o r d i n a r y 1 b 0 s x = 0 ( I V - 4 0 ) 3 1 a n d i n i t i a l c o n d i t i o n ( i ) S ( r , 0 ) : S _ , - ( r ) r e ( R - 5 , R ) ( I V - 3 4 ) B S 2 8 5 r a s j i s t h e r a t e a t w h i c h s u b s t r a t e d i f f u s e s i n t o t h e g r a n u l e s , k X m s K + S S i s s u b s t r a t e r e a c t i o n r a t e ; D i s e f f e c t i v e s u b s t r a t e d i f f u s i v i t y ; S , i s s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n w i t h i n b i o f i l m a t s t e a d y s t a t e ; k m i s s p e c i fi c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e ; X , , , i s b i o m a s s d e n s i t y w i t h i n t h e a c t i v e l a y e r ( 8 ) o f t h e g r a n u l e s ; K , i s h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t ; K , i s m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t . L e t u s i n t r o d u c e a n e w v a r i a b l e t e r m e d x . T h e x a x i s o r i g i n a t e s f r o m t h e s u r f a c e o f g r a n u l e t o w a r d s t h e c e n t e r . W e d e fi n e x = R - r , t h e n d r = - d x . B y c h a n g i n g o f v a r i a b l e s , e q u a t i o n I V - 3 1 t o 3 4 b e c o m e 2 i i : a S - 2 Q 5 _ _ _ _ _ k a , , 5 ( I V — 3 5 ) a t 8 x 2 R — x d x K 3 + S . 8 S B C s : ( 1 ) — D - é — + K , , S = K S , , x = 0 ( I V - 3 6 ) x ( i i ) — a — S 0 : , x = 5 ( I V - 3 7 ) 3 x I C : ( i ) S ( x , 0 ) = S , ( x ) x e ( 0 , 5 ) ( I V - 3 8 ) d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n 2 D L B S , _ 2 3 3 . ] : k a e r ( I V - 3 9 ) 8 x 2 R — x 8 x B C s : ( i ) E l £ 1 8 5 i n c I E . . B S . ( 1 1 ) - a — ‘ - = 0 , x = 5 ( I V - 4 1 ) x w h e r e S r . . . i s t h e s t e a d y s t a t e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i n b u l k l i q u i d . E q u a t i o n s I V - 3 5 t o 3 8 a n d 3 9 t o 4 1 c a n b e s o l v e d n u m e r i c a l l y f o r a d e s c r i p t i o n o f s u b s t r a c e v a r i a t i o n w i t h i n t h e g r a n u l a r b e d o f U A S B r e a c t o r a t u n s t e a d y s t a t e a n d s t e a d y s t a t e , r e s p e c t i v e l y . A - 2 . 2 D e v e l o p m e n t o f a d y n a m i c m o d e l i n c l u d i n g a fl o w m o d e l c o m b i n e d w i t h a r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l f o r U A S B r e a c t o r s A s d i s c u s s e d e a r l i e r i n s e c t i o n I V A - l . 1 , U A S B r e a c t o r fl o w c a n b e c h a r a c t e r i z e d a s s e v e r a l C S T R s , P F R s a n d d i s p e r s i o n P F R i n t e r c o n n e c t e d i n s e r i e s o r i n p a r a l l e l . T h e h y d r a u l i c m o d e l ( m o d e l 2 ) d e v e l o p e d i n s e c t i o n A - 1 . 3 i s i n t e g r a t e d i n t o t h e r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l p r e s e n t e d a b o v e ( s e c t i o n A - 2 . 1 ) t o d e v e l o p a d y n a m i c m o d e l f o r U A S B r e a c t o r s . A s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e d y n a m i c m o d e l i s p r e s e n t e d i n F i g u r e I V A - 3 , a s f o l l o w s : b y - p a s s Q S i n Q t S i n Q S t ' n Q S b Q 5 1 . Q t S o u r C S T R d i s p e r s i o n P F , V b ! S b ' l V d A m a s s b a l a n c e c a n b e p e r f o r m e d o n t h e s u b s t r a t e w i t h i n t h e b o u n d a r y v o l u m e o f t h e C S T R , a t o r g a n i c i m p u l s e a n d s t e p i n c r e a s e : v , % = V , E ( t ) — Q f S , ( r ) - K L A , ( s , — 5 ( 0 , r ) ) ( I V - 4 2 ) I C : 5 , ( O ) = S , ” ( I V - 4 3 ) M f . , O S I S T . E U ) 1 ‘ V b T m I f " ' F o r a n 1 m p u l s e . . . ( I V - 4 4 ) 0 , i f T m S t Q f s b k g d ’ I f 0 < t < T r i p ] E ( t ) = Q / S n p , i f 7 ; , “ S t < T m , F o r a s t e p i n c r e a s e . . . ( I V — 4 5 ) Q f s r t p l I f T r t p l S t O i w h e r e V b i s w o r k i n g v o l u m e o f t h e C S T R ; V d i s d e a d v o l u m e o f C S T R ; E ( t ) i s a n i n p u t f u n c t i o n ; A , i s t o t a l g r a n u l e s u r f a c e a r e a ; S b i s b u l k s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n ; S i s s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n w i t h i n t h e g r a n u l e s a t u n s t e a d y s t a t e ; Q f i s t h e fl o w f r a c t i o n t h a t e n t e r s t h e m a i n s t r e a m ; M f i s f r a c t i o n o f m a s s i n p u t t h a t g o t h r o u g h r e a c t o r s w o r k i n g v o l u m e ; S b k g d i s f e e d c o n c e n t r a t i o n b e f o r e s t e p i n c r e a s e ; S , , , , , i s f e e d c o n c e n t r a t i o n a t fi r s t s t e p i n c r e a s e ; S n p z i s f e e d c o n c e n t r a t i o n a t s e c o n d s t e p i n c r e a s e . T 5 , , ” i s t h e t i m e t h a t t h e fi r s t s t e p i s i n i t i a t e d ; T n p z i s t h e t i m e t h a t t h e s e c o n d s t e p i s i n i t i a t e d . T . . . i s t h e s u b s t r a t e i n j e c t i o n t i m e . I n c l a r i fi e r s e c t i o n v e r y f e w g r a n u l e s w e r e o b s e r v e d . T h u s , t h e r e a c t i o n t e r m w a s n e g l e c t e d . F o r t h e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n w i t h i n t h e P F R , S d , t h e d i s p e r i s o n P F R d e s c r i b e d i n e q u a t i o n I V - 2 8 t o 3 0 i s r e w r i t t e n a s : B S , _ D , , 3 2 S , u d e — — — — , t > 0 , 0 < Z < I I V - 4 6 a t L 2 3 2 2 L 3 2 ( ) B C : S a ( 0 , t ) = S b ( t ) . . . ( I V - 4 7 ) I C : S d ( Z , 0 ) = S b 0 . . . ( I V - 4 8 ) T h e U A S B r e a c t o r r e s p o n s e s u n d e r o r g a n i c i m p u l s e a n d s t e p i n c r e a s e s c a n b e s i m u l a t e d b y s i m u l t a n e o u s l y s o l v i n g e q u a t i o n s I V - 3 5 t o 4 8 , u s i n g n u m e r i c m e t h o d ( A p p e n d i x E ) . C H A P T E R 5 . H Y D R A U L I C C H A R A C T E R I S T I C S O F A N U P F L O W A N A E R O B I C S L U D G E B L A N K E T ( U A S B ) R E A C T O R A . I n t r o d u c t i o n A n u m b e r o f h i g h r a t e a n a e r o b i c t r e a t m e n t s y s t e m s h a v e b e e n d e v e l o p e d o v e r t h e p a s t t w o d e c a d e s . D e s p i t e t h e d e m o n s t r a t e d b e n e fi t s o f t h e s e p r o c e s s e s , h y d r a u l i c m i x i n g e f fi c i e n c y p r o b l e m s a r e f r e q u e n t l y o b s e r v e d . T h e s e m u s t b e t a k e n i n t o a c c o u n t w h e n s c a l i n g u p f r o m l a b o r a t o r y r e a c t o r s t o p i l o t - a n d f u l l - s c a l e s y s t e m s . C l o g g i n g a n d s h o r t - c i r c u i t i n g i n a n a e r o b i c r e a c t o r s a r e m a j o r c o n c e r n s s i n c e t h e s e p r o b l e m s c a n l e a d t o r e d u c t i o n i n t h e v o l u m e o f a c t i v e b i o m a s s a n d , t h e r e f o r e , r e d u c e d r e m o v a l e f fi c i e n c y . T h e U p fl o w A n a e r o b i c S l u d g e B l a n k e t ( U A S B ) s y s t e m i s t h e m o s t w i d e l y u s e d h i g h - r a t e a n a e r o b i c p r o c e s s . T h e U A S B p r o c e s s i s g e n e r a l l y r e p o r t e d t o h a v e g o o d h y d r a u l i c m i x i n g [ H a l l 1 9 8 4 , 1 9 8 5 ] . T h e d e s i g n o f U A S B r e a c t o r s h a s b e e n p r i m a r i l y b a s e d o n e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p s o r u s i n g t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e p r o c e s s b e h a v e s a s a c o n t i n o u s l y s t i r r e d t a n k r e a c t o r ( C S T R ) . H o w w e l l t h e s e s y s t e m s a p p r o x i m a t e i d e a l C S T R s h a s n o t b e e n a d e q u a t e l y e v a l u a t e d u n d e r d i f f e r e n t o r g a n i c a n d h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e s . S e v e r a l s t u d i e s h a v e b e e n c o n d u c t e d i n a t t e m p t t o c h a r a c t e r i z e r e a c t o r h y d r a u l i c s . M a c m u l l e n a n d W e b e r p r e s e n t e d a n a n a l y t i c a l s t u d y f o r s h o r t - c i r c u i t i n g i n C M F ( c o m p l e t e l y m i x e d fl o w ) r e a c t o r s i n s e r i e s i n e a r l y 3 0 ‘ s [ M a c m u l l e n a n d W e b e r , 1 9 3 5 ] . C h o l e t t e a n d C l o u t i e r [ 1 9 5 9 ] d e s c r i b e d t h r e e f a c t o r s i n fl u e n c i n g r e a c t o r fl u i d fl o w m i x i n g p a t t e r n s : e f f e c t i v e v o l u m e , s h o r t c i r c u i t i n g , a n d p l u g fl o w . V a n d e r M e e r [ l 9 7 9 ] , s t u d y i n g t h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f U A S B r e a c t o r s a t b e n c h - , p i l o t - , a n d f u l l - s c a l e , o b s e r v e d t h a t b i o g a s p r o d u c t i o n , d u e t o i n c r e a s e s i n o r g a n i c l o a d i n g r a t e , d i d n o t r e s u l t i n s i g n i fi c a n t l y a l t e r e d fl u i d fl o w p a t t e r n s . H e f u r t h e r s u g g e s t e d t h a t d e a d v o l u m e c a n b e 3 4 a n d t h e o t h e r f o r t h e s l u d g e b l a n k e t p o r t i o n o f t h e r e a c t o r v o l u m e w i t h b a c k m i x i n g i n 3 5 r e d u c e d b y c o n t r o l o f t h e a m o u n t o f s l u d g e a n d i n t e r n a l r e c i r c u l a t i o n . I n t r e a t i n g c a n e s u g a r w a s t e w a t e r , i t w a s o b s e r v e d t h a t a t l o w o r g a n i c l o a d i n g r a t e s , a d e q u a t e m i x i n g o f a n U A S B r e a c t o r c o n t e n t s d i d n o t t a k e p l a c e [ M a n j u n a t h , D . L . e t a 1 , 1 9 8 9 ] . B o l l e e t a l . [ 1 9 8 6 ] d e v e l o p e d a m o d e l i n w h i c h b o t h s l u d g e b e d a n d s l u d g e b l a n k e t c a n b e d e s c r i b e d a s c o m p l e t e l y m i x e d fl o w r e a c t o r s ( C S T R s ) w i t h s h o r t — c i r c u i t i n g fl o w p a t h s , w h i l e t h e s e t t l e r v o l u m e w a s b e s t d e s c r i b e d a s a p l u g fl o w r e a c t o r . S h o r t - c i r c u i t i n g fl o w t h r o u g h t h e s l u d g e b e d w a s a f u n c t i o n o f t h e b e d h e i g h t . H a l l [ 1 9 8 5 ] s u g g e s t e d t h a t g a s p r o d u c t i o n h a s a m a j o r i m p a c t o n m i x i n g u n d e r l o w h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e ( H R T < l d a y ) c o n d i t i o n s . O t h e r r e s e a r c h e r s c o n s i d e r e d d e a d v o l u m e a n d m i x i n g - z o n e v o l u m e w i t h o u t b y - p a s s i n g fl o w [ M o n t e i t h a n d S t e p h e n s o n , 1 9 8 1 ] [ X u , 1 9 8 3 ] . T h r e e d i f f e r e n t m o d e l s w h i c h h a v e b e e n u s e d t o d e s c r i b e r e a c t o r h y d r a u l i c s , a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e V B — l . C h o l e t t e a n d C l o u t i e r [ l 9 5 9 ] m o d i fi e d t h e C S T R m o d e l t o i n c l u d e t h e e f f e c t s o f d e a d v o l u m e a n d s h o r t c i r c u i t i n g , r e s u l t i n g i n t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : £ e _ _ f _ r _ f . Q - C 0 — f 2 e x p { f 2 V t , } ( V l ) w h e r e C . — e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n a t t i m e i ; C o — e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n a t t i m e = o i n a n i d e a l V C S T R ; f , = T / L ’ w h e r e V , — m i x i n g v o l u m e ( V m ) , V — t o t a l v o l u m e ; f 2 = 9 5 — , Q , - w o r k i n g fl o w r a t e , Q — t o t a l fl o w r a t e ; t , - — t i m e ; V = V 1 + V d , w h e r e V d — d e a d v o l u m e ; Q = Q 1 + Q 2 , w h e r e Q ; — b y p a s s fl o w r a t e . V a n d e r m e e r [ 1 9 7 9 ] p r e s e n t e d a g e n e r a l fl o w m o d e l s c h e m e ( F i g u r e V B — l ) b a s e d o n t w o c o u p l e d C S T R ' s ; o n e w a s f o r t h e s l u d g e b e d b s s ( e l l F t u u i w e e n . A d d g g g u e e r e b b e l V d a B , n k — l d f e e o t ) a . l . l d d l o v w H a l o l e I n s t e u a b 1 [ m d y 9 e a a 5 f 8 o p ] n a l d p s s h o u g r s o u fl p m r o o i t s n w e g c d i ( fl r P a c o u i t F p ) w a r p e o a l o l u r a c r c e t t l i o o r m l d s n i r h w e e p r x o i r n t r - e g e s a l s o e h n y t d s h c a g u l d s i t i r i i a n t u e m l e i m o l d q d y o d t l i u e t o b l e a y f t o h r e p e U e r r f a e fl A b s S u t v e n o B e n t e r i n t e f a r t h e h c e t o o m r s c i r c u r e c t 3 6 t h e i n l e t w i t h o u t m i x i n g , a m i x e d b y p a s s fl o w z o n e , p a r a l l e l t o t h e w o r k i n g z o n e , w a s a s s u m e d . T h e r e p o r t e d m o d e l e q u a t i o n i s : C . B B 1 — 3 l - B — ‘ — = ' e x p — - — ' 0 , + ' e x p - ' 9 , ( V - 2 ) C B , + B , B , B , + B , B , 0 9 w h e r e B , = g 2 — , w h e r e Q z — b y - p a s s fl o w ; B ; = ) 3 — , w h e r e V , - a c t i v e v o l u m e ; B 3 = V ? ! w h e r e V 4 — d e a d v o l u m e ; 0 , - = # 1 V 2 — b y p a s s v o l u m e ; Q 1 + Q 2 = Q ; V , + V 2 + V d = V ( t o t a l v o l u m e ) . H a l l c o n c l u d e d t h a t t h e h y d r a u l i c s i n a n U A S B c a n b e w e l l d e s c r i b e d b y t h e C S T R m o d e l , b u t t h a t s o m e d e v i a t i o n d o e s e x i s t d u r i n g t h e i n i t i a l p e r i o d i n t r a c e r e x p e r i m e n t s . F l u i d - fl o w m o d e l p a r a m e t e r e s t i m a t e s w e r e a c c o m p l i s h e d u s i n g b o t h l i n e a r r e g r e s s i o n a n d t h e n o n l i n e a r l e a s t s q u a r e t e c h n i q u e s [ C h a p m a n , l 9 8 3 ] . T h e h y d r a u l i c s i n a U A S B r e a c t o r w i t h g r a n u l a r s l u d g e i s s i m i l a r t o t h a t o b s e r v e d i n l i q u i d - s o l i d fl u i d i z e d b e d r e a c t o r s ( F B R ) . R i c h a r d s o n a n d Z a k i [ 1 9 5 4 ] d i s c u s s e d i n d e t a i l v a r i o u s f a c t o r s t h a t a f f e c t fl u i d i z a t i o n a n d p r e s e n t e d a n e m p i r i c a l c o r r e l a t i o n b e t w e e n p a r t i c l e v e l o c i t y a n d b e d v o i d a g e d u r i n g fl u i d i z a t i o n . I z a e t a 1 . [ 1 9 8 8 ] d e m o n s t r a t e d t h a t t h e h y d r a u l i c b e h a v i o r o f a p i l o t s c a l e F B R c o u l d b e d e s c r i b e d b y t h i s c o r r e l a t i o n . T h e R i c h a r d s o n - Z a k i e q u a t i o n w a s m o d i fi e d b y F o u d a a n d C a p e s [ 1 9 7 7 ] f o r d e s c r i b i n g t h e fl u i d i z a t i o n o f n o n - s p h e r i c a l p a r t i c l e s . O t h e r c o r r e l a t i o n s h a v e b e e n d e v e l o p e d b a s e d o n R e y n o l d s n u m b e r a n d p a r t i c l e v e l o c i t y [ G a r s i d e e t a l . , 1 9 7 7 ] a n d G a l i l e o n u m b e r , R e y n o l d s n u m b e r a n d b e d v o i d a g e 3 7 [ W e n a n d Y u , l 9 6 6 ] . A n d r e w s a n d T i e n [ 1 9 7 9 ] o b s e r v e d t h a t t h e g r o w t h o f b i o m a s s c a u s e s t h e b e d i n F B R s y s t e m t o e x p a n d . T h i s p h e n o m e n a c a n b e d e s c r i b e d b y a l i n e a r f u n c t i o n o f b i o m a s s w i t h b e d e x p a n s i o n . T r a c e r s t u d i e s a r e c o m m o n l y u s e d f o r t h e s t u d y o f fl u i d fl o w [ L e v e n s p i e L l 9 7 2 ] . R e b h u n a n d A r g a m a n p r e s e n t e d a t r a c e r a n a l y s i s f o r a r e a c t o r w h i c h i n c l u d i n g d e a d v o l u m e , m i x i n g v o l u m e a n d a p l u g fl o w r e a c t o r u s i n g F c u r v e t e c h n i q u e s [ R e b h u n a n d A r g a m a n , 1 9 6 5 ] . R i e m e r e t a 1 . [ 1 9 8 0 ] s u g g e s t e d t h e d i f f u s i o n o f t r a c e r d y e i n t o a n d o u t o f b i o l o g i c a l fi l m s c o u l d c a u s e t a i l i n g i n t h e r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n c u r v e . S t e v e n s e t a l . [ 1 9 8 6 ] p r e s e n t e d a m o d e l t h a t a c c o u n t s f o r t h e d i f f u s i o n o f a t r a c e r w i t h i n a b i o fi l m . U A S B r e a c t o r s c a n b e o p e r a t e d o v e r a w i d e r a n g e o f H R T s d e p e n d i n g o n t h e d e s i g n o r g a n i c l o a d i n g r a t e a n d i n fl u e n t s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n . T h e o r g a n i c l o a d i n g r a t e r e l a t e s d i r e c t l y t o b i o g a s p r o d u c t i o n i n t h e s l u d g e b e d . T h e f o r m a t i o n o f g a s b u b b l e s c o n t r i b u t e s t o t h e m i x i n g i n t e n s i t y i n t h e s l u d g e b e d z o n e . F l o w r e c i r c u l a t i o n r a t e a l s o e x e r t s a n i n fl u e n c e o n t h e h y d r a u l i c b e h a v i o r . I f t h e r e a c t o r u p fl o w r a t e i s h i g h e n o u g h , i t w i l l a l s o a f f e c t t h e s l u d g e b e d h y d r a u l i c s . A c c u m u l a t i o n o f b i o m a s s m a y c a u s e d e a d v o l u m e a n d r e d u c e a c t i v e w o r k i n g v o l u m e . H o w s t r o n g t h e s e i n fl u e n c e s a r e a n d t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e m u n d e r d i f f e r e n t o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s h a s n o t b e e n s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d . T h e p r e s e n t w o r k i n v e s t i g a t e d t h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a l a b o r a t o r y - s c a l e U A S B r e a c t o r o p e r a t e d a t d i f f e r e n t H R T s , r a n g i n g f r o m 1 1 h o u r s t o 5 . 6 d a y s , o r g a n i c l o a d i n g r a t e s r a n g i n g f r o m 5 t o 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d , a n d s u r f a c e u p fl o w v e l o c i t i e s r a n g i n g f r o m 2 t o 5 g p m / s q f t ( 0 . 1 4 t o 0 . 3 4 c m / s ) o f r e a c t o r c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . T h e i n i t i a l h y p o t h e s i s w a s t h a t a t l o w O L R s , e f fl u e n t r e c i r c u l a t i o n w o u l d p l a y a m a j o r r o l e i n m i x i n g ; a t T U h i A h s S i g h B h y O t o p a L t v h R a , s e r i h t s e w u s i o b a o i s r g o g e a a x s a m n i c p r o i l n o d e u d c t i u s i a d i n g o a n w n g t n d o h w u y l o d d s b t e s e r a u l i o c t h e p r f e x p e fl u x e r r d a o m i t m e e s i n n t a s n : t f ) 1 a n d 2 ) a c t o t fl r u a i c r d e r a fl f f t s o e w c t i n g m i u d i m e o s d o e f l x t i h i n e g n g . a n d 3 8 m o d e l e v a l u a t i o n a t l o w a n d h i g h O L R . B . O r g a n i c l o a d i n g r a t e a n d h y d r a u l i c fl u x e f f e c t s T h e U A S B r e a c t o r d u r i n g t h i s p o r t i o n o f s t u d y w a s o p e r a t e d a t O L R s b e t w e e n 5 a n d 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d . T h e h y d r a u l i c fl u x r a t e w a s v a r i e d f r o m 2 t o 5 g p m / s q f t . T h e U A S B i s c o n s i d e r e d t o b e l i n e a r s y s t e m w i t h r e s p e c t t o h y d r a u l i c b e h a v i o r d u r i n g t h e e n t i r e r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( R T D ) p e r i o d . T h a t i s , t h e c h a n g e s o f r e s p o n s e u n d e r v a r i o u s o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s a r e c o n s i s t e n t f o r t h e w h o l e R T D c u r v e . S i n c e t h e o n l y m a j o r d i s c r e p a n c i e s f r o m C S T R b e h a v i o r e x i s t d u r i n g t h e e a r l y p e r i o d o f t h e o v e r a l l H R T [ 1 9 8 5 ] , t h i s s t u d y f o c u s e d o n r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n d u r i n g t h e i n i t i a l p e r i o d o f t h e s y s t e m H R T . T h i s i s t h e t i m e p e r i o d w h e r e d i f f e r e n c e s i n b e h a v i o r w o u l d b e e x p e c t e d a s a r e s u l t o f c h a n g e s i n s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n , fl o w r a t e , e t c . B - l . U A S B r e a c t o r A n a l l - g l a s s , w a t e r - j a c k e t e d b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r ( s h o w n s c h e m a t i c a l l y i n F i g u r e V I I I B - l ) w i t h a n e m p t y b e d v o l u m e o f 3 . 1 L w a s u s e d f o r a l l h y d r a u l i c e x p e r i m e n t s . T h e u n i t w a s s e a l e d f r o m t h e a t m o s p h e r e t o p r e v e n t o x y g e n e n t r y . I n fl u e n t fl o w w a s p u m p e d u p w a r d t h r o u g h t h e r e a c t o r c o n t i n u o u s l y ( u s i n g a W a t s o n — M a r l o w m o d e l 5 0 3 U t u b i n g p u m p ) , c o n t a c t e d w i t h t h e g r a n u l a r s l u d g e b e d a n d d i s c h a r g e d v i a e f fl u e n t t u b i n g . M i x i n g w a s p r o v i d e d b y b o t h b i o g a s p r o d u c t i o n a n d b y h y d r a u l i c o f t h r e e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e s a t e a c h O L R , a n d t h e c o n t r o l p a r a m e t e r s , ( i . e . p H , g a s 3 9 r e c i r c u l a t i o n . T h e r e c y c l e fl o w w a s p u m p e d b a c k t o t h e b o t t o m o f t h e r e a c t o r a n d m i x e d w i t h t h e f e e d j u s t p r i o r e n t e r i n g t h e r e a c t o r p r o p e r . G a s / l i q u i d / s o l i d s e p a r a t i o n w a s a c c o m p l i s h e d u s i n g a g a s c o l l e c t o r a t t h e t o p o f t h e r e a c t o r . A c o n c e n t r a t e d s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e , b a s e d o n a w a s t e a n a l y s i s o f a f u l l - s c a l e U A S B p l a n t w h e r e t h e g r a n u l e s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e t a k e n f r o m , w a s u s e d a s t h e i n fl u e n t f e e d ( s e e a p p e n d i x A ) . S e e d g r a n u l a r s l u d g e w a s a c c l i m a t e d w i t h t h e s y n t h e t i c w a s t e f o r m o r e t h a n s i x m o n t h s p r i o r t o i n i t i a t i n g h y d r a u l i c s t u d i e s . T h e g r a n u l e s r a n g e d i n s i z e f r o m 1 t o 3 m m i n d i a m e t e r . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B a r e p r e s e n t e d i n T a b l e V B - l . B - 2 . T r a c e r s t u d y R e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( R T D ) s t u d i e s w e r e p e r f o r m e d u s i n g t h e t r a c e r t e c h n i q u e s d e s c r i b e d b y L e v e n s p i e l [ 1 9 7 2 ] . L i t h i u m w a s u s e d a s a c o n s e r v a t i v e t r a c e r m a t e r i a l . F o r t h e s e e x p e r i m e n t s , 1 2 2 m g o f l i t h i u m c h l o r i d e w a s i n j e c t e d i n t o t h e r e c i r c u l a t i o n t u b i n g j u s t b e f o r e t h e r e a c t o r i n l e t t o p r o d u c e a n i m p u l s e i n p u t . S a m p l e s w e r e c o l l e c t e d a t a s a m p l i n g p o r t i n t h e r e c i r c u l a t i o n t u b i n g a s t h e fl o w e x i t e d t h e r e a c t o r p r o p e r . T h e s a m p l i n g f r e q u e n c y u s e d w a s 1 m i n u t e f o r t h e r e c i r c u l a t i o n e f f e c t s t u d y . S a m p l e s w e r e c e n t r i f u g e d , a n d t h e s u p e r n a t a n t c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s . L i t h i u m c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d b y i o n c h r o m a t o g r a p h y ( D i o n e x m o d e l 4 0 0 0 ) . T h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n e x p e r i m e n t a l d e s i g n i s s h o w n i n T a b l e V B - 2 . B - 3 . O r g a n i c l o a d i n g a n d h y d r a u l i c fl u x e f f e c t s I t w a s a s s u m e d t h a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s w e r e r e a c h e d a f t e r a m i n i m u m 4 0 p r o d u c t i o n . m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n a n d e f fl u e n t v o l a t i l e f a t t y a c i d s ) , v a r i e d l e s s t h a n 1 0 % f r o m t h e m e a n . C h a n g e s i n t h e O L R w e r e m a d e b y v a r y i n g t h e i n fl u e n t f e e d r a t e w h i l e m a i n t a i n i n g a c o n s t a n t f e e d c o n c e n t r a t i o n . T h e s l u d g e - b e d v o l u m e w a s f i x e d s u c h t h a t t h e u n e x p a n d e d ( s e t t l e d ) v o l u m e i n t h e r e a c t o r w a s 1 . 5 L t h r o u g h o u t t h e s e e x p e r i m e n t s . T h e d e g r e e o f t h e fl u i d i z a t i o n o f t h e s l u d g e b l a n k e t w a s c o n t r o l l e d b y t h e h y d r a u l i c r e c i r c u l a t i o n r a t e . T h e m a t r i x o f r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n e x p e r i m e n t s f o r t h e e a r l y p e r i o d o f o v e r a l l h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e f o r e a c h o r g a n i c l o a d i n g a n d r e c i r c u l a t i o n r a t e i s p r e s e n t e d i n T a b l e V B — 2 . T h e e f fl u e n t f r o m t h e r e a c t o r w a s t r a c k e d f o r m o r e t h a n o n e r e c i r c u l a t i o n a f t e r a d d i n g a p u l s e o f l i t h i u m t o t h e r e a c t o r . F o r e a c h O L R , H R T a n d s u r f a c e u p fl o w r a t e , b i o g a s p r o d u c t i o n a n d b e d h e i g h t ( fl u i d i z e d ) w e r e m o n i t o r e d . D i s p e r s i o n n u m b e r a n d b e d e x p a n s i o n w e r e t h e n c a l c u l a t e d . S t a t i s t i c a l c o m p a r i s o n s w e r e p e r f o r m e d o n t h e e x p e r i m e n t d a t a . T h e R T D r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s V B — 2 t o 5 , a n d T a b l e s V B - 3 a n d 4 . T h e g a s p r o d u c t i o n r a t e i n c r e a s e d p r o p o r t i o n a l l y w i t h t h e O L R ( 2 . 8 t i m e s ; T a b l e V B — 3 ) a s e x p e c t e d . D i s p e r s i o n n u m b e r a s w e l l a s b e d e x p a n s i o n 0 % ) v a r i e d p r i m a r i l y w i t h s u r f a c e u p fl o w r a t e . A m u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t w a s p e r f o r m e d o n d i s p e r s i o n n u m b e r s ( a v e r a g e d ) a t f o u r O L R s . T h e l e a s t s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e a t t h e 0 . 0 5 l e v e l w a s 0 . 1 0 0 8 , w h i c h m e a n s t h e r e a c t o r h y d r a u l i c m i x i n g p a t t e r n s u n d e r f o u r O L R s t e s t e d w e r e n o t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t . A s i m i l a r t e s t w a s c o n d u c t e d f o r t h e d i s p e r s i o n n u m b e r s ( a v e r a g e d ) a t t w o s u r f a c e u p fl o w r a t e s . R e s u l t s i n d i c a t e a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e ( T a b l e V B — 4 ) . T h e t r a c e r p r o f i l e s d u r i n g t h e e a r l y p e r i o d o f a n i m p u l s e v a r i e d c o n s i d e r a b l y w i t h s u r f a c e u p fl o w r a t e ( F i g u r e V B — 4 a n d 5 ) . T h e s e p r o fi l e s v a r i e d s l i g h t l y w i t h O L R ( F i g u r e 4 1 V B - 2 a n d 3 ) . T h e e x t e n t o f m i x i n g w a s p r e d o m i n a n t l y a f f e c t e d b y e f fl u e n t r e c i r c u l a t i o n . o r s u r f a c e u p fl o w r a t e . F o r t h e f i n a l e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n ( n g C O D / L - d , H R T = 2 d ) , t h e c o m b i n a t i o n o f h i g h g a s p r o d u c t i o n a n d h i g h h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e ( 5 g p m / s q f t ) r e s u l t e d i n e x c e s s i v e l o s s o f s o l i d s , a n d r e q u i r e d t e r m i n a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t . T h i s r e s u l t s h o w s t h e i n fl u e n c e o f g a s p r o d u c t i o n a t h i g h o r g a n i c l o a d i n g r a t e s . T h e m i x i n g p r o v i d e d b y t h e g a s b u b b l e s b e c o m e s i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t c o m p a r e d t o h y d r a u l i c fl u x e f f e c t s w h e n t h e H R T i s l o w . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h r e s u l t s r e p o r t e d b y H a l l [ 1 9 8 5 ] . C . E v a l u a t i o n o f e x i s t i n g fl u i d fl o w m o d e l s a n d m o d e l d e v e l o p m e n t M o d e l i n g e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g s t i m u l u s - r e s p o n s e t e c h n i q u e a t O L R s o f 4 a n d 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d H R T r a n g i n g f r o m 1 1 t o 9 9 h r s . T h e s u r f a c e u p fl o w v e l o c i t y u s e d w a s 2 g p m / s q f t . T h e C h o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l , H a l l ' s p a r a l l e l C S T R m o d e l a n d t h e V a n d e r M e e r m o d e l w e r e e v a l u a t e d a n d c o m p a r e d . T w o n e w h y d r a u l i c m o d e l s ( m o d e l 1 a n d m o d e l 2 ) h a v e b e e n d e v e l o p e d t o d e s c r i b e t h e h y d r a u l i c b e h a v i o r o f U A S B u n d e r l o w a n d h i g h O L R . R e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( E c u r v e ) o f a n i n e r t t r a c e r f o l l o w i n g a n i m p u l s e w a s u s e d f o r m o d e l i n g . T h e F c u r v e ( t h e i n t e g r a t i o n o f E c u r v e ) a n a l y s i s w a s e m p l o y e d f o r d e t e r m i n a t i o n o f t r a c e r r e c o v e r y a n d d e a d v o l u m e . I n a d i m e n s i o n l e s s p l o t o f F c u r v e , t h e a r e a b e t w e e n F = 1 a n d F ( 0 ) e q u a l s 1 f o r i d e a l C S T R s . A n a r e a t h a t i s l e s s t h a n 1 i n d i c a t e s t h e e x i s t e n c e o f d e a d v o l u m e . S a m p l i n g f r e q u e n c i e s h e r e w e r e 1 0 % o f t h e H R T . M o d e l p a r a m e t e r s e s t i m a t i o n o f t h e C h o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l , H a l l ' s p a r a l l e l C S T R m o d e l , t h e V a n d e r M e e r m o d e l a n d t h e m o d e l 1 w e r e p e r f o r m e d u s i n g a s o f t w a r e S Y S T A T . F o r t h e m o d e l 2 , a c o m p u t e r s i m u l a t i o n p r o g r a m w r i t t e n w i t h F O R T R A N a n d I M S L w e r e d e v e l o p e d . T h e t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f t h e m o d e l s a n d I : i n a n i d e a l C S V T i i — “ P H “ . - ( H . . R ; A : ; D , . , 9 2 ] + C — a x i a l d i C s X P I p e r s - i D ( o n t c ' - T w ) ] o e f f i c i e n + t E C X P I ‘ F ( ; u - fl u i d v e " l ‘ T “ ) I o c i t y ; L - 4 2 t h e s i m u l a t i o n p r o g r a m a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r s I V a n d I X , r e s p e c t i v e l y . C - l . M o d e l i n g a t l o w O L R F o r t h e U A S B r e a c t o r o p e r a t e d a t O L R o f 4 k g C O D / m 3 b e d - d a n d H R T o f 9 9 h r s , 1 1 m g o f l i t h i u m c h l o r i d e w a s i n j e c t e d i n t o t h e r e a c t o r i n l e t t o p r o d u c e a n i m p u l s e . A p p r o x i m a t e l y 9 0 . 4 % o f l i t h i u m a p p l i e d w a s r e c o v e r e d d u r i n g t h e i n i t i a l 1 . 4 H R T . T h e r e i s a b i g d i s c r e p a n c y b e t w e e n m e a s u r e d d a t a a n d i d e a l C S T R b e h a v i o r u n d e r t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t e s t e d ( F i g u r e V C — l ) . D e s c r i p t i o n o f t h i s n o n - i d e a l fl o w w a s a t t e m p t e d u s i n g f o u r m o d e l s : 1 ) t h e C h o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l , 2 ) t h e H a l l m o d e l 3 ) t h e V a n d e r M e e r m o d e l a n d 4 ) m o d e l 1 d e v e l o p e d d u r i n g t h i s s t u d y . T h i s m o d e l 1 ( F i g u r e V C — 3 ) i n c l u d e s a d i s p e r s i o n p l u g fl o w r e a c t o r f o r t h e b y — p a s s fl o w , t w o p a r a l l e l C S T R s f o r t h e g r a n u l a r b e d a n d a p l u g fl o w r e a c t o r f o r t h e c l a r i fi e r . G r a n u l a r s l u d g e b e d h a s a m i x i n g r e g i o n , d e a d v o l u m e a n d a b y — p a s s fl o w r e g i o n . T h e fi r s t C S T R d e s c r i b e s t h e m a i n m i x i n g r e g i o n o f t h e b e d ( V 1 ) . T h e o t h e r C S T R d e s c r i b e s t h e v o l u m e i n - b e t w e e n t h i s v o l u m e a n d t h e s t a g n a n t r e g i o n , o r d e a d v o l u m e ( V d ) . F o l l o w i n g p a r a l l e l C S T R s a n d a d i s p e r s i o n P E , i s a p l u g fl o w r e a c t o r . T h e m o d e l i s e x p r e s s e d a s t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n ( f o r d e r i v a t i o n s e e C h a p t e r I V A — 1 . 1 ) : ( I V - 1 6 ) w h e r e C , - t r a c e r c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f fl u e n t a t t i m e i ; C , , - e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n a t t ’ = 0 Q . L 2 C , Q , I 1 t D P 4 3 l e n g t h o f d i s p e r s i o n p l u g fl o w r e a c t o r : 8 = L ; T ) = — ; = I — . — ; = ; 4 D , , 1 1 ( Q ) V , V I / v . Q 3 v Q / Q . T d - l a g t r m e o f l u fl o w r e a c t o r ; E : — 2 — ; F = 2 . D e t a i l e d d e v e l o m t f I P g [ Q V , V , / V p e n 0 t h i s fl o w m o d e l a r e p r o v i d e d i n C h a p t e r I V A — l . 1 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g a b o v e r e f e r e n c e d m o d e l s a r e s h o w n i n F i g u r e s V C — 2 ( a ) , ( b ) , ( c ) a n d F i g u r e V C — 4 . T h e f i r s t f e w d a t a p o i n t s i n t h e t r a c e r s t u d y r e p r e s e n t t h e b y p a s s fl o w , e x p r e s s e d a s a d e l t a f u n c t i o n . T h i s i n i t i a l p o r t i o n o f t h e R T D c u r v e w a s n o t fi t w e l l b y a n y o f t h e e x i s t i n g m o d e l s . F o l l o w i n g t h i s i n i t i a l p o r t i o n o f t h e c u r v e a n e x p o n e n t i a l d e c a y c u r v e w a s o b s e r v e d ; t h i s w a s d e s c r i b e d r e a s o n a b l y w e l l b y t h e C h o l e t t e - C l o u t i e r , H a l l a n d t h e V a n d e r M e e r m o d e l s . T h e m o d e l d e v e l o p e d d u r i n g t h i s w o r k ( m o d e l 1 ) fi t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a , i n c l u d i n g t h e i n i t i a l p o r t i o n o f t h e d a t a e x t r e m e l y w e l l . C - 2 . M o d e l i n g a t h i g h O L R T h e b e n c h - s c a l e U A S B w a s o p e r a t e d a t a n O L R o f 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d H R T o f 1 1 h o u r s . L i t h i u m c h l o r i d e ( 1 6 0 m g ) w a s i n j e c t e d a t t h e b a s e o f t h e r e a c t o r . R e c o v e r y o f L i C L w a s 1 0 0 % a t 5 . 3 H R T . A s e x p e c t e d , w h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d , g a s p r o d u c t i o n i n c r e a s e d . T h i s i n t u r n p r o d u c e d b e t t e r m i x i n g w i t h i n t h e s l u d g e b e d . T h u s a m o d e l w i t h a l a r g e r m i x i n g v o l u m e w o u l d d e s c r i b e t h e U A S B w e l l . I n i t i a l r e s u l t s s h o w t h e U A S B d o e s n o t r e p r e s e n t a n i d e a l C S T R ( F i g u r e V C - S ) . P a r a m e t e r s o f C h o l e t t - C l o u t i e r , H a l l a n d V a n d e r M e e r m o d e l s a n d m o d e l 1 w e r e e s t i m a t e d w i t h t h i s d a t a s e t ( F i g u r e V C — 6 ( a ) , ( b ) , ( c ) a n d 9 ) . V a n d e r M e e r ’ s m o d e l d e s c r i b e s t h e U A S B r e a c t o r w i t h g o o d f i t . C h o l e t t - C l o u t i e r ’ s , H a l l ’ s m o d e l s a n d m o d e l 1 w e r e u n a b l e t o fi t t h e d a t a . A n a t t e m p t w a s m a d e t o g h g o 1 d w d p b p s t d d C fl h t F ( e r i l e h e e i e S o i h s c r t u s v e s a O m a c h g d a o t i c T e t c w g r h o R r i r R u i n u e l u R , e t l d r T w i h d P a i fl n v i O T s c t . r g F b g e l b a o o e e e L h R t h 2 u w s t i . t o f R A e T h ) m r e e f f e f a c e a e c e h h r e N e h h t w e b c t o a b r e e a a c h h a r s n l l l e r e a e a a l t e n a m o c d s t a n e n y n u r d r d t o d r i l e c d b i e d i r y g a f b o u ( e e o f o b d s i u n s r v f o c s F e v y o t l i h y l o e i s n u p r r t p g e g i s m s , e o e a l i — k f i b i e y n l m l fl n d r e a u p s d n d o r t a r i e s u l n l o a p g a I l t p u a p i n a r e m a e s f d d h z i s M . y V o p n o g s S i e c t T o r — b p fi s e o a u r d l C i n c L s t t s t s w c l e h a g e e r e u m 7 e a c u a a t h a a l o s h ) d fl b t t d s s o o i i g o a . i d e e h s t i h u e h r r T c r e n w e o o e v e d b l n n s d b e m n e e O e u e i l a o e d d n i e c d t s t k n e s m r m u f L e e e d o i u s e w o g t v o f e t n , g R n o d m n t l r h t e e p e e u , i e l u s i p h s e e l t e e p t l h b l a m n r g n b o o e h e V h w a y m a y d r a i c e n a c e i d n n a g e n o s e k t b a s d w t r g s e x s b n a s h c p i a l o r d i a t n a c e l e u a l t d d d n i d r s s n l o d u a n m n 2 t l u e e e k l e e i i a 2 n e t l v o i r m r e A S g r i m e c i B C i r l s a s e f n i a r M a c e n t . c d o T R fi p t S s p d e r f e e p r n o e e b n n i y e o U n s o i m A a e g p d c n r — l m i c e o a l a r e B d w n f s s e f t o s t e , c , d u , e p u 2 h m e a o . o e a V s g h d s F h . h t e d l a e n s t l p fl n r e r r d s e a e i l o t s a r e y . f o r a s y b A p s a o n y d e s m T s . m a R u t t g u n e R p fl s i e w o e o t h d a l c T r u s l d i o a r d i a d s n i . o s l r o w m p i e o C i l w e m p fi t o d e i n h i n p t g l R i I l i o r i t i n T e e e s g r n t c a n A h r o w o m e i s . s n o e t r o w S n o o n n g i n i e t s d p e d y a . i d r S r n h e e u f t e [ e t s h i n c e g u e e l h , e r e n c c i L b o s i e r s s S y i u M n a l f e c f f s o o i g a o w c r t e a w p l p n a g i t o w e d e o h s , r d r s d t o o e i p r C r b e o g d O b i d r i 4 4 1 9 7 7 ] w a s u s e d a s s o l u t i o n t e c h n i q u e . E q u a t i o n s o f t h i s m o d e l a r e : d C V b 7 = v i ( I ) — Q f C ( I ) ( I V - 2 6 ) M f . < < , E ( t ) = V fl i n ’ i f 0 _ t - 7 : " F o r i m p u l s e ( I V — 2 7 ) 0 . i f a s : — a — — T — a — Z — r — Z - ‘ a — Z - , t > 0 , 0 < z < 1 , . . . ( I V ’ Z S ) t . - B C : C p , ( 0 , t ) = C ( t ) ( I V - 2 9 ) I C : C , , , ( Z , 0 ) = C . , ( I V - 3 0 ) w h e r e C ( t ) i s c o n c e n t r a t i o n w i t h i n C S T R ; C M i s c o n c e n t r a t i o n w i t h i n d i s p e r s i o n p l u g fl o w r e a c t o r ; V } , i s w o r k i n g v o l u m e o f C S T R ( = V - V . 1 ) ; V 4 i s d e a d v o l u m e w i t h i n t h e C S T R ; E ( t ) i s a n i n p u t f u n c t i o n ; 5 , , i s b u l k t r a c e r c o n c e n t r a t i o n ; f i s f r a c t i o n ; Q f i s t h e fl o w f r a c t i o n t h a t e n t e r s t h e m a i n s t r e a m ; M f i s f r a c t i o n o f m a s s i n p u t t h a t g o t h r o u g h r e a c t o r w o r k i n g v o l u m e ; T . - , , i s t r a c e r i n j e c t i o n t i m e ; C D ; i s c o n c e n t r a t i o n i n d i s p e r s i o n P F R ; X i s a v e r t i c a l c o o r d i n a t e ; D , p i s d i s p e r s i o n c o e f fi c i e n t ; u i s fl o w v e l o c i t y w i t h i n t h e r e a c t o r ; L i s t h e l e n g t h o f t h e P F R . D e t a i l e d d e r i v a t i o n s a r e p r o v i d e d i n C h a p t e r I V A — l . 3 . M o d e l 2 f i t t h e t r a c e r d a t a r e a s o n a b l y w e l l ( F i g u r e V C — 8 ) . T h e e s t i m a t e d w o r k i n g v o l u m e ( e x c l u d i n g t h e p l u g fl o w r e g i o n ) , p l u g fl o w v o l u m e , d e a d v o l u m e a n d b y - p a s s fl o w w e r e 9 1 % a n d 9 7 % o f t h e t o t a l r e a c t o r v o l u m e , 2 % a n d 3 % o f t h e t o t a l v o l u m e , 7 % o f t o t a l v o l u m e a n d z e r o , a n d 2 4 % a n d 3 1 % o f t h e t o t a l fl o w , f o r t h e m o d e l 2 a n d t h e V a n d e r M e e r m o d e l , r e s p e c t i v e l y ( F i g u r e V C — 6 ( c ) a n d 8 ) . D e a d v o l u m e i n V a n d e r M e e r m o d e l w a s e s t i m a t e d D f r o m F c u r v e a n a l y s e s . T h e d i s p e r s i o n f a c t o r ( L — : ) w a s 0 . 0 0 1 f o r m o d e l 2 . A r a t i o o f fl o w v e l o c i t y ( u ) t o t h e l e n g t h o f t h e P F R ( f — ) o f 0 . 6 3 5 w a s o b s e r v e d . M o d e l 2 d o e s n o t d e s c r i b e t h e U A S B h y d r a u l i c s u n d e r l o w O L R ( 4 k g C O D / m 3 b e d - d , F i g u r e V C - l O ) b e c a u s e o f d i f f e r e n c e s i n h y d r a u l i c r e g i m e b e t w e e n l o w a n d h i g h O L R . T h i s h y d r a u l i c m o d e l i s u s e d i n t h e d y n a m i c m o d e l i n g o f U A S B r e a c t o r d u r i n g o r g a n i c p e r t u r b a t i o n s ( C h a p t e r D I X ) . T h e t w o f a c t o r s , : a n d — L u — w i l l b e c o m p a r e d w i t h t h a t o b t a i n e d f r o m d y n a m i c m o d e l i n g . 4 6 D . D i s c u s s i o n U A S B r e a c t o r s d o n o t r e p r e s e n t C S T R s u n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t e s t e d . H y d r a u l i c fl u x h a d a s t r o n g i n fl u e n c e o n t h e m i x i n g e f fi c i e n c y o f t h e U A S B s y s t e m a t H R T s o f 2 t o 5 . 6 d a y s , a p p l i e d O L R o f 5 t o 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d a n u p fl o w v e l o c i t y b e t w e e n 2 a n d 5 g p m / s q f t , b a s e d o n d i s p e r s i o n n u m b e r a n a l y s i s . B y c o m p a r i n g F i g u r e V B — 2 w i t h F i g u r e V B — 3 , o n e c a n o b s e r v e t h a t a t t h e r e c i r c u l a t i o n r a t e o f 2 g p m / s q f t , a n i n c r e a s e i n t h e o r g a n i c l o a d i n g r a t e b y a f a c t o r o f 2 . 8 , d i d n o t s i g n i fi c a n t l y c h a n g e t h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s , d e s p i t e a 2 . 8 f o l d i n c r e a s e i n b i o g a s p r o d u c t i o n ( 2 8 0 m l / h r a d d i t i o n a l p r o d u c t i o n , T a b l e V B — 3 ) . A n i n c r e a s e i n t h e r e c i r c u l a t i o n r a t e ( s u r f a c e u p fl o w r a t e ) o f 2 . 5 t i m e s d i d , h o w e v e r , s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e m i x i n g a t O L R o f 5 t o 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d . T h i s i s d e m o n s t r a t e d b y e x a m i n i n g t h e c a l c u l a t e d d i s p e r s i o n n u m b e r s ( b a s e d o n o n e t u r n o v e r ) s h o w n i n T a b l e V B - 4 . A d i s p e r s i o n n u m b e r l a r g e r t h a n 0 . 0 2 i s g e n e r a l l y c o n s i d e r e d t o b e s i g n i fi c a n t i n a c l o s e d p l u g fl o w s y s t e m . U n d e r h i g h r e a c t o r h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e s ( 5 g p m / s q f t ) t h e d i s p e r s i o n n u m b e r w a s 0 . 1 , d o u b l e t h a t o b s e r v e d a t t h e l o w e r h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e ( 0 . 0 5 ) o f c a . 2 g p m / s q f t . R e s u l t s f r o m s t u d e n t t t e s t s s h o w e d t h a t t h e d i s p e r s i o n n u m b e r f o r t h e t w o d i f f e r e n t s u r f a c e u p fl o w r a t e w e r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t ( T a b l e V B — 4 ) . M u l t i p l e c o m p a r i s o n s ( L e a s t s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e t e s t ) f o r d i s p e r s i o n n u m b e r s u n d e r f o u r o r g a n i c l o a d i n g s r e v e a l e d a L s d m o s ) = 0 . 1 0 0 8 > a l l d i f f e r e n c e s o f m e a n s ( T a b l e V B — 3 ) . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e d i f f e r e n c e s a m o n g t h e d i s p e r s i o n n u m b e r s f o r t h e f o u r o r g a n i c l o a d i n g r a t e s w a s n o t s i g n i fi c a n t . D u r i n g t h e i n i t i a l p e r i o d t h e r e a c t o r e x h i b i t s a p a t t e r n o f p l u g fl o w w i t h h i g h d i s p e r s i o n u n d e r a l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t e s t e d . T h e d e g r e e o f m i x i n g i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s e d r e c i r c u l a t i o n a n d r e s u l t a n t i n c r e a s e i n t h e e x p a n s i o n o f t h e g r a n u l a r b e d . D i s t r i b u t i o n c u r v e s w e r e fl a t t e r f o r 4 7 t h e h i g h e r u p fl o w r a t e . i n d i c a t i n g t h a t i n c r e a s e d i n t e r n a l c i r c u l a t i o n s m o o t h e d t h e R T D c u r v e b y p r o v i d i n g g r e a t e r m i x i n g , a n d m o r e h o m o g e n o u s d i s t r i b u t i o n . A l o w e r p e a k r a t i o o f C i / C o w a s o b s e r v e d a t t h e h i g h e r fl o w r a t e s ( F i g u r e V B — 3 ) . T h i s r a t i o s h o u l d a p p r o a c h 1 . 0 f o r a n i d e a l C S T R , b u t o n l y r e a c h e d 0 . 6 9 ( o n a v e r a g e ) i n t h e e x p e r i m e n t a t a s u r f a c e u p fl o w r a t e o f 5 g p m / s q f t . T h i s i n d i c a t e s t h a t s o m e fl o w b y - p a s s o c c u r r e d . A p e a k C i / C o r a t i o o f g r e a t e r t h a n 1 w a s o b s e r v e d f o r r u n s a t t h e l o w e r s u r f a c e u p fl o w r a t e . T h i s i n d i c a t e s t h e p r e s e n c e o f a s i g n i fi c a n t a m o u n t o f d e a d v o l u m e , p r o b a b l y a s a r e s u l t o f i n s u f fi c i e n t e x p a n s i o n o f a n d c h a n n e l i n g t h r o u g h t h e g r a n u l a r b e d . T h i s d e a d v o l u m e w a s r e d u c e d a t h i g h e r i n t e r n a l r e c i r c u l a t i o n ( s u r f a c e u p fl o w ) r a t e s . I t t h u s a p p e a r s t h a t r e c i r c u l a t i o n s e r v e s t o d e c r e a s e d e a d - v o l u m e b u t c o n c u r r e n t l y i n c r e a s e s t h e d e g r e e o f s h o r t - c i r c u i t i n g t h a t o c c u r s . H o w e v e r , a t t h e s a m e r a n g e o f u p fl o w v e l o c i t i e s , H R T s o f 1 1 - 9 9 h o u r s a n d O L R s o f 4 - 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d , t h e o r g a n i c l o a d i n g r a t e h a s s h o w n t o h a v e a m a j o r i n fl u e n c e o n m i x i n g , o b s e r v e d f r o m m o d e l i n g e x p e r i m e n t ( m o d e l 1 a n d 2 ) . I t i s t h u s a p p e a r e d t h a t t h e o r g a n i c l o a d i n g e f f e c t w a s n o t c o n s i s t a n t . T h e m i x i n g e x p e r i m e n t ( V B ) w a s c o n d u c t e d f o c u s e d o n d i s p e r s i o n n u m b e r p e r c y c l e a t t h e i n i t i a l p e r i o d o f t h e R T D c u r v e , t h u s l o c a l e f f e c t ; w h i l e t h e m o d e l i n g e x p e r i m e n t ( V C ) e x a m i n e d t h e w h o l e R T D c u r v e a n d t h e d e s c r i p t i o n s w e r e m o r e g e n e r a l . U n d e r t h e v a r i a t i o n s o f O L R fl u x a n d h y d r a u l i c fl u x , g r a n u l e r b e d e x p a n s i o n w e r e i n c r e a s e d ( 7 % a n d 1 4 % , r e s p e c t i v e l y ) , d e m o n s t r a t e d t h a t b o t h O L R a n d S U V ( s u r f a c e u p fl o w v e l o c i t y ) a f f e c t e d r e a c t o r m i x i n g , a n d t h e h y d r a u l i c fl u x h a d a s t r o n g e r e f f e c t . T h i s i m p r o v m e n t o f m i x i n g t h r o u g h i n c r e a s e d g a s p r o d u c t i o n w a s s u p p o r t e d b y m o d e l i n g e x p e r i m e n t w h e r e S U V w a s fi x e d , a s d e s c r i b e d b y t h e m o d e l s 1 a n d 2 . D i s p e r s i o n n u m b e r f a i l e d t o d e t e c t t h i s c h a n g e s u g g e s t i n g i t i s n o t a g o o d t o o l 4 8 f o r e v a l u a t i n g r e a c t o r h y d r a u l i c s . A c o r r e l a t i o n o f fl u i d i z a t i o n i n d e x ( n ) w i t h b e d v o i d a g e a n d s u p e r f i c i a l v e l o c i t y ( o r e m p t y b e d v e l o c i t y ) ( U b s ) , h a s b e e n u s e d t o d e s c r i b e fl u i d i z e d b e d e x p a n s i o n [ W e n a n d Y u , 1 9 6 6 ] [ F o u d a a n d C a p e s , 1 9 7 7 ] [ G a r s i d e a n d A l - D i b o u n i , l 9 7 7 ] . T h e b e d v o i d a g e c a n b e r e l a t e d t o s u p e r fi c i a l v e l o c i t y i n r e a c t o r b y t h e R i c h a r d s o n - Z a k i e q u a t i o n : U . . . = U , a w h e r e U h , - s u p e r fi c i a l v e l o c i t y ( e m p t y b e d v e l o c i t y ) , U , - t e r m i n a l p a r t i c l e s e t t l i n g v e l o c i t y , 8 — b e d v o i d a g e , n - i n d e x . T h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e i n d e x n w i t h r e a c t o r s y s t e m v a r i a b l e s c a n b e d e t e r m i n e d b y f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p s : 1 1 = 4 . 6 5 + 1 9 . 5 I ? R e < 0 . 2 n = ( 4 . 3 5 + 1 7 . 5 % ) R e 4 ’ " 0 . 2 s R e < 1 . 0 n = ( 4 . 4 + 1 8 % ) R e ' ° ‘ l 1 . 0 . < _ R e < 2 0 0 n = 2 . 3 9 5 0 0 S R e w h e r e d - g r a n u l e d i a m e t e r , D - r e a c t o r d i a m e t e r , R e - R e y n o l d s n u m b e r . T h e i n d e x f o r t h e t w o s i z e s o f g r a n u l e s o b s e r v e d i n t h i s s t u d y ( d = 3 m m , 1 m m , r e s p e c t i v e l y ) f o r t w o d i f f e r e n t u p fl o w v e l o c i t i e s i s p r e s e n t e d i n T a b l e V B - 5 . B y v i s u a l o b s e r v a t i o n , t h e l o w e r p o r t i o n o f t h e b e d ( s l u d g e b e d ) t e n d e d t o h a v e l a r g e r g r a n u l e s a n d a p p e a r e d a s a c o m p a c t n e a r l y s t a t i c b e d ; t h e u p p e r p a r t o f t h e b e d ( s l u d g e b l a n k e t ) h a d s m a l l e r g r a n u l e s a n d fl u i d i z a t i o n c o u l d b e m a i n t a i n e d q u i t e w e l l . R e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e V B — S r e fl e c t t h e f a c t t h a t t h e h y d r a u l i c s w e r e g r e a t l y d i f f e r e n t b e t w e e n t h e s l u d g e b e d a n d s l u d g e b l a n k e t , w i t h l o w e r R e y n o l d s n u m b e r v a l u e s i n t h e s l u d g e b e d r e g i o n . T h i s r e s u l t e d i n n o n - u n i f o r m 4 9 e x p a n s i o n a n d d i f f e r e n t n v a l u e s f o r t h e s l u d g e b e d a n d s l u d g e b l a n k e t r e g i o n . T h e p o o r e x p a n s i o n o f t h e s l u d g e b e d i s l i k e l y t h e p r i m a r y c a u s e o f t h e d e a d v o l u m e o b s e r v e d d u r i n g e x p e r i m e n t s w i t h l o w O L R s a n d h i g h H R T s . T h i s m a y c o n t r i b u t e , i n p a r t , t o t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e a n d t h a t e x p e c t e d f r o m i d e a l C S T R b e h a v i o r . A l l t h r e e e x i s t i n g m o d e l s ( C h o l e t t e - C l o u t i e r ’ s , H a l l ’ s a n d V a n d e r M e e r ’ s ) f a i l e d t o d e s c r i b e t h e U A S B r e a c t o r a t l o w a p p l i e d O L R s ( 4 k g C O D / m 3 b e d - d ) . M o d e l 1 , h o w e v e r , fi t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e l l . T h e d u r a t i o n f o r t h e n e t w o r k i n g fl o w ( t o t a l fl o w r a t e m i n u s b y — p a s s fl o w r a t e , 0 . 9 1 Q ) g o t h r o u g h t h e w o r k i n g v o l u m e ( t o t a l r e a c t o r v o l u m e m i n u s 0 . 7 8 V _ 0 . 7 8 d e a d s p a c e , 0 . 7 8 V ) i s 0 . 8 6 H R T ( 0 . 8 6 = — 0 . 9 1 Q 0 . 9 1 H R T ) . T h i s m e a n s t h e t i m e t h e fl u i d s t a y e d w i t h i n t h e r e a c t o r w a s 1 4 % l e s s t h a n w o u l d b e a n t i c i p a t e d . B y - p a s s fl o w h a s b e e n o b s e r v e d i n t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r , e s p e c i a l l y b e t w e e n t h e b e d a n d t h e g l a s s w a l l o f t h e r e a c t o r . N i n e p e r c e n t o f t h e t o t a l fl o w e n t e r i n g t h e r e a c t o r b y p a s s e d t h e w o r k i n g v o l u m e r e g i o n . A t l o w O L R , t h e s l u d g e b e d w a s r e l a t i v e l y c o m p a c t d u e t o l o w g a s p r o d u c t i o n a n d t h u s p o o r m i x i n g w i t h i n t h e b e d . I n f a c t , c o m p a c t c l u s t e r s o f l a r g e g r a n u l e s i n s l u d g e b e d w e r e o f t e n o b s e r v e d . T h e c a l c u l a t e d d e a d s p a c e o f 2 2 % o f t o t a l r e a c t o r v o l u m e s u g g e s t s a s i g n i f i c a n t p o r t i o n o f t h e g r a n u l e b e d h a s n o t b e i n g u s e d f o r t r e a t m e n t . T h e s p a c e b e t w e e n t h e m a i n w o r k i n g v o l u m e a n d t h e d e a d v o l u m e w a s d e s c r i b e d b y a s m a l l C S T R ( 1 % o f t o t a l v o l u m e a n d t o t a l fl o w ) . T h e c l a r i fi c a t i o n z o n e a b o v e t h e s l u d g e b l a n k e t i n t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r w a s a b o u t 2 0 % o f t h e t o t a l v o l u m e . T h e r e w a s e s s e n t i a l l y n o g r a n u l a r s l u d g e i n t h i s p o r t i o n o f t h e r e a c t o r a l t h o u g h s o m e g r a n u l e s p a s s u p w a r d t h r o u g h t h i s v o l u m e w h e n b u o y e d b y a t t a c h e d g a s b u b b l e s a n d 5 1 ) d o w n w a r d t h r o u g h t h i s r e g i o n a f t e r g a s / s o l i d s e p a r a t i o n o c c u r r e d . H o w e v e r , t h e g a s b u b b l e s p r o d u c e d c o n t i n u o u s l y m i g r a t e f r o m t h e s l u d g e b e d , d u e t o d e g r a d a t i o n o f o r g a n i c m a t e r i a l s , u p t h r o u g h t h i s r e g i o n . T h i s c o n t r i b u t e s t o e x t e n t o f m i x i n g i n t h i s r e g i o n . A t t h e t o p l a y e r o f t h i s r e g i o n , g a s a n d s o l i d s a r e s e p a r a t e d . O b v i o u s l y , t h e h y d r a u l i c s i n t h i s z o n e c o u l d b e d i f f e r e n t f r o m b o t h t h e s l u d g e b e d a n d s l u d g e b l a n k e t . I d e a l l y , t h i s p o r t i o n o f t h e fl o w c o u l d b e d e s c r i b e d a s a d i s p e r s i o n — p l u g fl o w o r a p l u g fl o w a n d a C S T R . I n t h e c a s e o f l o w O L R , a p l u g fl o w r e a c t o r a n d a C S T R j o i n e d w i t h s l u d g e b e d w o r k w e l l , a s w a s p r e d i c t e d b y t h e m o d e l 1 ( F i g u r e V C — 4 ) . A t h i g h O L R , a d i s p e r s i o n P F R i s b e t t e r d e s c r i b i n g t h e c l a r i f i c a t i o n v o l u m e i n U A S B ( F i g u r e V C - 8 ) . T h e p l u g fl o w r e a c t o r h a s 2 % o f t o t a l r e a c t o r v o l u m e a t l o w O L R . T h i s m e a n s m a j o r i t y s p a c e i n t h e c l a r i f i e r w a s w e l l m i x e d b y t h e g a s b u b b l e s . T h e m o d e l 1 a p p e a r s a d e q u a t e i n d e s c r i b i n g t h e n o n - i d e a l b e h a v i o r o f U A S B r e a c t o r a t l o w a p p l i e d O L R s . A t h i g h O L R s , t h e b e n c h U A S B d o e s n o t b e h a v e a s a n i d e a l C S T R . N e i t h e r C h o l e t t e - C l o u t i e r ’ s a n d H a l l ’ s m o d e l n o r m o d e l l d e s c r i b e t h e U A S B h y d r a u l i c s w e l l . T h e V a n d e r M e e r m o d e l a n d m o d e l 2 fi t t h e d a t a w e l l ( F i g u r e V C - 6 ( c ) a n d 8 ) . T h e r e a c t o r w o r k i n g v o l u m e f r o m t h e s e t w o m o d e l s w e r e c l o s e ( 3 % d i f f e r e n c e i n t h e t o t a l v o l u m e ) . B y c o m p a r i s o n , t h e b y — p a s s fl o w e s t i m a t e d b y m o d e l 2 ( 2 2 % o f t h e t o t a l fl o w ) i s m o r e r e a s o n a b l e t h a n t h a t e s t i m a t e d w i t h V a n d e r M e e r m o d e l ( 3 1 % o f t h e t o t a l fl o w ) . A 3 1 % b y - p a s s fl o w m e a n s a m a x i m u m a b o u t 7 0 % o f o r g a n i c s r e m o v a l c a n b e a c h i e v e d . H o w e v e r , o p e r a t i o n a l d a t a f r o m t h e U A S B r e a c t o r s h o w e d a C O D r e m o v a l e f fi c i e n c y o f 8 0 % a n d a b o v e . T h u s t h e U A S B r e a c t o r t e s t e d i s u n l i k e l y t o h a v e 3 0 % o f t o t a l fl o w b y p a s s e d . M o d e l 2 h a s l e s s c o m p a r t m e n t s ( o n e l e s s C S T R ) t h a n d o e s t h e V a n d e r M e e r m o d e l a n d t h u s a r e d u c e d s e t o f d i f f e r e t i a l e q u a t i o n w h i c h r e s u l t e d i n m u c h s i m p l e r 5 1 c o m p u t a t i o n s . A p p a r e n t l y , t h e h i g h e r t h e O L R , t h e m o r e g a s i s p r o d u c e d a n d t h e l a r g e r t h e m i x i n g v o l u m e b e c o m e s . B y c o m p a r i n g t h e s e r e s u l t s w i t h t h e r e s u l t s f r o m t h e l o w O L R m o d e l i n g , o n e c a n o b s e r v e t h a t t h e v o l u m e o f C S T R i n c r e a s e d 1 7 % , f r o m 7 4 % ( m o d e l 1 , F i g u r e V C — 4 ) t o 9 1 % ( m o d e l 2 , F i g u r e V C — 8 ) , o f t o t a l r e a c t o r v o l u m e . T h e i n c r e a s e d m i x i n g s p a c e i s m o s t l y a r e s u l t o f a r e d u c t i o n i n t h e d e a d v o l u m e ( 2 2 % ) . T h i s m e a n s m o r e g r a n u l e s i n t h e b e d w e r e e x p o s e d t o t h e i n c o m i n g s u b s t r a t e . T h e b y - p r o d u c t o f t h i s i m p r o v i n g i s a 1 3 % i n c r e a s e i n b y - p a s s fl o w . T h e fi t o b t a i n e d w i t h t h e d i f f e r e n t fl o w m o d e l s c h a n g e d s i g n i fi c a n t l y w h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d f r o m 4 t o 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d , a n d t h e H R T d e c r e a s e d f r o m 9 9 t o 1 1 h r s . T h e t w o p a r a l l e l C S T R s b e c a m e o n e C S T R , a d i s p e r s i o n p l u g fl o w b y - p a s s s t r e a m r e d u c e d t o a s i m p l e b y - p a s s fl o w , a n d a P F R i s r e p l a c e d b y a d i s p e r s i o n P F R ( F i g u r e V C — 3 a n d 7 ) , s u g g e s t i n g i m p r o v e d a x i a l m i x i n g i n t h e r e a c t o r . T h i s i s m a i n r e a s o n t h a t m o d e l 2 d i d n o t fi t d a t a o b t a i n e d a t l o w O L R ( F i g u r e V C - l O ) . 5 2 b y p a s s i n g f l o w ° _ _ W e t ! / : 3 _ _ I \ n % x g r l l 0 : : V d V m - m i x i n g v o l u m e V d — d e a d v o l u m e V d V l - m i x e d b y p a s s i n g z o n e W W S h o r t - c i r c u i t f l o w S l u d g e S l u d g e b e d I b l a n k e t , Q a ! o r ! _ _ _ . . . 1 : : , _ 9 _ _ . P l u g f l o w V d F i g u r e V B - l . S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f fl u i d fl o w m o d e l s e v a l u a t e d i n t h i s w o r k u C / i I ( ! 1 1 ) C . 4 4 1 - , I O . ' A " . i - . 1 0 . 0 S O S u r f a c e u p fl o w r a t e 2 2 p m / s q f t X X 3 0 a t e r r - d 1 ' Z 3 0 1 e F o g i n u h r y e d V a r B u - l 2 i . c S u r f a c R R R ' m i u u u n n n n ) r t o a : : : a 5 7 1 2 g 5 1 1 n g i p t 0 t o ( f o r E b f e f h e a c v t i u p f l o w r a t e S g p R R R 7 2 / / g m c m 0 4 u u u C g . n n n O C l 0 s 2 4 6 D O g / D C l / O - l D d - / d l - d i n g l s o q a f d t q f 1 5 8 t g g 0 C g C O C O D O D / D l l / l - - l d d - B E 1 0 t ‘ " " “ R R u u n R u n n 6 f I 0 1 ' r O 2 C i / C o ' J 5 3 t ( m i n ) F i g u r e V B - 3 . E f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e o n h y d r a u l i c b e h a v i o r a t 5 g p m / s q f t o C / i C o C l i C 1 . 5 1 . 0 " 0 . 0 5 4 O r g a n i c l o a d i n g 1 0 g C O D / L - d g a m m a a a n E l m a S u r f a c e u p fl o w r a t e : 2 g p m / s q f t + + fl + + $ + € + t a + S u r f a c e u p fl o w r a t e : 5 g p m / s q f t + + a ( J l 5 h | . . l l l ' ' I 1 . 5 1 . 0 “ 0 . 5 " o _ 0 - I — E } - fl - — & , I t ( m i n ) F i g u r e V B - 4 . C o m p a r i s o n o f e f f e c t a t t w o s u r f a c e u p f l o w r a t e s a n d a n o r g a n i c l o a d i n g r a t e o f 1 0 g C O D / L b e d - d O r g a n i c l o a d i n g S g C O D l L - d S u r f a c e u p fl o w r a t e : 2 g p m / s q f t t i r e ' 3 a “ . 1 3 5 1 a . S u r f a c e u p fl o w r a t e : 5 g p m / s q f t 2 0 t ( m i n ) F i g u r e V B - S . C o m p a r i s o n o f e f f e c t a t t w o s u r f a c e u p fl o w r a t e s a n d a n o r g a n i c l o a d i n g r a t e o f 5 g C O D / L b e d - d 5 5 3 . 5 e 3 . . 0 m e a s u r e d d a t a 2 . 5 . 1 , - - — i d e a 1 C S T R 2 . 2 3 . O O 1 . 5 ~ - 0 1 . . . , ‘ “ k n “ . . . . . e 0 . 5 « b “ “ 3 - . . “ m m m m m m m " . . . - . . . . . . . . . . . . . “ e . . . . e . _ , , _ _ ‘ _ _ . . . e 0 i ‘ r r i 0 0 . 2 0 4 0 . 6 O 8 1 1 . 2 1 4 F i g u r e V C - l . M e a s u r e d d a t a c o m p a r e w i t h i d e a l C S T R a t 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . 3 . 5 O 3 4 r 2 . 5 1 ! - 2 1 9 g . U 0 i 3 4 r r e 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 0 F i g u r e V C — 2 ( a ) R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e C h o l e t t e — C l o u t i e r m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . C i / C o 5 6 F i g u r e V C - 2 ( b ) . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e H a l l m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . C i / C o F i g u r e V C - 2 ( c ) . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e V a n d e r M e e r m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . 5 7 b y p a s s fl o w Q 3 D i s p e r s i o n P F 7 A r i 0 4 V 1 J P F } — — > / o é V 2 V d F i g u r e V C - 3 . R e p r e s e n t a t i o n o f M o d e l 1 u s e d t o d e s c r i b e U A S B h y d r a u l i c s a t l o w O L R a n d h i g h H R T 4 0 . 0 2 V 0 . 0 9 i s . S . . ‘ r D i s p e r s i o n P F 1 l 0 . 9 3 " Q 7 2 4 0 . 7 3 v 4 p p j Q 0 . 0 2 V 2 5 . . l " Q 4 0 . 0 1 v 0 . 0 1 a , Q p U V d 0 . 2 2 V A 1 . 5 r » A 1 \ A A \ A 0 . 5 . . A \ A M A 0 t O O 2 0 4 0 . 6 O 8 1 1 2 1 4 F i g u r e V C — 4 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e n e w m o d e l a t O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . o C V C o C / l C 5 8 0 m e a s u r e d — l d c a l C S T R 0 . 3 0 4 » - o . 2 o 1 » 0 . 1 0 4 0 . 0 0 F i g u r e V C — S . M e a s u r e d d a t a c o m p a r e w i t h i d e a l C S T R a t O L R l O g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . 0 . 9 0 0 . 8 0 - 0 . 5 0 1 ' - 0 4 0 - ~ 0 . 3 0 0 0 . 2 0 0 F i g u r e V C — 6 ( a ) . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e C h o l e t t e - C l o u t i e r m o d e l a t O L R l O g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . o C V C o C V C 0 . 9 0 0 . 8 0 ~ - 0 . 7 0 ‘ 0 . 6 0 ‘ 0 . 5 0 4 0 . 4 0 * 0 . 3 0 ‘ 0 2 0 ‘ 0 . 1 0 ‘ 0 . 0 0 5 9 F i g u r e V C — 6 ( b ) . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e H a l l m o d e l a t O L R l O g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . F i g u r e V C - 6 ( c ) . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e V a n d e r M e e r m o d e l a t O L R l O g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . 6 0 f o V d F i g u r e V C — 7 . M o d e l 2 d e s c r i b e s U A S B a t h i g h O L R a n d l o w H R T I M * u s e 1 1 0 0 ‘ l l l « 0 . 5 0 4 u n i . 0 . 3 m “ 0 . 2 0 0 . . 0 1 0 0 4 ’ 0 . 0 0 0 1 : . . 4 0 . 0 0 0 1 . 0 0 0 2 . 0 0 0 3 . 0 0 0 4 . 1 1 3 0 5 . 0 0 0 0 . 0 0 0 F i g u r e V C — 8 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e m o d e l 2 a t O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . C V C o C V C o 6 1 0 . 9 0 0 . 8 0 ' r 0 6 0 ~ 4 - 0 . 5 0 * - 0 . 4 0 4 » 0 . 3 0 4 0 . 2 0 - l 0 . 1 0 ‘ 0 . 0 0 F i g u r e V C — 9 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e m o d e l 1 a t a n O L R 1 0 g C O D / L b e d - d a n d H R T 1 1 h r s . 3 . 5 2 . 5 " 1 . 5 0 0 . 5 w 0 F i g u r e V C — 1 0 . R e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h e m o d e l 2 a t a n O L R 4 g C O D / L b e d - d a n d H R T 9 9 h r s . T a b l e V ' B - l . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r 6 2 d u r i n g h y d r a u l i c e x p e r i m e n t s P a r a m e t e r s R a n g e I n f l u e n t C O D ( g / l ) 1 4 . 1 O r g a n i c L o a d i n g ( g C O D / L - d ) 5 - 1 5 B i o g a s p r o d u c t i o n ( l / l - d ) * 2 5 - 7 . 0 R e a c t o r s u r f a c e u p f l o w r a t e ( g p m / s q f t ) 2 - 5 u p fl o w v e l o c i t y ( c m / s ) 0 . 1 4 - 0 . 3 4 p H 6 . 8 2 - 7 0 B e d e x p a n s i o n ( p e r c e n t o f t o t a l v o l u m e ) 6 3 % - 7 7 % * b a s e d o n s l u d g e b e d v o l u m e ( u n e x p a n d e d ) T a b l e V B - 2 . R T D E x p e r i m e n t a l D e s i g n R u n . H R T O r g a n i c L o a d i n g S u r f a c e u p f l o w r a t e N o . ( d ) ( g C O D / L - d ) ( g p m / s q f t ) 1 5 . 6 5 2 2 5 . 6 5 S 3 3 . 6 8 2 4 3 . 6 8 5 5 2 . 9 1 O 2 6 2 . 9 1 O 5 7 2 . 0 1 5 2 8 2 . 0 1 5 5 O l ( 5 r o g . 8 1 1 g a C 2 . a d O . . 0 0 4 n i D 0 7 i / n c l g - d > S u ( u p g r f p f l m a o / c w s e q e r a t f t ) 2 5 2 5 2 5 2 2 . 2 V 6 8 6 6 7 7 6 6 V t b ‘ 7 / 0 ) ( 0 4 0 1 2 7 8 9 . . . . . . . . 0 5 0 6 9 0 4 0 g d l a u / s c h o n t r i ) n r e y s c r i l o e D n p 0 0 0 0 0 0 0 0 u r e i . . . . . . . . m s 0 1 0 0 0 1 0 0 p 1 5 6 9 4 0 4 4 e b C 1 9 7 5 2 8 9 H ( 5 2 3 2 R T d . . . . ) 6 6 9 2 0 B p 2 2 4 3 3 1 1 4 i r o o ( 5 5 5 5 0 0 4 4 m 5 6 0 0 4 3 7 5 6 3 T a b l e 3 . E f f e c t o f o r g a n i c l o a d i n g r a t e o n U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s * V b - S l u d g e b l a n k e t v o l u m e . V t - R e a c t o r t o t a l v o l u m e * D i s p e r s i o n n u m b e r ( D / u L ) b a s e d o n o n e t u r n o v e r . * M u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t f o r d i s p e r s i o n n u m b e r u n d e r f o u r o r g a n i c l o a d i n g r a t e : L s d o , 0 5 = 0 . 1 0 0 8 N S T a b l e . t V V ( 6 7 B b 3 7 % - / . . ) V 4 2 2 u p g r f a c f p l m o / e w s e a r t t ) q f S U ( 2 5 R e c C i h r a c r u a l c a t e t C o l f i u r s e y o i r c l c e n E H D n p 0 0 f y i e u . . e m r p c a b e f d s r 0 1 5 0 t c 3 3 i r o i n s t o i n c s “ U A S B / C o l t = 0 1 0 . . 0 6 7 9 S t r t t e d t s f = i u 6 e s = g d R . s 5 u n e e 9 t l i a n 8 t f c t s i t o r 6 c * a * n * t 6 4 a . m e a n v a l u e o f e x p e r i m e n t a l t r i a l s a t e a c h s u r f a c e u p f l o w r a t e T a b l e V B — 5 . F l u i d i z a t i o n i n d e x o f U A S B r e a c t o r u n d e r d i f f e r e n t h y d r a u l i c o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d g r a n u l e s i z e s U h , “ G r a n u l e d = 3 m m G r a n u l e d = 1 m m ( g p m / s q f t ) S l u d g e b e d S l u d g e b l a n k e t R e i t R e n 2 5 . 2 3 4 . 6 3 7 1 0 2 . 9 3 5 1 2 . 7 0 4 . 2 4 7 1 0 2 . 9 3 a . e m p t y b e d v e l o c i t y C H A P T E R 6 . K I N E T I C S O F S U B S T R A T E U T I L I Z A T I O N B Y B R E W E R Y G R A N U L E A . I n t r o d u c t i o n R e c e n t w o r k i n v e s t i g a t i n g g r a n u l e s s y s t e m s f r o m U p f l o w A n a e r o b i c S l u d g e B l a n k e t ( U A S B ) r e a c t o r s h a s f o c u s e d o n d e f i n i n g t h e c o m p o s i t i o n , k i n e t i c s a n d m a s s t r a n s f e r w i t h i n t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s . M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f g r a n u l a r s l u d g e h a s b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d [ Z i n d e r , e t a l . 1 9 8 4 ] [ K o s t e r , 1 9 8 6 ] [ K o s t e r a n d C r a m e r , 1 9 8 7 ] [ K o s t e r , e t a l . 1 9 8 6 ] [ F u k u z a k i , e t a 1 . 1 9 9 0 a , 1 9 9 0 b , 1 9 9 1 ] [ W u , l 9 9 1 a ] [ W u , e t a l . 1 9 9 1 b ] [ P e t e r s o n a n d A h r i n g , l 9 9 l ] [ D e B e e r , e t a l . 1 9 9 2 ] [ v a n L i e r , e t a l . 1 9 9 3 ] . K i n e t i c s t u d i e s o f t h e g r a n u l e s w e r e p r o c e e d e d b y s t u d i e s u s i n g b o t h d e fi n e d c u l t u r e s [ S m i t h a n d M a h , l 9 8 0 ] [ Z e h n d e r , 1 9 8 0 ] [ A h r i n g a n d W e s t e r m a n n , l 9 8 5 ] [ A h r i n g a n d W e s t e r m a n n , l 9 8 7 ] [ Z i n d e r , e t a l . 1 9 8 7 ] [ H u s e r , e t a l , 1 9 8 2 ] [ P a t e l , 1 9 8 4 ] a n d m i x e d c u l t u r e s [ L a w r e n c e a n d M c C a r t y , 1 9 6 9 ] [ K u g e l m a n a n d C h i n , 1 9 7 1 ] [ L i n , e t a l , 1 9 8 9 ] [ G u j e r w a n d Z e h n d e r , l 9 8 3 ] [ C h a n g , e t a 1 , 1 9 8 2 , 1 9 8 3 ] [ Z i n d e r , 1 9 8 4 ] [ S m i t h , 1 9 8 7 ] [ K a s p a r , 1 9 7 8 ] [ H e y e s , 1 9 8 3 ] . V a r i o u s s u b s t r a t e s w e r e e x a m i n e d , i n c l u d i n g a c e t a t e , p r o p i o n a t e , b u t y r a t e , i s o b u t y r a t e , v a l e r a t e , e t h a n o l , m e t h a n o l , f o r r n a t e , H 2 - C 0 2 a n d g l u c o s e [ W u , l 9 9 1 a ] [ S c h m i d t , e t a 1 . 1 9 9 3 ] . M e t a b o l i c p e r f o r m a n c e , g r a n u l e p h y s i c a l , c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l c o m p o s i t i o n , s p e c i e s d i s t r i b u t i o n a s w e l l a s u l t r a s t r u c t u r e w e r e o b s e r v e d t o b e r e l a t e d t o t h e w a s t e w a t e r s t h e g r a n u l e s w e r e g r o w n o n / a c c l i m a t e d t o . S u b s t r a t e c o n v e r s i o n r a t e s w e r e o b s e r v e d t o b e c l o s e l y r e l a t e d t o t h e c o m p o s i t i o n o f t h e w a s t e w a t e r t h a t t h e g r a n u l e s w e r e a c c l i m a t e d t o . I n o n e s t u d y , s u l f a t e r e d u c t i o n a c c o u n t e d f o r 2 8 % a n d 6 0 % o f e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e c o n v e r s i o n , r e s p e c t i v e l y , b u t d i d n o t p l a y a s i g n i fi c a n t r o l e i n t h e m e t a b o l i s m o f 6 6 r s d a a h u o O t d M f A i u r s p m e t i l t a r l h e s s r i p i l e s s r c h e n u s u e C o r t s b i r a u t b o o m i o e l b i c a s i r u n b c s s t r s i o m s i a e i n e b e a t o t e l l a s l t a g o , b r t i t r a w u fi b a e t t g a r u z n g r e o 8 i o c d g s 9 d t e y n D n l i e l e t r e n t , a t a u f 6 t r o n e i h t a e n v e m b 9 . e 1 d c h v 1 n s ] 9 h r e u t A A a r , m U a 9 e . d e a t w d l p h d y o a ] e 7 S n [ i r f t l r b t a r 2 c e f d t s e i g u a o B a o f s . p 6 N a t u s e r ] p d t r i S s e h e d h r p t c v b b n h D a r s t e s w n f a l H i t i o n h a r i f a n o e t r s t t [ g s t r e e r l r a R r e s e h d m s u p c p r a i e e a o i a l a i l i i c a t c n e o t t o t n i n o d n b z t l t n d r o i g t v t s m e o a f s a e o fi s b e e i o n p e e d u u g m r H e f n f n l x i e i i y a e r r h m p s p e e s u t s i g a / s n i u o l w d u d e l m l e t x r n t C h i f K i i o t g d n i a n d n u r t a a e 0 r c n i m z a , e f e o a n s r t e d v y t t u t r n m 2 i s l o s a a y l i d e i e s e g o b t p e m p u l t s x o o w r e f u d f i n a M e n p s t o a l h g e e g c e d n n e f o o e o t i c a a m r y s l C a r r n u r , o c n r h s t e u a e s u s t n h a d a b p r u f u 9 m r u p i a l d , r n i o w a e , e w d a e 1 n z e t n a i t l e e t e s t i r t a d s m t l s f 8 n u o t p r c i c r s o e i a y s z r s h t u n r s d a , , f h i o e t r b i 1 o s o e i 9 e e r c d ] s d i e p . a e u a p s e p n p t r 9 g e r t o n s D w s h e i d o t e T h u a p f a o t t o g i o x H a r t o r n t t 8 t o s a i r 0 s m d l n a b e n f d o a a d f u e B a t m e , r t p e . ] e i i e d g s e n o a a n t b d e t r t t c i e s r A s c . s a s r r e i n g a b c t t a e h s e o e e 2 g u h m s a o m c o t n r h i p a o s u r a n o r s l n l u i t h e n e d l w o a n s i s a t e g t t e a n e b H r u r r n t f p [ u d b i d e i t a e s m s . c S z t h t 2 d n t f r e i h r s t m p i T c r i i e c b e a s p i a y t , t i r s e e a n l b a 3 w r o b n e p h r n r e n d l i l n y a i e s c n a 3 o t m a t i a o z r g i - r a n h o d a t s r a a c i i r , y d t a r c u n o i s e f e c fi e d fi o t s l n a e % r k e t l h e l c a e c u a t r l g f r o u f f e e p a e l d n . f s a v l v i d m r m c o n r t s a s r t a g r l i r T r q e a s a b c e t w h o o 9 o r b e d w i e S n i s e t e . i u e t i n i r o e m s l h e [ d a c 1 p i h n i l [ u c h o e D e a l [ e d W n d t a . r r c s i i w t a s f n l r 9 n a f l k e s c T i B f l t i o s u t 3 i r e d s n a f e u c i ] e r a n l g g d c u o . s e m n d r e e s a [ g i m m o e h e l h t i m r B a a e n s v d l i e i o e a t e n n t t i i s a o w , a d m p g a o o s s t l o n e i m e c l s t n t H n e e e i m d o t e c e c f t n o p o a e i y a o n w o o a l o — e l c f h r a t n t e f n . n a p d c r t a a s e . I o g e s n r t s s e n n i u f , 1 r b g a d b t r r e i d e u d d a v s fi r d i f c c u e 9 9 e i w r s t e i t e s a a t c n u d 2 o t y r e w a u t e ] t o s l n e r e , e e u a l t l s l e s t o a t e t h d a a n s n t i n a s i n s i ( ) 7 H 2 , f o r m a t e a n d a c e t a t e [ W u , e t a l . 1 9 9 1 b ] . S c h m i d t a n d c o - w o r k e r s [ S c h m i d t , e t a l . 1 9 9 3 ] h i g h e r t h a n i n t h e b u l k l i q u i d . A n u n s t e a d y s t a t e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r , n , o f 0 . 5 7 - 0 . 6 2 w a s r e p t s g d 0 e [ 2 d u 1 d d g A s i s k s h u r i . f t S 9 i e e h r u n u i . u e b a 4 f f i f b c 8 g a v b n c r b o p s t l 6 n 8 f e f s i h r i 2 n r s e s e u - u c 0 u t ] t s t t a u e n t a i i i e . t e t o d v p 6 C i w r r m z l 0 s t H s . m a d a g i o n a s , l a r r a t r i t r a c i a t s g t t e d e l c A i l [ p , % l t s d a . l g o p 5 a d s r c e l i r 7 d e s n t e o o a e t e e e C o fi o e s d r t n 3 9 s t e l n f o t c , u s a i o 9 e s z t i n d i o n n s t a i 1 s u n s r s a r t l e 3 s r 5 i i u d s p s i f v l a a o g e f n . r o l e s t r ] l i i e d d i d n t r h r e d p c O fi c n a e A p t e i z s t e a . o s o v e h a g c r o e n a h e , n e O d r t i x r r t o t v r e r t d t s i a a n i a a p t r i o e t t a e o i l t e e t t n . a n r r e f 2 r e e n r s e i s t t o b d l s o i n o , l i i i o H l m i w r o t A [ i l n c o f v n r n f h t i h n t p e o 1 e , e n p o K m c h w h 9 a n p e t f i d l a o a e e z o i u 9 e t n a t e i r 3 c M r n n n t n h s o t d n w a t a p e u r n a t e i e g s a o ] e e p d e k w a i i e e i a c t l d g h s w e v h d d o c v s o r N h n e a e I a f y t i e e u b e a d f a d l b n d i c H n e , a n e . n a t u a f d g r i t r g a i i d l V s d a e v e m r i n d e q b c r a e n l n m i i u t e d fi g i d p s i d b s a s f r y r e n . i a e r e t r i n e d c u u b o s i n - s i t i D f a f r u a c s i e c o d b , i r n c t - c e u a f t d m o e u M a r c f a s t n i e p o w m i t i s o t s n o s e e t e a i a t f t o r a r o r f a n r n n f e m r u i h f t s o t o e i e y r c l t h e a c u o i i i u t e l 1 e e r k o e s t s h s e d i a e e n , , o t c u t r s e w n m , u t e n o p a r f d n r o 9 t 9 i s l s h f f m a e f n 8 i i n f s g 8 y a e m t d k s r l i s i e c n 3 g n w l e ] i t . a 6 r l n e c o t d i a i h e ] z r d t d e [ r c A e t A h t . s a o u p t l N i n u a t c v r n O e l s l n e o n a i t n s e a a . a a g e p n m a n l a e n f a d [ r g s o t h e ( e s d t o a f c i s r e e t s l e d p i n f a d w e f b a e i r m s y o t l h n n t e g g , u f e d s i D a e s o r r r n o t d a y d m f a c u a s f f a r i r o t s n h f r a n n t r e o n i f i e t , i b l i u t e u i o u f h - h e B f a n n u e v e s s s o e e e l g s r m t s l e g u a h a w ) t n e r v e n a a e h h e d a t n n r r s i b r a e o t e o i o r n e o i f r u e e s a 3 t i c t t s e e o o , l t a a i c h w v l s c l i g s a n r h a e t g i n l o . e d d z i e l t e e e e . s f f z c h i e t h r c l e l o r f e r r l a g i a i 9 c t i a d l l s r i n 9 i o c i e r m d . m u s h r t o m i i n e a s , n s . s ] y b e i m o t s t p a e n v t F a n o 1 n u i s c . s c w n n u r t c e n s , l v i e ] i 0 l s m h a t t s r d 9 i a 4 m 2 l e t i c l w c e a [ n a o e o a l u t r a g a o l s r n S o m n r c l i r i t s n e o h a e h 9 r n - a i c s d h l s i t u i i b l t T e o c 8 r U i e i o t d h r e e n [ s a 0 h n d h m f e u d n y e o h b a o n t o d S h g A d C e t e p % t e i d r i n g r d e e g a u h i fi f n l n e o f t n s a B f o t f s a u t u i d s w r g r a i h t f n s m o n i a e i m i h h w t t u s , d b s l t l t m e r d y e s l r n o e r y c c i n g t t h n a e o e r s s a b e t o e f a c t o r t a n d n a m i c 6 8 p o i n t o f v i e w , t h r e s h o l d l e v e l s r e p r e s e n t t h e m i n i m a l e n e r g y r e q u i r e d f o r a p a r t i c u l a r s s e l c c h r h d p b o u i e e r i l r m e e t s e e o o i t n m n c r r o ] u p c t o 8 a 8 o m p r ] p a b a n s l a 9 l c h c A o f o o y e c t r [ o r e T t p r s o t c B c o S R e a a o e f e n h e o u a h 1 r o f o b u c u n a c 9 8 c s 2 w q a b c e i p r c m g m s c f i d e u r s t e u t t 0 i 8 g o n t t i c l e s a n r e e M p a e p c [ n J e n t s e i s n t i r e i r r i a r h s t k s o a i v e ] y t s e e e o i o t c t e d d a l e / r m d 1 i i I e h d t c h f s u o t d e s e o t t 9 m f v s o i i u y e w a 9 o i c o n m c s i c a n o t [ l . r o l h 1 s 2 a e t n a e h t r a i r b o x i t s K r r o o e s a n t f t t e e t o f s . t ( s t o e J u r l h c s n n h e i a e v g e u e h o M l e r y g c l H t s d e t e a t t d x d q t e w v g d a i e i e t e a . 2 e e o e v a u d e T h i s s d n d h t m t a n a m o m o i i t n e r o e i c Z r i e z a e t v c i o i e e i o e r s n t t o c n t p o s c e n o d d a n e h n u u h h s h n a n i l d t o [ c m e a r n , t r f t i a d i s b t f e i w d m n e n r b m n r t e d h t i t m h o t e n r 1 m n i f b a a a o e r n d e a e i h t c t e n o x t s t a o r W e s e y r w e m . i f s e w e t a i d o a m l u b t m u n t s f b d a l t e r a e e c u e e y b h i a r e f a r r a e b r i h o l s e l a t t s n e i t t h v u n h u n r A n t n h r s a r n i m a n t c t i o l r . n g r t d 1 n a e e T a e m a h e r t b i t 9 d h n e a u n a P s b n o f c o t s e s i 8 i e r u b t l i 7 i b m r w o e d d n ] p u e t ( d e u n t o s 0 h f a i y n y o e t t h s a e n l r r n t g [ y h 5 e n h a t t r c t d o o [ e 1 a t r t r e g e n o n 9 f r f o r M 8 a 9 h ] , r e q o p / p g e T t e o e o e r f ] u T d e s a r d l a e n l l u i e o d i h r e i p o s n m c a i g r p l e u m d t n e y e t o h i m o s b 9 7 8 i n d d d e s i A r i n b n e o i . e x y a l f n s y A o r H i T n e u p t o g f t e a g i c v r c r o a r P l l p n o w i 2 a [ a f r i a a o a a t A r p r n p p r w p h i i r t o o b a e n 9 a [ n s i e t e r r a o m 9 ) o s t o 1 g e l n t m x i . m c h n c v t e m l h f n o a s o h e o a p s c r 1 e Z r e T o r g n u r o o t P a e t s r y o m n s h r h e p . r a e v H i a p s u a r e n n a e a f c n e x h e n i p l o s e x , l b l h h e d o t i g s t i a t w r t h e c n b a k t i t , o r l e T l s t a f o h a w s a u s t e c . t b h p e 1 l r c e e t i h d o s e r b d n o s a c e v e g g i s i n d r 2 i : s c s 9 s y e i 9 y v s m e s o h l h s e e s i T t o l n e r t t c e a r i s s n . s 1 e c e a e h a t d i t ] n n r t s t / r a . f l r o a M r u e s e o 3 i i e . S n t o d o e l Z m v m r c e r d o c a a L T h n y i h f h e r i a l o s a d a g o n n o h t e e i o v v r f a , t o r . l a e m d n a e n p n l o n e o e p a e D a n f e a i k r e b n l e a n 6 r e i t t p e e o n r o i b l t s i e m m s s . e c e v v n t r f e t f l y 5 f s [ i m n a g r i y o a r g t ) u o r f r 1 a r c r e s d [ P i f e e a e 1 e r r 9 a i n r y w o . c 8 i f f o 8 T m m n r b n e l a n e o o 9 . i i 9 ] r t e t C n i u n a l o m g o b r n h u 5 h H t ] i 2 o c a . e a . d w l t r a s . - n o S c c i w v h l u g o a t b h e ] c r i t n e 0 6 9 i n d i c a t e d a h i g h a c e t a t e t h r e s h o l d ( l — 2 . 5 m M ) f o r M e t h a n o s a c r i n a s p . a n d a l o w l e v e l ( 1 2 7 0 - 7 5 u M ) f o r M e t h a n o t h r i x S p . T h e h i g h e r t h e e l e c t r o n t r a n s f e r e f fi c i e n c y b e t w e e n e l e c t r o n d o n o r a n d e l e c t r o n a c c e p t o r t h e l o w e r t h e s u b s t r a t e t h r e s h o l d . L a r g e a m o u n t s o f e l e c t r o n t r a n s f e r p r o d u c e h i g h e n e r g y y i e l d s , t h u s l o w e r i n g t h e H 2 t h r e s h o l d r e q u i r e d f o r e n e r g y c o n s e r v a t i o n . T h e h i g h a c e t a t e t h r e s h o l d M e t h a n o s a r c i n a s p . c o n s e r v e m o r e f r e e e n e r g y f r o m a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s t h a n t h e l o w a c e t a t e t h r e s h o l d M e t h a n o t h r i x s p . d o e s . I n t h i s c a s e , t h e M e t h a n o t h r i x s p . r e q u i r e l e s s e n e r g y t o c a r r y o u t t h e b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s a n d t h u s a r e m o r e e n e r g y e f fi c i e n t . I n t h i s s t u d y , g r a n u l e s o b t a i n e d f r o m a s y s t e m t r e a t i n g b r e w e r y w a s t e w a t e r w e r e c h a r a c t e r i z e d f o r t h e k i n e t i c s o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n , l i q u i d fi l m r e s i s t a n c e a n d d i f f u s i o n a l r e s i s t a n c e . T e m p e r a t u r e e f f e c t s , r e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s a n d s u b s t r a t e t h r e s h o l d s o f t h e p o p u l a t i o n s w i t h i n t h e g r a n u l e s d u r i n g a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s w e r e e x a m i n e d i n o r d e r t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e p h y s i c o c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l p r o c e s s o c c u r r i n g . E x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a b a t c h - m o d e C S T R ( C h a p t e r V I B ) . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s w e r e t h e s a m e a s i n d i c a t e d i n s e c t i o n B e x c e p t a s o t h e r w i s e s p e c i fi e d . T h e c a r b o n s o u r c e u s e d w a s a c e t a t e f o r m a s s t r a n s f e r , t e m p e r a t u r e e f f e c t s a n d t h r e s h o l d d e t e r m i n a t i o n s . A c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l w e r e u s e d f o r i n t r i n s i c k i n e t i c s a n d d i f f u s i o n l i m i t a t i o n s t u d i e s . T h e m i n e r a l m e d i u m u s e d a n d i n o c u l u m p r e p a r a t i o n a r e d e s c r i b e d i n A p p e n d i x A a n d B 1 , r e s p e c t i v e l y . B i o m a s s d e t e r m i n a t i o n a n d m i c r o s c o p y p r o t o c o l s a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x B 7 a n d C 2 , r e s p e c t i v e l y . A l i n e a r r e g r e s s i o n w a s u s e d t o e s t i m a t e t h e i n i t i a l r a t e o f d e g r a d a t i o n o f e a c h s u b s t r a t e . T h e s e a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s a r e d e t a i l e d i n A p p e n d i x C 2 . i p t c f B C s o a e 1 a r d i p . o c p n u n e o I A B d i l t s i o n t t l l e O n c - b O c s e h t i o p t a n g r i . e r n O e u a n t p o h q i v e s w p r b r s e r r t e r n i p o v B e t a a p i p l y i e . n c D s l t u m m s s s p c s . s e a e R e h c u a i n e m s s h T k n l s n e d s y i c s e - t d a h g w . o t T c e T n a r d a i e y d i t t a 3 i o r 0 t fl n t j s h e r v e r e h 0 e a b b e i t e m a t e r s c r r r t a o k r r u i t e t e t n n g i s d o ) i t s e i o r h n a m l h p e s o . ! r e u o r o e e m c i a a o R m s T r t 1 n 2 e i t i o w - o n a f a f c d x 2 b n m o a g c r r o p u a t t i t 5 a e f t h n w m e e u a o m c o e w r r r g l a g ] 2 t a e e r c s a e h s s 1 r r ( y t w a b e e s i - n e t r s e r t o s y M u a a s y o a m l e g , a r r g d e t a l s m l . p n S e e a i s d d . p e a u p g l r w e a p g e r o n r u u o d T a s a m e e p y w a 1 e e i r o F s l s c p s v . a n i l ( L e i o r 0 d c d g b d i i e t o e w e n n s i 0 l d a t a h n q e 0 d a t e , h d N o e y o r c a n d t s g u p , l t u r b d c c i a s e e . s e e i g p l O n d l t d i p u o m s y w e e c w b n b n p a n e t s t o e e d w o m d g r h t e B e w r c r u a p a o l t a e r r d i t i n n m u t e d e m r i n e i i n p i s o n n h o d s a t p e n n F a l s , g h e a g l w a r i u w l e w e e l n r o e o c u i s p p o r c t e i h f g s s r t e e d a e a r , k r n r o n e t g t t r t m H i 2 i e S c n V s w o s i I t d p g w t m i t d a n i i n g k e t i u h B e n i s o r a e r t n n - y e l r o c i t a l e v f d o l i a l s e u n r i fi s o . t s n d c c n s a t z e e c e p t i e a t w o - a C e m h l t t T e a n m a d m r e l e r i o e t r p d e h e i i t d o . h q e a r n ) r f r t e r t u e e r e i r . s a w o i s r M u l o i d b e h s t n o t l t f h n u r i d i w g a w i g t e i n , y n g t o e b h t l e A a p o n i u o e a c p m g t t g n m n u e t h s p g e a n 7 1 T a b l e V I B — l . B - 2 . E x p e r i m e n t a l d e s i g n a n d m e t h o d s T o m i n i m i z e d i f f u s i o n a l r e s i s t a n c e w i t h i n t h e g r a n u l e s , w h i c h c o u l d m a s k t h e i n t r i n s i c p r o p e r t i e s o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n , t h e a c t i v i t y a s s a y s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 w e r e p e r f o r m e d u s i n g fi n e fl o c p a r t i c l e s ( ~ 3 3 u m i n d i a m e t e r ) o b t a i n e d b y d i s r u p t i n g g r a n u l e s f r o m a l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r ( F i g u r e V I I I — 1 ) . T h e s e g r a n u l e s h a d b e e n a c c l i m a t e d f o r m o r e t h a n s i x m o n t h s t o a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e . T h e c o m p o s i t i o n o f t h i s s y n t h e t i c w a s t e w a s b a s e d o n t h e r e s u l t s o f a o n e w e e k s a m p l i n g c e p i a u p a a a c a o d r c u e r o g s o n c s r c r s o r o e t o s d d t u e d p a c t a p l e e i d s t n n e s e e v i o s n s e t t o s i r b d d r t y o e i a s i r i y e a d l e s t r t r s m u z t o e s n e u t c a c i m r o e , o n e s e t t m r u i a r t c p a a t t i e , a b a e i h n w e v p a t w a r 1 s t o e a d i 0 t r s i e e c l e n d t , t e t p d i . n e e e o r t h e h i o e i e o g n a s u s m s d e n i a t b y r s t e n s p u b p l a e a p a n s i e n r r w a , e A e p g i m o r n t r e s o m h s r i A t d d e e s p d h s k e e r e r i q e . a p e n u e p i m l w r i f d y y p e M i a , t g r e a o s a h m e o s i e d d c , e i c d n d d v a v . . i l e n y fi d m i r d o e w d a n n l s g ( e i n u i r m t n d u d t T r T l i e e e a A x t d r y m i h e e e m p d a e , n i h h A e h n p e n t o B g a u s f p d e 1 s o h s i r t p s r d o a l n - n . a l a t i e w n s u s l e f h p , n e n o e d n a a s i t s o c d a s m T i g v e x c i T a e e r w k p l e a n i n e ) c n e i n A r M g i A e r s t o o i l i d c a n u i s a r h p h a h x n t d l b g a e o t l . a f M t e r h l l u e e g t s l i x u e r o t T z e t i s a o e y a h r r n a e s n l n e e d o t e e e p I i o r o o r c t l r u e i t s a a r f V n s , E d s s s g a q o n B w q u — e l s a m s . o a n o n a n e n e s a f r r t a l e e 1 2 j k o t a u a r e i m n o r i r c r e p d f w c f n a i i n a n t e e n c r c t b o s a s b h i o e e t n t c d o e c A M e , i c w o e t o i e u n s d t c K h e t a c m b u s v t o e s C v g n t t t r d e I e h e r a a o d T m n ) B f i o y h n o p s ( r e l a o i r V . i c s s , g h c a n . c k a t , h p w i e i u i i a c t — n n a e n t S n 3 n o o s l w s i e i m o d m u h t n e n h o q r e u e q u r s t c i s d m i o c f i m a c e ( p c z c i o f o O e n a s e V i p e I n o , a r b a t x p r s ( t n h r u o e d c u s . r t e , m r f c e p o i t f a a t s t s e r t S a o e h t a h n e p i t w e t c w m e d e o a o u e i a i r r n r e l t c c o a r t d t l a n n e b a m n t a t a e m o i a g r t t s t h u o p n e w t o o o h z a v l e s e i i t e t e d r s r e i d f e s n n a p p e r a S Y y r d x n . t r ) a g e n g c 0 c i c s n e r C r e o p e i S , r g m u o c b e e o d e i p T r a d p s fi i A c h w p e a . t r o t d p T c o e a i w n c n h e h n a h r n T s o i i t d h a u u s e n i e d t h u p u t t q n t s e q a t t e o S a ) i e i K e g s r u e m , o t e o n o s h b o i o i b e f l o x u n e n d c s a r n s n i e r i i e e r n a s e r i fi i r t t t a a r a t e r w n t i n t w c t s s o g , , e d d a a t s t e t t h t e o e l l e e , e 7 2 d i f f e r e n t i a l f o r m o f t h e M o n o d e q u a t i o n . B S k X S . _ — : _ : — — m I . . . V I - l a t V ' K , + s , . ( ) w h e r e S - s u b s t r a t e ( m M ) , t - t i m e ( h r ) , V i - u t i l i z a t i o n r a t e o f s u b s t r a t e I ( l i - h ) , k m - m a x i m u m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e ( g / g V S - d ) , X — b i o m a s s a s v o l a t i l e s o l i d s ( g V S ) , 7 3 K S - h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t ( l e 1 ) . E t h a n o l u t i l i z a t i o n a s s a y s w e r e p e r f o r m e d b y i n j e c t i o n o f a c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n ( 2 0 m M ) i n t o t h e r e a c t o r t o o b t a i n a h i g h i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n . C o n c e n t r a t i o n s o f e t h a n o l a n d H z w e r e t h e n t r a c k e d o v e r t i m e . T h e p r o g r e s s c u r v e f o r e t h a n o l d e g r a d a t i o n , a d j u s t e d f o r a n i n i t i a l l a g p e r i o d , w a s fi t t e d t o t h e i n t e g r a t e d f o r m o f t h e M o n o d e q u a t i o n . A n o n - l i n e a r l e a s t s q u a r e s t e c h n i q u e w a s u s e d t o e v a l u a t e k m a n d K s . S r : K L n — " + S - S . V I - 2 . k t h 5 ‘ " . ) 1 < > m l w h e r e t i - t i m e ( h r ) , i = 1 , 2 , 3 , n , k m - m a x i m u m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e ( g / g V S - d ) , X - b i o m a s s a t t h e c o n c l u s i o n ( g V S ) , K s - h a l f v e l o c i t y c o n c e n t r a t i o n ( m M ) , S O - i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n ( m M ) , S i - s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n a t t i m e t i ( m M ) . F o r d e t a i l s o f e t h a n o l a s s a y r e f e r t o C h a p t e r V I I . F o r a l l k i n e t i c p a r a m e t e r s e s t i m a t e d , t h e q u a n l i t y o f c u r v e fi t t i n g i s j u d g e d b y r 2 . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 a r e g i v e n i n A p p e n d i x C . D e r i v a t i o n o f t h e n o n l i n e a r l e a s t s q u a r e s p r o c e d u r e f o r e q u a t i o n s V I - l a n d V I - 2 a r e p r o v i d e d i n A p p e n d i x D . M i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a n e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e ( O l y m p u s , B H - 2 , A p p e n d i x B 7 ) . B i o m a s s w a s c o l l e c t e d a n d d r y w e i g h t d e t e r m i n e d a f t e r e a c h a s s a y . B - 3 . K i n e t i c p a r a m e t e r e s t i m a t i o n f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 T h e i n i t i a l a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s u s e d r a n g e d f r o m 0 . 2 7 m M t o 8 . 6 5 m M a n d f o r p r o p i o n a t e f r o m 0 . 1 m M t o 2 . 1 m M . A t e a c h i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n , s u b s t r a t e c o n v e r s i o n w a s m e a s u r e d w i t h t i m e . T h e l i n e a r r a n g e w a s c h o s e n f o r c a l c u l a t i o n o f t h e i n i t i a l r a t e a t t h a t s d f o p f o o u b s t r a e f a r b o n t r o 2 r s e a m m e t r m 0 h m m t e o r v e t i h e M t f e s e n e d t s . M r e o c e d s i o H o n c o f u h s s n i o o a n 2 C c e r s d i a d c o n t r n e y e g s n t e . t h q i s m e a t a p i r a r u t n T p i n a a i i h t t o o i n a e i l l o t i a o r r e e c e ( n a n l u s i u t K s . n a t c s h t i T a o , e i n l g i n f k h o a a l t ) t h l i d h i o e a 2 a p n : a t H e i z m o e r n e a s n g n n r e o c d n a l a o r d s e t n r a t a 2 d n H e a r s a c g i r e o a K m l n n c H s p ( u d a s d z ) t u s i l r w i t a a w o o h t t e e n n e e r e . r c w e e r d o K a s t a i r t s o e n r h l e e e w m v s t n a e e H 2 p r i c p s d a t o o n s r d a c p a u u n a a r d i n r a l c c e l c k t a y e u i g d m l d t o a s o e a i n t t c t u e b r s a e l a d n r l t v a e r k o l g s t y e r i t c o ( a u f n i n t i s K r m s e t i s i i e o , . n c a d m m ) n c c o K i n t r h i e e n e n w n c e t e r r n e a t t r e t i c i g g n t t h e e e t h a n o l , i a b o t n i s o r a a t s e e n d d 7 4 C H 3 C H 2 0 H + H 2 0 — - > 2 H 2 + C H 3 C O O H a n d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : d H , a i H 2 d E T O H " = [ ] u ) + 2 d r d t ’ ” d t ( V I - 3 ) H , . . w h e r e [ - - - d 7 ‘ - ] a p p i s t h e a p p a r e n t h y d r o g e n c o n s u m p t i o n r a t e , t h a t i s , t h e c h a n g e o f h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n w i t h t i m e i n t h e s y s t e m . i s e t h a n o l c o n s u m p t i o n r a t e . T h e d t i n fl u e n c e o f n — p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e o n t h e h y d r o g e n c o n s u m p t i o n r a t e w e r e i g n o r e d , b e c a u s e t h e c o n c e n t r a t i o n s o f n - p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e ( < 0 . 4 m M a n d < 0 . 7 m M , r e s p e c t i v e l y ) w e r e r e l a t i v e l y l o w c o m p a r e d t o t h a t o f e t h a n o l ( 2 0 m M ) . T h e f i t t e d c u r v e s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 u t i l i z a t i o n a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s V I E — 2 t o V I E — 5 . T h e e s t i m a t e d h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t , K s , a n d m a x i m u m s p e c i fi c u t i l i z a t i o n r a t e , k m , f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l w e r e 0 . 4 5 m M , 0 . 4 0 m M , a n d 3 . 3 7 m M , a n d 5 . 1 1 g / g V S - d , 6 . 2 5 g / g V S - d , a n d 5 . 4 9 g / g V S - d , r e s p e c t i v e l y . T h e a p p a r e n t K s f o r H z w a s 1 5 0 p p m o r 5 . 9 u M ( g a s p h a s e c o n c e n t r a t i o n ) . T h e H 2 7 5 c o n s u m p t i o n r a t e w a s 5 . 4 m M / g V S - h . F i t t e d c u r v e s h a d r 2 o f 0 . 9 9 3 f o r a c e t a t e , 0 . 9 8 6 f o r p r o p i o n a t e , 0 . 9 5 0 f o r e t h a n o l a n d 0 . 8 2 0 f o r h y d r o g e n , r e s p e c t i v e l y . B a c k g r o u n d a c e t a t e , p r o p i o n a t e , a n d e t h a n o l l e v e l s w e r e l e s s t h a n 0 . 1 m M . 7 6 C . M a s s t r a n s f e r w i t h i n b r e w e r y g r a n u l e s C - I . L i q u i d fi l m r e s i s t a n c e M a s s t r a n s f e r t h r o u g h t h e l i q u i d f i l m a r r o u n d t h e g r a n u l e s w a s s t u d i e d u s i n g a b e n c h - t o p M u l t i g e n r e a c t o r s y s t e m ( F i g u r e V I B — l ) . G r a n u l e s w e r e c o l l e c t e d f r o m a l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e ( F i g u r e V I I I — l ) . R e a c t o r e n v i r o n m e n t a l a n d o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s a r e s h o w n i n T a b l e V I B — l . S o d i u m a c e t a t e w a s t h e s o l e c a r b o n a n d e n e r g y s o u r c e u s e d i n f o r m a s s t r a n s f e r e x p e r i m e n t s . A c e t a t e u t i l i z a t i o n w a s i n i t i a l l y m e a s u r e d a t d i f f e r e n t m i x i n g l e v e l s . T h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n i s l i s t e d i n T a b l e V I C — l . I m p e l l e r s p e e d s w e r e v a r i e d f r o m 2 0 0 t o 8 0 0 r p m t o d e t e r m i n e t h e p o i n t a t w h i c h l i q u i d fi l m d i f f u s i o n w a s m i n i m i z e d . T h e i n i t i a l a c e t a t e c o m s u m p t i o n u t i l i z a t i o n r a t e w a s d e t e r m i n e d b y l i n e a r r e g r e s s i o n . A g r a p h i c a l p r e s e n t a t i o n o f a c e t a t e u t i l i z a t i o n a t d i f f e r e n t m i x i n g l e v e l s i s g i v e n i n F i g u r e V I C — 1 . T h e e r r o r b a r ( + / - I S D ) a t 6 0 0 r p m r e p r e s e n t s r e s u l t s o f t h r e e d i f f e r e n t e x p e r i m e n t a l r u n s . A c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g i m p e l l e r s p e e d . A b o v e 6 0 0 r p m , t h e v a r i a t i o n o f a c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e b e c a m e s m a l l , i n d i c a t i n g n e g l i g i b l e i n fl u e n c e o f l i q u i d fi l m o n a c e t a t e c o n s u m p t i o n a t o r a b o v e 6 0 0 r p m . A t a s p e e d o f 8 0 0 r p m , a l i q u i d v o r t e x f o r m e d w i t h i n t h e r e a c t o r a n d t h e g r a n u l e s b e c a m e p h y s i c a l l y d i s r u p t e d . T o e n s u r e l i q u i d fi l m r e s i s t a n c e w a s m i n i m i z e d f o r s t u d y i n g d i f f u s i o n a l e f f e c t w i t h o u t d i s r u p t i n g t h e p h y s i c a l i n t e g r i t y o f t h e g r a n u l e s , a n i m p e l l e r s p e e d o f 6 0 0 r p m w a s c h o s e n f o r a l l s u b s e q u e n t e x p e r i m e n t s . 7 7 C - 2 . E f f e c t o f g r a n u l e s i z e o n s u b s t r a t e d i f f u s i o n I n t h i s p o r t i o n o f t h e w o r k , t h e s p e c i f i c u t i l i z a t i o n r a t e s f o r d i f f e r e n t g r a n u l e s i z e s w e r e c o m p a r e d t o e x a m i n e t h e e f f e c t o f d i f f u s i o n a l r e s i s t a n c e o n s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n . M a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n i s d e s c r i b e d b y t h e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r , 1 1 , w h i c h w a s e s t i m a t e d b y d e t e r m i n i n g t h e r a t i o o f a p p a r e n t s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e o f w h o l e g r a n u l e s , t o t h e i n t r i n s i c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e s o b t a i n e d p r e v i o u s l y ( C h a p t e r V I s e c t i o n B ) . T h e 1 1 i n c l u d e d d i f f u s i o n a l r e s i s t a n c e o n l y . T h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t o f r e a c t i o n — d i f f u s i o n f u n c t i o n w i t h i n t h e g r a n u l e i s g i v e n i n C h a p t e r I V . A l l t h r e e m a j o r c a r b o n s o u r c e s i n t h e b r e w e r y w a s t e , a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l , w e r e s t u d i e d . T h r e e s i z e s o f g r a n u l e s w e r e u s e d ; w h o l e g r a n u l e s ( 1 . 8 — 3 . 0 m m , a v e r a g e 2 . 5 m m ) , p a r t i a l l y d i s r u p t e d g r a n u l e s ( 0 . 1 — 3 . 0 m m , a v e r a g e 1 . 1 m m ) a n d fl o c s ( 2 0 — 7 5 m m , a v e r a g e 3 3 m m ) . W h o l e g r a n u l e s w e r e m e c h a n i c a l l y d i s r u p t e d , w i t h o u t fi l t e r i n g , t o p r o d u c e g r a n u l e s w i t h a n a v e r a g e s i z e o f 1 . 1 m m . T h e s e w e r e f u r t h e r f r a c t i o n a t e d i n t o s m a l l fl o c s ( a v e r a g e s i z e o f 3 3 0 m ) . A t y p i c a l s i z e d i s t r i b u t i o n o f p a r t i a l l y d i s r u p t e d g r a n u l e s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e V I C — 5 . T h e p a r t i a l l y d i s r u p t e d g r a n u l e s h a d a s i z e r a n g i n g f r o m 0 . 1 m m t o 3 . 0 m , w i t h a n a v e r a g e s i z e o f 1 . 1 m m . B o t h p a r t i a l l y d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl o c s w e r e p r e p a r e d i m m e d i a t e l y b e f o r e e a c h e x p e r i m e n t . M e t h o d s o f f o r m a t i o n o f d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl o c s a r e d e s c r i b e d i n A p p e n d i x B . T h e r e a c t o r i m p e l l e r s p e e d f o r t h e d i f f u s i o n e x p e r i m e n t s w a s 6 0 0 r p m . P a r t i c l e s i z e s w e r e m e a s u r e d u s i n g a m i c r o s c o p e ( A p p e n d i x B ) . B i o m a s s c o n c e n t r a t i o n a n d p a r t i c l e s i z e w e r e d e t e r m i n e d a t t h e c o n c l u s i o n o f e a c h a s s a y . T o s t a r t e a c h e x p e r i m e n t , a c o n c e n t r a t e d s u b s t r a t e s o l u t i o n w a s i n j e c t e d i n t o t h e r e a c t o r t o o b t a i n a s t a r t i n g s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n o f 6 m M a c e t a t e , 8 m M p r o p i o n a t e a n d 7 8 3 0 m M e t h a n o l . B a c k g r o u n d s u b s t r a t e l e v e l s p r i o r t o t h e a d d i t i o n o f s u b s t r a t e w e r e l e s s t h a n 0 . 1 m M f o r e a c h s u b s t r a t e f o r a l l a s s a y s . A p p a r e n t s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n b y t h e g r a n u l e s w a s m e a s u r e d w i t h t i m e . T h e i n i t i a l r a t e w a s d e t e r m i n e d u s i n g a l i n e a r r e g r e s s i o n . A l l e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n d u p l i c a t e . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f a c e t a t e u t i l i z a t i o n , u s i n g d i f f e r e n t s i z e d g r a n u l e s , a r e s h o w n i n F i g u r e s V I C — 2 a n d V I C — 3 . A M o n o d t y p e c u r v e o f a c e t a t e u t i l i z a t i o n v e r s u s g r a n u l e s i z e a n d c o n c e n t r a t i o n i s g i v e n i n F i g u r e V I C — 4 . U t i l i z a t i o n r a t e s c l o s e l y f o l l o w e d t h e g r a n u l e s i z e f o r t h e r a n g e s t u d i e d . T h e a p p a r e n t s p e c i fi c a c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e f o r t h e fl o c s w a s m u c h h i g h e r t h a n t h a t o f w h o l e g r a n u l e s . T h e m a x i m u m a p p a r e n t s p e c i fi c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e ( z e r o o r d e r p o r t i o n o f t h e M o n o d c u r v e ) o f t h e w h o l e g r a n u l e s w a s o n l y 1 / 3 o f t h e r a t e o b s e r v e d f o r t h e fl o c s . T h e e s t i m a t e d u n s t e a d y s t a t e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r s , 1 1 , w e r e c a l c u l a t e d t o b e 0 . 3 2 , 0 . 4 1 a n d 0 . 7 5 f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l , r e s p e c t i v e l y ( T a b l e V I C — 2 ) . T o h e l e c t s C t i V d w i i e 2 n u s i u I n w e o d 6 s t e s a r 2 n s s r t C — p q o a r o m t b i n e f u a x f o r g a D ° e s e d e a e , s t 2 f f r c r a w m s . b o l a e s a ° n a p a 3 t a n l a t y ° m e e r e s e l C r n o a c r y e E d i t e r 1 F t d n a e , e e r ° n n f e s e o a o s 3 p i t t n i p f r a u c a o c t p e t . 1 e r s u d u t t f C n n a i g u r g , 6 a u i p m t d e s s r p i r d C e t n A e a A w s o F 0 a g b E o t a A i i s a y s p b r e i f s n . t r s s t s s h a c e y u i a y , e n t p r 2 i 2 u e h r u h e e 6 m r m e p r e s e s a m c g t 3 r t s a e a s t e c b m t t i e s ° v l e r a a s a fi e p n s e f . d z t , a e e d d i v . e V a i o c n u s l A t c r s p a r 3 i A t t i l i a fi e t n e o ° t O t n u e a z ( n t f s C h i i r t e r i z r t g 2 a i y 6 e p n ° . s a c d i g C d C s l s r b 3 u i , t r m i o e . o , e c s A s l o e l e c e u s i a e d r a A T e o u o x a r p e t n p r t e o c c t n ° s n s i r s f . e e e t s c e 1 e a l a e l i l e e r o r d 3 w p p e t p y f s z b p u l s C e d i r t a e e o e t r n e V o u T n i i b o t m d w I f t e b a v o r o h a x m r f e n s i e f e e a e g D l t r t r a i u t r e e e ) t l a . i e o u g d s n t d B n t — r y t a h e 7 s m f l u e p i u s 3 d r . b i , n T n m n r . e r i u n r z e r o t c ° t o A f A s o i F i i l d e o e n m 7 y e e ° — u C r l . e t a t g w a d t e y u a w o w r t h t s a c f s a s s i o n e 3 i s I n 7 c r n D i l i 6 r t h n e 3 s a t t s u d c e B w h n A s l h u s l s z u n c p h n r a c e u a o m r o s a t h n i l c e n a e V r t t e i d m e a t l i o c a v h i a d l I c n p e o n i t z s n i a a u c d r s i - fl o e s a a v z d a s u e e t r t n i i s fl a D o g r f t t e a e e c t l r i n e t e w a t y l , t o u r a . i l a . o b e t a u r e c s a l e a e w t e u e e s s i e u e e t l p e u l t n s o t i h s a e s a t c t o a a i d a t c r t r l e i f i h e o x o c b m z s a s t c p c v c i m e a g i f a d e l t o o a fl e t i o a t n h a m o t a e i e o c n o n i r n n c m i e a i i t k c c r i o l c c a i a g n e l o n s r t V t r f a w f e c n l n n u r e s t e u t a a s i b e e e a c t s d h r a a n t r e d n i e r t s e e m e ’ u e u e e u m w e e z t n l n f f o r 0 a v h t u l n t d n t i 0 e u a a o e p p t a t u t l s e d i i s o o y e e e h e . r H s t e a 2 w 3 m o p a l i d f t 6 n a p f i n f t i 6 r t i g a e r g p e o ° , h t n e u z f a c d a a e w e . e c e n . t i n o f p r a e 0 - a C r s r h a e o c g a A r e p h o u r e f i a i t x o s o r m e n e e r e fl h t a o m e o u r n r l a t e 5 n a p n i , t o y t e d a c r t e t M c e s . e i n a t a d e n d l 7 9 D . T e m p e r a t u r e E f f e c t s A r r e n h n u s e q u a t i o n ( r 2 = 0 . 9 5 ) — 9 8 8 8 . 5 4 k m 2 3 . 3 5 9 r 1 0 l 4 “ I l l — T ] ( V I - 4 ) w h e r e k m i s i n g / g V S - d , T i n ° K , a p p l i e d r a n g e { 2 6 ° C , 3 7 ° C } 8 1 ) T h e a b o v e e q u a t i o n c a n b e e n r e w r i t t e n a s : k E 1 1 b 2 — " — ’ ? = — - — — — ( V I - 5 ) k m . R T . T . w h e r e E i s a c t i v a t i o n e n e r g y . E s t i m a t e d a c t i v a t i o n e n e r g y w a s 1 9 3 8 0 K c a l / m o l e , w i t h i n t h e c o m m o n r a n g e o f a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t s y s t e m s [ M e t c a l f & E d d y , 1 9 9 1 ] . A n o t h e r f o r m o f t h i s e q u a t i o n g i v e s — — k " ” 7 = 1 . 1 2 - " ' 3 7 7 ( V I - 6 ) E R m . w i t h t h e a s s u m p t i o n t h a t i n e q u a t i o n ( 4 ) i s c o n s t a n t a n d w h e r e 1 . 1 2 = e . F o r I 2 t h e w h o l e g r a n u l e s t h i s c o n s t a n t w a s 1 . 0 9 . T h e e s t i m a t e d a c t i v a t i o n e n e r g y w a s 1 5 4 0 0 c a l / m o l e . E . T h r e s h o l d a n d r e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n A s t u d y o f m i n i m u m a c e t a t e a n d h y d r o g e n l e v e l s a n d r e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s w a s c o n d u c t e d . S u b s t r a t e t h r e s h o l d l e v e l s w e r e d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e c o n c e n t r a t i o n a t w h i c h f u r t h e r s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n d i d n o t p r o c e e d . T h e p H a n d t e m p e r a t u r e w e r e r e c o r d e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e m i n i m a l G i b b ' s f r e e e n e r g y f o r a c e t a t e d e c a r b o x y l a t i o n a n d h y d r o g e n o x i d a t i o n . I t w a s a s s u m e d t h a t t h e e n d p r o d u c t s d u r i n g a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s w a s s t o i c h i o m e t r i c a l l y 1 : 1 f o r C 0 2 a n d C H 4 . A s e p a r a t e G C p r o g r a m w a s u s e d t o a c c u r a t e l y q u a n t i t a t e l o w c o n c e n t r a t i o n s o f a c e t a t e ( A p p e n d i x C ) . H y d r o g e n f r o m t h e h e a d s p a c e o f t h e M u l t i g e n r e a c t o r w a s a n a l y z e d u s i n g a R e d u c e d G a s A n a l y z e r ( T r a c e A n a l y t i c a l , R G D 2 ) e q u i p p e d w i t h a m e r c u r i c o x i d e r e a c t i o n 8 1 b e d ( A p p e n d i x C ) . R e s u l t s o f a c e t a t e t h r e s h o l d a n d m i n i m a l G i b b ' s f r e e e n e r g y d u r i n g a c e t a t e m e t a b o l i s m a r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I E — l . T h e r e w e r e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t h e a c e t a t e t h r e s h o l d a n d m i n i m a l f r e e e n e r g y l e v e l s f o r t h e d i f f e r e n t g r a n u l e s i z e s ( fl o c s a n d w h o l e g r a n u l e s ) . T h e t h r e s h o l d a c e t a t e l e v e l r a n g e d f r o m 4 — 7 0 u M . T h i s t h r e s h o l d v a l u e s a g r e e s w e l l w i t h r e p o r t e d l i t e r a t u r e v a l u e s ( T a b l e V I E — 2 ) . T h e m i n i m a l G i b b ' s f r e e e n e r g y a v a i l a b l e f o r a c e t a t e d e c a r b o x y l a t i o n r a n g e d f r o m — 1 . 4 0 t o — 4 . 4 4 k c a l / m o l a c e t a t e ( — 5 . 9 t o - 1 8 . 6 k J / m o l ) , w i t h a n a v e r a g e o f — 2 . 5 3 k c a 1 / m o l a c e t a t e ( — 1 0 . 6 k J / m o l ) . T h e H 2 t h r e s h o l d c o n c e n t r a t i o n s w e r e o b s e r v e d t o v a r y f r o m 5 . 2 t o 2 6 . 3 p p m . T h e s e v a l u e s a r e w i t h i n t h e l i t e r a t u r e v a l u e s b u t f a l l i n t o t h e l o w e r b o u n d o f p r e v i o u s l y r e p o r t e d v a l u e s ( T a b l e V I E — 3 ) . T h e m i n i m u m G i b b ' s f r e e e n e r g y a v a i l a b l e f o r H 2 o x i d a t i o n w a s c a l c u l a t e d t o b e — 1 . 3 k c a l / m o l H 2 ( - — 5 . 4 k J / m o l ) . F . D i s c u s s i o n F o r o u r d e f i n e d r e a c t o r s y s t e m , o p e r a t e d u n d e r c o n t r o l l e d h y d r o d y n a m i c c o n d i t i o n s , w e a s s u m e d t h a t r e s u l t s o b t a i n e d u s i n g fl o c s ( 3 3 p m d i a m e t e r ) w e r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e i n t r i n s i c k i n e t i c s o f t h e b r e w e r y g r a n u l e s . R e s u l t s f r o m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n a s s a y s u s i n g fl o c s w e r e w e l l d e s c r i b e d b y M o n o d k i n e t i c s . A s u m m a r y o f k i n e t i c p a r a m e t e r s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l a n d H 2 o b t a i n e d f r o m d i f f e r e n t s o u r c e s i s p r e s e n t e d i n T a b l e s V I E — 4 a n d V I B — S f o r c o m p a r i s o n . R e s u l t s o b t a i n e d f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d H 2 i n t r i n s i c k i n e t i c s d u r i n g t h i s s t u d y a g r e e w e l l w i t h r e p o r t e d l i t e r a t u r e v a l u e s . T h e m a x i m u m s p e c i fi c u t i l i z a t i o n r a t e , k m , o b t a i n e d u s i n g fl o c s , f o r e a c h s u b s t r a t e i s a t t h e h i g h e r b o u n d o f p r e v i o u s l y r e p o r t e d v a l u e s f o r p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e ( 6 . 2 5 , 5 . 1 1 , g / g v s - d ) . T h e K s v a l u e s a r e a t t h e l o w e r b o u n d o f r e p o r t e d v a l u e s f o r a c e t a t e ( 0 . 4 5 m M ) , e t h a n o l ( 3 . 3 7 m M ) w h i c h w e r e p r o b a b l y a r e s u l t o f m i n i m i z e d d i f f u s i o n l i m i t a t i o n s . T h e K s f o r h y d r o g e n ( 5 . 9 u M ) a g r e e d w e l l w i t h R o b i n s o n a n d T i e d j e [ 1 9 8 2 ] . T h e r e w a s a d i s c r e p a n c y i n t h e h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t K s o b s e r v e d f o r e t h a n o l ( 3 . 3 7 m M , t h i s s t u d y ) c o m p a r e d t o o t h e r w o r k ( l O O m M , [ S m i t h , 1 9 8 7 ] ) . T h i s c o u l d b e t h e r e s u l t o f v a r i a t i o n s i n e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s . A s i n g l e c a r b o n s o u r c e ( e t h a n o l o r p r o p i o n a t e ) w a s u s e d i n p r e v i o u s s t u d y c o m p a r e d t o a c o m p l e x s u b s t r a t e m i x t u r e i n t h i s w o r k . D i f f e r e n c e s i n t h e p r e d o m i n a n t e t h a n o l u t i l i z a t i o n p o p u l a t i o n c o u l d a l s o a c c o u n t f o r t h e s e d i f f e r e n c e s i n k i n e t i c c o n s t a n t s . T h e m i x i n g i n t e n s i t y a p p l i e d d u r i n g t h e l i q u i d fi l m m a s s t r a n s f e r e x p e r i m e n t s c a n b e e x p r e s s e d u s i n g t h e R e y n o l d s n u m b e r s ( N R ) . R e y n o l d s n u m b e r w a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o f o l l o w i n g e q u a t i o n : h e w k t s r W d d T b 1 1 i s a T l A u o g i e i e 5 h ; h o s h e n t d t / g s s n d r n e i e r s n i m c q o a 9 e C e w r n , s h t i o e a u i i c n 3 n u e 0 t r h a c h z ) i fi c 0 a t t y p p t a g a a e — p o e a D — u e ( e e p a n 0 c h i o i n t . t r e p ( c i c S e e o d n a o i i p o u l e a r l i r n ; m n t g s n t t m p — l v l 6 l ) n w b e y n t R e i 0 B e h o s V t i n a r ) i t d r l a e s e r n 0 e f y n f U r e . a e n t l c fl r y t n d R s a s n t s t e l e r o s u p h A I u i u o o u t c e e t t s p e m v N b e r o b n i l S a i t e n ) w n i y s e c s t n B s o t b i d d g R l s i p r s c r p d y d e w u a w u o r e z , a o o t i , h n n l r a a t a d t o a e s l a i t t t a ( m f 0 n a t l t s s d e a u u i l s d e i h e r i l i e u 6 0 o o 0 p e m . 2 t p s e b n e y c t 7 a u n s t i u o e z s c n a t i o d e d ) t i d a e c a r h e a n n d r m A l i n z s c t 9 r 0 b i 0 i r p 6 , s — n i r . , m o e c ) i e o l g 5 t s t b z a n a t e i f f c s e t c e ( i u i n r n w N ( r o 7 r a 4 c s , H M n e r o 0 5 a a f , o t d t n r 4 o e r 0 a y u e r t . / h s 0 t r r d i 0 m r e e y r e t t r % o f a n n e g c e c t h a h a n o 6 e i f k s l i r A e e r t t t i n 3 5 p i u t d r e e p e i 5 . , i ) m 5 t o e f f n . p o r i e s u o p d c r n e a l n f l a r . A e a c o n h e i i e i t ; q t a c 6 r o a h o , l t N i U i r e r a t n u e f s a r n o d e R i r t y i s m e e n a s a s A c r r o — o ( u c i h a S d q t i m t t h b e — l fl h d g t a t u c s s M p fi o F a i u g p s t e i d s o B e e d x e i w g m d i e g m n l i g d i r t t r l d , u a r r s c e u c t i t r u t e m r f o u 6 o z o p e a q m r 0 e o i n u d i t t a a t u a t e h t e e a a e a o n x c t i e t ; f l l y r l s V m i w i t d d d t u l n i e o o , u c t e s l e p s 5 I n t a w — v 3 C — o s b a g h fi o n r o e h h w e a n m e 0 a x i 1 m y e d 0 t r — a n e s e l l s r o s n fl u t e h n n ) m 0 a p n m a u l e s z f n s . — d u f s 8 p i t 1 e m c e s 6 A r e r i s m o t e a e e h e a i g c p y o , h s . 0 r i r n r p o o e 0 i r R r 0 0 h t x o h p e e n r r 6 n t f m l t e c a a s p t w c d 1 a m m f e e f 0 s m a 0 t i r e n r a i i g y n m e t a f e u e c a l o n t o h t 7 e r e z , f e r a s e s c s n p ( h 0 i g m s a s s e n s n t e e f n f a s d e a a c w n d 0 s d r 0 l r y e o t e n s a n u t l r r s u t h c ( n i t o e i q p C b h o t c r s i r c i t t d F l r l u d d l T c u N u a y h a e r e r i a fl h s t i i l u ) i t o n u i m s l e n S s a g t fl i z a t l e , r t h p a e n u r V o i c l m c c i h s t U s , p r o h p o t a d o b b a A o e s R fi r a t e n h f o n ( 1 r e S ( y e c l m o w d r n o I n r e f e D f m r s e r B e d a o g w s a i t o 0 o e a h 0 i p c d t f l a r p s — l i n 2 r t s e u e e t s e e b 0 n l ) s o c e a l t s s a e o t r d c a . m t f , y t s e . e t a n r d . o r d c l a t b A e t l h a e t . . e e 8 3 N . = 2 3 ( v 1 - 7 ) i t fl o c s w a s 3 t i m e s t h e r a t e o f w h o l e g r a n u l e s . T h i s p h e n o m e n u m i s t y p i c a l f o r c e l l s y s t e m s 8 4 w i t h m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n s . T e m p e r a t u r e h a d a s t r o n g i n fl u e n c e o n t h e s p e c i f i c u t i l i z a t i o n r a t e o f a c e t a t e ( T a b l e V I D — l ) . T h i s i m p a c t w a s g r e a t e s t w h e n t h e t e m p e r a t u r e e x c e e d e d 3 1 ° C . T h e m a g n i t u d e o f c h a n g e i n t h e u t i l i z a t i o n r a t e g e n e r a l l y c o r r e l a t e d w i t h t h e g r a n u l e s i z e . W h o l e g r a n u l e s w e r e l e s s s e n s i t i v e t o t e m p e r a t u r e c h a n g e s w h i l e fl o c s w e r e m o s t a f f e c t e d . W h e n t h e t e m p e r a t u r e w a s i n c r e a s e d f r o m 3 1 ° C t o 3 7 ° C , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n b y t h e fl o c s i n c r e a s e d b y c a . 3 . 0 g / g V S - d , a n d w h o l e g r a n u l e s , 0 . 7 g / g V S - d ( T a b l e V I D - l ) . T h e a p p a r e n t u t i l i z a t i o n r a t e d o e s n o t i n c r e a s e e x p o n e n t i a l l y w i t h t e m p e r a t u r e w h e n t h e r e a r e s i g n i fi c a n t m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n s . V a r i a t i o n o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r u n d e r t h e t e m p e r a t u r e r a n g e ( 0 . 3 2 t o 0 . 3 6 ) w a s n o t s i g n i f i c a n t . T h i s a l s o d e m o n s t r a t e d t h a t e f f e c t s o f t e m p e r a t u r e o n s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w e r e m u c h l e s s t h a n t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n a l l i m i t a t i o n s w i t h i n t h e g r a n u l e s . S u b s t r a t e u t i l i z a t i o n i s i n fl u e n c e d b y t e m p e r a t u r e a n d d i f f u s i o n w h e n s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i s fi x e d . T h e m a g n i t u d e o f t h i s i n fl u e n c e d e p e n d s s t r o n g l y o n b i o fi l m s i z e , g e o m e t r y , a n d t h e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f t h e p a r t i c u l a r s y s t e m . I n s l a b g e o m e t r y b i o fi l m s y s t e m s , s u b s t r a t e fl u x ( J ) i n c r e a s e s w i t h t h e s q u a r e r o o t o f t h e m a x i m u m s p e c i fi c u t i l i z a t i o n r a t e ( k m ) , o r J < > c k m " 2 [ R i t t m a n n a n d M c C a r t y , 1 9 8 0 ] . F o r f r e e c e l l s y s t e m s , J o c k m a s i n d i c a t e d b y M o n o d k i n e t i c s . S i n c e k m i s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e , a s s p e c i fi e d b y V a n ’ t H o f f - A r r h e n i u s e q u a t i o n , b i o fi l m s y s t e m s s u c h a s g r a n u l e s a r e l e s s a f f e c t e d b y t e m p e r a t u r e c h a n g e s t h a n d i s p e r s e d c e l l s y s t e m s . T h e i n fl u e n c e o f k m o n s u b s t r a t e fl u x i n g r a n u l a r s l u d g e s y s t e m i s m o r e c o m p l e x d u e t o t h e g e o m e t r y a n d d o e s n o t h a v e a n e x p l i c i t a n a l y t i c a l s o l u t i o n [ B a i l e y a n d 0 1 1 1 3 , 1 9 8 6 ] . T h e b e h a v i o r o f fl o c s w a s w e l l d e s c r i b e d b y t h e V a n ’ t H o f f - A r r h e n i u s e q u a t i o n ( F i g u r e V I D — 3 ) . T h i s s t r o n g l y s u p p o r t s t h e a s s u m p t i o n t h a t r e s u l t s o b t a i n e d u s i n g fl o c s r e p r e s e n t t h e i n t r i n s i c k i n e t i c s o f t h e o r g a n i s m s i n t h e g t g 4 r d r o w t f r e 0 s a s l b i e r h r e ) a a a s n n n u p u u l r l t l t i r p i r t q t v e r e g r d u x r i e h e a n . n o e a n i h o d e u u e 5 e e z r h k i n i r a s r c y a l e g m e n e e e m s g l t t h a c r a e i o e i t t M n r y g o t m s a e s i m t e f e d o l d ( i i t e A . s . r e r p e a T e i g f n n i V h n d o o ( n s a [ r h i h n t T A a r s b y n r o l a a i e e c K a a h y s e r r c s s a u e ’ u y b t h u e m e t n n e s p e a e t d t e b x r t h fl r t i o h n A l a i a u h g s p e g e v e r t r d t e H c e q T s a e s h e t e i f a a a P t p t o l t r u t V l . i i i s f o I r s e r i f l h t t n m r t i o e f u d o u o B s z e e T e e a s t o n a e c u b n e h r - e A t s a e b n l n m n s g r y ) — e c n a u o t e h . t s s d t o n c 4 s t ( f c s o n r g r . u g e n h s K u e , t r i e e t T e t s . n g s s ) h s g s r T r e e t e e s r r . e a w i e t fl r Z a n n r r h h h e y i . , x u t i e s M a k y a e b h a n e o T d s t e k p e e n n l H h c u d o r h r s l t t u o e a f 2 T a l n i e h r e a f a c u . T p e h u s , a f n fi c e r s t e i e s w s n y a s b w s n o h e s n fi e s n 1 K i m h e e m s s p e a e g n t b s o a e i 9 i n n . o y r m q s o r a r r n d e t n p 8 u v t e e i e t y 2 n e v c fl e e t K o T i n s l s i o fi r h o d h r l e o i h r c b t u e t s . o h i s s c h s a o d a s r a ] t f a o e t c o c o t o e a . e a l s c a x s o h s i m K T e s n r n n m s c i v r d c ) c n w o h e e s h r e t e ( b g t p e c a v e d ) i o g e n s e e f l m . e r d d f t 3 d n n h s c o l t n a o d r m n o o t . o o fi a 1 e e a A a l f w n t a i g fl f . e e a e w e d l f e w h o s u c o o t t s i 4 t i e s t v s h a o r K n n a h o p i h t l p e f f s p s r s a r l r e a 0 m t r g a a s ) o n e b w i i l e a e s 3 n e m a c n a t s . t i a e h o s t m fi n i n h n h e e t h fi e l e r g d l c r i m t i e l g d r o f ( r M y a o f u y e 7 t l o e a i m a m l p n w d b l t h e s b ) k w c e e f t d o o M f g o e u i h i w h p l s i i o u e s b i a t a t i r l o n a e l n t h a t c l t K n v s a t t s e o a c l t r c e e y e h o e d u i l d u s o r s e t e c o t c n c i a a s a e e a e [ t M e t h w g n r l n t h h t t r e u e t f s s s o l e t s b h h n t a s a r i f b e t i e u a s t o w n a l b a t l t m n o u r o t e d w r n v k o i a a t s r a z e s o m r o a o e l o e r i e c l m w d i s o m t e n o o o e e t o i h e n a i i t n i o t d n d r i m n c h n c a a d e i o m d l c r e s d n h m a n Z s f s v a x i e t ( m i h F o f ( a e e a e o e i t M b f a l t a b 1 o s v fi e i p i r l s h a r s f o i l 3 a e u r z n e 7 a s e a c , H 2 n d e g i i H r m c i h e r c d l 2 h e o r n t i a o e a g d M n x fi t t i y w m i d i e o n l t — n H a c l f h i u x . r i u e l e e t . i n r — d q i ] a e n D n e 0 4 r s h t a f M d r n o o o ( s a l o a s y e t V t o r l i a f e t h n t l 9 e h a b l h t i r I i a f a . y h o g w n o g e v a l r 8 n e m i . u n n t e o e d g c 7 u o b t d i o n n i e h a p e M o n . t n e S x s r d s t e u 0 n e M l a t ) a g e a i y r f n e b r l b i t , s n h f r t y u t K a t o M d s a r e n d s p 8 5 M e t h a n o s a r c i n a s p . f o r a c e t a t e . A n o t h e r i m p o r t a n t p a r a m e t e r i n d e t e r m i n i n g t h e p s M M M a g p a e m s p v t s l i r l m c c f r e p e e r r e l r a h y o n a e e e t . t d h ( h e t a 1 o a a t o a t o t t t a t o e t u e s a b a e f r e t h w d d s h d t d o t e i e a c f a r y g e i r o t h a n n h i m m m n c e i . e l e m n i o i v o o i o t 1 a a . t s g t n n t s W s n n n i t r r g f e m c d o , o i b a h a g a h a a a t y h c n y n r r t n i n r n h e a m t n s e e / s a o l i o g l t i o e c c e t f o t n e . , t c e e s t b n i i n o C m r a h n s a h o a p ) U l o s t e s x n r t h g 4 . h t a W c , d d h t M n n t r c r s H e e . o ( c y n c t t r a s e a a p a e p C t u n g h a ) e e t h a e r — s s o l d h M r a n c p p i a c r t s t e t a n n s a t t w a i . . a d a o , c k a e o e c o n e l t h t l t a u p e o e n c i e i a m h e t b h s t h l n [ e v h i u t t n r e i c s c t e v o n h r r e s U t a Z i e e e a h s t o n n s o a y a e t a h e a y g ; o o c n e r V I n c n e a o a — t l i l ( h r y a t n l s m A I a e t e e f e r ) i c t T n S i i o e t e g n h v e r p l i o e a o s l e n ( a e t e o v m d w u a u r a e t t r s c e m e r i b t s c h c f i n a B t x i l t i t t n n r p d o c e r e i n e r i e o o . h r p V t t t f s a a c t m n s o o e o e p a . e m l o i a I s e o a d m e w b e e s c l i g n h e c n l t t E p t r e t M e n s s b n e e e r m u . h . a r o , p r v - e e c t h s , r e h a e a i a 1 t 2 s e . n ( t i n o e c t t i i ) n n u w e w e t 8 1 e g 9 h . 7 a d h p r h m t 4 . o b C a t u n o y s t d p n h m r g a e d m a o t r a n v v c t p a t t r v n i a e e s u s t h n e l h e 0 u e s l t a l e l h s , n h e e w a o . e s i a l n , i a i ] 8 o M a n , e t — e s e 0 e a y g s s t / t i o s 0 h a n o . o r 0 r t a e l g t c b r e n o p m g h a a M o a o g t A t f g s n c o a r r e t e m m a t r h e i e o h n ) o a s p v a o n r s n n n n s l a , e p t w n r c t o a s u d u C p c i o t s g e e a i s f i b i i l a i a t e r t t a g t M a f t ) r a h l i t n e n g s n a o r i a h e o s d e p r t c i o e o e c t t v t , p e e r M n r H n e t i h a s a r e i s c t r i 4 a g e c t n a r n o . t f o o t e l a c a n o w M l e a f w h o s a y c . m l t t r a e e s r p ( i o t l t 0 o c p a n l o e t h l , e d o n t e o v r 1 i l i h e . f . o t a e n I e e l p r e e x v p u i n r a i t g r a e . t e n t w h b s — m M h o . 3 x r l n o a . l w i c m o a e r o i e d . n . t s 5 r e I — o e o t . t n m p r r e l n f n r 0 . u t s a h h O o e r a M h t o . i c , s a U . a h r i a t o c t t d e n a p s 5 m g u a i n A i d e h i a o s n u H o m t x h e m a n t g S o c , x i b l e r u d n o M ' l r e l a n c e B l f h c m z f t f e h s t fi r e n u a n f a i n a e b a o . l t c l c e b o w c r , e M n a d a l d e a s t i r s s T , c o c m e a h t l a s t , i t a e o c o e i m d a r c t h e y r y o i n f a t s e e t m i o s h p e o r s t e r e e o . e u e p h i c r r c t e m i e i i h e e e t a n , a s t i h t e i s s t n r n d e t g t c e o a a t f 8 6 S i m i l a r p h e n o m e n a o c c u r f o r H 2 u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e a n a e r o b i c c o n s o r t i a , w h e r e c t f e m t M m c r c a t u h e o a u n h e e o o e h s m t t i r n e m e n s d n d a r c u n e t a s p h h m e t s r g e c r y y e a h a e n e a a o s a n t r t i o t t n n l , t r i d c g b a e i e l n o o l r s n i t r t h e o r g o h f s o a n p s e > t H e a s s r r h m n [ c i o r 2 e i i h a C s t t e c H n o y n e u n h c a l w s e i 2 r w d g f i r r e m a n d e r e H i a s o n a t a s - r o s s a y l 2 u t s e R g a l e u s f u e h m n t m a > e l H r w i n o c n s e e o o i b b C 2 p o o v n s O e m s . s e e t s r u s l l c e n r l l o n d i Z h b e e 0 r h c i t v c . e I , h v a n p e i p T i t 3 t e 1 — h s l C a o r e n t 3 . d 9 s o g H h i b n o f ( i b 8 c c l s s e D 4 n t e 8 i o t o t e s a u . t a h l ] p m e f > f w b e c . e e 9 V p I t g g m e s m e s p c 5 e e t I l a e r e p u 0 h B U w i s E o p — o r e s e n l A a H t u h r p r s o o T . . ) s l 3 . B d t e p t r d a n 3 u o f d e S n y . p o l t v a n n > r n u i e T D h e A a r C u c f a p c r o O a h i r i H p a s h u p s o u l e t i c p r t o e n d s n n t d z i y 2 a c d o h g r d H r r u t h e a r , e f c e o e e i b l e t 2 r r s n d b e t h h e f d g t y a r t r u e s c n b e e u g e h a t d e w r e t e i p e o t h r e n w n e o r l r t o e l f d c o . s e i e t g e z r n p o o r d o , H e a I h e t p o r r e t i i p e y l 2 n s n c t o e n e w d g ( o a r C r r o s h r h a 1 0 a a t i a c l n h o , e t n i v e t d n y n o g a l n e m o e u s p e r d l p d e f r a t e V n n w e l p p c o u e t m s r h i p o o e n i 5 2 e a a c g 0 0 r f d , e h e r l e r t y t h a t r e 0 l s — M s l n e I y o i I p o t o 2 e a e r i r t t e s h r h . r s a h e 0 o n p i . n a c m ) n a d e , t t g h 6 t e n t n h l h o b l E o o a p o s p T b n i i i m s t a t c t a i e t d e w b a c H r c h f h e e r w a t c b a b e o e g c l a e c H i s t e a 2 p s a d , e s 2 r r r e t e t u t o r h n a o l h b i e d t o r i a c a n d f t e r s t e o e n f r a i r e m u o v s r e , e d p . h a t 8 7 m a y h a v e c o n t r o l l e d t h e H 2 c o n c e n t r a t i o n i n t h e s y s t e m . 1 f F i g u r e V I B — l . S c h e m a t i c d i a g r a m o f b e n c h - t o p C S T R s e t 9 9 6 3 0 3 6 ) 6 9 6 @ 8 8 ® 4 2 L M u l t i g e n r e a c t o r I m p e l l e r s S a m p l i n g p o r t H e a t i n g w i r e ( 5 ) T h e r m o s e n s o r T h e r m o m e t e r I m p e l l e r s p e e d c o n t r o l l e r G a s l i n e W a t e r s e a l 6 . 0 0 - _ a ) d - S V g / g ( e t a r n o i t a z i l i t u e t a r t s b u S ) d - S V g l g ( e t a r n o i t a z i l i t u e t a r t s b u S D 8 9 5 . 0 0 4 » 4 . 0 0 * 3 . 0 0 — fi t t e d I m e a s u r e d 2 . 0 0 a 0 . 0 0 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A c e t a t e ( m M ) 4 L 1 ' L l I I I F i g u r e V I E - 2 . A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s fl o c s a n d f i t t e d M o n o d k i n e t i c s . K s = 0 . 4 5 m M , k m = 5 . l l g / g V S - d . ° 0 m e a s u r e d — f i t t e d 0 1 2 3 4 5 6 P r o p i o n a t e ( m M ) F i g u r e V I B - 3 . P r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s fl o c s a n d f i t t e d M o n o d k i n e t i c s . K s = 0 . 4 0 m M , k m = 6 . 2 5 g / g V S - d . ) M i n ( l o n a h t e ) m p p ( n e g o r d y i l 9 0 — f i t t e d a m e a s u r e d L . . . _ _ _ _ _ _ . . _ . _ . . . . — b — — - — ~ — — _ — . - . - _ . . - - . W . . . . . _ . . I ( r N O k ) L I I 3 O F i g u r e V I E - 4 . E t h a n o l u t i l i z a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e fl o c s w i t h fi t t e d M o n o d k i n e t i c s . K s = 5 . 4 9 g / g V S - d , k m = 3 . 3 7 m M . 4 5 0 4 0 0 4 » — fi t t e d 3 5 0 ~ ~ a m e a s u r e d 3 0 0 4 » 2 5 0 4 - 2 0 0 * - 1 0 0 4 ~ 5 0 a » t ( h r s ) F i g u r e V I B - S . H y d r o g e n c o n s u m p t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e fl o c s d u r i n g e t h a n o l c o n v e r s i o n . K s = 5 . 9 1 1 M . h y d r o g e n c o n s u m p t i o n r a t e = 5 . 4 m M / g V S - h . ) h / l o m m ( e t a r n o i t a z i l i t u e t a t e c a 9 1 1 . 6 4 - 1 . 2 4 0 . 8 4 i l 0 . 4 - — i l l l ' ' ‘ 1 ‘ l L 0 i T l l l l t T J 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 m 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 r p m F i g u r e V I C - l . A c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e a t v a r i o u s i m p e l l e r s p e e d s . a c e t a t e = 7 m M , b i o m a s s = 2 g , p H = 7 . 0 , t e m p e r a t u r e = 3 7 ° C . 9 2 8 4 0 w h o l e g r a n u l e 6 ‘ d i s r u p t e d g r a n u l e A A fl o c s E A o o . 3 ‘ A s 4 ' A o r 0 § A ‘ A A A 0 ‘ a p 2 - r A A 0 A O A O o 0 . I . , O — O — O r c m . 0 1 0 2 0 3 0 4 0 t i m e - b i o m a s s ( h r - g V S ) F i g u r e V I C - 2 . A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s , d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl o c s i n b a t c h a s s a y s ( 3 1 ° C ) . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s u t i l i z a t i o n r a t e i n m M a c e t a t e / g V S - h . ‘ 9 3 8 0 W h o l e g r a n u l e 6 A 0 0 ‘ d i s r u p t e d g r a n u l e A A A f l o c s E r O s A ‘ O 3 4 - « A A ‘ 3 O 8 A A m a < M O 2 ~ A “ A . O 1 0 2 0 3 0 t i m e - b i o m a s s ( h r - g V S ) F i g u r e V I C - 3 . A c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s , d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d fl o c s i n b a t c h a s s a y s ( 3 7 ° C ) . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s u t i l i z a t i o n r a t e i n m M a c e t a t e / g V S - h . . 1 1 ~ . . a - r « 4 - 1 4 ) d - S V g / g ( e t a r n o i t a z i l i t u e t a t e c A s e l c i t r a p f o r e b m u N 9 4 + fl o c s + w h o l e g r a n u l e s L L l I 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 A c e t a t e ( m m o l / L ) F i g u r e V I C - 4 . A c e t a t e u t i l i z a t i o n r a t e a t d i f f e r e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s a n d g r a n u l e s i z e s . t e m p e r a t u r e = 3 7 ° C . g r a n u l e d i a m e t e r : fl o c s = 3 3 u m , w h o l e g r a n u l e s = l . 8 5 m m . 3 5 0 O ' 1 » . ' 0 ‘ r — r b ~ 4 0 — - r > — . _ - 0 — F i g u r e V I C - 5 . S i z e d i s t r i b u t i o n o f d i s r u p t e d g r a n u l e s . ) L / l o m m ( e t a t e c a 9 5 I 3 7 0 C 6 % 0 3 1 0 C M 0 ‘ ) “ ‘ 2 6 0 C 4 ‘ . Q 0 I I O 2 " o O 1 I o o I 0 l . W 0 1 0 2 0 3 0 t i m e - b i o m a s s ( h r - g v s ) 4 0 F i g u r e V I D - l . A c e t a t e u t i l i z a t i o n a t 3 7 ° C , 3 1 ° C , 2 6 ° C b y w h o l e g r a n u l e s . T i m e s c a l e w a s a d j u s t e d b y b i o m a s s ( V S , g ) . T h e s l o p e r e p r e s e n t s u t i l i z a t i o n r a t e i n m M a c e t a t e / g V S - h . ) . d - S V ! e g b U / g ( A e 4 t a 4 r A n o + _ i . t a fl z i l u + i t 4 u 4 — — 1 - e a t e t c e A m k n L N l fl o c s a w h o l e g r a n u l e T e m p e r a t u r e ( o C ) F i g u r e V I D - 2 . A c e t a t e c o n s u m p t i o n r a t e o f fl o c s a n d w h o l e g r a n u l e s a t 3 7 ° C , 0 3 1 ° C a n d 2 6 ° C . b a r s r e p r e s e n t + / - S D o f t w o r e p e a t e d a s s a y s . 0 . 0 0 3 2 2 0 . 0 0 3 2 4 0 . 0 0 3 2 6 0 . 0 0 3 2 8 0 . 0 0 3 3 0 0 . 0 0 3 3 2 0 . 0 0 3 3 4 0 . 0 0 3 3 6 l / T ( 1 / o K ) F i g u r e V I D - 3 . L i n e a r i z a t i o n o f k m a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s f o r a c e t a t e u t i l i z a t i o n b y fl o c s . y = 3 3 . 4 4 7 9 3 - 9 8 8 8 . 5 4 x R 2 = 0 . 9 5 ) d - s v g / e t a t e c A g ( ) m K ( N L 9 7 . 1 3 3 6 U N I / K ) F i g u r e V I D - 4 . L i n e a r i z a t i o n o f k m a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s f o r a c e t a t e u t i l i z a t i o n b y w h o l e g r a n u l e s . y = 2 5 . 6 5 8 - 7 8 5 4 . 3 1 x , 1 8 : 0 9 5 . 9 8 T a b l e V I B - l . E n v i r o n m e n t a l a n d o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s u s e d f o r t h e b e n c h - t o p r e a c t o r O p e r a t i o n m o d e b a t c h C S T R T e m p e r a t u r e 3 7 0 C p H 7 . 0 0 : 0 . 0 1 W o r k i n g v o l u m e 1 . 4 - 1 . 5 L G a s s p a c e v o l u m e 0 . 5 - 0 . 6 L I n o c u l u m n 0 . 5 - 2 g 9 9 T a b l e V I E - 2 . S a m p l i n g f r e q u e n c y f o r t h e a c e t a t e u t i l i z a t i o n a s s a y s A c e t a t e S a m p l i n g E x p e r i m e n t p e r i o d ( m m o l / L ) f r e q u e n c y ( h r ) 0 - l 2 m i n 0 5 l - 2 3 m i n 1 2 - 3 5 m i n 1 3 - 5 5 m i n 1 > 5 1 0 m i n 2 T a b l e V I B - 3 . S a m p l i n g f r e q u e n c y f o r t h e p r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n a s s a y s ' P r O p i o n a t e S a m p l i n g E x p e r i m e n t p e r i o d ( m M ) f r e q u e n c y ( m i n ) 0 - l l m i n 2 0 l - 2 2 m i n 3 0 > 2 3 m i n 6 0 1 0 0 T a b l e V I B - 4 . S u m m a r y o f l i t e r a t u r e v a l u e s o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s c o m p a r e t o r e s u l t s f r o m t h i s s t u d y A c e t a t e P r o p i o n a t e T e m p . C u l t u r e R e f e r e n c e s K s k m K s ( m M ) I o n ( ° C ) ( H I M ) ( g / E c d ) ( g / g - d l 2 . 6 8 . 1 0 . 4 3 9 . 6 3 5 s l u d g e L a w r e n c e & M c C a r t y , 1 9 6 9 3 . 0 8 . 5 6 3 5 s l u d g e K u g e l m a n & C h i n , 1 9 7 0 1 . 2 1 8 . 8 0 . 2 9 3 7 3 5 s l u d g e L i n , e t a l . 1 9 8 9 0 . 5 2 3 5 s l u d g e G u j e r w & Z e h n d e r , 1 9 8 3 0 . 8 8 5 . 0 3 0 . 1 3 6 . 4 6 3 5 s l u d g e C h a n g e t a l . 1 9 8 3 3 . 8 3 5 M e t h a n o s a r c i n a S m i t h & M a h , 1 9 7 8 0 . 4 7 3 5 M e t h a n o t h r i x Z e h n d e r e t a l . 1 9 8 0 s o e h n g e n i i 1 . 7 2 7 . 6 0 . 1 8 6 2 . 3 3 5 g r a n u l e W u , 1 9 9 1 a 0 . 4 8 0 . 3 3 5 b r e w e r y g r a n u l e W u & H i c k e y , 1 9 9 1 b 1 0 0 7 . 5 1 0 0 5 . 2 8 3 5 s l u d g e S m i t h , 1 9 8 7 1 . 1 7 ‘ 3 5 d i s i n t e g r a t e d H a m e l a r s & K o s t e r , 1 9 8 6 j a n u l e 2 . 1 ' 3 0 d i s i n t e g r a t e d D e b e e r , e t a l . , 1 9 9 2 fl n u l e 0 . 7 3 5 M e t h a n o t h r i x H u s e r , e t a l . , 1 9 8 1 s o e h n g e n i i ' 0 . 0 4 4 - 3 5 s l u d g e K a s p a r & W u h r m a n n , 1 9 7 8 0 . 1 9 1 0 . 1 5 - 3 5 s l u d g e H e y e s & H a l l , 1 9 8 3 0 . 4 5 0 . 0 0 4 3 7 s l u d g e F u k u z a k i , 1 9 9 0 3 0 . 1 0 4 3 7 M . b a r k e r i ' F u k u z a k i , 1 9 9 0 a 1 . 2 3 5 M e t h a n o t h r i x P a t e l , 1 9 8 4 c o n c i l l i 2 . 8 - 5 . 3 ' 3 0 c r u s h e d g r a n u l e A 1 p h e n a a r , e t a l . , l 9 9 3 2 . 3 - 7 . 9 3 0 g r a n u l e A 1 p h e n a a r , e t a l . , l 9 9 3 0 . 0 1 6 0 . 1 6 3 7 s l u d g e F u k u z a k i , 1 9 9 0 b # 0 4 5 ' 5 . 1 1 ‘ 0 . 4 ' I 6 . 2 5 ' 3 7 b r e w e r y g r a n u l e t h i s w o r k k ( fl O C S ) a m a s s t r a n s f e r w a s n o t l i m i t i n g T a b l e V I B - S . K c i o n m e t p i a c r s e o d t f e o t h r a e n p o o l r t a e n d d v o h a l y u d e r s g i e n n t h t u e i l l i i t z e a r t a i t o u n r e b y t h e b r e w e r y g r a n u l e s 1 0 1 K s k m T e m p . R e f e r e n c e C u l t u r e H 3 ( 1 1 M ) E t h a n E t h a n o l ( 0 C ) 0 1 ( g / g - d ) ( m M ) 4 . 3 3 2 s l u d g e M o s e y , 1 9 8 9 6 . 0 3 3 0 s l u d g e R o b i n s o n & T i e d j e , 1 9 8 2 0 . 3 1 0 0 3 . 8 3 3 5 s l u d g e S m i t h , 1 9 8 7 0 . 1 9 3 5 g r a n u l e W u , 1 9 9 1 a 2 . 9 8 3 5 g r a n u l e W u , 1 9 9 l a 8 . 5 t r i c u l t u r e A h r i n g & W e s t e r m a n n , 1 9 8 7 d i s s o l v e d H z 5 . 9 “ ” 3 . 3 7 a 5 . 4 9 a 3 7 b r e w e r y t h i s w o r k g r a n u l e a m a s s t r a n s f e r w a s n o t l i m i t i n g b d e r i v e d f r o m e t h a n o l d e g r a d a t i o n , i n g a s p h a s e c o n c e n t r a t i o n 1 0 2 T a b l e V I C — l . E x p e r i m e n t a l d e s i g n o f l i q u i d fi l m r e s i s t a n c e e x p e r i m e n t f o r t h e b r e w e r y g r a n u l e s A c e t a t e I m p e l l e r s p e e d B i o m a s s ( m M ) ( r p m ) ( g V S ) 7 2 0 0 2 7 3 0 0 2 7 5 0 0 2 7 6 0 0 2 7 7 0 0 2 7 8 0 0 2 T a b l e V I C - 2 . E s t i m a t e d u n s t e a d y s t a t e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r f o r s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s a t 3 7 ° C a n d p H = 7 . 0 S u b s t r a t e k m , i n t r i n s i c * k m , a p p a r e n t * * n ( s / g V S - d ) ( g / g V S - d ) ( % ) A c e t a t e 5 . l 1 1 . 6 6 3 2 P r o p i o n a t e 6 . 2 5 2 . 6 2 4 1 E t h a n o l 5 . 4 9 4 . 1 6 7 5 * fl o c s * * w h o l e g r a n u l e s T a b l e V l D — l . E a s n t d i m 2 a 6 t 0 e C d . k i m n o / g f g w ' x h s o d - l . e g r a n u l e a n d fl o c s a t 3 7 0 C . 3 1 0 C 1 0 3 I n o c u l u m s o u r c e T e m p e r a t u r e 3 7 0 C 3 1 ° C 2 6 ° C F l o c s 5 . 0 8 1 1 3 2 2 2 . 1 3 : 0 . 8 5 2 1 . 8 5 : 0 . 6 4 1 W h o l e g r a n u l e s 1 . 6 6 1 0 7 2 0 0 . 7 4 1 0 2 2 3 0 . 5 8 : 0 . 4 1 0 * a c e t a t e a s s u b s t r a t e T a b l e V I E — 1 . A c e t a t e t h r e s h o l d a n d c a l c u l a t e d m i n i m u m a v a i l a b l e G i b b ' s f r e e e n e r g y d u r i n g a c e t a t e m e t a b l i s m A c e t a t e A G ' T e m p . C u l t u r e c t h r e s h o l d r a n g e ( u M ) - ( k c a l / m o l ) ( C C ) 1 0 7 0 2 . 8 0 : 0 . 4 9 " 3 1 fl o c s . 1 0 - 2 0 2 . 2 0 : 0 . 0 5 3 1 W h o l e g r a n u l e 1 0 - 6 0 1 . 9 7 : 0 . 9 5 3 7 fl o c s 4 - 2 0 2 . 1 7 : 1 . 1 4 3 7 W h o l e g r a n u l e a . a v e r a g e a c e t a t e t h r e s h o l d 1 6 . 6 m M , A G ~ 2 . 5 3 K c a l / m o l ( ~ 1 0 . 5 5 K J / m o l ) r e a c t i o n : A c e t a t e + H 2 0 — ) C H 4 + H C O 3 ' b . s t a n d a r d d e V i a t i o n c . m e t h a n o g e n i c b r e w e r y g r a n u l e s 1 0 4 T a b l e V I E — 2 . R e p o r t e d a c e t a t e t h r e s h o l d v a l u e s T e m p e r a t u r e A c e t a t e C u l t u r e R e s o u r c e s ( 0 C ) ( u M / m M ) 6 0 2 5 - 7 5 1 . 1 M T A M A h r i n g & W e s t e r m a n n . 1 9 8 7 5 8 1 2 - 2 1 “ M M e t h a n o t h r i x H a n g & Z i n d e r , 1 9 8 9 5 8 0 3 . 1 5 ” M M e t h a n o t h r i x Z i n d e r & K o c h , 1 9 8 4 5 8 0 . 8 . 2 5 m M M e t h a n o s a r c i n a H a n g & Z i n d e r , 1 9 8 9 3 7 6 9 “ M M e t h a n o t h r i x W e s t e r m a n n . 1 9 8 9 3 7 0 . 4 - l . 1 m M M . b a r k e r i F u k u z a k i , 1 9 9 0 a ( d i s s o c i a t e d ) 4 . 4 3 m M ( u n d i s s o c i a t e d ) 3 7 1 , 1 8 m M M . b a r k e r i W e s t e r m a n n . 1 9 8 9 3 7 0 . 3 9 6 m M . M . m a z e i s - 6 W e s t e r r n a n n , 1 9 8 9 T a b l e V I E — 3 . R h e y p d o r r o t g e e d n o h t C t t t n n t n t n ( ( u r r ( r ( r r l o m m o o t t o o e p p t p e e p p h h p p u s s h h h e e h h r o o i i i r r i i c c c c c m m h h a i c i l l e e e t ) ) o g e n s o o p p h h i i l l e e ) ) e d u c e r e n i c b r e w e r y H M H M H H M H M S M y e y e y y e y e u e d t d t d d t d t t l f r h r h a r r h r h h o a o a t o o a o a a g n g n g g n g n e n e o e o n n g g o o e e o e o o e e e o e o o n n g r n g g y r H 4 2 . 0 . d o 2 2 r p ( c ) o h p 1 i a g 0 . - 5 9 0 1 4 - 1 7 5 - 2 . 6 - 6 6 0 5 u 9 e n t n h a r e e r s o h b o e d l s a v a l C L C L Z C t o o o e i o r d - R e l y . & d d - Z e R i r v r e n u & u n 1 w d w K r d - R u w i h i s s t u d y i f f e r e n c d e t r e d e r . s , 1 l 9 9 9 0 9 0 Z o Z u r i i n n e s f o r i s c h . 1 9 d 8 R e 8 s , i e o s r 8 s 5 c , c h h . 1 , c h , 9 1 l 8 8 , 1 8 9 8 9 9 8 8 4 8 , 1 0 5 g r a n u l e “ a . f r o m s i x i n d e p e n d e n t a s s a y s C H A P T E R 7 . I D E N T I F I C A T I O N O F G R A N U L E S T R U C T U R E , M A J O R M I C R O B I A L G R O U P S A N D P A T H W A Y S A . I n t r o d u c t i o n A n a e r o b i c o x i d a t i o n o f e t h a n o l t o c o r r e s p o n d i n g f a t t y a c i d s i s a c c o m p l i s h e d i n c o c u l t u r e s o f e t h a n o l - f e r m e n t i n g , H z - p r o d u c i n g b a c t e r i a . T h e r e d u c t i o n o f p r o t o n s t o f o r m h y d r o g e n a s a r e d u c e d f e r m e n t a t i o n p r o d u c t i s a n e n d e r g o n i c r e a c t i o n u n d e r s t a n d a r d c o n d i t i o n s . T h e s y n t r o p h i c d e g r a d a t i o n o f e t h a n o l , t h e r e f o r e , c a n o n l y o c c u r i f t h e r e d u c i n g e q u i v a l e n t s d e r i v e d c a n b e t r a n s f e r r e d t o s u i t a b l e e l e c t r o n a c c e p t o r s k e e p i n g t h e h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e l o w [ T h a u e r e t a l . 1 9 7 7 ] . T h e e n e r g y a v a i l a b l e f r o m e t h a n o l d e g r a d a t i o n d e p e n d s o n t h e t y p e o f H z - o x i d i z i n g s p e c i e s a n d o n t h e t e r m i n a l e l e c t r o n a c c e p t o r u s e d . S u l f a t e r e d u c i n g b a c t e r i a c a n r e d u c e s u l f a t e , a s a n e l e c t r o n a c c e p t o r , t o s u l fi d e d u r i n g e t h a n o l o x i d a t i o n [ P o s t g a t e a n d C a m p b e l l , 1 9 6 6 ] . I n t h e a b s e n c e o f s u l f a t e , e t h a n o l o x i d a t i o n c a n b e c o u p l e d w i t h h y d r o g e n t r a n s f e r t o m e t h a n o g e n s [ W o l i n , 1 9 7 6 ] [ B r y a n t e t a l . 1 9 7 7 ] . I n t h i s c a s e , e t h a n o l i s o x i d i z e d w i t h a c o n c u r r e n t r e d u c t i o n o f c a r b o n d i o x i d e t o f o r m a c e t a t e o r p r o p i o n a t e [ S c h i n k , 1 9 8 4 ] [ E i c h l e r a n d S c h i n k , 1 9 8 4 ] [ B r a u n e t a l . , 1 9 8 1 ] [ S a m a i n e t a l . , l 9 8 2 ] , o r c o n d e n s e d w i t h a c e t a t e t o f o r m b u t y r a t e [ B o m s t e i n a n d B a r k e r , 1 9 4 8 ] . B a c t e r i a a b l e t o o x i d i z e e t h a n o l t o f o r m a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e w e r e i s o l a t e d f r o m s e w a g e s l u d g e a n d s e d i m e n t s [ E i c h l e r a n d S c h i n k , 1 9 8 4 ] [ S c h i n k , 1 9 8 4 ] F o r m a t i o n o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e w a s a l s o o b s e r v e d i n a n o t h e r s t u d y u s i n g a n e t h a n o l - f e r r n e n t i n g b a c t e r i u m [ S a m a i n e t a l . 1 9 8 2 ] . L a b e l e d a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e w e r e f o u n d t o b e t h e i n t e r m e d i a t e s o f 1 4 C l a b e l e d e t h a n o l d e g r a d a t i o n . A d d i t i o n o f h y d r o g e n i n h i b i t e d e t h a n o l d e g r a d a t i o n a n d r e s u l t e d i n a n a c c u m u l a t i o n o f l a b e l e d b u t y r a t e [ S c h i n k e t 1 0 7 1 0 8 a l . 1 9 8 5 ] . F e r m e n t a t i o n o f e t h a n o l t o a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e b y D e s u l f o b u l b u s w a s s t r o n g l y i n h i b i t e d b y h y d r o g e n [ S c h i n k , e t a l . 1 9 8 7 ] . P r o p i o n a t e - f o r m i n g b a c t e r i a w e r e b e l i e v e d t o c o n t r i b u t e s i g n i fi c a n t l y t o e t h a n o l d e g r a d a t i o n . T h e p a t h w a y o f p r o p i o n a t e f o r m a t i o n f r o m e t h a n o l b y P e l o b a c t e r p r o p i o n i c u s a n d i t s e n e r g e t i c s w e r e e x t e n s i v e l y d i s c u s s e d [ L a a n b r o c k e t a l . 1 9 8 2 ] [ S c h i n k , e t a 1 . 1 9 8 7 ] . W o r k i n g w i t h d e fi n e d c h e m o s t a t c o c u l t u r e s , t h e p o t e n t i a l a v a i l a b l e e n e r g y d u r i n g e t h a n o l o x i d a t i o n w a s c a p t u r e d m o r e e f fi c i e n t l y b y h o m o a c e t o g e n s t h a n m e t h a n o g e n s o r s u l f a t e r e d u c e r s [ S e i t z e t a l . 1 9 9 0 ] . A h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e l e s s t h a n 1 0 4 a t m i s n e c e s s a r y f o r a n a e r o b i c o x i d a t i o n o f p r o p i o n a t e t o b e e n e r g e t i c a l y f a v o r a b l e [ T h a u e r e t a l . 1 9 7 7 ] [ G u j e r a n d Z e h n d e r , l 9 8 2 ] T h i s l o w c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n i s m a i n t a i n e d b y i n t e r s p e c i e s t r a n s f e r o f h y d r o g e n f r o m H Z - p r o d u c i n g b a c t e r i a t o H z - c o n s u m i n g b a c t e r i a . F o r m a t e t r a n s f e r h a s b e e n I p r o p o s e d a s a n a l t e r n a t i v e r o u t e d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . T h e e v i d e n c e a n d s i g n i fi c a n c e o f i n t e r s p e c i e s h y d r o g e n a n d f o r m a t e t r a n s f e r h a s b e e n e x c l u s i v e l y r e v i e w e d [ B r y a n t e t a l . , 1 9 6 7 ] [ P h e l p s e t a 1 . , 1 9 8 5 ] [ T h i e l e a n d Z e i k u s , l 9 8 8 a ] [ B o o n e e t a l , 1 9 8 9 ] . E x p e r i m e n t s s h o w c h l o r o f o r m d i d n o t i n h i b i t e t h a n o l - o x i d i z i n g a c e t o g e n s a n d f o r m a t e w a s s y n t h e s i z e d f r o m b i c a r b o n a t e a n d e t h a n o l d u r i n g s y n t r o p h i c e t h a n o l o x i d a t i o n i n fl o c s i s o l a t e d fi o m a w h e y d i g e s t o r [ T h i e l e a n d Z e i k u s , l 9 8 8 c ] . R e c e n t w o r k i n d i c a t e d t h a t i n t e r s p e c i e s f o r m a t e t r a n s f e r w a s n o t i m p o r t a n t f o r p r o p i o n a t e a n d b u t y r a t e d e g r a d a t i o n , u s i n g t h e r m o p h i l i c g r a n u l e s f r o m a U A S B r e a c t o r [ S c h m i d t a n d A h r i n g , l 9 9 3 ] . L i t t l e e fi e n h a s b e e n t o w a r d s p r o p a n o l p r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o n d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n . S c h i n k [ 1 9 8 4 ] d e s c r i b e d a n e w s t r a i n O t t B d 1 , w h i c h w a s i s o l a t e d 1 0 9 f r o m f r e s h w a t e r s e d i m e n t s a n d s e w a g e s l u d g e t h a t w a s a b l e t o o x i d i z e p r o p a n o l t o p r o p i o n a t e w i t h c o n c o m i t a n t r e d u c t i o n o f a c e t a t e a n d b i c a r b o n a t e . T h i s p a t h w a y r e s u l t e d i n a l o w c e l l g r o w t h y i e l d . I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t h y d r o g e n u t i l i z i n g m e t h a n o g e n s c a n o x i d i z e e t h a n o l a n d i s o - p r o p a n o l t o p r o d u c e a c e t a t e a n d a c e t o n e . T h e r e d u c i n g e q u i v a l e n t s g e n e r a t e d w e r e u s e d f o r m e t h a n e p r o d u c t i o n [ W i d d e l a n d W o l f e , 1 9 8 6 ] . P r o p a n o l w a s o b s e r v e d d u r i n g e t h a n o l , p r o p i o n a t e a n d f o r m a t e p e r t u r b a t i o n o n a C S T R w i t h e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e e n r i c h m e n t s [ S m i t h , 1 9 8 7 ] . H y d r o g e n w a s n o t b e l i e v e d t o b e a s s o c i a t e d w i t h p r o p a n o l p r o d u c t i o n . P o s s i b l e p a t h w a y s f o r p r o p a n o l p r o d u c t i o n u n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s u s e d w e r e p r o p o s e d t o b e c o n c u r r e n t e t h a n o l o x i d a t i o n a n d p r o p i o n a t e r e d u c t i o n t o f o r m a c e t a t e a n d p r o p a n o l [ S m i t h , 1 9 8 7 ] . A n a e r o b i c g r a n u l e s i s o l a t e d f r o m s l u d g e d i g e s t o r o r U A S B r e a c t o r s h a v e b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y . T h e i n t e r i o r s t r u c t u r e , c o m p o s i t i o n a n d p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n s o f t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s a r e c l o s e l y r e l a t e d t o m e t a b o l i c p e r f o r m a n c e s a n d m a s s t r a n s f e r p h e n o m e n a w i t h i n t h e g r a n u l e s . P h y s i c o c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l s t u d i e s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g r a n u l e s r e v e a l e d a t i g h t l y p a c k e d s t r u c t u r e w i t h l o w i n t e r n a l p o r o s i t y a n d a n e g a t i v e l y c h a r g e d s u r f a c e [ A l i b h a i , l 9 8 6 ] . S i l i c o n , p h o s p h o r o u s , a n d s u l f u r w e r e c o m m o n e l e m e n t s o b s e r v e d w i t h i n t h e g r a n u l e s . G r a n u l e s h a p e , a s h c o n t e n t , a n d s u r f a c e a r e a w e r e d e p e n d e n t o n t h e f e e d c o m p o s i t i o n o f t h e w a s t e w a t e r t h a t t h e g r a n u l e s w e r e u s e d t o t r e a t . B o t h s t r a t i fi e d a n d h o m o g e n e o u s s t r u c t u r e s h a v e b e e n o b s e r v e d [ A l i b h a i , l 9 8 6 ] . E x t r a c e l l u l a r p o l y m e r ( E C P ) i n g r a n u l e s i s p r i m a r i l y c o m p o s e d o f p r o t e i n . I n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m s , c a r b o h y d r a t e s a r e t h e p r e d o m i n a n t c o m p o n e n t o f e x t r a c e l l u l a r p o l y m e r s [ M o r g a n , l 9 9 0 ] . P h o s p h o r o u s a n d c a l c i u m w e r e t h e m a j o r g r a n u l e s f r o m a U A S B r e a c t o r f e d w i t h a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e ( A p p e n d i x A ) , t o 1 1 0 e l e m e n t s f o u n d i n a s h e d E C P e x t r a c t s f r o m g r a n u l e s [ M o r g a n , l 9 9 0 ] . A m o d e l o f a l a t t i c e t y p e c e l l u l a r c o m p a r t m e n t a l i z a t i o n w i t h i n g r a n u l e s ( h o m o g e n e o u s n e t w o r k b e t w e e n s y n t r o p h s a c e t o g e n s a n d C O z - r e d u c t i o n m e t h a n o g e n s ) w a s s u g g e s t e d a f t e r a n a l y z i n g i n t e r s p e c i e s H 2 t r a n s f e r d u r i n g a n a e r o b i c e t h a n o l m e t a b o l i s m [ T h i e l e a n d Z e i k u s , l 9 8 8 a ] . T h i s a r r a n g e m e n t w a s s u p p o r t e d b y t h i n - s e c t i o n e l e c t r o n a n d p h a s e - c o n t r a s t fl u o r e s c e n c e m i c r o s c o p y [ T h i e l e , e t a l . 1 9 8 8 b ] . G r a n u l e s f e d w i t h s u c r o s e h a d a t h r e e l a y e r e d u l t r a s t r u c t u r e [ M a c L e o d , l 9 9 0 ] . T h e e x t e r i o r l a y e r c o n t a i n e d a h e t e r o g e n e o u s p o p u l a t i o n . T h e i n t e r n a l c o r e c o n s i s t e d o f l a r g e n u m b e r o f M e t h a n o t h r i x - l i k e c e l l s . M i c r o — c o l o n i e s w e r e o b s e r v e d i n s i d e g r a n u l e s f r o m a U A S B t r e a t i n g b r e w e r y w a s t e [ W u , e t a l . 1 9 9 1 b ] . A M e t h a n o t h r i x s p . w a s o b s e r v e d t o b e t h e p r e d o m i n a n t m e t h a n o g e n i n t h e s e b r e w e r y g r a n u l e s . M e t h a n o b a c t e r i u m s p . a n d s u l f a t e r e d u c i n g b a c t e r i a w e r e a l s o i d e n t i fi e d . T h e d i f f e r e n c e s i n p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n w i t h i n d i f f e r e n t g r a n u l e s c o u l d r e fl e c t t h e v a r i a t i o n i n c a r b o n s o u r c e s t h e g r a n u l e s a r e a c c l i m a t e d t o [ W u , e t a l . 1 9 9 1 b ] . I m m u n o l o g i c a l m e t h o d s w e r e e m p l o y e d t o s t u d y t h e p o p u l a t i o n d i v e r s i t y i n g r a n u l e s [ V i s s e r , e t a l . 1 9 9 1 ] . M i c r o b i a l d i v e r s i t y w a s g r e a t e r f o r m e s o p h i l i c ( 3 8 ° C ) g r a n u l e s c o m p a r e d t o t h e r m o p h i l i c ( 5 5 ° C ) g r a n u l e s . D i f f e r e n t c a t a b o l i c p a t h w a y s w e r e f o u n d d o m i n a t e d i n d i f f e r e n t r e g i o n s o f t h e g r a n u l e s f r o m a U A S B f e d w i t h a c e t a t e [ A h r i n g e t a l . , 1 9 9 3 ] . S o l i d s c o n c e n t r a t i o n , a c t i v i t y , p o r o s i t y a n d d e n s i t y o f g r a n u l e s w e r e d i f f e r e n t f o r e a c h “ l a y e r ” o f t h e g r a n u l e r a d i u s . O n l y t h e o u t e r l a y e r o f t h e g r a n u l e s w e r e o b s e r v e d t o b e h i g h l y a c t i v e . L a r g e e m p t y s p a c e s w e r e o b s e r v e d w i t h t h e g r a n u l e s i n o n e s t u d y [ A 1 p h e n a a r , e t a l . , l 9 9 3 ] . T h e p r e s e n t s t u d y w a s u n d e r t a k e n t o e x a m i n e e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y l l l e x a m i n e p r o p a n o l f o r m a t i o n a n d c o n s u m p t i o n d u r i n g e t h a n o l o x i d a t i o n . a n d i n v e s t i g a t e t h e p h y s i c a l s t r u c t u r e o f b r e w e r y g r a n u l e s a n d i t s m i c r o b i a l p o p u l a t i o n . E n e r g e t i c s , c a r b o n a n d e l e c t r o n b a l a n c e s w e r e p e r f o r m e d f o r t h e m a j o r b i o c h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r i n g d u r i n g a n a e r o b i c o x i d a t i o n o f e t h a n o l t o m e t h a n e . A n a t t e m p t w a s m a d e t o a s c e r t a i n p o s s i b l e r e a c t i o n s t h a t l e a d t o f o r m a t i o n o f p r o p a n o l , u s i n g i s o t o p i c t e c h n i q u e a n d t h e r m o d y n a m i c s t u d i e s . T h e i n t e r a c t i o n s o f e t h a n o l , p r o p a n o l , p r o p i o n a t e , a n d h y d r o g e n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n a r e d i s c u s s e d . B . E t h a n o l d e g r a d a t i o n T h e s e l f - i m m o b i l i z e d a n a e r o b i c c o n s o r t i a ( b r e w e r y g r a n u l e s ) d e s c r i b e d i n p r e v i o u s c h a p t e r w e r e a c c l i m a t e d t o a m i x e d s u b s t r a t e i n w h i c h 7 0 % o f t h e C O D w a s e t h a n o l ( A p p e n d i x A ) . A s t u d y w a s i n i t i a t e d t o e x a m i n e t h e i n t e r m e d i a t e p r o d u c t s , d e g r a d a t i o n e n e r g e t i c s , a n d c a r b o n a n d e l e c t r o n fl o w d u r i n g a n a e r o b i c e t h a n o l o x i d a t i o n b y t h e s e b r e w e r y g r a n u l e s . T h e e t h a n o l a s s a y w a s c o n d u c t e d a t 3 7 ° C a n d p H o f 7 . 0 , i n a t w o — l i t e r b e n c h - t o p M u l t i g e n r e a c t o r ( F i g u r e V I E — 1 ; C h a p t e r V I B ) . T h e M u l t i g e n r e a c t o r w a s o p e r a t e d a s a b a t c h C S T R w i t h a n i m p e l l e r s p e e d o f 6 0 0 r p m . T h e e t h a n o l d e g r a d a t i o n a s s a y w e r e c o n d u c t e d u s i n g b o t h w h o l e g r a n u l e s a n d fl o c s d e r i v e d f r o m t h e g r a n u l e s ( C h a p t e r V I ) . I n o c u l a t r a n s f e r w a s c o n d u c t e d u n d e r a n i t r o g e n a t m o s p h e r e . B a c k g r o u n d c o n c e n t r a t i o n s o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e w e r e 6 . 9 m M a n d 0 . 1 9 m M f o r t h e a s s a y u s i n g fl o c s , a n d l e s s t h a n t h e m e t h o d d e t e c t i o n l i m i t s w h e n u s i n g w h o l e g r a n u l e s ( t h e a s s a y u s i n g w h o l e g r a n u l e s a r e d i s c u s s e d s e p a r a t e l y , i n s e c t i o n V I I C ) . A d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f m e d i a a n d i n o c u l a p r e p a r a t i o n i s p r e s e n t e d i n A p p e n d i x B . A l l p o s s i b l e 1 1 2 i n t e r m e d i a t e s a n d p r o d u c t s . i e : a c e t a t e . p r o p i o n a t e , n - p r o p a n o l . f o r m a t e . H 3 , C O . C O : a n d m e t h a n e , w e r e m e a s u r e d . B i o m a s s c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d a t t h e c o n c l u s i o n o f t h e a s s a y t o b e 0 . 9 4 g V S . A n a l y t i c a l t e c h n i q u e s f o r d e t e r m i n i n g a b o v e c o m p o u n d s a n d t h e Q A / Q C a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x C . T h e b i c a r b o n a t e c o n c e n t r a t i o n w a s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e i n i t i a l b i c a r b o n a t e c o n c e n t r a t i o n a n d c o n c e n t r a t i o n o f C 0 2 a n d a c e t a t e m e a s u r e d a t v a r i o u s t i m e s d u r i n g t h e c o u r s e o f e x p e r i m e n t , b a s e d o n t h e e q u a t i o n b e l o w : - - K . [ H C O 3 L = [ H C O 3 ] 0 + K a , x P C O Z i x 1 1 1 — 1 - - [ A c e t a t e ] , - . . . ( V I I - l ) W h e r e t h e s u b s c r i p t 0 d e n o t e s i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n ; K a l i s d i s s o c i a t e c o n s t a n t i n b i c a r b o n a t e - c a r b o n a t e s y s t e m , 5 . 0 1 2 x 1 0 ' 7 ; P C O 2 , i s p a r t i a l p r e s s u r e o f c a r b o n d i o x i d e a t t i m e i ; K , i s H e n r y ’ s c o n s t a n t , 0 . 0 2 4 6 m o l / L - a t m ; [ A c e t a t e ] , i s a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n a t t i m e i . I t i s a s s u m e d t h a t t h e g a s p h a s e a n d l i q u i d p h a s e o f C 0 2 a r e i n e q u i l i b r i u m . S t a r t i n g w i t h a n i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n o f 2 0 . 7 m M o f e t h a n o l , s u b s t r a t e , i n t e r m e d i a t e s a n d e n d p r o d u c t s w e r e m e a s u r e d o v e r t i m e . E t h a n o l w a s c o m p l e t e l y o x i d i z e d w i t h i n 1 0 h o u r s ( F i g u r e V I I B — l ) . A c e t a t e , t h e m a j o r i n t e r m e d i a t e p r o d u c t a c c u m u l a t e d u p t o a c o n c e n t r a t i o n o f 2 4 m M a n d t h e n d e c l i n e d . M e t h a n e w a s p r o d u c e d r a p i d l y u n t i l a c e t a t e w a s d e p l e t e d , r e a c h i n g a fi n a l v a l u e o f 3 6 m M . A s s h o w n i n F i g u r e V I I B — l t h e h e a d s p a c e C O i n c r e a s e d 1 2 f o l d f r o m 4 p p m a n d t o a p l a t e a u v a l u e o f 5 0 p p m b y 5 h o u r s . T h e C O c o n c e n t r a t i o n t h e n d e c r e a s e d r a p i d l y t o 1 - 2 p p m a n d r e m a i n e d a t t h a t l e v e l a f t e r 6 h o u r s . T h e p e a k c o n c e n t r a t i o n o f C O w a s o b s e r v e d t h r e e h o u r s e a r l i e r t h a n t h e p e a k c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e a n d t w o a n d a h a l f h o u r s a f t e r t h e p e a k c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n w a s o b s e r v e d . F r n A h T e i . w T s e c h t e e a t t o d g a o e t t s h w e p n p r o m e t d r u u h n e b s e d o h o h a s e o a e e a r s r T t r n a s n e l e l s i p g ) s a a t e c t n h t h h y t , V F o o r a n t t o r e s n i h i c o r I a o n g u e . i t C a d s o s e i q n s d a s d t w s d h u e p m i h . h e p e h o m i a i e o I n r o h n f a u o u n n a t f n f e t t o d r r u g i r a c e a t p C t d m i r g o r 1 g d i k c i c s e t g t a t u n d a 1 n s e a d , r t r h h i o a e u i a n n m b n l i s s n u . e c a i x t l - , 3 s o V l o v d o z c i t i w A o c e h i m o o l s p o e e k a m p l g w t i f b i e h r c g o h n n n l t f e V e I d y e a t f F o r g w t u c e n k o a t o a p i h a r n r d i a I b k h i d g o s b e x t r o m n e r a u o u u t b c B s e t r f — e h e i Z 4 r y a s i i o d f a e r r o l n i n i p n a k e a d o p r r e s n i n n p f a t i a ( d h s i i m o S i o t a i i y g e r 0 a I f e e t d d t a o y h t r f p o n t , d e i o o i d n o e a a u 0 h s t a w e e w c a n i o i t d M n g e n u n ; n a e y h . — e o s 3 r a n p e o o r a b a T e h c c g I B t e o t e n h s x h d p t n r - e e l s i m 1 e o b h fi o r t t i c c c s p t h a e n n l p l , d c o a c s o e t i d i r y l e . r l e t u r c g r e o n s a n p . a a o l n i n n r r n l r d u n a n t r n t a a o m o t e r i e t d 0 d i r r i t p d o s e l p e a a e e b t i r u m y h t r u . c c i t l s a o o o o c h i e e o o P t t e e y n i t e n n e a s n h o i s u G o e f n r h l e e i e r a y a c o a a n n v e d o e . t . s s r e d n t f n e t B h c r p d a s t e T f n a r p e e e d a i c o h o i o e c s r d h n p n o a h h 1 c o s m r p o i e e a t t a e s o n 1 e e p r m s e s t m a , r t e i o t n h a n t o f C e o . e a f 0 y e e 4 h s a p 2 c a s e n k n r d s d i n o o p 2 i e e e r 0 a p a u n n s s e n y a a i n d t n f M t i t t d f n l h p p p d p i r t o t l p l e k o T y r a m r p p c r n f o a a c a d o t h b t m a n r e m p s 0 i e f d r c g n d a o y t e o o t e r p i t o . d e n o i s g o i m i l w o w b 4 l u a q e e n l h a n l a i r e n n a i m a h k n e o u r h o a a b e e u e o c p r e a o t d i g c r a t d r l e t c e t a p d y s t t o p t h s e t t l t e e d r i e h r o c a r o a a s o c r e h w n r o h o c t a h e o d o e p v 0 e e n n n d e e f a t e c c g u n o r . a o o e n n i a i d s l 7 l s t t f d o s v n w m a a s t e r n o e s e i i n c o s n h m t a a g c y o e l . i o e r e s u m s y h c t h b n r i d r a o t t w e r i r n a r c w t y i t t r y o s g i M t F t o i e d i i e w h o h n o d e o u m r a c t r e s l a a u p l r a . e d s i r s o s n o n o u o a n e h p l s n e a s 2 v e o n t i d f g e a l r o 1 t u e d n n 1 1 3 m e t h a n e a n d b i c a r b o n a t e e q u i l i b r i u m i n t h e m e d i u m b o t h c o n t r i b u t e d t o v a r i a t i o n s i n t h e C O : c o n c e n t r a t i o n . T h e r a p i d i n c r e a s e i n C 0 3 s e e n d u r i n g t h e e a r l y p o i n t s o f t h e a s s a y i s 1 1 4 t h e r e s u l t o f e t h a n o l o x i d a t i o n . B - l . C a r b o n a n d e l e c t r o n b a l a n c e C a r b o n a n d e l e c t r o n b a l a n c e s w e r e p e r f o r m e d u s i n g t h e d a t a c o l l e c t e d ( F i g u r e V I I B - 4 a n d 7 ) . A l l c a r b o n i n t h e m e d i u m , i n c l u d i n g c a r b o n m o n o x i d e , c a r b o n d i o x i d e , b i c a r b o n a t e , a c e t a t e , e t h a n o l , p r o p i o n a t e a n d n - p r o p a n o l w e r e c a l c u l a t e d a s m M o f c a r b o n , u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : C 9 - = c a r b o n s o f c o m p o u n d j x S , - . . . ( V I I - 2 ) w h e r e i i s t h e t i m e ( i n h o u r s ) ( i = 0 , 1 , 2 , . . . , 3 6 . 5 ) ; j i s t h e c o m p o u n d ; C i s t h e c o n c e n t r a t i o n o f c a r b o n ( m M ) ; S i s t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c o m p o u n d ( m M ) ; C i j i s t h e c a r b o n c o n c e n t r a t i o n o f c o m p o u n d j a t t i m e i . F r o m F i g u r e V I I B - 7 , i t c a n b e s e e n t h a t t o t a l c a r b o n i n t h e m e d i u m c o u l d b e a c c o u n t e d f o r q u i t e w e l l ; a 9 4 . 7 % o f r e c o v e r y o f c a r b o n w a s o b t a i n e d a t t h e c o n c l u s i o n o f t h e a s s a y . E t h a n o l , a c e t a t e , C 0 2 a n d C H 4 w e r e t h e m a j o r s o u r c e s o f c a r b o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n a s e x p e c t e d . T h e m a i n fl o w o f c a r b o n w a s fi o m e t h a n o l — > a c e t a t e — ) C 0 2 a n d C H 4 . M e t h a n e a n d c a r b o n d i o x i d e a c c o u n t e d f o r 7 5 . 8 % a n d 2 4 . 2 % o f c a r b o n i n t h e e n d p r o d u c t s ( t h e o r e t i c a l l y 7 5 % a n d 2 5 % , r e s p e c t i v e l y , f r o m e t h a n o l d e g r a d a t i o n ; e t h a n o l - — > 1 . 5 C H 4 + 0 . 5 C O Z ) . A s s u m i n g a l l o f t h e a c e t a t e i n t h e m e d i u m w a s c o n v e r t e d t o C H 4 , 6 6 . 4 % o f m e t h a n e c a m e f r o m a c e t a t e a n d 3 3 . 6 % f r o m C 0 2 r e d u c t i o n ( c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e c a r b o n b a l a n c e ) , T h i s i s c l o s e t o s t o i c h i o m e t r i c r e l a t i o n s h i p o f 2 / 3 C H 4 f r o m a c e t a t e ( r e a c t i o n 1 a n d 6 ) . T h e 5 . 3 % o f t h e c a r b o n t h a t w a s n o t r e c o v e r e d p r o b a b l y w e n t t o c e l l s . 1 1 5 T h e c h a n g e i n b i o m a s s d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e e x p e r i m e n t w a s n o t a s s a y e d f o r . B i c a r b o n a t e a c c o u n t e d f o r m o r e t h a n 5 0 % o f t h e c a r b o n i n t h e m e d i u m t h r o u g h o u t t h e a s s a y . T h e c a r b o n i n C 0 2 w a s e q u i l i b r a t e d w i t h b i c a r b o n a t e w h i c h c a n b e s e e f r o m i n c r e a s e d b i c a r b o n a t e c o n c e n t r a t i o n ( m M c a r b o n s ) a n d s l i g h t l y d e c r e a s e d c o n c e n t r a t i o n i n c a r b o n d i o x i d e a t t h e e n d o f t h e a s s a y . T h e c o n c e n t r a t i o n o f n - p r o p a n o l , p r o p i o n a t e a n d C O r a n g e d f r o m 0 t o 3 m M o f c a r b o n . E l e c t r o n e q u i v a l e n t s t h a t a r e d e r i v e d f r o m t h e c o m p l e t e c o n v e r s i o n t o c a r b o n d i o x i d e f o r e a c h c o m p o u n d w e r e d e t e r m i n e d b y w r i t i n g t h e f o l l o w i n g h a l f — c e l l r e a c t i o n s : C H 3 C H 2 0 H + 3 1 1 2 0 — > 1 2 e ' + 1 2 1 1 * + 2 c o 2 ( V I I - 3 ) C H 3 C H 2 C O O H + 4 H 2 0 — + m e + 1 4 1 1 * + 3 c o 2 ( V I I - 4 ) C H 3 C H 2 C H 2 0 H + 5 1 1 2 0 — > 1 8 e ' + 1 8 1 1 * + 3 c o 2 ( V I I - 5 ) C H 3 C O O H + 2 1 1 2 0 — > 8 5 + 1 3 H + + 2 c o 2 ( V I I - 6 ) C H 4 + 2 1 1 2 0 — > 8 e " + 8 1 1 * + c o 2 ( V I I - 7 ) H C O O H — > 2 e ' + 2 1 1 * + c o 2 ( V I I - 8 ) H 2 — 4 2 e ' + 2 H * ( V I I - 9 ) T h e e l e c t r o n s g e n e r a t e d f r o m e t h a n o l o x i d a t i o n fl o w t h r o u g h a c e t a t e , p r o p i o n a t e , p r o p a n o l a n d e n d u p i n m e t h a n e a s s h o w n i n F i g u r e V I I B — 4 . E l e c t r o n e q u i v a l e n t s i n h y d r o g e n , f o r m a t e , c a r b o n m o n o x i d e a n d s a m p l i n g l o s s e s w e r e n e g l i g i b l e , i n d i c a t i n g t h e s e a r e i n t e r m e d i a t e s a n d e l e c t r o n s w e r e q u i c k l y t r a n s f e r r e d t o p r o d u c t s . A p p r o x i m a t e l y 9 3 . 5 % o f t h e t o t a l e l e c t r o n e q u i v a l e n t s w e r e r e c o v e r e d a t t h e c o n c l u s i o n o f t h e a s s a y . A t o t a l o f 6 . 5 % o f t h e e l e c t r o n e q u i v a l e n t s w e r e l o s t f r o m m e d i u m , s o m e o f t h e s e w h i c h 1 1 6 c o u l d h a v e b e e n u s e d f o r c e l l s y n t h e s i s . A p e a k o f e l e c t r o n e q u i v a l e n t s f r o m a c e t a t e o c c u r r e d a t t h e 8 h o u r m a r k , t h i s m a y b e t h e r e s u l t o f a s a m p l i n g e r r o r . T h e m a i n fl o w o f e l e c t r o n s w a s f r o m e t h a n o l — > a c e t a t e — > m e t h a n e . P r o p i o n a t e a n d n - p r o p a n o l a c c o u n t e d f o r o n l y a m i n o r p o r t i o n o f e l e c t r o n fl o w . B - 2 . E n e r g e t i c s o f e t h a n o l d e g r a d a t i o n G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s f o r r e a c t i o n s i n T a b l e V I I B — l w e r e c a l c u l a t e d . T h e c a l c u l a t i o n s a n d t h e h e a t o f f o r m a t i o n f o r e a c h e l e m e n t w e r e a f t e r T h a u e r ’ s w o r k [ T h a u e r e t a l . 1 9 7 7 ] . T e m p e r a t u r e w a s a d j u s t e d f o r 3 7 ° C . A p H o f 7 . 0 w a s u s e d b e c a u s e l i t t l e v a r i a t i o n w a s o b s e r v e d ( 7 . 0 - 7 . 3 ) d u r i n g t h e a s s a y . T h e a c e t a t e s p l i t t i n g r e a c t i o n ( a c e t a t e — > C 0 2 + C H 4 ) w a s r e w r i t t e n a s r e a c t i o n s 3 a n d 1 5 s o t h a t t h e i n fl u e n c e o f C O c o u l d b e a n a l y z e d . P r e s e n t e d i n F i g u r e s V I I B — 5 a n d 6 i s t h e f r e e e n e r g y c h a n g e p r o fi l e d u r i n g a n a e r o b i c e t h a n o l o x i d a t i o n f o r r e a c t i o n s i n v o l v i n g e t h a n o l , a c e t a t e , f o r m a t e , C O , H 2 , H C O 3 ' a n d C H 4 . E t h a n o l o x i d a t i o n t o a c e t a t e a n d h y d r o g e n ( r e a c t i o n 1 ) w a s s t a b l e a t - 6 t o ~ 1 0 k c a l / m o l t h r o u g h o u t t h e e n t i r e c o u r s e o f e t h a n o l o x i d a t i o n ( F i g u r e V I I B — S ) . T h e e n e r g y a v a i l a b l e f o r t h e r e d u c t i o n o f C 0 2 t o m e t h a n e ( r e a c t i o n 6 ) v a r i e d s i g n i fi c a n t l y f r o m - 1 k c a l / m o l t o - 1 5 k c a l / m o l . A c e t a t e c o n v e r s i o n t o m e t h a n e a n d C O u s i n g h y d r o g e n a s t h e e l e c t r o n d o n o r ( r e a c t i o n 3 ) p r o c e e d e d u n t i l l a s t h o u r o f t h e a s s a y . T h e s e c o n d h a l f o f a c e t a t e s p l i t t i n g r e a c t i o n ( r e a c t i o n 1 5 , C O — > C 0 2 ) h a d a r e l a t i v e l y c o n s t a n t n e g a t i v e v a l u e , b e t w e e n - 4 t o — 7 k c a l / m o l , t h r o u g h o u t t h e a s s a y . G i b b ’ s f r e e e n e r g i e s f o r e t h a n o l o x i d a t i o n t o f o r m a c e t a t e a n d f o r m a t e ( r e a c t i o n 2 ) w a s s t a b l e a t ~ 6 k c a l / m o l ( F i g u r e V I l B - 6 ) . H y d r o g e n a n d f o r m a t e w e r e c l o s e t o e q u i l i b r i m ( r e a c t i o n 4 ) . M e t h a n e p r o d u c t i o n t h r o u g h f o r m a t e r e d u c t i o n w a s f a v o r a b l e 1 1 7 ( r e a c t i o n 7 . - 1 9 k c a l / m o l ) a n d r e l a t i v e l y s t a b l e . C . P a t h w a y o f n — p r o p a n o l f o r m a t i o n D u r i n g t h e e t h a n o l c o n v e r s i o n a s s a y s u s i n g t h e b r e w e r y g r a n u l e s ( s e e s e c t i o n B , C h a p t e r V I I ) , n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n w a s o b s e r v e d d u r i n g t h e i n i t i a l t i m e p e r i o d ( F i g u r e V l I B - 3 ) . T h e a p p e a r e n c e o f n - p r o p a n o l i n t h e m e d i u m w a s v i r t u a l l y i m m e d i a t e , r e a c h i n g a p e a k v a l u e w h e n p r o p i o n a t e w a s s t i l l a c c u m u l a t i n g . N - p r o p a n o l d e c r e a s e d t o b e l o w t h e d e t e c t i o n l i m i t ( 0 . 0 5 m M ) w h e n p r o p i o n a t e r e a c h e d i t s h i g h e s t c o n c e n t r a t i o n . T h e r e a r e s e v e r a l r e a c t i o n m e c h a n i s m s w h i c h c o u l d c o n t r i b u t e t o n - p r o p a n o l f o r m a t i o n d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n . A l i s t o f p o s s i b l e r e a c t i o n s a n d t h e i r s t a n d a r d G i b b ’ s f r e e e n e r g y w e r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I I C — l . N - p r o p a n o l c o u l d b e p r o d u c e d f r o m e t h a n o l a n d c a r b o n d i o x i d e ( r e a c t i o n s 1 1 a n d 1 2 ) , f r o m e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 1 4 ) , f r o m p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 9 ) , o r f r o m e t h a n o l a l o n e ( r e a c t i o n 1 0 ) . T h e p u r p o s e o f t h i s s t u d y w a s t o e x a m i n e p o s s i b l e p a t h w a y s f o r p r o p a n o l f o r m a t i o n , t o i d e n t i f y t h e i n v o l v e m e n t , i f a n y , o f C 0 2 i n t h e f o r m a t i o n o f n - p r o p a n o l ( r e a c t i o n s 1 1 a n d 1 2 ) a s t h e s o u r c e o f a n a d d i t i o n a l c a r b o n , a n d t o c o n fi r m t h e r e p r o d u c i b i l i t y o f n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n f r o m p r e v i o u s e x p e r i m e n t s . T h e s t u d y w a s a c c o m p l i s h e d u s i n g r e a c t i o n e n e r g e t i c a n a l y s e s a n d a n i s o t o p i c a s s a y u s i n g 1 3 C l a b e l l e d e t h a n o l a n d b i c a r b o n a t e . 1 1 8 C - 1 . R e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s o f n - p r o p a n o l f o r m a t i o n R e a c t i o n e n e r g e t i c s w e r e s t u d i e d f o r e t h a n o l d e g r a d a t i o n a s w e l l a s n - p r o p a n o l f o r m a t i o n a n d c o n s u m p t i o n , a n d i n t e r a c t i o n s w i t h p r o p i o n a t e . G i b b s f r e e e n e r g y A G u n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s o f e a c h r e a c t i o n i n T a b l e V I I C — l f o r e t h a n o l a s s a y i n fl o c s w e r e d e t e r m i n e d ( s e e C h a p t e r V I I B f o r c a l c u l a t i o n ) . T h e c a l c u l a t i o n s w e r e b a s e d o n a p H o f 7 . 0 . B i c a r b o n a t e c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d b a s e d o n m e d i u m b i c a r b o n a t e c o n c e n t r a t i o n a n d t h e r e a c t o r C 0 2 , p H a n d a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n ( r e f e r t o C h a p t e r V I I B f o r c a l c u l a t i o n ) . P r o p i o n a t e o x i d a t i o n t o a c e t a t e ( r e a c t i o n 8 ) a n d p r o p a n o l o x i d a t i o n t o p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 9 ) w e r e w r i t t e n i n b o t h d i r e c t i o n s t o a n a l y z e t h e r o l e o f p r o p i o n a t e . T h e G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n f o r r e a c t i o n s i n v o l v i n g e t h a n o l , n — p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I C - l t o 4 . E t h a n o l o x i d a t i o n r e a c t i o n s t o f o r m p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e w e r e n o t i n c l u d e d . R e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I C - l a n d 2 i n d i c a t e t h a t a l l fi v e r e a c t i o n s ( r e a c t i o n 9 ’ , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 4 ) c o u l d b e i n v o l v e d i n n - p r o p a n o l f o r m a t i o n . E t h a n o l o x i d a t i o n c o u p l i n g p r o p i o n a t e r e d u c t i o n t o f o r m p r o p a n o l a n d a c e t a t e ( r e a c t i o n 1 4 ; F i g u r e V I I C - l ) i s e n e r g e t i c a l l y f a v o r e d d u r i n g t h e i n i t i a l s i x h o u r s o f t h e a s s a y . N - p r o p a n o l p r o d u c t i o n f r o m e t h a n o l ( r e a c t i o n 1 0 ) a n d f r o m e t h a n o l a n d b i c a r b o n a t e ( r e a c t i o n 1 1 ) h a d h i g h e s t a v a i l a b l e f r e e e n e r g y l e v e l s ( - 1 2 t o - 1 5 . 3 k c a l / m o l ) . T h e e n e r g y a v a i l a b l e f o r e t h a n o l o x i d a t i o n w i t h a r e d u c t i o n o f c a r b o n d i o x i d e t o f o r m p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 1 2 ) v a r i e d s i g n i fi c a n t l y f r o m - 1 0 k c a l / m o l t o n e a r z e r o ( F i g u r e V I I C — l ) . P r o p a n o l c o u l d b e p r o d u c e d f r o m e t h a n o l ( r e a c t i o n 1 0 , 1 1 , 1 2 a n d 1 4 ) , o r f r o m p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 9 ’ a n d 1 4 ) . N - p r o p a n o l c o u l d b e c o n v e r t e d t o f o r m p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 1 3 ) . H y d r o g e n w a s 1 1 9 i n v o l v e d i n m o s t o f t h e r e a c t i o n s s t u d i e d ( r e a c t i o n s 1 . 8 . 9 . 1 0 . 1 1 . 1 2 ) w i t h t w o e x c e p t i o n s : p r o d u c t i o n o f p r o p a n o l f r o m e t h a n o l o x i d a t i o n a n d p r o p i o n a t e r e d u c t i o n ( r e a c t i o n 1 4 ) a n d p r o p a n o l o x i d a t i o n w i t h a r e d u c t i o n o f a c e t a t e a n d b i c a r b o n a t e ( r e a c t i o n 1 3 ) . F o r m a t i o n o f p r o p i o n a t e i s p o s s i b l e f r o m e t h a n o l , a c e t a t e a n d p r o p a n o l ( F i g u r e V I I C - 3 ) . R e a c t i o n 9 ( p r o p i o n a t e f o r m a t i o n f r o m p r o p a n o l o x i d a t i o n ) w a s f a v o r e d d u r i n g t h e l a t e r h o u r s ( 9 - 1 1 h r s ) o f t h e a s s a y . G i b b ’ s f r e e e n e r g y f o r r e a c t i o n s o f p r o p i o n a t e a n d p r o p a n o l f o r m a t i o n a n d c o n s u m p t i o n a p p e a r e d t o b e t i m e d e p e n d e n t ( F i g u r e V I I C - 2 , 3 a n d 4 ) . A v a i l a b l e e n e r g y v a r i a t i o n s f o r r e a c t i o n 1 , 8 , 8 ’ , 9 , 9 ’ , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 a n d 1 4 d u r i n g t h e i n i t i a l 1 1 h o u r s ( u n t i l e t h a n o l a n d n - p r o p a n o l c o n c e n t r a t i o n s a p p r o a c h e d z e r o ) a r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I I C — 4 . A g r a p h i c p r e s e n t a t i o n o f p o s s i b l e r e a c t i o n s b e t w e e n e t h a n o l , p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e w i t h i n i n i t i a l 1 1 h o u r s a n d t h e a v a i l a b l e f r e e e n e r g y , f r o m T a b l e V I I C — 4 , i s s h o w n i n F i g u r e V I I C — 7 a t o c . H y d r o g e n o t r o p h i c m e t h a n o g e n e s i s o c c u r r e d d u r i n g t h e e n t i r e t i m e c o u r s e o f t h e a s s a y ( F i g u r e V I I B — S ) . T h i s i s n o t s h o w n i n t h e fi g u r e s . D u r i n g i n i t i a l fi v e h o u r s , c o m p l e x r e a c t i o n s c o u l d h a v e o c c u r r e d ( F i g u r e V I I C — 7 a ) . E t h a n o l c o u l d h a v e b e e n c o n v e r t e d t o a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d n - p r o p a n o l t h r o u g h r e a c t i o n s 1 , 1 0 , 1 1 , 1 2 a n d 1 4 . S i g n i fi c a n t a m o u n t s o f h y d r o g e n g a s w a s g e n e r a t e d b y r e a c t i o n s 1 a n d 1 0 . T h e H 2 c o n t e n t i n t h e g a s p h a s e a c c u m u l a t e d u p t o 1 1 2 0 p p m . R e a c t i o n s 8 ’ , 9 ’ , 1 1 ’ , 1 2 a n d h y d r o g e n o t r o p h i c m e t h a n o g e n e s i s w e r e s i n k s f o r h y d r o g e n , s e r v i n g t o k e e p t h e h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e l o w a n d t h u s e n s u r i n g t h e c o n t i n u a t i o n o f h y d r o g e n y i e l d i n g r e a c t i o n s . N - p r o p a n o l f o r m a t i o n w a s f a v o r e d a l m o s t i m m e d i a t e l y v i a p r o p i o n a t e r e d u c t i o n ( r e a c t i o n 9 ’ a n d 1 4 ) , e t h a n o l o x i d a t i o n ( r e a c t i o n 1 1 , 1 2 , 1 4 ) a n d o i n n e r p p r r i a ( c l c M t c e o a ( t e e e r r r n i n o i o i e o t c x r h a a e a n o o n h t d n a c m i n e c p p i a s a c c e e d c a a a s s u n h a o c t a e a a e n c i m l t n i u r u c n p o t l n o o e e t r r e i , o m o n l t i t e 8 t , n d b o c o g r e i r t a p r o l l p n a t a t B d i a n r g m a p t 1 e o e t ’ i o u i o n e d t o i c d h 8 t t i t o r , e 2 1 a t u r l i a ( n h , t p f p p v ) o a o w o n . o 4 e r s a o n l i r n n n e n b o a o t d n e g h v e d s e o a i u d d n n e c r s a n i t p c a a l m r e s o c a w p t s c l t t o h h u o a n o u r h i e r e r s v o o e a i e s r p i o w m a v c s e b a f n a o w o e n d n o x e e e r e x d r a c e s i t d p n t e , l z u l i a l o n e a e e m ) d u i h e d d ’ l c i o n c e I p B i e c t r e y . r a o ( f o d , t i o a o d e n h i g o c l w s u u a o F a t p , t 9 e h n r v t b s l r r s ’ i i t t t c m . o r e e 0 i n a h o d i a e e o o p b i a a y e . c c d h n n n c a r t 4 r a o g n e a a o o w c 1 c d t u p t l n M c e a 1 i o e u T r F c h m a t a r 4 a s e h u i c i h t s e i l a u o y e r g b e e l e , s i n t c 4 t . u e 1 ( i o t a r r i r a e s a e u n ) n o i e a e e 0 o f i F P t e e n w c d t p n e o f . i g T u r 1 3 t v d f r d e r a ( s c h e i o u a o V m v r l p p a e e r I e p c r n f o e r t r n s h . s I [ a i r e h e e o t e e i d o u w a e S B n a d P i n b V — e c c o e a I 3 d h l r c t r g r a r i r f c c n h p n e b l e o i o h e a c c n o e p n n e v t e i o a e . t e o o a e i g , r ) c p u t c r o c o r n o e n e d c 3 n o a ) a n u t t a t . t , l r w r l D e a r u a l g i c ) c u b i s . t e d l n a c o n s a c e u a t E i n t a a l t y c a t . r u n r c s c b . b w i r s r 1 e u i e e o e h f a T e e o i o n r u g l i o f v a s e 8 n u t n t n a h V n 9 m o i s n u e v I g l o d e o t t o 5 ] s e n l o t o I t n e a r e l i a a t e n p o f r , f w C h l o t , n c l f b e o n r m r w e h — i v a - s f e e e t d r r h o e t l d 7 o e s p o e t l p d d h l b d a c t u r o p a , e P r t u o r r i i p o n E e d t t l y b f m y c e t h u g o a . a c a n o d n e . i a i n m l o n h r r l e c l t t m i h e o i a o p - n a e o g n o a p n e p n a c o l p p l n a n d e n t l t e i c g u n r c r a r y c o t o d s u n i i e o o o a u c . n o h n t o o n m e a a c s a F a o n l d t i m i i , f f o p h h n d l u u p n 8 o i t o i — o c t e r F e c A n a t r t c n o i k h t a o v r o e g o u s s l n c t r a m i o r r a a e h l n b r e h e i f h a c r d u p u o t t r e t a a p t e o r r m n i o c e o o a O l r d t p e o t o r p o t t d s s i e o e d f m s a i u i a f . i a n d o g t l u o m r o n h a t a o g f t n e f l n o c n b t - d i l p e e i a 1 h l t h e t 3 e ) i s o n t r o m l ( n l p y n o c o h t u - l e o r a p e n d n e e r g 1 2 0 p r o p a n o l b e g i n t o d e c r e a s e ( F i g u r e V I I B — 3 ) . 1 2 1 B e g i n n i n g a t t h e n i n e h o u r m a r k . a m a j o r c h a n g e o c c u r r e d a s s h o w n i n F i g u r e V l I C — l c . T h e e n e r g y a v a i l a b l e f o r t w o r e d u c t i o n r e a c t i o n s ( r e a c t i o n 8 ’ a n d 9 ’ ) c h a n g e d i n f a v o r o f f o r m a t i o n o f m o r e o x i d i z e d p r o d u c t s . N - p r o p a n o l o x i d a t i o n t o f o r m p r O p i o n a t e ( r e a c t i o n 9 ) , a n d p r o p i o n a t e o x i d a t i o n t o f o r m a c e t a t e ( r e a c t i o n 8 ) b e c a m e e n e r g e t i c a l l y f a v o r a b l e , a s a r e s u l t o f a d r a m a t i c d e c r e a s e i n t h e h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n t o _ < _ 2 0 p p m ( F i g u r e V l I B — 2 ) . A t t h i s p o i n t , h y d r o g e n c o u l d b e p r o d u c e d b y m o r e r e a c t i o n s ( 8 a n d 9 j o i n t h e p o o l ) a n d c o n s u m e d b y t w o l e s s r e a c t i o n s ( 8 ’ a n d 9 ’ ) . F o r m a t i o n o f p r o p a n o l c o u l d b e f r o m e t h a n o l o n l y , r e a c t i o n 1 0 , 1 1 a n d 1 2 u n t i l e t h a n o l b e c a m e d e p l e t e d a t 1 1 h o u r s . F o r m a t i o n o f p r o p i o n a t e a p p e a r s t o b e r e l a t e d t o p r o p a n o l o x i d a t i o n ( r e a c t i o n s 9 a n d 1 3 ) a n d e t h a n o l o x i d a t i o n ( r e a c t i o n 1 2 ) . C - 2 . l 3 C e x p e r i m e n t o n n - p r o p a n o l f o r m a t i o n A n i s o t o p i c a s s a y t o a s s e s s t h e p a t h w a y o f n - p r o p a n o l f o r m a t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n w a s p e r f o r m e d . E t h a n o l w a s t h e s o l e c a r b o n a n d e n e r g y s o u r c e . A s c r e e n i n g t e s t w a s fi r s t i n i t i a t e d t o d e t e r m i n e t h e m a x i m u m c o n c e n t r a t i o n o f e t h a n o l t h a t c o u l d b e u s e d , w i t h o u t a n y s i g n i fi c a n t i m p a c t o n d e g r a d a t i o n o f e t h a n o l o r p r o p a n o l p r o d u c t i o n , w h i l e o b t a i n i n g a s h i g h a l e v e l o f n - p r o p a n o l a s p o s s i b l e . T h e s e c o n d p u r p o s e o f t h i s a s s a y w a s t o c o m p a r e t h e r e s u l t s w i t h t h o s e o f p r e v i o u s e x p e r i m e n t s o b t a i n e d u s i n g g r a n u l e fl o c s a n d w h o l e g r a n u l e s ( C h a p t e r V I I B ) . T h r e e s e t s o f i s o t o p i c a s s a y s w e r e p e r f o r m e d ; o n e w i t h [ 1 — 1 3 C ] e t h a n o l ( C a m b r i d g e I s o t o p e , 9 9 % ) a n d 1 2 C b i c a r b o n a t e ( B a k e r A n a l y z e d , s o d i u m b i c a r b o n a t e ) , t h e s e c o n d u s i n g [ l - U C ] b i c a r b o n a t e ( I s o t e c h , 9 9 % ) a n d 1 2 C e t h a n o l ( Q u a n t u m , 2 0 0 p r o o f ) . T h e t h i r d s e t o f b a t c h u s e d t h e s a m e c a r b o n 1 2 2 s o u r c e a s t h e f i r s t o n e b u t t h e e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n w a s 3 0 % h i g h e r . E a c h s e t h a d t w o r e p l i c a t e s . T h e a s s a y s w e r e p e r f o r m e d a t 3 7 ° C i n s e r u m b o t t l e s u s i n g P B B M m e d i u m ( A p p e n d i x A ) . T h e i n o c u l a w a s b r e w e r y g r a n u l e s ( w h o l e g r a n u l e s ) f r o m a b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r ( s e e d e s c r i p t i o n i n C h a p t e r V I B ) . T h e p H w a s a d j u s t e d t o 7 . 0 a t t h e b e g i n n i n g o f e a c h a s s a y . A s s a y s w e r e c o n d u c t e d u n d e r s t r i c t a n a e r o b i c c o n d i t i o n s . D u p l i c a t e s o f s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d f o r G C a n d G C / M S a n a l y s e s . T h e s c r e e n i n g t e s t w a s c o n d u c t e d u s i n g t h e s a m e m e t h o d a s t h e i s o t o p e a s s a y e x c e p t l a b e l e d c o m p o u n d s w e r e n o t u s e d . C o n c e n t r a t i o n s o f e t h a n o l , n - p r o p a n o l , p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e w e r e m e a s u r e d b y G C . F o r t h e i s o t o p i c a s s a y s 1 3 C p r o p a n o l w a s q u a n t i t a t e d u s i n g G C / M S . D e t a i l e d d e s c r i p t i o n s o f t h e p r o t o c o l o f i s o t o p i c a s s a y a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x B - 6 . A n a l y t i c a l t e c h n i q u e s f o r e t h a n o l , p r o p a n o l , p r o p i o n a t e , a c e t a t e a n d 1 3 C p r o p a n o l a n d Q A / Q C a r e d e s c r i b e d i n A p p e n d i x C . E t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s o f 3 0 , 5 0 a n d 6 5 m M w e r e u s e d i n t h e s c r e e n i n g t e s t s . E t h a n o l , n — p r o p a n o l , p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e w e r e t r a c k e d w i t h t i m e u n t i l p r o p a n o l d e c r e a s e d b e l o w d e t e c t i o n l i m i t s . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s v a r i a t i o n d u r i n g n - p r o p a n o l a p p e a r a n c e , f r o m t h e s c r e e n t e s t a n d p r e v i o u s a s s a y , a r e s h o w n i n T a b l e V I I C — 2 . R e s u l t s i n d i c a t e d t h a t n - p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e p e a k c o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e d w i t h i n i t i a l e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n . W i t h o n e e x c e p t i o n , n - p r o p a n o l w a s o b s e r v e d w h e n t h e e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n w a s a t 2 0 - 2 5 m M a n d t h e r a t i o o f a c e t a t e t o i n i t i a l e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n ( i n m M ) r a n g e d f r o m 0 . 2 9 - 0 . 3 7 ( T a b l e V I I C — Z ) . W h e n a n a c e t a t e / e t h a n o l ( i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n ) r a t i o o f 0 . 7 6 - 0 . 8 1 w a s o b s e r v e d , n - p r o p a n o l d e c r e a s e d t o b e l o w d e t e c t i o n l i m i t s i n a l l c a s e s . N - p r o p a n o l e i t h e r a p p e a r e d a t a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e t i m e a s 1 2 3 p r o p i o n a t e . o r f o r m e d w h e n p r o p i o n a t e w a s p r e s e n t i n t h e m e d i u m . T h e p e a k n - p r o p a n o l c o n c e n t r a t i o n o b s e r v e d w a s g r e a t e r w h e n u s i n g fl o c s t h a n w h o l e g r a n u l e s . E t h a n o l c o n c e n t r a t i o n s o f 5 0 a n d 6 5 m M w e r e s e l e c t e d a s t h e i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n s f o r t h e 1 3 C [ C - l ] i s o t o p i c a s s a y s . T h e a s s a y s w e r e c o n c l u d e d w h e n t h e n - p r o p a n o l p e a k d i s a p p e a r e d . P e a k l 3 C m a s s i n t e n s i t i e s o f m a j o r f r a g m e n t s o f n - p r o p a n o l w e r e d e t e r m i n e d b y g a s c h r o m a t o g r a p h y a n d m a s s s p e c t r a . T h e r a t i o o f t h e m a s s i n t e n s i t y l 3 M + . . f o r n - p r o p a n o l , , 2 M ’ + , 3 M ’ _ H ’ ( o r 6 1 / 6 0 ) ( w h e r e M i s m a s s f r a c t i o n o f n - p r o p a n o l ) 1 3 + a n d — ( o r 6 1 / 5 9 ) w e r e t h e n c a l c u l a t e d ( T a b l e V I I C — 3 ) . T h e c o n t r o l w a s 1 2 M — H ’ u n l a b e l e d e t h a n o l ( 0 . 5 m M ) . S a m p l e g r o u p s A r e p r e s e n t s l — C l a b e l e d e t h a n o l ( 6 5 m M ) a n d b i c a r b o n a t e ( 6 5 m M ) , g r o u p B r e p r e s e n t s u n l a b e l e d e t h a n o l ( 5 0 m M ) a n d 1 — C l a b e l e d b i c a r b o n a t e ( 5 0 m M ) , g r o u p C r e p r e s e n t s l — C l a b e l e d e t h a n o l ( 5 0 m M ) a n d b i c a r b o n a t e ( 5 0 m M ) , r e s p e c t i v e l y . T h e n a t u r a l a b u n d a n c e o f 1 3 C t o 1 2 C ( f o r n - p r o p a n o l 6 1 / 6 0 ) i s 3 . 3 % a s s h o w n i n t h e c o n t r o l ( 0 . 0 3 2 ) . N - p r o p a n o l f r o m g r o u p C 2 c o u l d n o t b e a s s e s s e d . T h i s i s b e c a u s e m o r e b i o m a s s w a s u s e d t h a n i n t e n d e d . T h e r e a c t i o n p r o c e e d e d t o o q u i c k l y s u c h t h a t t h e n - p r o p a n o l p e a k w a s n o t p i c k e d u p . T h e l a b e l e d n - p r o p a n o l m a s s i n g r o u p A w a s 1 . 3 a n d 1 . 4 ( a v e r a g e ) t i m e s t h a t o f g r o u p C f o r m a s s r a t i o 6 1 / 6 0 a n d 6 1 / 5 9 , r e s p e c t i v e l y . T h i s i s c o n s i s t e n t w i t h t h e r a t i o o f i n i t i a l e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n ( 1 . 3 : 1 a s g r o u p A z C ) . T h e r e w e r e s i m i l a r p a t t e r n s o f r e a c t i o n i n t e r m e d i a t e s ( a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d n - p r o p a n o l ) f r o m a l l t h r e e s e t s o f s e r u m b o t t l e a s s a y s c o m p a r e d t o s c r e e n t e s t s ( 3 b a t c h e s ) a n d p r e v i o u s a s s a y s ( s e e s e c t i o n B , C h a p t e r V I I ) . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f e t h a n o l , n - 1 2 4 p r o p a n o l . p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e a r e s h o w n i n F i g u r e V l l C — S a n d 6 . D u r i n g e t h a n o l o x i d a t i o n , a c e t a t e b e g a n t o a c c u m u l a t e i m m e d i a t e l y , f o l l o w e d b y n - p r o p a n o l a n d p r o p i o n a t e . P r o p a n o l r e a c h e d a p e a k v a l u e a n d t h e n d e c r e a s e d r a p i d l y w h i l e a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e i n c r e a s e d c o n t i n u o u s l y . E t h a n o l a n d n — p r o p a n o l d i s a p p e a r e d a t a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e t i m e f o r a l l a s s a y s c o n d u c t e d . D . I d e n t i f i c a t i o n g r a n u l e s t r u c t r u e a n d m a j o r m i c r o b i a l g r o u p s A n a t t e m p t t o a s c e r t a i n g r a n u l e s t r u c t r u e a n d t h e m a j o r m i c r o b i a l g r o u p s w a s p e r f o r m e d . G r a n u l e s t r u c t u r e w a s a n a l y z e d u s i n g a O l y m p u s m i c r o s c o p e ( B H - 2 ) a n d a C o n f o c o l l a s e r b e a m m i c r o s c o p e . T h i n s e c t i o n g r a n u l e s a m p l e s w e r e p r e p a r e d f o r g r a n u l e s t r u c t u r e o b s e r v a t i o n ( A p p e n d i x B ) . D u r i n g t h e a c t i v i t y a s s a y s , p r e v a i l i n g p o p u l a t i o n o f s h e a t h e d fi l a m e n t o u s r o d s w e r e a l s o o b s e r v e d t o b e a M e t h a n o t h r i x — l i k e s p e c i e s i n t h e b r e w e r y g r a n u l e s a s s h o w n i n F i g u r e V I I D — 2 t o 5 . M e t h a n o b a c t e r i u m — l i k e s h o r t t h i n fl u o r e s c e n c e r o d s w a s o b s e r v e d . D i f f e r e n t p o p u l a t i o n s w e r e d i s t r i b u t e d r a n d o m l y o n t h e s u r f a c e a n d w i t h i n t h e g r a n u l e s ( F i g u r e V I D - 2 ) . T h e m a j o r s p e c i e s w a s m e t h a n o t h r i x — l i k e s p e c i e s . C l u s t e r s o f D e s u l f o b u l b u s — l i k e b i g f a t r o d s a n d D e s u l f o v i b r i o - l i k e s h o r t c u r v e d r o d s w e r e a l s o o b s e r v e d ( F i g u r e s V I I D - 5 a n d 6 ) . T h e g r a n u l e s h a d a l a y e r e d s t r u c t u r e ( F i g u r e V I I D — l a , b , c ) , s i m i l a r t o t h a t r e p o r t e d b y M a c l e o d e t a l . [ 1 9 9 1 ] . T h e o u t e r l a y e r , o r " c r u s t " h a d a l O O u m t h i c k n e s s , w i t h i n t h i s r e g i o n t h e r e w a s a h i g h d e n s i t y , m i x e d p o p u l a t i o n ( F i g u r e V I I D — Z a , b ) . D i f f e r e n t g r o u p s o f c e l l s a p p e a r e d m i x e d a n d c o n t a i n e d i n " fi n g e r - l i k e " c l u s t e r s i n t h i s l a y e r . T h e s e " fi n g e r s " w e r e s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r b y c h a n n e l s t h a t a p p e a r e d t o l e a d o u t t o t h e s u r f a c e o f t h e g r a n u l e ( i e . f o r g a s v e n t s ) . A s e p a r a t e t r a n s p a r e n t l a y e r c o n n e c t e d t h i s o u t l a y e r t o t h e c e n t r a l c o r e o f t h e g r a n u l e ( F i g u r e V I I D — 3 ) . A t t h e c e n t e r o f t h e g r a n u l e , t h e d e n s i t y o f c e l l s w a s l o w ( F i g u r e V I I D — 4 ) a l t h o u g h p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n w a s n o t m u c h d i f f e r e n t f r o m t h a t o b s e r v e d i n t h e o u t e r l a y e r . E m p t y s p a c e s w e r e a l s o o b s e r v e d ( F i g u r e 1 2 5 V I I D — l a ) . E . D i s c u s s i o n A n a l y s e s o f c a r b o n a n d e l e c t r o n fl o w d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n s h o w e d g o o d r e c o v e r y . T h e f r a c t i o n o f c a r b o n i n t h e e n d p r o d u c t s ( 7 6 % C H 4 a n d 2 4 % C 0 2 ) w e r e v e r y n e a r t h e t h e o r e t i c a l v a l u e s ( 1 % d i f f e r e n c e ) . M o s t e l e c t r o n s e n d e d u p i n m e t h a n e . T w o t h i r d s o f t h e m e t h a n e w a s p r o d u c e d f r o m a c e t a t e , a s e x p e c t e d . A c e t a t e d i s p r o p o r t i o n a t i o n t o m e t h a n e a n d C 0 2 c a n b e d e s c r i b e d a s a t w o — s t e p r e a c t i o n w i t h C O a s a i n t e r m e d i a t e p r o d u c t : 1 ) a c e t a t e s p l i t t e d t o C O a n d C H 4 ( r e a c t i o n 3 ) , 2 ) C O o x i d i z e d t o C 0 2 ( r e a c t i o n 1 5 ) [ Z e i k u s e t a l . , 1 9 8 5 , H i c k e y a n d S w i t z e n b a u m , 1 9 9 0 ] . T h e r m o d y n a m i c d a t a f r o m g r a n u l e fl o c s s h o w e d b o t h r e a c t i o n s o c c u r d u r i n g e t h a n o l o x i d a t i o n ( F i g u r e V I I B — 6 ) . C o m b i n e d r e a c t i o n o f a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s ( r e a c t i o n 3 p l u s r e a c t i o n 1 5 ) , i n w h i c h C O d o e s n o t a p p e a r , w a s e n e r g e t i c a l l y f a v o r a b l e t h r o u g h o u t t h e e n t i r e t i m e c o u r s e . R e s u l t s f r o m s e v e r a l s e p a r a t e a s s a y s h a v e s h o w n a c o n s i s t e n t t r e n d o f e t h a n o l c o n v e r s i o n t o n - p r o p a n o l , p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e . P r o g r e s s c u r v e s o f t h e s e c o m p o u n d s w e r e n o t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t w h e n u s i n g fl o c s o r w h o l e g r a n u l e s a s t h e i n o c u l a . T h e f o r m a t i o n a n d d i s a p p e a r a n c e o f n - p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n u s i n g a n a e r o b i c g r a n u l e s w e r e r e p r o d u c i b l e . I m m e d i a t e p r o d u c t i o n o f n - p r o p a n o l w a s o b s e r v e d w h e n p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e w e r e p r e s e n t ( T a b l e V l I C — 2 , F i g u r e V I I B — 3 ) . P r o p a n o l a p p e a r e d i n t h e m e d i u m a f t e r a s h o r t l a g i n a s s a y s c o n d u c t e d w h e r e t h e r e w e r e n o p r o p i o n a t e a n d 1 2 6 a c e t a t e ( F i g u r e V l I C — S a n d 6 ) , i n d i c a t i n g i t i s p o s s i b l e t h a t p r o p i o n a t e i s a p r e c u r s o r i n p r o p a n o l f o r m a t i o n . T h i s w a s f u r t h e r s u p p o r t e d b y a n o b s e r v e d i n i t i a l d e c r e a s e i n p r o p i o n a t e c o n c u r r e n t w i t h a l i n e a r i n c r e a s e i n p r o p a n o l ( F i g u r e V I I B — 3 ) . T w o n - p r o p a n o l o x i d a t i o n r e a c t i o n s t o f o r m p r o p i o n a t e ( r e a c t i o n 9 a n d 1 3 ) , h a d a n e g a t i v e s t a b l e f r e e e n e r g y l e v e l ( 1 3 ) o r w e r e f a v o r e d e n e r g e t i c a l l y d u r i n g t h e i n i t i a l e i g h t h o u r s ( 9 ) . R e a c t i o n 1 3 h a s b e e n i d e n t i fi e d [ S c h i n k , 1 9 8 4 ] . A n a l y s e s o f G i b b ’ s f r e e e n e r g y a v a i l a b l e f o r e t h a n o l d e g r a d a t i o n u n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s i n d i c a t e d a n u m b e r o f c o m p l e x i n t e r a c t i o n s w e r e p o s s i b l e ( T a b l e V I I C — 4 ) . H y d r o g e n a p p e a r e d t o p l a y a s t r o n g r o l e a s a d r i v i n g f o r c e g o v e r n i n g r e a c t i o n s i n v o l v i n g p r o p i o n a t e . P r o p i o n a t e d e g r a d e r s a r e s e n s i t i v e t o h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e m e d i u m . A l o w h y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e ( 1 0 ' 6 - 1 0 ’ 4 a t r n , o r 1 - 1 0 0 p p m ) i s r e q u i r e d t o m a i n t a i n a n e g a t i v e G i b b ’ s f r e e e n e r g y a n d a l l o w p r o p i o n a t e d e g r a d a t i o n t o p r o c e e d . T h i s h y d r o g e n l e v e l w a s m a i n t a i n e d b e t w e e n h y d r o g e n - p r o d u c e r s a n d h y d r o g e n - u t i l i z e r s , D u r i n g t h e i n i t i a l e i g h t h o u r s o f t h e a s s a y , t h e h y d r o g e n ( a n d f o r m a t e ) c o n c e n t r a t i o n s w e r e s u f f i c i e n t l y h i g h ( u p t o 1 1 0 0 p p m f o r H 2 ) , t o m a k e p r o p i o n a t e o x i d a t i o n t o a c e t a t e e n e r g e t i c a l l y u n f a v o r a b l e , a n d t h e r e v e r s e r e a c t i o n s : a c e t a t e r e d u c t i o n t o p r o p i o n a t e a n d s u b s e q u e n t p r o p i o n a t e r e d u c t i o n t o p r o p a n o l p o s s i b l e . A n y r e a c t i o n o b s e r v e d i n t h e p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g t h i s p e r i o d w a s l i k e l y d u e t o c o n v e r s i o n t o m o r e r e d u c e d p r o d u c t s . F o u r r e a c t i o n s p o t e n t i a l l y s e r v e a s h y d r o g e n s i n k s ( r e a c t i o n s 8 ’ , 9 ’ , 1 1 , 1 2 ) d u r i n g t h e i n i t i a l e i g h t h o u r s . A f t e r t h e h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d , p r o p i o n a t e w a s o x i d i z e d . M o r e h y d r o g e n p r o d u c i n g r e a c t i o n s b e c a m e f a v o r a b l e ( r e a c t i o n s 8 , 9 , l , a n d 1 0 ) ; a n d a h y d r o g e n l e v e l o f 3 - 1 2 p p m w a s s u b s e q u e n t l y m a i n t a i n e d . 1 2 7 I s o t o p i c a s s a y s u s i n g w h o l e g r a n u l e s r e v e a l e d t h a t l a b e l e d n - p r o p a n o l w a s f o r m e d a s a n i n t e r m e d i a t e o f l a b e l e d e t h a n o l d e g r a d a t i o n . l 3 C n — p r o p a n o l w a s h i g h f r o m l a b e l e d e t h a n o l ( g r o u p A a n d C ) a n d o n l y a t t r a c e l e v e l s w h e n l a b e l e d b i c a r b o n a t e w a s u s e d ( g r o u p B ; T a b l e V I I C — 3 ) . R a t i o o f m a s s i n t e n s i t i e s o r t h e r a t i o o f 1 3 C n - p r o p a n o l t o 1 2 C n - p r o p a n o l , o f 0 . 2 6 , 0 . 2 1 , 0 . 1 8 , a n d 0 . 2 0 , 0 . 1 5 , 0 . 1 3 f o r m o l e c u l a r w e i g h t / c h a r g e s 6 1 / 6 0 a n d 6 1 / 5 9 , r e s p e c t i v e l y , w e r e o b s e r v e d f r o m l a b e l e d e t h a n o l g r o u p . T h i s w a s a b o u t n i n e t i m e s t h e c o n t r o l ( 0 . 0 3 2 a n d 0 . 0 2 8 , r e s p e c t i v e l y ) . T h e s e v a l u e s f o r g r o u p B a p p e a r e d i n t r a c e a m o u n t ( 0 . 0 5 f o r 6 1 / 6 0 a n d 0 . 0 4 f o r 6 1 / 5 9 , r e s p e c t i v e l y ) w h i c h w a s n e a r t h e n a t u r a l a b u n d a n c e l e v e l . T h e s e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t b i c a r b o n a t e w a s n o t a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t o r a s a n a d d i t i o n a l c a r b o n s o u r c e f o r n - p r o p a n o l f o r m a t i o n . T h u s r e a c t i o n 1 1 a n d 1 2 ( T a b l e V I l C — l ) a r e u n l i k e l y t o b e t h e m a j o r p a t h w a y s r e s p o n s i b l e f o r n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n . R e s u l t s s u g g e s t e d t h a t e t h a n o l — d e g r a d e r s a n d p r o p i o n a t e — u t i l i z e r s a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e f o r m a t i o n o f p r o p a n o l . S i n c e t h e r e i s n o e v i d e n c e t h a t n - p r o p a n o l w a s f o r m e d v i a e t h a n o l a n d b i c a r b o n a t e ( r e a c t i o n s 1 1 a n d 1 2 ) f r o m t h e i s o t o p i c a s s a y r e s u l t s , t h e s e r e a c t i o n s a r e r u l e d o u t a s t h e s o u r c e o f p r o p a n o l . T h e r e a c t i o n s t h a t s a t i s f y b o t h a s s a y a n d f r e e e n e r g y l e v e l s i n p r o p a n o l f o r m a t i o n a r e r e d u c e d t o r e a c t i o n 9 ’ ( p r o p i o n a t e t o p r o p a n o l ) , 1 0 ( e t h a n o l t o p r o p a n o l ) , a n d 1 4 ( e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e t o p r o p a n o l a n d a c e t a t e ) . I n t h i s s t u d y , G i b b ’ s f r e e e n e r g y a v a i l a b l e f o r r e a c t i o n 1 4 w a s n e g a t i v e d u r i n g t h e i n i t i a l s i x h o u r s . P r o p a n o l c o n c e n t r a t i o n p e a k e d a t a p p r o x i m a t e l y 4 h o u r s a n d t h e n d e c r e a s e d ( F i g u r e V I I B — 3 ) . P r o p i o n a t e w a s a l w a y s p r e s e n t w h e n n - p r o p a n o l f o r m a t i o n w a s o b s e r v e d f o r a l l a s s a y s c o n d u c t e d . I t i s a p p a r e n t t h a t r e a c t i o n 9 ’ w a s e n e r g e t i c a l l y 1 2 8 f a v o r a b l e d u r i n g t h e i n i t i a l e i g h t h o u r s o f t h e a s s a y . T h e r e v e r s e r e a c t i o n . p r o p a n o l o x i d a t i o n t o p r o p i o n a t e , c o u l d p r o c e e d o n l y a f t e r t h e i n i t i a l e i g h t h o u r s . F r o m o u r m e a s u r e m e n t s , p r o p a n o l c o n c e n t r a t i o n w a s d e p l e t e d f a s t e r b e g i n n i n g a t n i n e h o u r s a n d s o o n d i s a p p e a r e d f r o m t h e m e d i u m . P r o p i o n a t e i s i n v o l v e d i n b o t h r e a c t i o n s 1 4 a n d 9 ’ a n d , t h e r e f o r e l i k e l y p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e a s a p o s s i b l e p r e c u r s o r f o r p r o p a n o l . R e a c t i o n 9 ’ a n d 1 4 a r e b o t h l i k e l y c a n d i d a t e s i n v o l v e d i n p r o p a n o l f o r m a t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . S m i t h [ 1 9 8 7 ] r e p o r t e d t h a t r e a c t i o n 1 4 , f o r m a t i o n o f p r o p a n o l a n d a c e t a t e f r o m e t h a n o l a n d p r o p i o n a t e w a s t h e m o s t l i k e l y r e a c t i o n t h a t o c c u r r e d d u r i n g a p e r t u r b a t i o n o f e t h a n o l , p r o p i o n a t e a n d f o r m a t e f o r a p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l e n r i c h m e n t i n a C S T R . T h i s w a s b a s e d o n a f r e e e n e r g y a n a l y s e s . O u r r e s u l t s s h o w e d e x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h S m i t h . T h e m e c h a n i s m a n d s p e c i e s c a r r y o u t t h e s e s t w o r e a c t i o n s w e r e u n k n o w n . T h e a m o u n t o f r e d u c i n g p o w e r a v a i l a b l e h a d a s t r o n g i m p a c t o n p r o p i o n a t e c o n s u m p t i o n a n d p r o p a n o l f o r m a t i o n . H y d r o g e n w a s n o t b e l i e v e d t o b e a s s o c i a t e d w i t h p r o p a n o l p r o d u c t i o n d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s o f S m i t h [ 1 9 8 7 ] . P r o p i o n a t e o r e t h a n o l e n r i c h m e n t m i x e d c u l t u r e a n d C S T R i n p r e v i o u s s t u d y , v e r s u s e t h a n o l , p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e e n r i c h m e n t m i x e d c u l t u r e a n d b a t c h e x p e r i m e n t i n t h i s s t u d y , c o u l d c o n t r i b u t e t o t h i s d i s c r e p a n c y . H o w e v e r , t h e q u e s t i o n l e f t i s t h e s o u r c e o f t h e a d d i t i o n a l c a r b o n m o l e c u l e o f p r o p i o n a t e f r o m e t h a n o l d e g r a d a t i o n . T h i s c a r b o n m o l e c u l e c o u l d n o t c o m e fi o m b i c a r b o n a t e , d e r i v e d f r o m 1 3 C e x p e r i m e n t . T h u s r e a c t i o n 1 0 , c o n d e n s a t i o n o f e t h a n o l t o r e l e a s e a c a r b o n d i o x i d e a n d f o r m n - p r o p a n o l , i s m o r e l i k e l y a c a n d i d a t e f o r n - p r o p a n o l p r o d u c t i o n . 1 2 9 M i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n s o f t h e b r e w e r y g r a n u l e s r e v e a l e d a p r e d o m i n a n t g r o u p o f M e t h a n o t h r i x - l i k e a c e t a t e u t i l i z i n g m e t h a n o g e n ( F i g u r e V l I D — 2 a n d 5 ) . O t h e r m a j o r g r o u p s o b s e r v e d w e r e D e s u l f o b u l b u s — l i k e r o d s a n d D e s u l f o v i b r i o — l i k e r o d s ( F i g u r e V I I D — S a n d 6 ) . M e t h a n o b a c t e r i u m - l i k e r o d s w e r e a l s o o b s e r v e d u n d e r e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p y . T h e s e o b s e r v a t i o n s a r e i n a g r e e m e n t w i t h r e s u l t s r e p o r t e d b y W u [ 1 9 9 1 a ] . A l a y e r e d s t r u c t r u e f o r a n a e r o b i c g r a n u l e s h a s b e e n r e p o r t e d b y M a c L e o d e t a l . [ l 9 9 0 ] a n d A l p h e n a a r e t a l . [ 1 9 9 3 ] . I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t D e s u l f o r v u l g a r i s w a s t h e p r e v a l e n t e t h a n o l - o x i d i z i n g o r g a n i s m i n t h e w h e y d i g e s t o r fl o c s [ T h i e l e , e t a l , 1 9 8 8 c , T h i e l e , e t a l , 1 9 8 8 b ] . L e n s a n d c o - w o r k e r s o b s e r v e d t h a t g l u c o s e u t i l i z a t i o n w a s l o c a t e d e x c l u s i v e l y i n t h e o u t e r l a y e r o f 2 0 0 - 3 0 0 m m o f g r a n u l e s f e d w i t h g l u c o s e a n d m i x e d s u g a r s . V i a b l e b a c t e r i a w a s o b s e r v e d o n l y i n t h e p e r i p h e r a l z o n e o f l a r g e g r a n u l e s ( d i a m e t e r 5 m m ) [ A l p h e n a a r e t a l . 1 9 9 3 ] . S i m i l a r l y , t h e b r e w e r y g r a n u l e s i n v e s t i g a t e d i n t h i s s t u d y ( d i a m e t e r 3 m m ) h a d a h i g h d e n s i t y o u t e r l a y e r o f c a . 1 0 0 m m ( F i g u r e V I I D — l ) . T h i s o u t e r l a y e r w a s h e t e r o g e n e o u s i n p o p u l a t i o n . E t h a n o l a n d p r o p i o n a t e d e g r a d e r s , a c e t o c l a s t i c a n d h y d r o g e n o t r o p h i c m e t h a n o g e n s w e r e a l l p r e s e n t i n t h i s l a y e r i n a n e t w o r k . T h i e l e a n d c o - w o r k e r s [ 1 9 8 8 a , 1 9 8 8 b ] p r e s e n t e d a s y n t r o p h i c a c e t o g e n i c a n d m e t h a n o g e n i c c e l l m o d e l — l a t t i c e t y p e a r r a n g e m e n t i n g r a n u l e fl o c s . O u r r e s u l t s h a v e s h o w n s i m i l a r a r r a n g e m e n t i n b r e w e r y g r a n u l e s . S p a c e s b e t w e e n “ fi n g e r s ” ( F i g u r e V I I D — 2 ) i n d i c a t e d v i g o r o u s g a s p r o d u c t i o n . M e t h a n o g e n e s i s o c c u r r e d a t t h e s u r f a c e o f t h e g r a n u l e . C o m p a r e d t o o t h e r s t u d i e s , g l u c o s e o r s u c r o s e f e d g r a n u l e s h a d m e t h a n o g e n i c a c t i v i t y o n l y i n t h e c e n t e r c o r e o f t h e g r a n u l e s [ L e n s e t a l . 1 9 9 3 ] [ M a c L e o d e t a l . 1 9 9 0 ] . T h i s d i f f e r e n c e m a y p r i m a r i l y b e d u e t o t h e n a t u r e o f t h e s u b s t r a t e . T h e g r a n u l e s i n t h i s s t u d y 1 3 0 w e r e a c c l i m a t e d t o a m i x e d c a r b o n s o u r c e o f c o m p o u n d o f e t h a n o l . a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e . C e l l d e n s i t y d e c r e a s e d f r o m t h e o u t e r r e g i o n s t o w a r d s t h e c e n t e r o f t h e g r a n u l e s ( F i g u r e V I I D - 3 a n d 4 ) . A h i g h c e l l d e n s i t y o u t e r l a y e r a n d a l o w c e l l d e n s i t y c e n t r a l c o r e w e r e s e p a r a t e d b y a t r a n s p a r e n t l a y e r i n t h e s e g r a n u l e s , s u g g e s t i n g a s u b s t r a t e g r a d i e n t f r o m t h e o u t e r l a y e r t o w a r d t h e c e n t e r a s a c o n s e q u e n c e o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n a n d d i f f u s i o n . H i g h e r s u b s t r a t e fl u x e s a r e m a i n t a i n e d i n t h e o u t e r l a y e r . U s i n g M o n o d k i n e t i c s , t h e r e f o r e , t h i s r e s u l t e d i n h i g h e r b i o m a s s g r o w t h . L o w e r c e l l s d e n s i t y i n t h e c e n t r a l c o r e o f t h e g r a n u l e c o u l d b e t h e r e s u l t o f r e d u c e d s u p p l y o f c a r b o n s o u r c e t o t h e i n t e r i o r o f t h e g r a n u l e s . E m p t y s p a c e s w e r e o b s e r v e d w i t h i n t h e b r e w e r y g r a n u l e s ( F i g u r e V l l D — l a ) w h i c h a l s o a g r e e d w i t h p r e v i o u s r e p o r t s [ A l p h e n a a r e t a l . 1 9 9 3 ] . T h e r e a s o n i s u n c l e a r . 1 3 1 1 3 2 I E t h a n o l ( m M ) I : A c e t a t e ( m M ) a t C 0 ( p p m ) A C H 4 ( m M ) F i g u r e V I I B - l . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e ( e t h a n o l , a c e t a t e , m e t h a n e a n d c a r b o n m o n o x i d e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n n o i t a r t n e c n o c F i g u r e V I I B — 3 . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e ( p r o p i o n a t e , n - 1 3 3 . A . \ K 1 A 1 1 2 i p p i i i ) x F o r m a t e t u m ) 1 0 c c 1 - \ ‘ A A 8 0 0 ’ \ A A 4 0 0 o A A 1 / X \ x \ ‘ \ 2 0 0 ‘ X V ‘ o t . ‘ ‘ i e c : e e . L ‘ t ‘ : ‘ A ‘ 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 F i g u r e V I I B — 2 . S u b s t r a t e a n d p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e ( h y d r o g e n a n d f o r m a t e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n 0 . 3 x " x P r o p i o n a t e ( r n M ) o c o z t a m i A l i - P r o v e n o n M ) 0 . 7 * - X 0 . 6 < 1 . X 0 . 5 a 0 . 4 ' - m [ I X 0 . 3 * ~ A / f ‘ 4 0 . 2 5 % X f ~ o o o . K 4 , 0 0 4 0 % 0 A ° \ O / o \ O 0 . 1 ‘ * ' / ° \ \ 0 . I s ) ‘ 0 t e . . . 6 5 o 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 t i m e t l m ) p r o p a n o l a n d c a r b o n d i o x i d e ) d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n 4 0 L / s t n e l a v i u q e n o r t c e l e 0 . 2 5 . A c o t a t o . S a n p l l n g l o u 0 . 2 . [ F o r m a t s D E M . c m . n - P r o p m o l 0 . 1 5 u P r o p l o m t e . H 2 . 6 0 0 . 1 0 . 0 6 0 - ~ — ~ ~ H 2 - c o — — — - - — - — ' ‘ ' e g g — n n g v g fi g g fi " ° g ° g : § 3 3 2 : 3 ' 1 3 3 3 ' 2 8 " ! . . . . 2 a s t l m e ( h r s ) F i g u r e V I I B — 4 . E l e c t r o n b a l a n c e o f s u b s t r a t e a n d p r o d u c t s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n i n b a t c h C S T R s t u d y u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s ( fl o c s ) . v I ) W ( s e g n a h c y n a o n [ : ' 0 5 6 ) ! o b I - e h ( - u a h c y n a o n ( s ' b b i G F i g u r e V I I B — 6 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n : r e a c t i o n . 1 0 . . . 1 2 . . - 2 0 1 3 5 o d e l s l A d e I . G 1 5 j r e a c t i o n 1 \ r e a c t i o n 3 o ’ / r e a c t i o n 1 5 \ 1 r e a c t i o n 6 C H 1 C H 3 0 H + H 3 0 - ) C H 1 C O O ’ + 2 H ; + H ‘ C H , C O O ‘ + H ; + H ’ - ) C H . + C O + H ; O C 0 + H ; 0 — > c o m a H C O , ' + 4 H ; + H ’ — § C H . + 3 H ; O F i g u r e V I I B - 5 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y c h a n g e s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n : r e a c t i o n 1 , 3 , 6 a n d 1 5 . t h e ( i n ) 2 , 4 , 5 a n d 7 . 1 ‘ ‘ 3 ' . 0 r e a c t i o n 2 C fl y C l - l e H + 2 H C O ) ’ - ) C H J C O O ' + 2 H C O O ' + H 1 0 + H ’ r a c t i o n 4 H C O O ‘ + H 3 0 — ) H C O , ‘ 4 » H ; r e a c t i o n 5 H C O O ’ + H ’ - + H 2 0 + C 0 r e a c t i o n 7 4 H C O O ' + H 2 0 + H ’ — ) C H . + 3 H C 0 3 ' . ° 0 / ° / < ° . V v \ / 0 0 0 1 6 2 “ 1 0 1 . 6 4 x d e l . 6 5 9 0 0 1 . 6 7 t h e ( 1 m ) ) M m ( n o b r a c 1 3 0 0 0 . 1 4 0 , 0 0 1 . . , 0 0 . 0 0 6 0 . 0 0 ‘ 4 0 . 0 0 2 0 . 0 0 I H 0 0 3 - l u C H 4 . F o r m a t e D E t h a n e l : M W “ . . . u - . . fi u u w I C O Z [ C O I D 1 0 n n , _ t i m q h n ) F i g u r e V I I B — 7 . C a r b o n b a l a n c e o f s u b s t r a t e a n d p r o d u c t s d u r i n g e t h a n o l a s s a y u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s ( fl o c s ) i n b a t c h C S T R . o m ” - o a h A ( - < / ' m y a m a a r t s ‘ b b i G 1 3 7 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 « 1 1 0 r a c e m l e l l - n e l H - L O - u e a u - i - z - l , r e m n o n l o a l a n i + l f 2 F L O — 9 1 l 2 p u p l n l + l . 5 1 - l l + 1 / X D , r e a c t i o n " a l m n l + 3 fl l + t m + 1 f a p o p m l + 3 l t o r e a c t i o n 1 2 d a m ! + 2 H , + l - K I ) , + 1 I Z H — H f 2 p q n n l + l l 2 p q i o r m + 2 . 5 1 - 1 , 0 m u d u e l s - m — r p e p m l - r m ° w . G l c ' c fl G l O ‘ c fl G l Z w a l l ° c fl G l d W M ) F i g u r e V I I C — l . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f e t h a n o l o x i d a t i o n r e a c t i o n s . 1 0 m a c r o u m “ A w a i t c a n o e u m “ l fl G l S A I Y — Y 1 5 2 0 8 a n S / r e a c t ' n n 9 ' p r o p i o n a t e o - Z H n H ’ - + p e p a n o l u h o / l r e a c t i o n l O a h a n o l + l l e ; O - + l f l p ’ o p m l + l . 5 fl g + l / 2 C 0 1 . ) r e a c t i o n l l M + 3 H 3 + H C O § + H ° - 9 p o p a m l + 3 H 3 0 \ r e a c t i o n 1 2 a l n m l + 2 H 3 + H C 0 i + l n H ° — v 1 0 t r e p a n o l - H f ) . p r o p i o n a t e + 2 5 1 1 2 0 + " ' N / ' + r e a c t i o n 1 3 p r e p a r i o 1 + 2 f s a c e m e + 2 l 3 H C O ; ‘ — > s a p - o p i o m t e + i l 3 H ‘ + H ; 0 r e a c t i o n 1 4 c a n n o n - p r o p i o n a t e — 9 p u p a n o h a e e t a t e m o r e ) F i g u r e V I I C — 2 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f p r o p a n o l f o r m a t i o n a n d c o n s u m p t i o n r e a c t i o n s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . ) l o n h l a e r u w t e y g t a n a a a r t a ‘ b b i G ) l o n m a e t a a g n a h e y m r a a n t a ' b h l G 1 3 8 / L A V r 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 0 ' + i f \ , / r e a c t i o n 8 ' a o c t a t e + H C O , ' + 3 H ; + H ’ — i p r o p i o n a t e + fl z 0 A 4 ” r e a c t i o n ‘ ) p r o p a n o l + H 1 0 - b p r o p i o n a m + 2 H ; + H ' r e a c t i o n 1 2 e t h a n o l + 2 H ; + H C O ; ' + 1 / 2 H ' — > 1 f 2 p r o p a n o l + 1 / 2 w o p i o n a t e _ ¢ 4 + 2 . 5 1 1 2 0 ; / r e a c t i o n 1 3 p r o p a n o l + 2 f 3 a e e t a t e + 2 f 3 H C O { - b S fl p r o p i o n u e + l f 3 H ' + l - 1 ; O - s 0 f 1 0 0 0 / ‘ 2 i f o n e . 6 0 ' ‘ c fl G l 2 + 8 3 0 9 O a s i s t h e a t r e ) F i g u r e V I I C — 3 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f p r o p i o n a t e f o r m a t i o n r e a c t i o n s d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . X r e a c t i o n s p r o p i o n a t e + 3 1 1 . 0 — 1 H C O ; ' + 3 H ; + H ’ + a c e t a t e 6 . 1 . \ r e a c t i o n 9 ’ p r o p i o a n t e - 2 1 1 3 + ” a p r o p a n o l + 1 h 0 t t r n a t h r a ) F i g u r e V I I C — 4 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y v a r i a t i o n s o f p r o p i o n a t e c o n s u m p t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n b y b r e w e r y g r a n u l e s . 1 3 9 3 5 3 0 \ r x E t h a n o t ( m M ) \ u A e s t a t e ( m M ) 2 5 o - \ m 2 0 n P / D \ 4 ° \ 1 5 \ 1 0 \ n \ u t l m a ( i n ) F i g u r e V I I C — 5 . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f e t h a n o l a n d a c e t a t e d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n u s i n g w h o l e g r a n u l e s ( e x p e r i m e n t w a s s t o p p e d a f t e r 7 1 h r s ) . 1 . 2 / A 1 . 1 1 o W N W ‘ A P r e p i o n d r m e ) 0 . 8 3 » 1 ‘ 0 . 0 ‘ r A / / 0 . 4 < - A 4 0 ‘ 0 . 2 . 1 1 . / K e ’ ° o 2 ” ° \ 0 ; v r v r v - r ; v V 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 c i n e m a ) F i g u r e V I I C - 6 . T y p i c a l p r o g r e s s c u r v e s o f p r o p i o n a t e a n d n - p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n u s i n g w h o l e g r a n u l e s ( e x p e r i m e n t w a s s t o p p e d a f t e r 7 1 h r s ) . 1 4 0 H z 1 J e t h a n o l - a c e t a t e H L H C O § p r o p i o n a t e H 2 8 9 1 4 C 0 2 , H 2 ) v i 9 , T p r o p a n o l ¢ \ p r o p i o n a t e a c e t a t e H 2 1 3 \ H C O f a c e t a t e a ) t = 0 . 5 — 5 h r s F i g u r e V I I C — 7 . P o s s i b l e r e a c t i o n s o c c u r r e d d u r i n g i n i t i a l 1 1 h o u r s i n e t h a n o l a s s a y b a s e d o n a v a i l a b l e f r e e e n e r g y a n a l y s e s u s i n g b r e w e r y g r a n u l e fl o c s . a ) t = 0 . 5 - 5 h r s b ) t = 6 - 8 h r s c ) t = 9 - 1 1 h r s . 1 4 1 l J e t h a n o l - a c e t a t e / H z 8 9 p r o p a n o l 4 p r o p i o n a t e H 2 1 3 a c e t a t e / H C O 3 ' b ) t = 6 — 8 h r s H 2 1 e t h a n o l J : a c e t a t e A V H 2 8 p r o p a n o l 4 p r o p i o n a t e 1 3 / D c ) t = 9 — l l h r s . a c e t a t e 1 4 3 a ) F i g u r e V I I D — l . L o w m a g n i fi c a t i o n t h i n s e c t i o n m i c r o s c o p y o f g r a n u l e s f r o m b e n c h U A S B r e a c t o r — l a y e r e d s t r u c t u r e s : a ) c r o s s s e c t i o n v i e w o f g r a n u l e A . m a g n i fi c a t i o n 4 4 , b ) c r o s s s e c t i o n v i e w o f g r a n u l e B . m a g n i fi c a t i o n 6 5 , c ) a s e c t i o n o f a g r a n u l e , h i g h e r c e l l d e n s i t y i n t h e o u t e r — l a y e r . m a g n i fi c a t i o n 1 6 7 . 1 — 1 - 1 ' . . 2 : 3 9 " . W e . 3 ' 1 3 1 , I I \ F i g u r e V I I D — 2 . H e t e r o g e n u e s m i c r o b i a l d i s t r i b u t i o n s i n o u t e r — l a y e r o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - Z e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e ) m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 . a ) fi n g u r e l o o k i n g s t r u c t u r e , s p a c e s i n b e t w e e n s e r v e a s g a s v e n t . C l u s t e r s o f d i f f e r e n t r o d s d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e e n t i r e l a y e r . b ) a n o t h e r s e c t i o n o f t h e o u t e r — l a y e r F i g u r e V I I B — 3 . T r a n s p a r e n t l a y e r : s p a c e s b e t w e e n o u t e r l a y e r a n d c e n t r a l c o r e o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - 2 e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e . m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 ) F i g u r e V l I D — 4 . D e c r e a s e d c e l l d e n s i t y i n t h e c e n t r a l c o r e o f a g r a n u l e . ( O l y m p u s B H - 2 e p i fl u o r e s e n c e m i c r o s c o p e . m a g n i fi c a t i o n 1 7 9 0 ) h r 3 0 0 M 1 9 9 T 3 2 5 F i g u r e V I I D — 5 . C o n f o c a l l a s e r b e a m m i c r o s c o p y o f p r e d o m i n a n t s p e c i e s i n b r e w e r y g r a n u l e s a ) M e t h a n o t h r i x - l i k e r o d s , b ) D e s u l f o v i b r i o - l i k e r o d s F i g u r e V I I D — 6 . C o n f o c a l l a s e r b e a m m i c r o s c o p y o f p r e d o m i n a n t s p e c i e s i n b r e w e r y g r a n u l e s c ) D e s q u o b u I b u s - l i k e b i g r o d s 1 4 9 T a b l e V I I B — l . P o s s i b l e r e a c t i o n s i n v o l v i n g e t h a n o l , a c e t a t e . m e t h a n e , c a r b o n m o n o x i d e . h y d r o g e n , f o r m a t e a n d c a r b o n d i o x i d e d u r i n g e t h a n o l f e r m e n t a t i o n a n d t h e i r s t a n d a r d G i b b ’ s f r e e e n e r g y R e a c t i o n s A G ° ’ ( k c a l / m o l ) r e a c t i o n 1 C H 3 C H 2 0 H + H 2 0 - > C H 3 C O O ' + 2 H 2 + H + 2 . 3 r e a c t i o n 2 C H 3 C H 2 0 H + 2 H C O 3 ' — > C H 3 C O O ' + 2 H C O O ' + H 2 0 + H + 1 . 6 7 r e a c t i o n 3 C H 3 C O O ' + H ; + H + — - > C H 4 + C 0 + H 2 0 - 3 . 7 8 r e a c t i o n 4 H C O O ' + H 2 0 — ) H C O 3 ' + H 2 0 . 3 r e a c t i o n 5 H C O O ' + H + — - > H 2 0 + C O - 3 . 9 7 r e a c t i o n 6 H C O ; ; ' + 4 H 2 + H + — > C H 4 + 3 H 2 0 - 3 2 . 4 r e a c t i o n 7 4 H C O O ' + H 2 0 + H + - ) C H 4 + 3 H C 0 3 ' - 3 1 . 1 l ' C fl C t h I l 1 5 C 0 ' 1 " H 2 0 — - ) C 0 2 ' 1 ' H z - 4 . 7 8 1 5 0 T a b l e V I I C - l . P o s s i b l e r e a c t i o n s i n v o l v i n g n - p r o p a n o l , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n a n d t h e i r s t a n d a r d G i b b ’ s f r e e e n e r g y R e a c t i o n s A G ° ’ ( k c a l / m o l ) r e a c t i o n 1 C H 3 C H 2 0 H + H 2 0 — 9 C H 3 C O O ' + 2 H ; + H “ 2 . 3 0 r e a c t i o n 1 0 C H 3 C H 2 0 H + 1 / 2 H 2 0 — > l / 2 C H 3 C H 2 C H 2 0 H + 1 . 5 H 2 + 1 / 2 C 0 2 3 . 6 5 r e a c t i o n 1 1 C H 3 C H 2 0 H + 3 H ; + H C O 3 ' + l - F — > C H 3 C H 2 C H 2 0 H + 3 H 2 0 - 1 8 . 8 5 r e a c t i o n 1 2 C H 3 C H 2 0 H + H C O 3 ’ + 2 H 2 — > l / 2 C H 3 C H 2 C H z O H + l / 2 H + + 1 / 2 C H 3 C H 2 C O O “ + 2 . 5 H 2 0 - l 7 . 4 1 r e a c t i o n 1 4 C H 3 C H 2 0 H + C H 3 C H 2 C O O ' — - ) C H 3 C H 2 C H 2 0 H + C H g C O O ' - 0 . 5 7 r e a c t i o n 1 3 C H 3 C H 2 C H Z O H + 2 / 3 C H 3 C O O ' — - > 5 / 3 C H 3 C H 2 C O O ' + l / 3 H + + 2 / 3 H C O 3 ' + H 2 0 - 9 . 3 1 r e a c t i o n 9 ’ C H 3 C H 2 C O O " + 2 H ; + W — - > C H 3 C H 2 C H 2 0 H + H 2 0 - 1 2 . 4 r e a c t i o n 8 C H 3 C H 2 C O O ' + 3 H Z O — > H C 0 3 ' + 3 H ; + H + + C H 3 C O O ' 1 8 . 2 1 5 1 T a b l e V I I C - 2 . S u b s t r a t e a n d m a j o r p r o d u c t s a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n v a r i e d w i t h p r o p a n o l d u r i n g e t h a n o l a s s a y I n i t i a l e t h a n o l t i m e p r o d u c t s ‘ 1 E t h a n o l R a t i o c c o n c e n t r a t i o n ( h ) c o n c e n t r a t i o n a c e t a t e ( m M ) ( m M ) i n i t i a l e t h a n o l a c e t a t e p r o p i o n a t e p r o p a n o l ( m M ) ( m M ) ( m M ) 3 2 b 1 5 3 . 2 0 0 . 1 3 0 . 0 5 2 3 . 7 0 0 . 1 3 7 1 2 . 9 0 0 . 2 3 0 . 0 8 1 3 . 0 0 6 1 2 6 . 0 0 0 . 3 9 0 . 0 1 0 . 9 0 0 . 8 1 5 0 b 4 7 . 2 1 6 . 6 0 0 . 2 6 0 . 0 4 2 4 . 9 6 0 . 3 3 6 9 2 9 . 6 6 0 . 4 1 0 . 1 6 1 0 . 3 0 1 0 0 3 8 . 0 4 0 . 6 2 0 . 0 1 0 . 2 4 0 . 7 6 6 7 b 5 6 . 5 1 9 . 3 2 0 . 3 1 0 . 1 3 3 4 . 9 0 0 . 2 9 7 3 4 0 . 2 6 0 . 3 7 0 . 1 8 2 0 . 7 0 1 3 1 5 2 . 9 1 0 . 6 7 0 . 0 3 1 . 2 0 0 . 7 9 a . c o n c e n t r a t i o n s o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d p r o p a n o l f o r t h e b e g i n i n g , p e a k , a n d e n d o f t h e p r o p a n o l a c c u m u l a t i o n c u r v e a r e p r e s e n t e d . b . a s s a y u s i n g w h o l e g r a n u l e s ; b a c k g r o u n d a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e w e r e u n d e t e c t a b l e . c . t h e r a t i o o f a c e t a t e / i n i t i a l e t h a n o l w h e n p r o p a n o l b e g a n a c c u m u l a t i n g a n d d i s a p p e a r i n g w e r e 0 . 3 7 a n d 0 . 7 8 d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n a s s a y s u s i n g fl o c s . 1 5 2 T a b l e V I I C — 3 . G C / M S r e s u l t s f r o m ‘ 3 C l a b e l e d e t h a n o l a s s a y l " C M a s s o f i n t e n s i t y R a t i o o f i n t e n s i t y N o t e M / Z " = 6 1 b = 6 0 c = 5 9 d 6 1 / 6 0 6 1 / 5 9 C o n t r o l 2 . 5 7 8 . 0 4 1 0 0 0 . 0 3 2 0 . 0 2 5 0 . 5 1 . 1 M n - p r o p a n o l ( u n l a b e l e d f A 1 3 . 3 7 1 2 . 9 4 1 7 . 0 6 0 . 2 6 0 0 . 1 9 8 1 3 c l a b e l e d e t h a n o l , u n l a b e l e d b i c a r b o n a t e A 2 2 . 6 1 1 2 . 6 1 1 7 . 2 3 0 . 2 0 7 0 . 1 5 1 l 3 C l a b e l e d e t h a n o l , u n l a b e l e d b i c a r b o n a t e B 1 0 . 5 9 1 2 . 5 3 1 4 . 8 0 . 0 4 7 0 . 0 4 0 l 3 C l a b e l e d b i c a r b o n a t e , u n l a b e l e d e t h a n o l 1 3 2 N D 1 0 . 5 5 8 . 8 N D N D l 3 c l a b e l e d b i c a r b o n a t e , u n l a b e l e d e t h a n o l C l 2 . 2 8 1 2 . 4 1 8 . 2 3 0 . 1 8 4 0 . 1 2 5 l 3 c l a b e l e d e t h a n o l , u n l a b e l e d b i c a r b o n a t e a . M - m o l e c u l a r w e i g h t o f n - p r o p a n o l f r a g m e n t , Z - c h a r g e b . 6 1 - ” M + c . 6 0 - ” M ’ + ” M - H “ d . 5 9 - l 2 M - H + n a t u r a l a b u n d a n c e o f 1 3 ' 2 M * + ” M — H * f o r 1 c a r b o n i s 1 . 1 % , f o r n - p r o p a n o l i s 3 . 3 % T a b l e V I I C — 4 . G i b b ’ s f r e e e n e r g y p r o f i l e o f m a j o r r e a c t i o n s d u r i n g i n i t i a l h o u r s 1 5 3 o f e t h a n o l d e g r a d a t i o n T i h m e A G ’ f o r e a c h r e a c t i o n s ( k c a l / m o l ) “ ( r ) 1 d 8 8 ' 9 9 ' 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 0 . 5 - 8 . 4 4 + b - 3 7 2 + — 2 . 2 9 - 1 3 5 5 - 1 3 0 0 8 . 6 1 ' 9 . 7 7 - 1 . 1 9 1 - 8 . 0 0 + . 4 4 7 + - 2 . 1 8 - 1 3 . 1 2 4 3 . 2 4 - 8 . 8 6 - 1 0 . 3 8 - 0 . 9 5 2 - - 6 . 4 5 + - 6 . 6 5 + - 3 . 5 0 - 1 1 . 8 3 - 1 5 . 3 1 - 1 0 . 1 5 - 1 0 . 5 2 N A 4 - 6 . 3 9 + ~ 6 . 2 2 + - 3 . 3 2 - 1 1 . 8 1 - l 4 . 9 8 - 9 . 5 7 - 1 0 . 4 1 - 0 2 3 5 - 6 . 4 6 + - 5 . 3 0 + - 3 . 1 6 - 1 1 . 8 5 - 1 4 . 6 5 - 9 . 0 3 - 1 0 2 1 - 0 . 1 3 6 N A " + . 4 5 7 + - 2 . 6 0 N A N A N A - 1 0 . 0 3 + 6 . 5 - 7 . 2 6 + - 3 7 9 + - 2 . 1 7 - 1 2 . 4 8 - 1 3 . 1 9 - 7 . 4 5 - 9 . 9 4 + 7 - 7 . 4 4 + - 3 2 7 + - 1 . 9 0 ~ 1 2 . 5 6 - 1 2 7 9 - 6 . 9 6 - 9 . 8 6 + 8 - 8 . 4 7 + - 1 0 3 + - 0 . 8 3 4 3 . 4 2 - 1 1 . 0 3 - 5 . 2 2 - 9 . 4 4 + 9 N A N A N A 0 . 4 0 + - 1 3 . 8 9 N A N A N A + 1 0 N A N A N A - 1 . 0 8 + - 1 4 . 6 8 - 8 . 4 7 - 2 . 2 1 N A + 1 1 - 9 . 5 1 - 4 . 0 6 + - 1 . 2 2 + - 1 4 . 1 3 - 9 . 4 2 - 0 . 1 4 - 8 . 1 0 + a . n e g a t i v e v a l u e s a r e l i s t e d . 6 . “ + ” r e p r e s e n t s p o s i t i v e n u m b e r . r e a c t i o n 1 : r e a c t i o n 8 : r e a c t i o n 8 ’ : r e a c t i o n 9 : r e a c t i o n 9 ’ : r e a c t i o n 1 0 : r e a c t i o n 1 1 : r e a c t i o n 1 2 : r e a c t i o n 1 3 : r e a c t i o n 1 4 : e t h a n o l + H 2 0 — 9 a c e t a t e + 2 H ; p r o p i o n a t e + 3 H 2 0 - 9 H C O ; ' + 3 H ; + H ” + a c e t a t e a c e t a t e + H C O 3 ‘ + 3 H ; + H " — ) p r o p i o n a t e + 3 H 2 0 p r o p a n o l + H 2 0 — > p r o p i o n a t e + 2 H ; + l l + p r 0 p i o n a t e + 2 H ; + H + — > p r o p a n o l + H 2 0 e t h a n o l + 1 / 2 H 2 0 — > l / 2 p r o p a n o l + l / 2 C 0 2 + 1 . 5 H 2 e t h a n o l + 3 H ; + H C O 3 ' + H + — > p r o p a n o l + 3 H 2 0 e t h a n o l + 2 H ; + H C 0 3 ' + 1 / 2 H ’ — > l / 2 p r o p a n o l + 2 . 5 H 2 0 + 1 / 2 p r o p i o n a t e p r o p a n o l + 2 / 3 a c e t a t e + 2 / 3 H C 0 3 ' — > S / 3 p r o p i o n a t e + H 2 0 + l / 3 H ’ e t h a n o l + p r o p i o n a t e - — > p r o p a n o l + a c e t a t e A G ’ v a l u e . c . N A , n o t a v a i l a b l e . ( 1 . r e a c t i o n [ I N 1 2 n I C H I c 3 1 s r a n U N I V . L I B R A R I E S 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 3 0 1 4 1 1 0 6 1 7 . 3 . v , ' 5 4 % i u m “ . 1 a n r a g - 5 4 ‘ . t ‘ ‘ t ' " 3 * A ‘ r ‘ J . : ' L - ‘ 1 . : ” 3 3 1 3 ‘ . H - . " 5 3 : : . “ a n " , - ‘ 5 ‘ 3 3 . r w ' i g r u ' g g L . - : L a t . . . . , p a w — w . . . ” " J : J r ' é ‘ l ‘ fi é ‘ q u . v m . . . » ' 1 - f : " I M 7 ' . EEEEEEIIEEEElEIE’EIEIEEEll/EIIEEHEEEEIEEE 3 1 2 9 3 0 4 1 1 0 5 9 1 ‘ E E L I B R A R Y M i c h i g a n S ‘ a t e U n i v e r s i t y P L A C E l l R E T U R N B O X t o m m w o t h b d u c k o u t f m n y o u r n c o r d . T O A V O I D F I N E S r o t u m o n o r b a t o n d a t a d u o . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E M S U I . A n A f fi r m a t i v - A c t l o n l E m d O p p o m m n y I r a - m u l c h m m : C H A R A C T E R I Z A T I O N O F P E R F O R M A N C E A N D M O N I T O R I N G O F T H E U P F L O W A N A E R O B I C S L U D G E B L A N K E T R E A C T O R V o l u m e H B y M a y M e i l i a n g W u A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 5 [ P o w e l l a n d A r c h e r , 1 9 8 9 ] , b i c a r b o n a t e [ C o l i n 1 9 8 4 ] [ R o z z i e t a 1 , 1 9 8 5 ] , r e d o x p o t e n t i a l C H A P T E R 8 . M O N I T O R I N G A N U A S B R E A C T O R T R E A T I N G A S Y N T H E T I C B R E W E R Y W A S T E A . I n t r o d u c t i o n T h e c o m p l e x d e g r a d a t i o n s e q u e n c e i n a n a e r o b i c t r e a t m e n t o f o r g a n i c m a t t e r i n w a s t e w a t e r a n d c o u p l e d w i t h t h e s e n s i t i v i t y o f t h e d i f f e r e n t m i c r o b i a l p o p u l a t i o n s r e q u i r e s a s t r o n g m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l s t r a t e g y , t o a d e q u a t e l y d e t e c t i n s t a b i l i t y o f a p r o c e s s o r a n y c h a n g e i n s y s t e m r e s p o n s e s f r o m a t a r g e t l e v e l . I m p r o v e d m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l s h o u l d l e a d t o i m p r o v e d s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d a v o i d a n c e o f g r o s s p r o c e s s f a i l u r e . N u m e r o u s a t t e m p t s h a v e b e e n m a d e t o r e v e a l t h e c a u s e s o f i n s t a b i l i t y a n d t o b e t t e r c o n t r o l a n a e r o b i c p r o c e s s u s i n g c o n t r o l c h a r t s , p a t t e r n r e c o g n i t i o n , f u s s y c o n t r o l a n d e x p e r t s y s t e m s [ O l s s o n e t a l . , 1 9 8 9 ] [ B e r t h o u e x , l 9 8 9 ] [ L o c h e r e t a l . , 1 9 9 0 ] [ B o s c o l o e t a l . 1 9 9 3 ] [ B a r n e t t a n d A n d r e w s , 1 9 9 2 ] . R e c e n t d e v e l o p m e n t s i n a n a e r o b i c m i c r o b i o l o g y a n d a v a i l a b l e i n s t r u m e n t a t i o n h a s e x p a n d e d m o n i t o r i n g o f t h e a n a e r o b i c t r e a t m e n t p r o c e s s t o a v a r i e t y o f s y s t e m p a r a m e t e r s . S u c c e s s f u l p r o c e s s m o n i t o r i n g c a n b e a c c o m p l i s h e d b y u s i n g s e v e r a l p r o c e s s i n d i c a t o r s w h i c h c h a r a c t e r i z e c u r r e n t p r o c e s s s t a t u s . I n t h e n e a r f u t u r e , t h e s e i n d i c a t o r s m a y b e u s e d t o h e l p i d e n t i f y t h e c a u s e s w h e n p o o r O p e r a t i o n e x i s t s . I d e a l p r o c e s s i n d i c a t o r s h a v e t h e f e a t u r e s o f b e i n g : 1 ) s e n s i t i v e w i t h l o w n o i s e 2 ) e a s y t o m e a s u r e 3 ) h a v e i n t r i n s i c m e a n i n g 4 ) b e a s i g n o f e a r l y w a r n i n g 5 ) o n - l i n e m e a s u r e m e n t a v a i l a b l e . E a r l y p r o c e s s i n d i c a t o r s u s e d f o r a n a e r o b i c d i g e s t i o n s y s t e m s i n c l u d e d p H [ C l a r k a n d S p e e c e , 1 9 7 0 ] [ Z o e t e m a y e r e t a 1 . , 1 9 8 2 ] , V F A [ A s i n a r i d i S a n M a r z a n o , 1 9 8 1 ] 1 5 6 [ S t r a y e r a n d T i e d j e , 1 9 7 8 ] [ M a c a r i o a n d C o n w a y d e M a c a r i o , 1 9 8 3 ] a n d F 4 2 0 [ S c h u l z e e t 1 5 7 t h e s e p a r a m e t e r s p H . V F A a n d g a s p r o d u c t i o n a r e g o o d p r o c e s s i n d i c a t o r s f o r d e t e c t i n g s l o w t o d e v e l o p s y s t e m f a i l u r e s s u c h a s t h o s e e x p e r i e n c e d f o r s l u d g e d i g e s t i o n . I n h i g h r a t e a n a e r o b i c s y s t e m s u c h a s U A S B r e a c t o r s , h o w e v e r , p r o c e s s p a r a m e t e r s t h a t p r o v i d e a f a s t r e s p o n s e u n d e r s h o c k l o a d i n g a n d o t h e r p e r t u r b a t i o n s i s r e q u i r e d t o a v o i d s e r i o u s s y s t e m f a i l u r e . A u t o m a t i o n o f p H m o n i t o r i n g i s a v a i l a b l e . A r e d u c t i o n i n p H , w h i c h c o u l d l e a d t o i n h i b i t i o n o f m e t h a n o g e n e s i s , i s c a u s e d b y a c c u m u l a t i o n o f a c i d s w h e n t h e b u f f e r i n g c a p a c i t y i s e x h a u s t e d . T h e r e f o r e , i t i s t h e r e s u l t o f a s y s t e m i m b a l a n c e r a t h e r t h a n a n e a r l y w a r n i n g s i g n . T h e m e a s u r e m e n t f o r b i c a r b o n a t e i s u s u a l l y p e r f o r m e d v i a a t i t r a t i o n t e c h n i q u e w h i c h i s n o t e a s i l y a u t o m a t e d . V F A a c c u m u l a t i o n i s a s i g n o f l a c k o f b a l a n c e b e t w e e n a c e t o g e n s a n d m e t h a n o g e n s . T h e d e t e r m i n a t i o n o f V F A a t p r e s e n t i s o f f - l i n e a n d o b s e r v e d t o b e a l e s s s e n s i t i v e i n d i c a t o r t h a n g a s p r o d u c t i o n . V a r i a t i o n o f t h e c o m p o s i t i o n o f t h e m a j o r g a s e s , C H 4 a n d C 0 2 , i s s e n s i t i v e a n d r e fl e c t s i n t r i n s i c i m b a l a n c e s i n t h e d i g e s t i o n o f s l u d g e . T h e r e s p o n s e o f t h e g a s c o m p o s i t i o n i s o b s e r v e d , h o w e v e r , o n l y w h e n s y s t e m f a i l u r e i s w e l l d e v e l o p e d . G a s p r o d u c t i o n a n d m e t h a n e p r o d u c t i o n h a v e r a p i d r e s p o n s e s t o c h a n g e s i n o r g a n i c l o a d i n g r a t e a n d o n - l i n e a u t o m a t i o n i s a v a i l a b l e . H o w e v e r , t h e v a r i a t i o n o f m e t h a n e p r o d u c t i o n a n d g a s p r o d u c t i o n c a n b e e i t h e r a s i g n o f i n h i b i t i o n o f m e t h a n o g e n , o r a r e s u l t o f b a c k g r o u n d i n fl u e n t o r g a n i c l o a d i n g r a t e fl u c t u a t i o n s . A n o t h e r c l a s s o f m e t h o d s t e s t e d f o c u s o n t h e m i c r o b i a l p o p u l a t i o n s i n t h e d i g e s t e r s . T h e s e m e t h o d s u s i n g e n z y m a t i c , i m m u n o l o g i c a l m e a n s , g e n e p r o b e a n d l i p i d c o m p o s i t i o n a n a l y s i s t o d e t e c t e n z y m e a c t i v i t y [ A g a r d y e t a l . , 1 9 6 3 ] [ T h i e l a n d H a t t i n g h , 1 9 6 7 ] [ L e n h a r d , 1 9 6 8 ] , f a t t y a c i d s v a r i a t i o n [ H e n s o n e t a l . , 1 9 8 8 a , 1 9 8 8 b ] , a n t i b o d i e s 1 5 8 a 1 . . 1 9 8 8 ] , a c o - f a c t o r s p e c i f i c t o m e t h a n o g e n s . D N A a n d A T P m o n i t o r i n g [ A g a r d y a n d S h e p h e r d , 1 9 6 5 ] [ C h u n g a n d N e e t h l i n g , 1 9 8 8 ] h a v e a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d . I m m u n o l o g i c a l m e t h o d h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d i n U A S B f o r s t u d y i n g l o n g - t e r m p o p u l a t i o n s h i f t s [ v a n L i e r e t a 1 . 1 9 9 1 ] . T h e s e m e t h o d s , h o w e v e r , a r e s l o w a n d o f f - l i n e . A d e t a i l e d r e v i e w o f m o n i t o r i n g t e c h n o l o g i e s i n a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i s p r o v i d e d b y S w i t z e n b a u m e t a 1 . [ 1 9 9 0 ] . H y d r o g e n a n d C 0 a r e i n t e r m e d i a t e s o f m e t h a n e f e r m e n t a t i o n o f o r g a n i c s . A c c u m u l a t i o n o f H 2 i s i n h i b i t o r y t o h y d r o g e n p r o d u c i n g m i c r o o r g a n i s m s . A s a r e s u l t o f t h i s i n h i b i t i o n , m o r e r e d u c e d p r o d u c t s c a n b u i l d - u p a s a l t e r n a t i v e e l e c t r o n s i n k s [ C h u n g , 1 9 7 6 ] [ K a s p a r a n d W u h r m a n n , 1 9 7 8 ] . C O i s a m e t a b o l i c i n t e r m e d i a t e i n v o l v e d i n s y n t h e s i s o f c a r b o x y l g r o u p o f a c e t y l - C o A a n d d e c a r b o x y l a t i o n o f a c e t a t e v i a c a r b o n m o n o x i d e d e h y d r o g e n a s e ( C O D H ) [ K r z y c k i e t a 1 . , 1 9 8 2 ] [ S t u p p e r i c h e t a l . , 1 9 8 3 ] [ Z e i k u s e t a l . , 1 9 8 5 ] [ E i k m a n n s a n d T h a u e r , 1 9 8 4 ] [ N e l s o n a n d F e r r y , 1 9 8 4 ] [ K r z y c k i a n d Z e i k u s , l 9 8 4 ] . M o n i t o r i n g t r a c e g a s e s H 2 a n d C O h a s a t t r a c t e d a t t e n t i o n f o r a n a e r o b i c p r o c e s s m o n i t o r i n g d u e t o t h e f a c t t h a t t h e y a r e r e l a t i v e l y e a s y t o m e a s u r e , s l i g h t l y s o l u b l e i n w a t e r , s e n s i t i v e , c a n b e m e a s u r e d o n - l i n e a n d h a v e t h e p o t e n t i a l o f m e a s u r i n g m e t a b o l i c s t a t u s . H 2 a n d C O w e r e o b s e r v e d t o h a v e f a s t r e s p o n s e s t o o r g a n i c o v e r l o a d i n g b e f o r e V F A a c c u m u l a t i o n o r b u i l d - u p , p H a n d m e t h a n e d e c r e a s e [ H i c k e y a n d S w i z m b a u m , 1 9 8 8 ] [ H i c k e y e t a l . , 1 9 8 7 a ] [ H i c k e y e t a l . , 1 9 8 9 ] [ M c C a r t y a n d S m i t h , 1 9 8 6 ] . M o s e y [ 1 9 8 3 ] d e v e l o p e d a m a t h e m a t i c m o d e l b a s e d o n H 2 v a r i a t i o n s i n s l u d g e d i g e s t e r s . C a r b o n m o n o x i d e h a d a c h a r a c t e r i s t i c r e s p o n s e s u n d e r h e a v y m e t a l i n h i b i t i o n o f d i g e s t e r [ H i c k e y e t a 1 . , 1 9 8 7 b ] . A t h e r m o d y n a m i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n H 2 , C O , m e t h a n e c o n t e n t , C 0 2 a n d 1 5 9 e f fl u e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n h a s b e e n p o s t u l a t e d t o p r e d i c t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s d u r i n g o r g a n i c o v e r l o a d o f s l u d g e d i g e s t e r s [ H i c k e y a n d S w i t z e n b a u m , 1 9 9 0 ] . H o w e v e r , c o n t r o v e r s i e s s t i l l e x i s t o n w h e t h e r C O a n d H ; a r e u s e f u l m o n i t o r i n g p a r a m e t e r s f o r t h e c o n t r o l o f a n a e r o b i c p r o c e s s . T h e H 2 l e v e l i n a fi x e d b e d r e a c t o r w a s o b s e r v e d t o b e a f f e c t e d b y d i f f e r e n c e s i n r e a c t o r c o n f i g u r a t i o n [ H a r p e r a n d P o h l a n d , 1 9 8 7 ] . P a u s s e t a l . [ 1 9 9 0 , l 9 9 3 ] u s i n g a h y d r o g e n p r o b e t o m e a s u r e l i q u i d p h a s e H 2 o n - l i n e a n d o b s e r v e d n o c o r r e l a t i o n b e t w e e n O L R a n d t h e r a t i o o f H 2 ( L , / l - I z * u _ ) b e c a u s e o f v a r i a t i o n s i n t h e l i q u i d - g a s m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n s o f H 2 w i t h i n t h e r e a c t o r t h e y u s e d . C O p r o d u c t i o n i n a C S T R d u r i n g g l u c o s e , f o r m a t e a n d a c e t a t e p e r t u r b a t i o n s w e r e r e p o r t e d t o b e i n c o n s i s t e n t [ B a e a n d M c C a r t y , 1 9 9 3 ] . T h i s p o r t i o n o f s t u d y f o c u s e d o n e x a m i n i n g r e s p o n s e s o f H 2 a n d C O a n d r e a c t o r p e r f o r m a n c e d u r i n g v a r i o u s h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e s , o r g a n i c l o a d i n g r a t e s a n d v a r i a t i o n i n f e e d c o m p o s i t i o n a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e , a n d e x a m i n i n g t h e p o t e n t i a l o f u s i n g H 2 a n d C O a s i n d i c a t o r s f o r m o n i t o r i n g U A S B r e a c t o r s y s t e m , t o d e t e c t o n s e t o f u n s t a b l e c o n d i t i o n s ( o r g a n i c o v e r l o a d i n g ) a n d s y s t e m f a i l u r e . T h e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e a n d u n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n s o n a U A S B r e a c t o r t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e . D a t a w e r e a n a l y z e d u s i n g s t a t i s t i c a l m e t h o d s t o d e t e c t a n y r e c o g n i z a b l e p a t t e r n s o f H 2 a n d C O , i n c l u d i n g m e a n a n d v a r i a n c e a n a l y s i s , c o r r e l a t i o n b e t w e e n t r a c e g a s e s a n d p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s , t r e n d o f C O a n d H 2 d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e a n d p e r t u r b a t i o n s a n d s p e c t r a a n a l y s i s . 1 6 0 B . M o n i t o r i n g C O a n d H 2 d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n 8 - ] . O n - l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r M o n i t o r i n g e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r ( d e s c r i b e d i n C h a p t e r V ) e q u i p p e d w i t h a n o n - l i n e d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m P A R A G O N ( I n t e c ) t h r o u g h a n a n a l o g / d i g i t a l ( A / D ) i n t e r f a c e ( O P T 0 — 2 2 ) a n d a p e r s o n a l c o m p u t e r ( 3 8 6 ) . T h e r e a c t o r s e t - u p u s e d f o r g a s , l i q u i d a n d d a t a a c q u i s i t i o n i s p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I I B - l . G a s p h a s e C O , H 2 , C H 4 a n d g a s p r o d u c t i o n f r o m t h e U A S B w e r e s a m p l e d a n d a n a l y z e d o n - l i n e . H e a d s p a c e s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d f r o m a g a s l o o p c o n n e c t e d t o r e a c t o r h e a d s p a c e . G a s s t r e a m g e n e r a t e d f r o m r e a c t o r f i r s t p a s s e d t h r o u g h a c o n d e n s e r t o r e m o v e m o i s t u r e i n g a s s t r e a m , t h e n e n t e r e d t h e g a s l o o p . T h e g a s s t r e a m w a s p u m p e d c o n t i n u o u s l y i n t o a n i n f r a r e d M e t h a n e A n a l y z e r ( A D C S B 1 0 0 ) f o r o n - l i n e q u a n t i t a t i o n o f m e t h a n e . A n a l o g s i g n a l s f r o m M e t h a n e A n a l y z e r w e r e t r a n s m i t t e d t o t h e h o s t c o m p u t e r . T h e g a s s t r e a m t h e n e x i t e d t h e M e t h a n e A n a l y z e r w h e r e t h e fl o w w a s s p l i t i n t o t w o s t r e a m s : t h e m a j o r i t y o f t h e g a s s t r e a m w e n t b a c k t o t h e r e a c t o r h e a d s p a c e w h i l e t h e o t h e r b r a n c h w a s p a s s e d t h r o u g h t h e s a m p l e l o o p o f a T r a c e G a s A n a l y z e r ( R G A 3 ) . C O a n d H z w e r e c o l l e c t e d v i a a u t o m a t e d a c t u a t e d g a s s a m p l i n g v a l v e s a n d a n a l y z e d i n t h e T r a c e G a s A n a l y z e r . T h e c o m p o n e n t s r e m a i n e d i n t h e c o l u m n w e r e b a c k fl u s h e d t o v e n t w i t h c a r r i e r g a s . D a t a a n a l y s i s o f H 2 a n d C O w a s p e r f o r m e d a u t o m a t i c a l l y b y t h e i n t e g r a t o r / c o n t r o l l e r m o d u l e ( I C M ) i n t h e R G A 3 . T h e I C M w a s p r o g r a m m e d f o r c o m p l e t e o p e r a t i o n , w h i c h w a s m o n i t o r e d b y t h e P A R A G O N p r o g r a m i n t h e h o s t c o m p u t e r . G a s p r o d u c e d f r o m t h e r e a c t o r p a s s e d t h r o u g h a t h r e e - w a y v a l v e w h i c h w a s c o n n e c t e d t o a v a r i e d f r o m 4 t o 2 3 k g C O D / m e e d - d , H R T f r o m 0 . 5 t o 2 . 5 d a y s , a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n 1 6 1 g a s m e t e r a n d a n e x h a u s t p i p e . G a s p r o d u c t i o n w a s m e a s u r e d b y m e a n s o f a l i q u i d d i s p l a c e m e n t t e c h n i q u e . E a c h g a s c o u n t ( c a . 3 - 5 m l ) w a s r e c o r d e d a n d c u m u l a t i v e g a s p r o d u c t i o n t o t a l e d u s i n g t h e P A R A G O N s y s t e m . T h e i n l e t l i q u i d fl o w r a t e t o t h e U A S B r e a c t o r w a s c o n t r o l l e d v i a a n a u t o m a t e d p u m p ( W a t s o n — M a r l o w 5 0 3 U ) c o n n e c t e d t o t h e P A R A G O N s y s t e m t o e n s u r e t h e d e s i r e d O L R w a s a t t a i n e d . A m i x t u r e o f i n l e t a n d r e c y c l e d fl o w w a s c o n t i n u o u s l y p a s s e d u p w a r d t h r o u g h s l u d g e b e d / b l a n k e t a n d c l a r i fl e r . E f fl u e n t w a s c o l l e c t e d a t t h e t o p o f t h e r e a c t o r . T h e m a j o r i t y o f t h e r e a c t o r e f fl u e n t f r o m t h e c l a r i fl e r z o n e w a s r e c i r c u l a t e d ( W a t s o n — M a r l o w 5 0 3 8 ) . L i q u i d s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d m a n u a l l y f r o m t h e r e a c t o r r e c i r c u l a t i o n l i n e f o r V F A s , p H a n d a l c o h o l s a n a l y s i s . B i o m a s s w a s c o l l e c t e d t h r o u g h s a m p l i n g p o r t s i n t h e s l u d g e b e d . D e t a i l e d d e s c r i p t i o n s o f t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m , a n a l y t i c a l m e t h o d s a n d Q A / Q C p r o c e d u r e s f o r g a s , l i q u i d a n d s o l i d p h a s e s a m p l e a n a l y s i s a r e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x C . B - 2 . P s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t s A s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e ( 1 1 . 4 k g C O D / m 3 , A p p e n d i x A ) w a s u s e d a s f e e d t o t h e U A S B r e a c t o r . A n a e r o b i c g r a n u l e s w e r e c u l t i v a t e d i n t h e U A S B r e a c t o r , o p e r a t e d a t 3 7 ° C . L i q u i d p H w a s m a i n t a i n e d a t 6 . 8 - 7 . 0 . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f t h e U A S B r e a c t o r d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e a r e s h o w n i n T a b l e V I I I B - l . P s e u d o - s t e a d y s t a t e w a s a s s u m e d t o h a v e b e e n a t t a i n e d w h e n a l l e f fl u e n t p a r a m e t e r s s t a b i l i z e d a f t e r a c h a n g e i n O L R a n d m o r e t h a n t h r e e H R T . E x p e r i m e n t s b e g a n a b o u t t h r e e w e e k s a f t e r s t a r t - u p . T h e O L R w a s d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n a r e s h o w n i n F i g u r e V I I I B - Z . T h e l a r g e s t i n v a r i a t i o n 1 6 2 f r o m 6 - 1 4 k g C O D / m “ . T h i s e x p e r i m e n t w a s d e s i g n e d t o e x a m i n e e a c h p a r a m e t e r i n d i v i d u a l l y , b y o p e r a t i n g t h e U A S B r e a c t o r a t d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s o f O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n . F i r s t , O L R w a s v a r i e d a t t w o l e v e l s ( 1 5 a n d 2 3 k g C O D / m 3 b e d — d ) w h i l e H R T ( 0 . 5 d a y s ) a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n ( 1 4 k g C O D / m ’ ) w e r e h e l d c o n s t a n t . T h e n , H R T w a s v a r i e d a t t w o l e v e l s ( 0 . 5 , 1 . 5 d a y s ) w h i l e O L R ( 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n ( 1 4 k g C O D / m 3 ) r e m a i n e d u n c h a n g e d . F e e d c o n c e n t r a t i o n e f f e c t s w e r e e x a m i n e d a t t w o l e v e l s ( 9 a n d 1 1 k g C O D / m 3 ) w h i l e k e e p i n g O L R a t 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d H R T a t 1 . 5 - 1 . 8 d a y s . T h e e f f e c t o f i n c r e a s i n g t h e O L R t h r o u g h c h a n g i n g f e e d p u m p i n g r a t e ( H R T v a r i e s , f e e d c o n c e n t r a t i o n fi x e d ) o r c h a n g i n g b o t h f e e d a n d m i n e r a l p u m p i n g r a t e s ( f i x e d H R T , f e e d c o n c e n t r a t i o n v a r i e s ) w e r e e x a m i n e d a t t h r e e l e v e l s ( 4 , 1 0 , 1 4 a n d 6 , 1 0 , 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d r e s p e c t i v e l y ) . A t o t a l o f e i g h t r u n s o f d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s w e r e c o n d u c t e d ( T a b l e V I I I B - 2 ) . R e a c t o r g a s , l i q u i d a n d s o l i d p h a s e s w e r e m o n i t o r e d f o r n i n e m o n t h s d u r i n g t h i s e x p e r i m e n t a l p e r i o d . G a s p h a s e H 2 , C O , C H 4 c o n t e n t a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e w e r e m e a s u r e d h o u r l y . R e a c t o r e f fl u e n t V F A a n d p H w e r e m e a s u r e d d a i l y . B i o m a s s i n t h e e f fl u e n t ( T 8 8 a n d V S S ) w e r e m e a s u r e d w e e k l y . S l u d g e b e d s o l i d s c o n c e n t r a t i o n ( T S a n d V S ) w e r e m e a s u r e d m o n t h l y . T h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e d a t a fi l e s w e r e c o m b i n e d o n a s e m i w e e k l y b a s i s a n d t h e n t r a n s f e r r e d a s a S A S d a t a s e r i e s . C o m p u t a t i o n s w e r e m a d e f o r g a s p r o d u c t i o n r a t e b a s e d o n c u m u l a t i v e h o u r l y m o n i t o r i n g d a t a . M i n o r d i s t u r b a n c e s o f t h e s y s t e m w h i c h h a p p e n e d d u r i n g O p e r a t i o n w e r e c o r r e c t e d f o r ( i e . m e t h a n e a n a l y z e r f a i l u r e a n d t r a c e g a s a n a l y z e r e r r o r s i g n a l s ) . T y p i c a l p r o fi l e s o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O , H 2 , C H 4 a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e 1 6 3 w a s o b s e r v e d f o r H 3 c o n c e n t r a t i o n : m e t h a n e w a s t h e l e a s t i n v a r i a t i o n p a r a m e t e r s . C O fl u c t u a t e d a t 1 - 0 . 2 p p m . D u r i n g t h e e n t i r e o p e r a t i o n a l p e r i o d , a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n s r e m a i n e d b e l o w 2 m M a n d l m M , r e s p e c t i v e l y . A t a n O L R < 1 4 k g C O D / m e e d - d t h e a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n s w e r e n e a r o r b e l o w d e t e c t i o n l i m i t s ( 0 . 1 m M ) . D u r i n g t h e e n t i r e p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s , C O D r e m o v a l e f fi c i e n c y , d e t e r m i n e d b a s e d o n a m a s s b a l a n c e o f g a s p r o d u c t i o n , r a n g e d f r o m 7 1 t o 9 4 % , t h e a v e r a g e d b e i n g 8 5 % . M e t h a n e p r o d u c t i o n , b a s e d o n C O D r e m o v e d , r a n g e d f r o m 0 . 2 8 t o 0 . 3 7 L C H 4 / g C O D r e m o v e d , w i t h a n a v e r a g e o f 0 . 3 4 L C H 4 / g C O D r e m o v e d . B - 3 . S t a t i s t i c s o f H 2 , C O a n d o t h e r p r o c e s s v a r i a b l e s B - 3 . 1 G e n e r a l s t a t i s t i c s S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n a l d a t a w a s p e r f o r m e d . F o r m e a n , v a r i a n c e , s t a n d a r d e r r o r , c o e f f i c i e n t o f v a r i a n c e ( C V , t h e r a t i o o f v a r i a n c e t o m e a n ) , c o r r e l a t i o n , S t u d e n t t s t a t i s t i c s , c o n f i d e n c e i n t e r v a l a n d p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n f o r a c e t a t e , p r O p i o n a t e , C H 4 , g a s p r o d u c t i o n , p H , C O a n d H 2 , a t e a c h p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n . T h e C V s w e r e t h e n a v e r a g e d t o o b t a i n a m e a n o f C V f o r o v e r a l l s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . T h e m e a n , C V a n d s t a n d a r d e r r o r f o r e a c h v a r i a b l e d u r i n g t h e o v e r a l l p s e u d o — s t e a d y s t a t e i s p r e s e n t e d i n T a b l e V I I I B - 6 . B - 3 . l l M e a n , c o e f f i c i e n t o f v a r i a n c e , p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n a n d s t a n d a r d e r r o r P o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o n t e s t s i n d i c a t e d a l l v a r i a b l e s f o l l o w e d n o r m a l d i s t r i b u t i o n . M e t h a n e c o n t e n t h a d t h e n a r r o w e s t r a n g e ( 7 4 . 2 % - 8 5 . 6 % ) f o r t h e m e a n w h i l e B ; t h e w s c ( v o e i 3 a s t d e e n 6 r f s f i . i 9 a t i i ) t ( , 1 c v i i w i o n y e t n a 9 s t . w - e 1 r H o m 7 e f 2 o 3 : d v a h e p a H r r p d i 2 a m a t . i h ) t t > e T n h s a h ( i w c e C g e h a V t e o > a v ) a e s a s . r t a t e T i c a e > C h t t V e i a C o t n e h ( O c h v i 7 o g 5 ( f 4 h . e e 2 9 ) . r a 1 , t h C . ) a C r V . h o e n i s t a , h a t e e b e s e o w a r l t l v e h > g w e r a s i g a a b s s e a t l t ( e s r e 2 , r . s o e p 6 t d g t ) i u h . r m c a t e d e o T fl h u p u c t e e d b v u a y a t i o n > t h a r t i i a e o t c C c H o 4 v o d n i . r a o n i T e h f l r n u g o h e i t o g C o s t h e e r f h O t h e i t a n d t a r h e r d e H T i > p r o p 1 6 4 e r r o r w a s h i g h e s t f o r H 2 t h a n f o r C H 4 , i n d i c a t i n g h i g h b a c k g r o u n d n o i s e o f H 2 . B - 3 . 1 2 C o n f i d e n c e l e v e l a n d m e a n a s a f u n c t i o n o f O L R C o n fi d e n c e l e v e l s o f e a c h m o n i t o r i n g v a r i a b l e w e r e c a l c u l a t e d u s i n g a S t u d e n t t t e s t a t t h e ( 1 : 0 . 0 5 l e v e l . A c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O , H ; , C H 4 a n d g a s p r o d u c t i o n w e r e c o m p u t e d u s i n g s t a n d a r d e r r o r . T h e m e a n a n d c o n fi d e n c e i n t e r v a l s ( C I ) o f e a c h v a r i a b l e w e r e t h e n p l o t t e d a g a i n s t O L R ( F i g u r e V I I I B - S , 6 a n d 9 ) . T h e m e a n s o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O a n d g a s p r o d u c t i o n a l l i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s e d a p p l i e d O L R . T h i s i n c r e a s e w a s c l e a r l y l i n e a r f o r g a s p r o d u c t i o n a n d n o n - l i n e a r f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d C O . T h e C H 4 c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s e d O L R , a l s o i n a n o n — l i n e a r f a s h i o n . T h e r e i s n o d i s c e r n i b l e p a t t e r n t o t h e m e a n o f H 2 c o n c e n t r a t i o n . T h e C I s o f G a s p r o d u c t i o n , C H 4 a n d C O w e r e s m a l l a n d c o n s i s t e n t t h r o u g h o u t t h e e n t i r e O L R r a n g e t e s t e d . T h e C I o f C O i n c r e a s e d s l i g h t l y a t h i g h O L R ( 2 3 k g C O D / m 3 b e d - d ) . I n c o n t r a s t t o t h e o t h e r v a r i a b l e s , t h e C 1 3 o f H z w a s h i g h . T h e C I s o f H 2 o v e r l a p p e d b e t w e e n O L R s o f 1 0 a n d 2 3 k g C O D / m 3 b e d - d , i n d i c a t i n g t h e r e w a s n o s t a t i s t i c a l d i f f e r e n c e s i n H 2 c o n c e n t r a t i o n s b e t w e e n t h e s e t w o O L R s . A c e t a t e a n d p r o p i o n a t e h a d c o n s i d e r a b l y h i g h e r C I s , w h i c h i n c r e a s e d a t t h e h i g h e s t O L R ( 2 3 k g C O D / m 3 b e d - d ) . B - 3 . 1 3 C o r r e l a t i o n C o r r e l a t i o n a n a l y s i s s h o w e d a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d m e t h a n e c o n t e n t w e r e m o s t c l o s e l y c o r r e l a t e d w i t h o t h e r v a r i a b l e s ( a t 0 t = 0 . 0 1 ; F i g u r e V I I I B - l O ) . G a s p r o d u c t i o n a n d C O c o n c e n t r a t i o n w e r e r e l a t e d t o t h r e e o t h e r v a r i a b l e s . T h e r e w a s n o c o r r e l a t i o n b e t w e e n H ; a n d a n y o t h e r v a r i a b l e s . B i v a r i a n t e p l o t s o f C O a n d H z w i t h a c e t a t e f o r e i g h t p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s w e r e u s e d t o e x a m i n e t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n a c e t a t e a n d t r a c e g a s e s . T h e r e s u l t s ( F i g u r e V I I I B — 3 a n d 4 ) i n d i c a t e t h a t C O c o n c e n t r a t i o n w a s s c a t t e r e d i n s o m e i n d i v i d u a l r u n s a l t h o u g h i t c o r r e l a t e d w i t h a c e t a t e b a s e d o n w h o l e d a t a . B - 3 . l 4 A n a l y s i s o f v a r i a n c e s a n d m u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t s A n a l y s i s o f v a r i a n c e s ( A N O V A ) w a s p e r f o r m e d o n t h e s i x m o n i t o r i n g v a r i a b l e s t o t e s t t h e s i g n i fi c a n c e i n v a r i a t i o n a m o n g t h e O L R s t e s t e d . R e s u l t o f s i g n i fi c a n c e t e s t s , p r e s e n t e d i n T a b l e V I I I B - 9 , i n d i c a t e d h i g h F v a l u e s f o r a l l o f t h e v a r i a b l e s . T h e v a l u e s o f F s w e r e s i g n i fi c a n t a t 0 : 2 0 . 0 0 1 l e v e l ( i n d i c a t e d b y t h r e e ‘ + ’ s i g n s ) , w h i c h p r o v i d e d s t r o n g e v i d e n c e o f r e a l d i f f e r e n c e s a m o n g t h e m e a n s o f e a c h v a r i a b l e s f o r t h e e i g h t O L R s t e s t e d . T h u s i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t e v e r y i n d i v i d u a l m o n i t o r i n g v a r i a b l e d o e s n o t b e l o n g t o a p o p u l a t i o n w i t h i n a c o m m o n m e a n u a t d i f f e r e n t O L R s . T o f u r t h e r e x a m i n e a t w h i c h t w o O L R s v a r i a b l e s a r e d i f f e r e n t f r o m e a c h o t h e r , m u l t i p l e c o m p a r i s o n t e s t s , D u n c a n ’ s m u l t i p l e r a n g e t e s t a n d L S D ( l e a s t s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s ) t e s t s , w e r e c o n d u c t e d o n t h e p o p u l a t i o n m e a n s o f e a c h v a r i a b l e ( 0 t : 0 . 0 5 ) . T h e v a r i a b l e s w e r e t h e n g r o u p e d b a s e d o n O L R ( T a b l e V I I I B - 1 0 ) . A c e t a t e a n d p r o p i o n a t e 1 6 6 w e r e g r o u p e d s i m i l a r l y . T h e g r o u p i n g o f g a s p r o d u c t i o n a n d C H 4 . C H 4 a n d C O w e r e c l o s e , r e s p e c t i v e l y . A l l o f t h e v a r i a b l e s a t O L R 2 3 k g C O D / m J b e d — d w e r e d i f f e r e n t f r o m o t h e r s e x c e p t H 2 . M o s t v a r i a b l e s h a d l i t t l e d i f f e r e n c e s a t l o w O L R s . B - 3 . 2 O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n e f f e c t s S a m p l e m e a n s o f t h e 8 p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n a l d a t a s e t s w e r e s h a p e d i n t o fi v e g r o u p s a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t c o n t r o l v a r i a b l e s ( T a b l e V I I I B - 2 ) . T h e m e a n o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , H 2 , C O , C H 4 a n d g a s p r o d u c t i o n a t d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s o f O L R , H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n a r e l i s t e d i n T a b l e V I I I B - 7 . W i t h i n e a c h g r o u p , m e a n s w e r e c o m p a r e d t o d e t e c t a n y t r e n d . T h e m o n i t o r i n g v a r i a b l e s f o l l o w e d O L R v a r i a t i o n s . A c e t a t e , p r o p i o n a t e , g a s p r o d u c t i o n a n d C O g e n e r a l l y v a r i e d i n p a r a l l e l w i t h O L R . C H 4 v a r i e d i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n . W h e n H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n w e r e b o t h h e l d c o n s t a n t a t 0 . 5 d a y s a n d 1 4 k g C O D / m 3 , m e a n s o f a l l v a r i a b l e s w i t h t h e e x c e p t i o n o f m e t h a n e , i n c r e a s e d w i t h a n i n c r e a s e i n t h e O L R f r o m 1 4 . 5 t o 2 3 k g C O D / m a b e d - d ( I ) . W h e n t h e H R T w a s d e c r e a s e w h i l e O L R a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n r e m a i n e d a b o u t s a m e ( I I ) , C O , H 2 , p r o p i o n a t e a n d g a s p r o d u c t i o n c h a n g e d s l i g h t l y . C H 4 d e c r e a s e d a n d a c e t a t e i n c r e a s e d . A t a fi x e d O L R o f 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d H R T v a r y i n g a t 1 . 5 - 1 . 8 d a y s ( 1 1 1 ) , t h e r e s p o n s e s w e r e w e a k . W h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e p u m p i n g r a t e ( H R T d e c r e a s e d ; I V ) , a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O , H ; a n d g a s p r o d u c t i o n i n c r e a s e d a n d C H 4 d e c r e a s e d a s O L R i n c r e a s e d i n r e s p o n s e t o i n c r e a s e d O L R . W h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e f e e d c o n c e n t r a t i o n ( H R T r e m a i n e d c o n s t a n t ; V ) , t h e s a m e p h e n o m e n a w a s a g a i n o b s e r v e d ; a l l i t ( t T g h n h h e c e r i e u r o s v O a r i a s m a i p L e R I p b i V l l n , e i a e n e H s i n c r C T s d O a t , h b H H : l a e t R T a s e d o r c I o I T n B c - d e 7 o n ) e a n g e s V I R r e r d t , s s a a c n t u t n r o d e i d t i a s e d o e n t h d s h a . e v a e T o h p e w n ( n C d a p i l p s - g o s L a s t w ) s i r a t o s i r g a t i o l h d n i n u a c n i fl n u t o i t o h e n s o t h e c r e a s e d O L u c t ; l e n i g H i R ( d e e n . e g g e u H s R a p m s T o e e d c r r o a f r i n e T d a t n o c e H n c , i o b C r e n t r a o n i V n I c o a n u e I I B - v t a i r o i n a b w s e a a n t s e d 7 l c a . s ) e a s n e c c a s r e a n c e o d a n s w a e h t h 1 6 7 v a r i e d . B - 3 . 3 S p e c t r a a n a l y s i s S p e c t r a a n a l y s i s w a s c o n d u c t e d o n p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n a l d a t a f o r s i x m o n i t o r i n g v a r i a b l e s ( a c e t a t e , p r o p i o n a t e , H 2 , C O , C H , a n d h a s p r o d u c t i o n ) i n o r d e r t o d e t e c t a n y c y c l i c a l p a t t e r n s . T h e s p e c t r a t e c h n i q u e u s e s fi n i t e F o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n t o r e d u c e d a t a i n t o a s u m o f s i n e a n d c o s i n e w a v e s o f d i f f e r e n t a m p l i t u d e s a n d w a v e l e n g t h s [ B r o c k w e l l a n d D a v i s , 1 9 8 7 ] . T h e p e r i o d o g r a m r e p r e s e n t s a s u m o f t h e s q u a r e s . T h e p e r i o d o g r a m i s s m o o t h e d b y a w e i g h t e d m o v i n g a v e r a g e t o p r o d u c e a n e s t i m a t e f o r t h e s p e c t r a l d e n s i t y o f t h e s e r i e s . F r e q u e n c i e s o f e a c h s e r i e s a r e p l o t t e d a g a i n s t t h e p e r i o d o g r a m . T h e m a x i m u m f r e q u e n c y c a l c u l a t e d f r o m t h e p e r i o d o g r a m i n d i c a t e s a n y h i d d e n p e r i o d i c i t y . T h e d a t a w a s f u r t h e r e x a m i n e d b y F i s h e r ’ s t e s t a t e a c h O L R , t o d i f f e r e n t i a t e a n y h i d d e n p e r i o d i c i t i e s f r o m w h i t e n o i s e . T h e h y p o t h e s i s ( H 0 ) t h a t t h e d a t a i s g e n e r a t e d b y a G a u s s i a n w h i t e n o i s e s e q u e n c e , w a s t e s t e d a g a i n s t t h e a l t e r n a t i v e h y p o t h e s i s ( H 1 ) t h a t t h e d a t a i s g e n e r a t e d b y a G a u s s i a n w h i t e n o i s e s e q u e n c e w i t h a s u p e r i m p o s e d d e t e r m i n i s t i c p e r i o d i c c o m p o n e n t . T h e t e s t w a s c o m p u t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : 1 6 8 q . ' P t E q 2 x ) : l - Z ( — 1 ) " [ q , \ ' ( l - £ ) I " ( V I I I - l ) [ : 0 J ) q w h e r e P i s p r o b a b i l i t y ; E , i s a r e a l i z e d v a l u e o f x ; q i s ” ‘ ‘ , n i s d a t a s i z e ; x i s K a p p a t e s t b s t a t i s t i c s . 0 t = 0 . 0 5 w a s u s e d i n t h e t e s t . T h i r d l y , c r o s s - c o r r e l a t i o n o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s u n d e r t h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n w a s a n a l y z e d , t o e x a m i n e t h e t i m e p h a s e b e t w e e n t h e s p e c t r a ( d e l a y i n r e s p o n s e ) o f d i f f e r e n t v a r i a b l e s . P h a s e s p e c t r u m p e r i o d o g r a m s w e r e c o m p u t e d f o r e a c h p a i r o f v a r i a b l e s a t e a c h O L R . S p e c t r a a n a l y s i s w e r e c o n d u c t e d b y w r i t i n g s e v e r a l S A S p r o g r a m s a n d p l o t t i n g r e s u l t s f o r e a c h v a r i a b l e . T h e m a x i m u m f r e q u e n c i e s d e t e r m i n e d a r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I I I B - 3 . A c e t a t e a n d C H 4 c o n c e n t r a t i o n h a v e t h e s a m e m a x i m u m f r e q u e n c y t h r o u g h o u t t h e o p e r a t i o n . I n t h r e e o u t o f s e v e n c a s e s p r o p i o n a t e h a d t h e s a m e c o m m o n f r e q u e n c y a s a c e t a t e a n d C H 4 . F o r t w o o u t o f s e v e n c a s e s C O h a d t h e s a m e c o m m o n f r e q u e n c y a s a c e t a t e . T h e m a x i m u m f r e q u e n c i e s o f a c e t a t e a n d C H 4 r a n g e d f r o m 0 . 2 6 - 2 . 6 2 ; fi v e o u t o f s e v e n d a t a s e t s h a d v a l u e s t h a t w e r e w i t h i n t h e r a n g e o f 0 . 2 6 - 0 . 5 7 . S i m i l a r l y , p r o p i o n a t e h a d m a x i m u m l e v e l b e t w e e n 0 . 2 6 t o 0 . 6 3 f o r fi v e o u t o f s e v e n O L R s . C O , H ; a n d g a s p r o d u c t i o n r a n g e d f r o m 0 . 1 1 - 0 . 8 4 f o r m o s t o f t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t e s t e d . T h e m a x i m u m f r e q u e n c y o f e a c h m o n i t o r i n g v a r i a b l e a p p e a r s t o b e i n d e p e n d e n t o f t h e O L R i m p o s e d o n t o t h e s y s t e m . C H 4 a n d a c e t a t e w e r e r e l a t e d t o s o m e d e g r e e i n f r e q u e n c y . T h e v a r i a t i o n o f g a s p r o d u c t i o n a n d H 2 d i d n o t a p p e a r t o b e p e r i o d i c a l i n n a t u r e . W h i t e n o i s e t e s t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g S A S f o r K a p p a ’ s t e s t ( x ) a n d q . F i s h e r ’ s t e s t w a s t h e n c a l c u l a t e d m a n u a l l y u s i n g e q u a t i o n V I I I - 1 f o r e a c h v a r i a b l e a t e a c h O L R . u n d e r s t a n d a r d c o n d i t i o n s ( a f t e r T h a u e r e t a l . , 1 9 7 7 ) a r e s h o w n i n T a b l e V I I I B - 8 . I n o r d e r 1 6 9 T h e p r o b a b i l i t y w a s c o m p a r e d a t t h e 0 t = 0 . 0 5 l e v e l , a n d t h e d e c i s i o n m a d e t o e i t h e r r e j e c t o r a c c e p t t h e h y p o t h e s i s H 0 . R e j e c t i o n o f H O m e a n s t h e d a t a s e r i e s h a s a h i d d e n p e r i o d i c i t y . A c c e p t i n g H 0 m e a n s t h a t t h e d a t a i s d e s c r i b e d b y r a n d o m n o i s e . T h e p r o b a b i l i t y l e v e l s f o r e a c h v a r i a b l e a r e l i s t e d i n T a b l e V I I I B - S . I n t h r e e o u t o f s e v e n c a s e s p r o p i o n a t e a n d C O h a d p e r i o d i c i t y ( H 0 w a s r e j e c t e d ) . A t l o w e r t h a n t w o c a s e s e a c h v a r i a b l e s h o w e d s o m e d e g r e e o f p e r i o d i c i t y , h o w e v e r , w h i t e n o i s e w a s n o r m a l l y o b s e r v e d f o r a l l t h e v a r i a b l e s t e s t e d . T h e p e r i o d i c i t i e s w e r e w e a k f o r m o s t v a r i a b l e s . R e s u l t s o f c r o s s - c o r r e l a t i o n a n a l y s i s u s i n g S A S a r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I I I B — 4 . F o r e a c h p a i r o f v a r i a b l e s , r e a l p e r i o d o g r a m w a s p l o t t e d w i t h t i m e - p h a s e r a n g i n g f r o m - 1 t t o 1 : . C H 4 h a d a d e l a y f r o m C 0 r a n g i n g f r o m - 0 . 1 t o - 0 . 2 5 i n m o s t c a s e s . A c e t a t e a n d p r o p i o n a t e h a d t h e s a m e t i m e p h a s e w h e n O L R w a s h i g h . T i m e p h a s e b e t w e e n t h e r e s t p a i r o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s w a s u n c l e a r . B - 4 . R e a c t i o n e n e r g e t i c s A c e t o g e n e s i s a n d m e t h a n o g e n e s i s a r e t h e t w o m a j o r p r o c e s s e s i n v o l v e d i n t h e b i o d e g r a d a t i o n o f t h e s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e . D u r i n g b i o d e g r a d a t i o n , e t h a n o l d e g r a d e d q u i c k l y . D u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s , e t h a n o l w a s n e v e r d e t e c t e d i n t h e r e a c t o r e f fl u e n t ( d e t e c t i o n l i m i t 0 . 1 m M ) . T h u s t h e r e a c t i o n t h e r m o d y n a m i c s w e r e p e r f o r m e d p r i m a r i l y u s i n g p r o p i o n a t e a n d a c e t a t e d e g r a d a t i o n . V a l u e s o f t h e m e a n o f e a c h m o n i t o r i n g v a r i a b l e d e r i v e d f r o m s t a t i s t i c a l a n a l y s i s ( C h a p t e r V I I I B - 3 ) w e r e u s e d i n t h e e n e r g y c a l c u l a t i o n s . T h e m a j o r b i o c h e m i c a l r e a c t i o n e q u a t i o n s a n d t h e i r G i b b ’ s f r e e e n e r g y 1 7 0 t o t r a c k t h e i n f l u e n c e o f C O a n d H 3 . r e a c t i o n s 2 a n d 3 w e r e s p l i t f r o m t h e r e a c t i o n A c e t a t e - > C H . + C 0 2 . A t s t a n d a r d c o n d i t i o n s , t h e G i b b ’ s f r e e e n e r g y f o r p r o p i o n a t e d e g r a d a t i o n i s p o s i t i v e . F r o m a t h e r m o d y n a m i c p o i n t o f v i e w , t h e r e a c t i o n c o u l d t h e r e f o r e n o t p r o c e e d t o t h e r i g h t . T o r e a c h a n e g a t i v e v a l u e o f A G , H 2 m u s t b e l o w . A G f o r e a c h O L R w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e a c t u a l c o n c e n t r a t i o n s d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s a n d t h e r e a c t o r o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s ( 3 7 ° C , p H = 7 ) ( F i g u r e V I I I B - 7 ) . C O a n d H z w e r e a n a l y z e d u s i n g t h e h e a d - s p a c e c o n c e n t r a t i o n . T h e v a l u e s o f t h e fi r s t 2 p o i n t s o f e a c h o f t h e f o u r r e a c t i o n s w e r e d i f f e r e n t f r o m t h e v a l u e s o f t h e r e s t o f t h e p o i n t s o f t h e s e r e a c t i o n s . T h i s m a y b e c a u s e d b y t h e l o w c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e ( n e a r d e t e c t i o n l i m i t s ) a t a n O L R o f 4 . 2 a n d 5 . 8 k g C O D / m 3 b e d - d . T h i s a l s o a f f e c t e d t h e l e v e l o f t h e o t h e r v a r i a b l e . T h e c a l c u l a t e d A G ’ o f p r o p i o n a t e d e g r a d a t i o n ( r e a c t i o n 1 ) w a s p o s i t i v e . T h e r e a c t i o n w a s t h e r e f o r e n o t l i k e l y t o o c c u r . H o w e v e r , t h e p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e f e e d ( l S m M ) d e c r e a s e d d o w n t o l e s s t h a n l m M d u r i n g t h e o p e r a t i o n . T h e d i s c r e p a n c y b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d f r e e e n e r g y v a l u e s w a s p r o b a b l y d u e t o t h e l a c k o f e q u i l i b r i u m b e t w e e n t h e g a s p r e s e n t i n t h e h e a d s p a c e a n d t h e g a s d i s s o l v e d i n t h e a q u e o u s p h a s e . H 2 a n d C O p r e s e n t i n t h e h e a d s p a c e d i d n o t n e c e s s a r i l y r e p r e s e n t t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e l i q u i d p h a s e t h a t m i c r o o r g a n i s m a c t u a l l y e x p e r i e n c e d . P a u s s e t a l . [ 1 9 9 0 a ] r e p o r t e d a 7 0 t i m e s d i f f e r e n c e b e t w e e n d i s s o l v e d H 2 a n d h e a d s p a c e H z . T h i s c o u l d b e d u e t o 1 ) l i m i t i n g m a s s t r a n s f e r f r o m l i q u i d t o g a s p h a s e [ P a u s s e t a 1 . 1 9 9 0 a , 1 9 9 0 b ] , 2 ) h y d r o g e n ’ s r a p i d t u r n o v e r r a t e a n d i t s p e r h a p s w i d e l y v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n i n s o l u t i o n . A n a t t e m p t w a s m a d e t o m e a s u r e d i s s o l v e d H 2 a n d C O i n t h e 1 7 1 U A S B r e a c t o r i n a s e p a r a t e e x p e r i m e n t a t v a r i o u s h e a d - s p a c e c o n c e n t r a t i o n s ( f o r m e t h o d s e e A p p e n d i x C ) . T h e v a l u e o f t h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e g a s p h a s e H 2 a n d C O c o n c e n t r a t i o n s w e r e a d j u s t e d u s i n g t h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m d i s s o l v e d g a s a n a l y s i s f r o m t h e s a m e U A S B r e a c t o r , i n a s e p a r a t e t e s t . T h e r a t i o o f m e a s u r e d g a s c o n c e n t r a t i o n t o g a s c o n c e n t r a t i o n a t e q u i l i b r i u m w i t h l i q u i d p h a s e c o n c e n t r a t i o n ( H 2 * ( g ) a n d C O * ( g ) ) , c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e m e a s u r e m e n t s o f d i s s o l v e d g a s c o n c e n t r a t i o n s , w e r e p r e s e n t e d i n T a b l e V I I I B - l l . A r a t i o o f l e s s t h a n o n e , o r t h e g a s p h a s e c o n c e n t r a t i o n i s s m a l l e r t h a n e q u i l i b r i u m g a s c o n c e n t r a t i o n ( H 2 * ( g ) o r C O * ( g ) ) , i n d i c a t e s t h a t m a s s t r a n s f e r o f t h e c o m p o u n d f r o m l i q u i d p h a s e t o g a s p h a s e i s l i m i t e d . T h i s r a t i o f o r H z w a s g r e a t e r t h a n o n e , h o w e v e r , w a s s m a l l e r t h a n o n e f o r C O . T h u s t h e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t m a s s t r a n s f e r f r o m l i q u i d p h a s e t o g a s p h a s e w a s l i m i t i n g f o r C O a n d w a s n o t l i m i t i n g f o r H 2 . D i s s o l v e d g a s c o n c e n t r a t i o n s o f H 2 a n d C O d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s w e r e t h e n e s t i m a t e d ( F i g u r e V I I I B - 8 ) . T h e f r e e e n e r g y o f t h e p r o p i o n a t e d e g r a d a t i o n w a s n e g a t i v e a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e . F o r e a c h r e a c t i o n w i t h i n t h e O L R r a n g e s t u d i e d , t h e A G ’ v a l u e s w e r e q u i t e s t a b l e . R e a c t i o n 2 ( a c e t a t e — > C O ) h a d t h r e e p o s s i t i v e p o i n t s . H o w e v e r , A G ’ s f o r t h e w h o l e r e a c t i o n o f a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s ( r e a c t i o n s 2 + 3 ) w e r e n e g a t i v e . T h e a v e r a g e f r e e e n e r g y l e v e l o f p r o p i o n a t e o x i d a t i o n ( r e a c t i o n 1 ) w a s - 2 0 k J / m o l ; o f a c e t a t e d e c a r b o x y l a t i o n ( r e a c t i o n 2 + 3 ) - 2 0 k J / m o l ; o f H 2 o x i d a t i o n ( r e a c t i o n 4 ) - 5 k J / m o l . 1 7 2 C . U n s t e a d y s t a t e O L R p e r t u r b a t i o n s a n d s y s t e m r e s p o n s e s U n s t e a d y - s t a t e O L R v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d b y i m p o s i n g s t e p O L R i n c r e a s e s a n d d e c r e a s e s a s w e l l a s i m p o s i n g i m p u l s e l o a d s o n t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r t r e a t i n g a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e . O L R w a s v a r i e d b y c h a n g i n g t h e f e e d r a t e . P e r t u r b a t i o n o f d i f f e r e n t O L R s t r e n g t h s a n d d u r a t i o n s w e r e t e s t e d . T h e e f f e c t o f fi x e d d u r a t i o n o f s t e p s ( r e g u l a r v a r i a t i o n ) a n d a c o m b i n a t i o n s o f i m p u l s e a n d s t e p i n c r e a s e s ( r a n d o m v a r i a t i o n ) w e r e a l s o e x a m i n e d . T h e O L R w a s i n c r e a s e d h i g h e n o u g h t o c a u s e a s y s t e m f a i l u r e . T r a c e g a s e s , H 2 a n d C O , a n d p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s a c e t a t e , p r o p i o n a t e , g a s p r o d u c t i o n r a t e , m e t h a n e c o n t e n t , p H a n d s u s p e n d e d s o l i d s w e r e m o n i t o r e d . R e a c t o r g r a n u l e v o l u m e w a s m a i n t a i n e d a t 1 . 5 - 1 . 7 L ( u n e x p a n d e d b e d v o l u m e ) . 0 1 . O L R v a r i a t i o n a t 5 , 8 , 1 2 , 1 5 k g C O D / m s b e d - d A r e g u l a r p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t p e r f o r m e d b y v a r y i n g O L R a t a fi x e d f r e q u e n c y ( 2 4 h r s ) a n d d u r a t i o n o f e a c h s t e p ( 3 h r s ) w a s c o n d u c t e d ( F i g u r e V I I I - 1 1 ) . T h r e e p e r t u r b a t i o n s w e r e i m p o s e d o n t h e U A S B r e a c t o r . T h e b a c k g r o u n d O L R w a s 5 k g C O D / m 3 b e d - d . T h e O L R w a s i n c r e a s e d s t e p w i s e f r o m 5 t o 8 , 1 2 a n d 1 5 k g C O D / m ’ b e d - d , a n d t h e n b a c k b y i n c r e a s i n g a n d t h e n d e c r e a s i n g t h e f o r w a r d fl o w r a t e t o t h e r e a c t o r ( d e c r e a s i n g H R T f r o m 2 . 6 t o 1 . 3 d a y s ) . R e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t a r e g r a p h i c a l l y p r e s e n t e d i n F i g u r e s V I I I - 1 l t o 1 3 . T h e U A S B r e s p o n d e d q u i c k l y t o c h a n g e s i n O L R . G a s p r o d u c t i o n r a t e f o l l o w e d t h e c h a n g i n g i n O L R e x t r e m e l y w e l l . C O a l s o a p p e a r e d t r a c k t h e c h a n g e s i n O L R w i t h l i t t l e d e l a y . N o d i s c e m a b l e t r e n d w a s o b s e r v e d f o r H 2 . A c e t a t e a n d p r o p i o n a t e l e v e l s r o s e o n l y s l i g h t l y a t e a c h n e w s t e p O L R ( 0 . 1 - 0 . 3 1 7 3 m M ) . M e t h a n e c o n t e n t d e c r e a s e d b y 3 4 % a s t h e O L R w a s i n c r e a s e d . A f t e r t h e O L R w a s d e c r e a s e d , m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d r a p i d l y , r e a c h e d a p e a k v a l u e a n d t h e n r e t u r n e d t o t h e n o r m a l s t e a d y - s t a t e r a n g e ( F i g u r e V I I I - 1 1 ) . R e a c t o r p H a l s o d e c r e a s e d s l i g h t l y ( 0 . 2 p H u n i t ) d u r i n g t h e s t e p O L R i n c r e a s e s . S i n c e t h e r e s p o n s e s w e r e r e l a t i v e l y l o w , a h i g h l e v e l o f O L R p e r t u r b a t i o n w a s d e s i r e d . C - 2 . O L R v a r i a t i o n a t 5 , 1 0 , 1 5 , 2 0 , 2 5 k g C O D / m ’ b e d - d A s e c o n d e x p e r i m e n t f o r e x a m i n g r e s p o n s e s t o a r e g u l a r v a r i a t i o n o f O L R w i t h t h e s a m e f r e q u e n c y a n d d u r a t i o n o f e a c h s t e p b u t a t a h i g h e r a m p l i t u d e i n t h e O L R i n c r e a s e w a s c o n d u c t e d . T h e O L R w a s v a r i e d f r o m 5 k g C O D / m 3 b e d — d t o 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d . T h e H R T w a s c o n c u r r e n t l y v a r i e d f r o m 2 . 6 d a y s t o 2 2 h r s . T h r e e p e r t u r b a t i o n s w e r e i m p o s e d u p o n t h e l a b o r a t o r y U A S B r e a c t o r ( F i g u r e V I I I - 1 4 ) . T h e g a s p r o d u c t i o n r a t e f o l l o w e d i n c r e a s e s a n d d e c r e a s e s i n O L R q u i t e w e l l . T h e C O c o n c e n t r a t i o n a l s o i n c r e a s e d a n d d e c r e a s e d i n c o n c e r t w i t h O L R . T h e r e s p o n s e o f H z w a s l o w . A d e c r e a s e i n s y s t e m p e r f o r m a n c e w a s o b s e r v e d w h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d t o 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d d u r i n g t h e s e c o n d a n d t h i r d p e r t u r b a t i o n s . G a s p r o d u c t i o n r a t e d e c r e a s e d f r o m 1 1 2 0 m 1 / h a t t h e p e a k r a t e o f t h e s e c o n d d a y ( 2 9 - 3 1 h r s ) t o 8 0 0 m l / h a t t h e p e a k o f t h e t h i r d p e r t u r b a t i o n ( 5 3 - 5 6 h r s ) . M a x i m u m C O c o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e d f r o m 0 . 4 p p m ( fi r s t a n d s e c o n d p e r t u r b a t i o n ) t o 0 . 6 p p m ( t h i r d p e r t u r b a t i o n ; F i g u r e V I I I - 1 5 ) . A l a g w a s o b s e r v e d i n t h e r e s p o n s e o f C O t o t h e p e r t u r b a t i o n . E f fl u e n t V F A s a c c u m u l a t e d w h e n t h e O L R w a s a t i t s p e a k ( F i g u r e V I I I — 1 6 ) . D u r i n g t h e t h i r d d a y , a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n s p e a k e d a t 0 . 5 m M c o m p a r e d t o 0 . 2 8 m M a n d 0 . 1 2 m M , r e s p e c t i v e l y , f o r t h e s e c o n d d a y . 1 B M w r c t p h u e o h e 4 r t e y c c . r t ) a n i e r h e h n d v i a t a n t R e h a i n d o n t a u e e g r y s e c a t a 6 v t l O ( n a i o . e 1 d L r r o 7 v i n 2 e R p a 0 l i e s d H t d w t u o - a d i h r m o g n s e b i n e / c e y s u t a c e n L h r n t g ) r d t i e h a g a e a f m h t o s e e e f h e r o e x w n p t n p e a s d h i e t a e r t l i t i e e o a l l e e n r c w x v r i m a l p e t e a d i m l s o n r e e y w l n s i f a o a r o t r d m s f w s r o f e b o d o e 2 a a y m 0 n s e r v e q t s . t 7 u . p d i h . i V p c 0 e T k h S m s c d p w l e o S i e r h a y r n n c e e n t v i w n o d i e u o h n t w n h d u e V c a i e e s n F s e n d d fl h s o x r o A e n t f t n a u e t p a n d e w e s t r O i i i e n t t L h r m m n n e i g o m a e t n t t . e R i e b c a o n c w i L i fi O d h a a s n r R i s I e t s e t e r t a d v t d l c s m c d e e i h e e y r m a e r r e c d a n s e n r i ( F i e l t g t t a o a u e i a s e s g r e h i n a i d n t g c n d u c b l e g e f F m ( u r e y a d l d r V a u k g u l i fl u r d c a t I a n I u u r e a t i t n t o h - l e t g e e - l V l V , 6 I y t ) I S h . e I S 1 7 4 s t a r t i n g l e v e l o f 5 k g C O D / m 3 b e d - d ( F i g u r e V I I I - 1 7 ) . C - 3 . O L R v a r i a t i o n a t 1 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 a n d 1 0 4 k g C O D / m ’ b e d - d T o e x a m i n e t h e r e s p o n s e s o f r a n d o m v e r s u s r e g u l a r O L R v a r i a t i o n s , a f o u r - c o n s e c u t i v e — d a y e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d . T w o t y p e s o f v a r i a t i o n s : r a n d o m a n d r e g u l a r w e r e a p p l i e d , e a c h f o r 2 4 h o u r s . R a n d o m O L R v a r i a t i o n s w e r e a c c o m p l i s h e d b y a c o m b i n a t i o n o f s t e p s ( v a r i a b l e d u r a t i o n o f l t o 3 h r s ) a n d i m p u l s e s . T h e O L R r a n g e d f r o m 1 0 — 6 0 k g C O D / m e e d - d ( a t 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d d u r i n g a n i m p u l s e ) . T h e H R T w a s v a r i e d f r o m 6 t o 1 2 . 6 h o u r s ( w i t h e x c e p t i o n o f i m p u l s e ) . T h e a p p l i e d O L R a n d H R T d u r i n g t h i s e x p e r i m e n t a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I I - 1 8 . A r e g u l a r v a r i a t i o n o f O L R a t 1 0 a n d 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d , w i t h a f i x e d d u r a t i o n o f 2 h o u r s f o r e a c h s t e p i n c r e a s e s , w a s f i r s t i m p o s e d o n t h e s y s t e m . T h i s w a s f o l l o w e d b y a r a n d o m v a r i a t i o n u p t o 3 0 k g C O D / m 3 b e d - d i n s t e p s a n d a n i m p u l s e o f 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d . O n t h e 3 r d d a y , a h i g h s t r e n g t h r a n d o m v a r i a t i o n w a s i m p o s e d o n t h e r e a c t o r t o p u s h t h e s y s t e m t o i t s l i m i t . T h e p e a k a p p l i e d c o n c e n t r a t i o n r e m a i n e d r e l a t i v e l y s t a b l e a t a l e v e l o f 4 0 0 p p b . T h i s c o u l d b e t h e r e s u l t o f 1 7 5 O L R w a s i n c r e a s e d u p t o 6 0 k g C O D / m “ b e d - d . D u r a t i o n o f e a c h s t e p i n c r e a s e a t 3 0 . 6 0 a n d 5 0 k g C O D / m ‘ i b e d - d , r e s p e c t i v e l y , w a s 3 h o u r s . I m m e d i a t e l y a f t e r t h i s p e r t u r b a t i o n , a r a n d o m v a r i a t i o n s i m i l a r t o t h e o n e p e r f o r m e d o n d a y 2 w a s r e p e a t e d t o s t u d y t h e i m p a c t o f t h e d a y 3 p e r t u r b a t i o n o n t h e s y s t e m . T h e g a s p r o d u c t i o n r a t e h a d a d i s t i n c t r e s p o n s e p a t t e r n t o O L R v a r i a t i o n s . I t w a s o n e o f t h e m o s t s e n s i t i v e v a r i a b l e s t e s t e d ( F i g u r e V H I - l 9 ) . G a s p r o d u c t i o n r a t e c l o s e l y f o l l o w e d t h e i n p u t p a t t e r n o f O L R , a l t h o u g h a 1 t o 2 h o u r s l a g w a s o b s e r v e d . T h e t o t a l g a s p r o d u c t i o n w a s 1 1 . 9 l i t e r o n d a y 2 ( 2 0 - 3 4 h r ) a n d 1 2 . 1 l i t e r o n d a y 4 ( 6 8 - 9 1 h r s ) . U n d e r t h e s t r o n g p e r t u r b a t i o n c o n d i t i o n s d u r i n g d a y 3 ( 4 4 - 6 8 h r s ) t h e g a s p r o d u c t i o n r a t e d e c r e a s e d t o 6 8 % o f t h e t h e o r e t i c a l p o t e n t i a l p r o d u c t i o n ( g r o w t h w a s n o t i n c l u d e d ) . T h i s i n d i c a t e s t h e m e t h a n o g e n s w e r e p r o b a b l y o v e r l o a d e d . T h e m e t h a n e p r o d u c t i o n w a s e s t i m a t e d t o b e 0 . 2 8 m 3 C H 4 / k g C O D r e m o v e d f o r t h e t h i r d p e r t u r b a t i o n . B a c k g r o u n d m e t h a n e p r o d u c t i o n w a s 0 . 3 8 m 3 C H a / k g C O D r e m o v e d . D u r i n g t h i s p e r t u r b a t i o n , H 2 r e s p o n d e d t o t h e c h a n g e s i n O L R ( F i g u r e V I I I - 1 8 ) . A c a . 1 h o u r d e l a y i n r e s p o n s e w a s o b s e r v e d . A f t e r t h e s y s t e m h a d b e e n s i g n i fi c a n t l y d i s t u r b e d o n d a y 3 , H 2 h a d a s l i g h t l y h i g h e r r e s p o n s e t o t h e r a n d o m p e r t u r b a t i o n p e r f o r m e d o n d a y 4 , c o m p a r e d t o t h e s a m e e x p e r i m e n t p e r f o r m e d o n d a y 2 ( F i g u r e V I I I - 1 8 ) . C O a p p e a r e d s e n s i t i v e t o b o t h s t e p a n d i m p u l s e o f O L R p e r t u r b a t i o n s ( F i g u r e V I I I - 1 9 ) . O n c e C O a c c u m u l a t e d i t t o o k a n a v e r a g e o f 1 0 h o u r s t o r e t u r n t o t h e i n i t i a l l e v e l . O n d a y 4 ( 6 8 - 9 1 h r s ) , d u r i n g t h e r e p e a t e d r a n d o m p e r t u r b a t i o n , t h e C O 1 7 6 s t i m u l a t e d C O d e h y d r o g e n a s e ( C O D H ) a c t i v i t y d u r i n g t h e h e a v y p e r t u r b a t i o n o f d a y 3 . T h e i n i t i a l C O c o n c e n t r a t i o n w a s 5 0 0 p p b , h i g h e r t h a n t h e e x p e c t e d l e v e l o f 2 0 0 p p b . T h i s m a y b e t h e r e s u l t o f t h e s y s t e m b e i n g e x p o s e d t o a i r w h e n a g a s r e s e r v o i r w a s i n s t a l l e d a n d a g a s v a l v e r e p l a c e d p r i o r t o i n i t i a t i n g t h e e x p e r i m e n t . T h e e f fl u e n t V F A d i d n o t h a v e a n y s t r o n g r e s p o n s e t o t h e O L R d u r i n g t h e l o w s t r e n g t h p e r t u r b a t i o n s o f d a y s 1 , 2 a n d 4 ( 0 - 4 4 h r s a n d 6 8 - 9 1 h r s . ; F i g u r e V I I I - 2 0 ) . O n d a y 3 , h o w e v e r , t h e h i g h l e v e l O L R v a r i a t i o n r e s u l t e d i n s i g n i f i c a n t a c c u m u l a t i o n o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O D a n d h i g h e r m o l e c u l a r w e i g h t V F A s i n c l u d i n g i s o — v a l e r a t e , n — v a l e r a t e , i s o - b u t y r a t e , n - b u t y r a t e a n d 2 - m e t h y l - b u t y r a t e ( F i g u r e V I I I - 2 0 a n d 2 2 ) . A m a s s b a l a n c e p e r f o r m e d o n t h e s y s t e m s h o w e d t h a t t h e m a j o r i t y o f e f fl u e n t s o l u b l e C O D c a m e f r o m a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e . S i n c e t h e r e a c t o r e f fl u e n t s u s p e n d e d s o l i d s w e r e v e r y l o w d u r i n g t h i s e x p e r i m e n t ( F i g u r e V I I I - 2 1 ) , s o l u b l e C O D w a s d u e p r i m a r i l y t o t h e e f fl u e n t V F A s . V F A s b e g a n t o a c c u m u l a t e s i g n i f i c a n t l y w h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d f r o m 3 0 k g C O D / m 3 b e d - d t o 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d , d u r i n g t h e t h i r d p e r t u r b a t i o n . T h e V F A c o n c e n t r a t i o n c o n t i n u e d t o i n c r e a s e e v e n w h e n t h e O L R w a s d e c r e a s e d d o w n t o 5 0 k g C O D / m 3 b e d - d , i n d i c a t i n g t h a t t h e a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n s w e r e u n a b l e t o k e e p p a c e w i t h a c e t a t e p r o d u c t i o n . A c e t a t e a n d p r o p i o n a t e r e a c h e d p e a k c o n c e n t r a t i o n s o f 1 4 m M a n d 5 m M ( C O D o f 1 4 5 0 m g / L ) , r e s p e c t i v e l y , b y 5 4 h r s . V F A s w i t h 4 - 5 c a r b o n s s u c h a s b u t y r a t e , i s o - b u t y r a t e , 2 - m e t h y 1 - b u t y r a t e , v a l e r a t e , i s o - v a l e r a t e w e r e d e t e c t e d w h e n a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n s w e r e h i g h ( F i g u r e V I I I - 2 2 ) . O n c e t h e p e r t u r b a t i o n w a s s t o p p e d ( O L R d e c r e a s e d b a c k t o 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) , t h e c o n c e n t r a t i o n s o f V F A s d e c r e a s e d . 1 7 7 M e t h a n e c o n t e n t . p H a n d s u s p e n d e d s o l i d s e x h i b i t e d w e a k r e s p o n s e d u r i n g t h e f i r s t a n d s e c o n d O L R p e r t u r b a t i o n s ( 0 - 4 4 h r s ; F i g u r e s V I I I - 1 9 a n d 2 1 ) . U n d e r t h e h i g h s t r e n g t h O L R p e r t u r b a t i o n o f d a y 3 ( 4 4 - 6 8 h r s ) , m e t h a n e c o n t e n t d e c r e a s e d c o n t i n u o u s l y f r o m 7 5 % t o 6 5 % o v e r 1 0 h o u r s u n t i l t h e p e r t u r b a t i o n w a s s t o p p e d . T h e p H d e c l i n e d f r o m 7 . 0 t o 6 . 2 , d u r i n g t h i s p e r i o d . M e t h a n e c o n t e n t a n d p H r e c o v e r e d a f t e r 1 0 a n d 5 h o u r s , r e s p e c t i v e l y . T h e r a n d o m v a r i a t i o n r e p e a t e d o n d a y 4 ( 6 8 — 9 1 h r s ) h a d a s t r o n g e r i m p a c t o n t h e s e v a r i a b l e s . M e t h a n e c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d b y 5 % d u r i n g t h i s p e r i o d c o m p a r e d t o d u r i n g t h e i d e n t i c a l r a n d o m v a r i a t i o n o f d a y 2 ( 2 0 - 4 4 h r s ) w h e n m e t h a n e r e m a i n e d q u i t e s t a b l e a t 7 5 % . T h e p H d e c r e a s e d t o a l o w e r l e v e l a n d r e m a i n e d a t t h a t l e v e l l o n g e r t h a n f o r t h e f i r s t r a n d o m v a r i a t i o n . T h e r e s p o n s e o b s e r v e d f o r s u s p e n d e d s o l i d s w a s a g a i n t h e s l o w e s t a n d t h e m o s t i n s e n s i t i v e t o O L R v a r i a t i o n . A s l i g h t i n c r e a s e i n b o t h t o t a l s u s p e n d e d s o l i d s ( T 8 8 ) a n d v o l a t i l e s u s p e n d e d s o l i d s ( V S S ) , b o t h b e l o w 1 0 0 m g / L l e v e l , w a s o b s e r v e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t . T h e V S S / T S S r a t i o w a s 0 . 8 i n d i c a t i n g t h e T 3 8 w a s e s s e n t i a l l y a l l b i o l o g i c a l i n n a t u r e . T h e g r a n u l a r s l u d g e b e d w a s s t a b l e t h r o u g h o u t t h e f o u r d a y p e r i o d . B r e a k d o w n o f t h e g r a n u l e s a n d a p p e a r a n c e o f fl o c s w i t h i n t h e b e n c h - s c a l e - U A S B w a s o b s e r v e d c a . t w o w e e k s a f t e r t h e e x p e r i m e n t . W h e t h e r t h i s w a s r e l a t e d t o t h e e x p e r i m e n t i s n o t c l e a r . T h e p e r t u r b a t i o n s d u e t o r e g u l a r a n d r a n d o m v a r i a t i o n s a t l o w O L R l e v e l s d u r i n g t h e i n i t i a l t w o d a y s w e r e i n s u f fi c i e n t t o s i g n i fi c a n t l y p e r t u r b s y s t e m p e r f o r m a n c e a s j u d g e d b y a c c u m u l a t i o n o f e f fl u e n t V F A s . T h e s t r o n g r a n d o m v a r i a t i o n p e r f o r m e d d u r i n g d a y 3 ( 4 4 - 6 8 h r s ) d i d r e s u l t i n a s i g n i fi c a n t r e s p o n s e , r e fl e c t e d b y t h e a c c u m u l a t i o n o f e f fl u e n t a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e ( > 1 0 m M a n d S m M , r e s p e c t i v e l y ; F i g u r e V I I I - 2 0 ) . E f fl u e n t C O D 1 7 8 a c c u m u l a t i o n ( 1 4 5 0 m g / L : F i g u r e V I I I - 2 0 ) a s w e l l a s t h e a p p e a r a n c e o f 4 a n d 5 c a r b o n c o m p o u n d s ( F i g u r e V I I I - 2 2 ) w a s a l s o o b s e r v e d . G a s p r o d u c t i o n , m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n a n d p H a l l d e c r e a s e d ( F i g u r e s V I I I - 1 8 , l 9 a n d 2 1 ) . T h e s e r e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h a t a h i g h s t r e n g t h O L R ( i . e . 5 0 - 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) p e r t u r b a t i o n a p p l i e d t o a U A S B r e a c t o r f o r m o r e t h a n 6 h o u r s h a d a p r o n o u n c e d e f f e c t o n t h e s y s t e m . I f c o n t i n u e d t h i s l o a d i n g r a t e c o u l d l e a d t o s y s t e m f a i l u r e . T h e r a n d o m v a r i a t i o n p e r f o r m e d o n d a y 4 a f t e r t h e s t r o n g d i s t u r b a n c e o n t h e s y s t e m h a d a g r e a t e r e f f e c t o n m e t h a n e , p H , C O a n d H 2 t h a n t h e s a m e v a r i a t i o n p e r f o r m e d o n d a y 2 ( F i g u r e s V I I I - 1 8 a n d 1 9 ) . G a s p r o d u c t i o n , e f fl u e n t V F A a n d C O D d i d n ’ t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r b e t w e e n d a y s 2 a n d 4 . R e s u l t s s u g g e s t e d i m p u l s e , r a n d o m a n d r e g u l a r v a r i a t i o n a t l o w O L R h a d r e l a t i v e l y w e a k i m p a c t o n s y s t e m p e r f o r m a n c e w h i l e s t e p i n c r e a s e s a t h i g h s t r e n g t h a n d l o n g e r d u r a t i o n c o u l d p e r t u r b t h e s y s t e m s i g n i fi c a n t l y . S u c h a p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t w a s d e s i r a b l e t o s t u d y t h e b e h a v i o r o f t r a c e g a s e s a n d r e a c t o r p e r f o r m a n c e a t e x t r e m e c o n d i t i o n s . C - 4 . O L R v a r i a t i o n a t 1 0 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 k g C O D / m s b e d - d A n u n s t e a d y s t a t e O L R r e g u l a r v a r i a t i o n e x p e r i m e n t ( a r e p e a t o f t h e p e r t u r b a t i o n t h r e e i n p r e v i o u s e x p e r i m e n t , b u t w i t h a n i n c r e a s e d d u r a t i o n o f e a c h s t e p ) w a s p e r f o r m e d . T h i s w a s d o n e t o e x a m i n e t h e m a x i m u m O L R l e v e l t h a t t h e s y s t e m c a n s t a n d , s y s t e m r e c o v e r y a n d t h e r e s p o n s e o f s y s t e m v a r i a b l e s . T h e O L R w a s i n c r e a s e d f r o m 1 0 t o 3 0 , 4 0 , 5 0 a n d 6 0 k g C O D / m s b e d - d ( F i g u r e V I H - 2 3 ) . T h e H R T w a s v a r i e d f r o m 1 l t o 5 . 3 h o u r s 1 7 9 ( F i g u r e V I I I - 2 3 ) . T h e d u r a t i o n o f e a c h s t e p w a s 2 4 h o u r s i n c r e a s e d f r o m 3 h o u r s u s e d f o r t h e p r i o r e x p e r i m e n t ( s e e C - 3 ) . I n i t i a l r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e V I I I - 2 3 t o 2 7 . P e r f o r m a n c e o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r w a s m a r k e d l y a f f e c t e d b y t h e i n c r e a s e d d u r a t i o n a n d s t r e n g t h o f t h e O L R s t e p i n c r e a s e s u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t . T h e H ; c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d t o o v e r 1 0 0 0 p p m f r o m a s t a r t i n g v a l u e o f 2 0 0 p p m ; t h e p H d e c r e a s e d t o 5 . 2 f r o m 7 . 0 , V F A s a c c u m u l a t e d , a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e d e c r e a s e d a t a n O L R o f 6 0 k g C O D / m e e d - d . T h e m e t h a n e c o n t e n t d e c r e a s e d f r o m 8 3 % t o 7 5 % d u r i n g t h i s p e r i o d . T h e p r e s e n c e o f 3 , 4 , 5 , c a r b o n a n d h i g h e r m o l e c u l a r w e i g h t c o m p o u n d s , s u c h a s b u t y r a t e , v a l e r a t e , 2 - m e t h y l - b u t y r a t e , p r o p a n o l a n d e t h a n o l , w a s o b s e r v e d . T h e s t e p d o w n f r o m 6 0 t o 5 0 k g C O D / m 3 b e d - d w a s n o t c o m p l e t e d b e c a u s e o f i m m i n e n t r e a c t o r f a i l u r e . T w o h o u r s a f t e r t h e s t e p d o w n t o 5 0 k g C O D / m 3 b e d - d ( t = 7 2 - 7 4 h r s . ) , g a s p r o d u c t i o n r a t e c o n t i n u e d d e c r e a s i n g w h i l e V F A s c o n t i n u e d a c c u m u l a t i n g ; H 2 ( g ) r e m a i n e d a t > 1 0 0 0 p p m a n d t h e p H c o n t i n u e d t o d e c l i n e . T o o b s e r v e t h e s y s t e m r e c o v e r y , t h e s h o c k l o a d i n g w a s t e r m i n a t e d b y r e d u c i n g t h e O L R t o t h e i n i t i a l 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d l e v e l ( a t t = 7 5 h r s ) . M o s t m o n i t o r i n g v a r i a b l e s , i n c l u d i n g H 2 , C O , g a s p r o d u c t i o n r a t e , p H , V F A s , r e t u r n e d t o n e a r s t e a d y s t a t e l e v e l s w i t h i n 1 0 - 2 0 h r s . T h e p a t t e r n o f g a s p r o d u c t i o n r a t e f o l l o w e d t h e O L R d u r i n g t h e f i r s t a n d s e c o n d O L R s t e p s ( 3 0 a n d 4 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) a n d r e m a i n e d a t 1 . 0 L / h a n d 1 . 1 8 L / h , r e s p e c t i v e l y ( F i g u r e V I I I - 2 4 ) . W h e n t h e O L R w a s s e t t o 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d , t h e g a s p r o d u c t i o n r a t e i n c r e a s e d t o 1 . 4 L / h t h e n b e g a n t o d e c l i n e . T h i s d e c r e a s e i n g a s p r o d u c t i o n e v e n c o n t i n u e d 3 h o u r s a f t e r t h e O L R w a s s t e p p e d d o w n t o t h e o r i g i n a l O L R ' ( o r 1 f e 0 t a u k c r g c n C u t O D m o u l t / h m e a f b e t e b d a d V - F c k g d A r ) . s o , u n a t G e d s l h p n r o v e l o . l a e d u c a n t d i o n p e a k p r o p a n o l e . d a I t g t a o i o n k a 2 t t 0 = h 8 o 1 u r h s o u r s f o r t d h u e e t g a o s t p h r e o c o n s d u c t i n u o m n p t r i a t o e 1 8 0 H 2 e s s e n t i a l l y t r a c k e d O L R ( F i g u r e V I I I - 2 4 ) . H 2 c o n c e n t r a t i o n r e a c h e d 1 0 0 0 p p m l e v e l a t a n O L R o f 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d . T w o h o u r s a f t e r t h e O L R w a s r e d u c e d t o 1 0 k g C O D / m s b e d - d , t h e H 2 c o n c e n t r a t i o n s t a r t e d t o d e c r e a s e . I t t o o k 1 2 h o u r s f o r t h e H ; ( g ) c o n c e n t r a t i o n t o r e t u r n t o i t s b a c k g r o u n d l e v e l . T h e r e s p o n s e p a t t e r n o f H g w a s d i f f e r e n t f r o m t h a t o f g a s p r o d u c t i o n r a t e d u r i n g t h e p e r i o d f r o m 6 5 t o 9 5 h o u r s , w h e n t h e s y s t e m w a s n e a r f a i l u r e a n d t h e s u b s e q u e n t d e c r e a s e i n O L R a n d r e c o v e r y . I t a p p e a r e d t h a t C O i n c r e a s e d i n r e s p o n d i n g t o e a c h O L R s t e p a n d t h e n s t a b i l i z e d a t a c e r t a i n l e v e l . H e a d s p a c e C O i n c r e a s e d i n i t i a l l y a n d t h e n s t a b i l i z e d a t 2 0 0 p p b f o r t h e fi r s t a n d s e c o n d s t e p s ( 3 0 a n d 4 0 k g C O D / m 3 b e d - d ; F i g u r e V I I I - 2 4 ) . T h e C O c o n c e n t r a t i o n r e a c h e d 3 0 0 p p b w h e n t h e O L R w a s i n c r e a s e d t o 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d . D u r i n g t h e s y s t e m r e c o v e r y , C O p e a k e d b e t w e e n 7 9 a n d 9 0 h o u r s , s i m i l a r t o g a s p r o d u c t i o n r a t e . T h i s p e a k m a y b e c a u s e d b y t h e d e g r a d a t i o n o f h i g h c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e a c c u m u l a t e d d u r i n g s h o c k l o a d i n g . C O h a d m o r e fl u c t u a t i o n d u r i n g t h e r e c o v e r y t h a n d u r i n g t h e O L R s t e p i n c r e a s e p e r i o d c o m p a r e d t o H 2 . I t t o o k 2 0 h o u r s f o r C O t o r e t u r n t o b a c k g r o u n d l e v e l s . M e t h a n e w a s t h e s l o w e s t o f t h e g a s e o u s c o m p o n e n t s m e a s u r e d i n r e s p o n d i n g t o t h e p e r t u r b a t i o n . T h e O L R s t e p i n c r e a s e s t o 3 0 a n d 4 0 k g C O D / m 3 b e d - d d i d n o t c a u s e a n y c h a n g e i n m e t h a n e c o n t e n t . M e t h a n e c o n t e n t w a s r e d u c e d b y 3 % b y t h e e n d o f 6 0 k g C O D / m e e d - s h o c k l o a d i n g . A s i g n i f i c a n t d e c r e a s e a n d t h e n r a p i d i n c r e a s e o f m e t h a n e c o n t e n t t o 7 0 % a n d 7 8 % w e r e o b s e r v e d a f t e r t h e s t e p d o w n i n O L R ( 7 7 - 8 1 h r s ) . A n e w 1 8 1 l e v e l o f 7 6 % i n m e t h a n e c o n t e n t w a s e s t a b l i s h e d t = 9 5 h o u r s . R e t u r n o f m e t h a n e c o n t e n t t o t h e o r i g i n a l ( p r e - s h o c k ) l e v e l d i d n o t o c c u r u n t i l 2 w e e k s l a t e r . E t h a n o l a n d n - p r o p a n o l w e r e t h e m a j o r a l c o h o l c o m p o n e n t s f o u n d i n t h e e f fl u e n t ( F i g u r e V I I I - 2 6 ) . B o t h e t h a n o l a n d n - p r o p a n o l h a d i d e n t i c a l r e s p o n s e c u r v e s . T h e i r c o n c e n t r a t i o n s r e a c h e d p e a k v a l u e s ( 1 . 5 m M a n d 1 . 2 m M , r e s p e c t i v e l y ) a t t h e 7 3 h o u r m a r k w h e n t h e r e a c t o r s y s t e m a p p r o a c h e d f a i l u r e . T h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s e a l c o h o l s d e c r e a s e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e O L R w a s d e c r e a s e d . M o s t h i g h m o l e c u l a r w e i g h t a c i d s ( w i t h t h e e x c e p t i o n o f i s o - b u t y r a t e a n d i s o - v a l e r a t e ) e x h i b i t e d s i m i l a r r e s p o n s e p a t t e r n s d u r i n g t h e s e c o n d a n d t h i r d s t e p s o f O L R i n c r e a s e a n d d u r i n g r e c o v e r y . A l l V F A s m e a s u r e d a p p e a r e d i n t h e e f fl u e n t d u r i n g t h e s e c o n d s t e p O L R i n c r e a s e a n d d i s a p p e a r e d a t t h e 8 1 - 8 2 h o u r m a r k . A c e t a t e c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d i n a c c o r d a n c e w i t h O L R ( F i g u r e V H I - 2 5 ) e x c e p t t h e fi r s t s t e p . A f t e r a n i n i t i a l i n c r e a s e a t t h e s e c o n d s t e p i n O L R , a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s t a b i l i z e d a t 4 m M ( f r o m 3 0 - 4 8 h r s ) . T h e t h i r d s t e p i n O L R r e s u l t e d i n a c e t a t e r e a c h i n g a c o n c e n t r a t i o n o f 2 0 m M . F o u r t e e n h o u r s a f t e r O p e r a t i o n a t t h i s s t e p ( 6 2 h r s ) , 6 0 k g C O D / m e e d - d , a r a p i d i n c r e a s e i n a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n w a s o b s e r v e d . W h e n t h e O L R w a s r e d u c e d t o t h e b a c k g r o u n d l e v e l , a c e t a t e d e c r e a s e d f r o m 5 5 m M t o 0 . 1 m M i n a p e r i o d o f 1 0 h o u r s . T h e r e s p o n s e o f p r o p i o n a t e w a s s i m i l a r t o t h a t o f a c e t a t e e x c e p t c o n c e n t r a t i o n s w e r e l o w e r ( F i g u r e V I H - 2 5 ) . O L R s t e p s t o 4 0 a n d 6 0 k g C O D / m e e d - d r e s u l t e d i n a n i n c r e a s e i n p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n t o 3 m M a n d 8 m M , r e s p e c t i v e l y . A p e a k o f 1 0 m M w a s o b s e r v e d a t 7 2 h o u r s . T h e r e d u c t i o n i n p r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n w a s a l s o r a p i d a f t e r t h e O L R w a s d e c r e a s e d . P r o p i o n a t e c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d t o i t s b a c k g r o u n d l e v e l i n l e s s t h a n 1 0 1 8 2 h o u r s . B u t y r a t e h a d t h e s a m e p a t t e r n o f v a r i a t i o n a s a c e t a t e ( F i g u r e V I I I - 2 5 ) d u r i n g t h e p e r t u r b a t i o n . A n i n i t i a l i n c r e a s e f o l l o w e d b y a s t a b l e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g t h e s e c o n d s t e p O L R o f 4 0 k g C O D / m 3 b e d - d . B u t y r a t e r e a c h e d 1 . 5 m M a t a b o u t 7 1 h o u r s a s s y s t e m f a i l u r e p r o c e e d e d a n d i t r e t u r n e d t o b a c k g r o u n d l e v e l i n 7 h o u r s o n c e t h e p e r t u r b a t i o n w a s l i f t e d . I S O - b u t y r a t e w a s n o t p r e s e n t a t e q u a l c o n c e n t r a t i o n s w i t h b u t y r a t e w h e n b u t y r a t e c o n c e n t r a t i o n e x c e e d e d 0 . 2 m M ( F i g u r e V I I I - 2 5 ) . T h e v a r i a t i o n i n t h e fi v e c a r b o n f a t t y a c i d s , i . e . , v a l e r a t e , i s o - v a l e r a t e a n d 2 - m e t h y l - v a l e r a t e , i s p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I I - 2 6 . B o t h v a l e r a t e a n d 2 - m e t h y l - b u t y r a t e v a r i e d i n a n i d e n t i c a l p a t t e r n . A p e a k o f 0 . 2 m M a n d 0 . 1 7 m M ( 2 - m e t h y l - b u t y r a t e a n d v a l e r a t e , r e s p e c t i v e l y ) w a s o b s e r v e d a t 7 2 h o u r s . L i t t l e v a r i a t i o n i n p H w a s o b s e r v e d d u r i n g t h e f i r s t a n d s e c o n d s t e p s o f O L R ( F i g u r e V I I I - 2 7 ) . D u r i n g t h e 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d O L R o p e r a t i o n a l p e r i o d , p H g r a d u a l l y d e c r e a s e d f r o m 7 . 0 t o 5 . 9 b y 7 1 h r s . A s i g n i fi c a n t d e c r e a s e o f p H t o 5 . 2 w i t h i n t h r e e h o u r s ( 7 1 - 7 4 h r s ) o c c u r r e d w h i c h s i g n a l e d a s y s t e m f a i l u r e . I m m e d i a t e l y a f t e r t h e s h o c k l o a d i n g w a s l i f t e d , p H i n c r e a s e d b a c k t o 7 . 0 i n 1 0 h r s . 1 8 3 D . D i s c u s s i o n s T h e b e h a v i o r o f H 2 a n d C O w e r e q u i t e d i f f e r e n t d u r i n g t h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t s . A t a l o w O L R ( 4 - 6 k g C O D / m 3 b e d - d ) t h e m e a n r e s p o n s e l e v e l o f H 2 d i d n o t e x c e e d 3 0 p p m ( T a b l e V I I I - 7 ) . W h e n t h e r e a c t o r w a s o p e r a t e d a t h i g h e r O L R s ( 2 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) a n d l o n g e r H R T s ( > 1 d ) t h e m e a n o f H 2 c o n c e n t r a t i o n s u r p a s s e d 1 0 0 p p m . A l t h o u g h t h e m e a n o f t h e H 2 c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s e d O L R t o s o m e d e g r e e , a n d a c e t a t e f o l l o w e d O L R w e l l , t h e b i v a r i a n t p l o t o f H 2 a n d a c e t a t e a p p e a r e d s c a t t e r e d ( F i g u r e V I I I - 4 ) . H 2 h a d n o c o r r e l a t i o n w i t h a n y o t h e r v a r i a b l e s m o n i t o r e d ( F i g u r e V I I I - 1 0 ) . S e n s i t i v e b u t h i g h b a c k g r o u n d n o i s e o f H 2 d u r i n g p s e u d o - s t e a d y s t a t e i n d i c a t e d f r o m i t s C V a n d s t a n d a r d e r r o r v a l u e ( T a b l e V I I B - 6 ) c o u l d c o n t r i b u t e t o t h i s p h e n o m e n a . B y c o n t r a s t , C O h a d m o d e r a t e v a r i a t i o n s a n d l o w b a c k g r o u n d n o i s e ( T a b l e V I H - 6 ) . T h e m e a n o f C O c o n c e n t r a t i o n r e m a i n e d a t 0 . 1 p p m a t l o w O L R ( 4 - 6 k g C O D / m 3 b e d - d ) , a n d r e a c h e d a h i g h v a l u e o f 0 . 5 9 p p m a t a h i g h O L R ( 2 3 k g C O D / m 3 b e d - d ) . T h e m e a n o f C O i n c r e a s e d i n r e s p o n s e t o i n c r e a s e d O L R ( F i g u r e V I I I - 6 ) . C O c o r r e l a t e d w i t h o t h e r m o n i t o r i n g v a r i a b l e s e x c e p t H 2 ( F i g u r e V I I I - 1 0 ) . A l t h o u g h c o r r e l a t e d w i t h a c e t a t e , C O d i d n o t s h o w n a p a r t i c u l a r p a t t e r n w h e n v a r i e d w i t h a c e t a t e ( F i g u r e V I I I - 3 ) . T h i s c o u l d b e c a u s e d b y t h e m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n o f d i s s o l v e d C O g a s t o t h e h e a d s p a c e , t h e v a r i a t i o n o f d e g r e e o f t h e l i m i t a t i o n w h i c h h a s w i d e r a n g e ( T a b l e V H I B - l 1 ) a n d t h e v a r i a t i o n o f m e t h a n o g e n i c a c t i v i t y . D u r i n g O L R p e r t u r b a t i o n s , w h e n r e p e a t t h e s a m e t y p e a n d l e v e l o f O L R v a r i a t i o n f o l l o w i n g a s t r o n g p e r t u r b a t i o n ( i . e . 6 0 k g C O D / m ’ b e d - d ) , r e s p o n s e s o f H 2 i n c r e a s e d w h i l e p e e s i b t p p i 2 a h a r a d e O a c s r h e t t c e a i p h a n s l a n x 4 y n u p o l L a y e t r u h m l l s R d n e s d e s v r e e r s n e a s r - i O t g n C o u n o i a a g i a m o o d h . y i t t r , t e s t p o s C c e o n a s n e e n V r n t n i t o o s a s s M t h t o c l r y , H R t e a a n e e e e e s n e r f s a s l c s m r . s l O a H e o O n t e a i L t l v v R o u i p L y r o g . r h s t i c n n e i r ) n m f O c R i a t i s o f a s e s w t o R d a a d e n n o l T a A f g s n v a C t a a n ( c a d o L e a n i O e O a a R a r n l r s L o e F t e r d c i s t y i t b c i u i m e t b i n s d o r . p e o e s a c g p n o , o f n e d t R e n C e o c W n . c t e f s t l e ( p l u n n r e m e r T t s h d o s a d o t r i e n f r O c o o e e f f b h , p r r a g a n e t p a o l t e , I I e n x c h p n s t s c e a r e e I e g r o e n V a e a a o i - a t ( a i d . H ; t n r v 9 , o - , , e 9 t g w m r r . e . t s o , p e a ) a d t p t O C n s a s t O f a R o p a n O e p e R a e C r s i T t a o r o s i o L O t e s h e o b s d s o - a e t c s o l t d a i e y t , i d e I a i e h t s a e b d s u I c 5 v a t s t t n o e 6 t e I t , a t t b i s i v i l e l u h a p n d d v e n ( o s i l a r u r e f u y o t n o t r w u i l v o R m i r o s f a v c O , r y h s w a t . e p e i a e 2 t I t z e t V c i c d t t t a n o H F e o e e h e I g i , s i t d . t u e o n L n - C n c e d g o F r c s s a u r a o a a 1 r o m n e I o i y s t r t R , s m t e 0 O e n a a a d a e p , i d d b L r n c a e i t n r a e ) a n u e c l d s e l m i e ( , , e p b d V w T v i d r o a H c i n f d d t o e , i s r n t a n C I o e r x e s t H n a s o l l g m u g S O c e c g i e n e ) e c ; o a t e p o d h n u g r b d t - n h g t t n t e i i o n t n , g t g r I t o r t e . n i h r h s t e e i V e e h t s . a n m o l n s h l a h y ) T e b n I a i e h a r y s c o I l n e r t h s O h h w e r - , g e F f i d a i e n 6 a o t e s i ( L ) t w c r a h e . g d s s l i l e d o n f O R i h y n s e h , L e r d e a h p r g e g T e n h e b r h s o U m i o a s o c o t o d R u i i A e i s n w s h n r l fi t t s g i p c H d h c 1 o c e S r t i l o a 0 h v e h c a h b r e B a a f l o n v a c k w R h f d n e a n l c t d t a e e l n e s g T e d e t a v r e g t e r s u o e c n r a a C n t l n a r g r s n c c c n t t n f e a i e h d i t O o o e c e c e o o i w t i D r a r t r n p b s o n o i o p e fl u t / r i n , b a fi e h r t e f o n t a i t n o o r , a o h t e e m 3 n r n s t 1 s d l i ( a n n 0 m i e c u d t e i w h t s i b e c n e e o m n d e e o p a t t t e v i o a b a c e c p d t e c w c p d i d n x i u v d t o a n i b i f t c H i l , a i b a o e i t s t y n e r o d d w , l l l l e n o e u v o t e o d n r d a e a s c t t h n d o , - e t 1 8 4 T a b l e V I I I - 7 ) . T h e i m p a c t o f H R T w a s n o t c o n s i s t e n t . 1 8 5 A c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d m e t h a n e c o n t e n t . C O a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e w e r e c l o s e l y c o r r e l a t e d . T h e c o r r e l a t i o n w a s p o s i t i v e f o r m o s t m o n i t o r i n g v a r i a b l e s e x c e p t w i t h m e t h a n e c o n t e n t ( F i g u r e V H 1 - 1 0 ) . T h e s e v a r i a b l e s v a r i e d w i t h O L R ; t h e n e g a t i v e c o r r e l a t i o n o f m e t h a n e c o n t e n t i n r e s p o n s e t o O L R c a n a l s o b e s e e n i n F i g u r e V I I I - 5 . T h e m a x i m u m f r e q u e n c y o f e a c h m o n i t o r i n g v a r i a b l e s e e m s t o b e i n d e p e n d e n t o f t h e O L R i m p o s e d o n t o t h e s y s t e m ( T a b l e V I I I - 3 ) . B a s e d o n r e s u l t s f r o m f r e q u e n c y a n a l y s i s , n o c y c l i c p a t t e r n w a s d e t e c t e d f o r g a s p r o d u c t i o n , H 2 , C O , m e t h a n e , a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e . T h e v a r i a t i o n s o f a l l m o n i t o r i n g v a r i a b l e s w e r e p r i m a r i l y c a u s e d b y r a n d o m n o i s e o r b a c k g r o u n d fl u c t u a t i o n s i n t h e s y s t e m , c o n c l u d e d f r o m w h i t e n o i s e t e s t . S i m i l a r r e s u l t s w e r e o b t a i n e d f r o m a s a p e r a t e c r o s s — c o r r e l a t i o n t e s t ; t h e r e w a s n o c l e a r c r o s s - c o r r e l a t i o n b e t w e e n p a i r s o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s d u e t o l a c k o f p e r i o d i c i t y . R e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h a t t h e p s e u d o - s t e a d y s t a t e b r e w e r y w a s t e b i o d e g r a d a t i o n c a n b e d e s c r i b e d u s i n g G i b b ’ s f r e e e n e r g y . T h e f r e e e n e r g y l e v e l s w e r e r e l a t i v e l y s t a b l e t h r o u g h o u t t h e o p e r a t i o n d e s p i t e t h e O L R v a r i a t i o n . H 2 a n d C O p r e s e n t i n t h e h e a d s p a c e d i d n o t n e c e s s a r i l y r e p r e s e n t t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e l i q u i d p h a s e t h a t t h e m i c r o o r g a n i s m s a c t u a l l y e x p e r i e n c e d . G i b b ’ s f r e e e n e r g i e s b a s e d o n d i s s o l v e d g a s c o n c e n t r a t i o n v a r i e d s i g n i fi c a n t l y f r o m c a l c u l a t i o n s b a s e d o n h e a d s p a c e c o n c e n t r a t i o n , s u g g e s t i n g e n e r g e t i c a l a n a l y s i s i s n o t a m e a n s o f a g o o d t o o l f o r m o n i t o r i n g . F o r b o t h H 2 a n d C O , l i q u i d p h a s e a n d h e a d s p a c e a r e n o t a t e q u i l i b r i u m ( T a b l e V I I I B - l 1 ) . I t i s n o t s u r p r i s i n g , t h e r e f o r e , t h a t n o c l e a r c u t c o r r e l a t i o n b e t w e e n h e a d s p a c e H 2 a n d C O a n d O L R w a s o b s e r v e d . R e s u l t s f r o m f o u r s e t s o f O L R p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t s i n d i c a t e d t h a t t h e s t r e n g t h , a n d d u r a t i o n o f e a c h s t e p i n c r e a s e i n O L R h a d a s t r o n g i m p a c t o n t h e b e n c h r e i t o n e d D n p V e o D h f D d l u d c i p n F d u B i r a l y s n c g b i e t a n a e o t , p r f t r l t h o p o e u t s d u p b s u l m t h c h . r g a h e a s U a p m i s e h V w a w a d f p a w t e n n a t x e y i e h l s r r A F a n e e e r h n h S n t t a a a d A g s e m k s o a e d i d i v a t o f a q a i a , i e c u c n r e o c t p H s n r e i o t a H r n u A s . e u e d i o n p g l e t o e u o a s r n y . t s s n z r e n i d t s a T o r e l a m t g i d d a e t e n p s g n T h e e o t r p d t h s e o e y u c , i i n c r s d t m r - h i i e e n e a c fi s i c e e p s o a i u o t t c a s t n p h a r s i t t b n t n a h r i i e i v r e a i e e c e f t a e s e t e n t e m e l d o s a e t r n g r e t h i u r m a m w s e e n g e d e c o s a f e l o e r a i . t d l n v v c m i p n a t e p u c o a d m r s v s y r t p t e t e y e p a ( n G o a i o i H o n o c y i r l a e g F t a g l m r t m p o s s r r s r i e n a i d o . i p n t a o i b i t g v o w n e a r w i i t i l d o t e h p n fi l d u A a s n e o t c e c e i l a d r h r r d t t e e o y e c r a n c r n e e a n p l w m h a c n g , i o d , p m o o t V h o s t i v o s a r s e l o h u i a a l s a i n t I s e e s l c l c y t s t n n t l l j o i I h s . s l g b i n c o n g e t c d I y . e d o i V i y ( t i - t o fi s o s f t e w u s o 5 r y e m a s a F r e i g 2 G c e fl e n n . o h 4 r s a u c 2 t n p a m u r e a n t c e l a s n ) A a b c i s s r c u ) e p , d s r t v u c h t t a t t s a m e a l e u o c t i o m t p s V p e n a f r e e y a v r r v u r f u h a p . m t e e d l a e o i d a r p a i k F g a n t a r e a v l o i l d t g s A m T v i e e b a l o c t e u f e e x a O a h e r e n n s r h c r s n , p e r n t i . e C c e s i o f t L e t H r a i d e . c , i n o R e s ’ . y O e m r a t e . o g a O u s s n y s m l e D a g e p e l r h h n c m b s d w s c e e u n s m n u . H b ( a d o h o , u n f l t r e n t r s d ; o o t 5 a e n A c 1 r r m t p r a t e o n b 7 i t n e f c i t , ( h a . p e t c e O h f s h o g w 1 0 m i t d a o L a o u e b m s p V s a c e o e h t 0 p i 4 r R n F r d i 0 h n s t n k e o g m t i h 0 a t A y k f e t a i w o c s e n t , n o a s w s n p a r ) e n o s n p p e c e o t e m o c t a r a o t c r w t g h m t 6 h e p s v e h r o r c g 0 s h C a e i a ) e p e e o i e O o t o f d x c b n e r i i D i i f b e n r g l d p n e f r d m o d s , h e a b / f s v r a s e l s k u a y a e h u a g m e o m n r m C i e t e i l . i i d d c O t b t r a g a t s g r e i s i l g 3 t b d s n a / s f e l a w c e o n t D i e n h e i a M e h o a f t e o i n a g e l o y t l n p r m e t r l e l e l 3 n v m d m d O r e l c r e h l e d e y l b a o - a o L e a n o o y o e a c e d b e R t i a u e i ; d p d l w n l g o v t c x w d v c c c o a c a e l r e e e e d d t l e m t d g e o e i - n c c n o l t i u d o g b r t a o t e h n e a d i n a n o a i d m y y o y e i t e r l w a i t c p e a s c w r , s t n r . a t u a n e n t g a s e n A t s e s i s e d d h t o i n 1 8 6 5 a n d 1 0 h o u r s , f o r O L R s o f 1 0 - 1 0 4 a n d 1 0 - 6 0 ( 2 4 h o u r s s t e p s ) , r e s p e c t i v e l y . G a s H ; a p h r a a r e o l o c u c d o r o n d u v s h C c e , o i y o t r f s l O n o r a a > f n O m a r L e t d t R r l e . C s a n o n g e t h a n O f c . O o e . L h R a 1 T 0 h i - i n o 1 s n 6 F 0 4 f V c o a d 0 r A C k e n s r H g d l > a 1 C t 1 0 O e a r e t u - D c s 6 / e t 0 m a t o ( r i t t 2 b n h e d e e 4 e a h d n s o - t d e o q u d p u b r r e s p a o n e c p t k t g e t u s r i i o a r r s a o r b p n l n u , ) a e t t a e d > e o r i c c p p , s n t i o o e n f c c o t H n s e r i e > n v x t e e H r l ; a p e y c a c t t h . > s e m s i e o d T c g n . h o a 2 o 0 f : i s p o p n r e q n o 1 e d 0 u e a n n c d e n u t c t w i a o s n r a t e 1 8 7 C O i s a n i n t e r m e d i a t e i n m e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e ( F i g u r e V I I I C - 1 8 ) . . _ _ > C H g C O S C o A — > C H 3 C O M r C l - I a A c e t a t e — - C O D H H ; — — > [ C O ] — — — > C 0 2 1 1 C 0 ( g ) F i g u r e V I I I C - l 8 . C a r b o n m o n o x i d e g a s p r o d u c t i o n f r o m a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s C O a c c u m u l a t i o n t o o k m u c h l o n g e r t h a n H z t o r e t u r n t o i t s i n i t i a l l e v e l , s u g g e s t i n g t h a t t h e r e a c t i o n C O ( g ) — - > [ C O ] d o e s n o t r e a d i l y o c c u r . T h e r e d u c t i o n o f C O ( g ) c o n c e n t r a t i o n i s l i k e l y d u e t o d i l u t i o n o f t h e r e a c t o r h e a d s p a c e w i t h t h e g a s e s b e i n g p r o d u c e d r a t h e r t h a n c o n s u m p t i o n , a s o c c u r r e d w i t h H 2 . A l o w l e v e l i m p u l s e a n d a n i m p u l s e o f 1 0 4 k g C O D / m 3 b e d - d d i d n o t h a v e a m a j o r i m p a c t o n s y s t e m p e r f o r m a n c e , e x c e p t g a s p r o d u c t i o n a n d C O ( F i g u r e V I I I - 1 9 ) . T h e r e 1 8 8 w a s n o c l e a r d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i n f l u e n c e o f r e g u l a r a n d r a n d o m v a r i a t i o n s o f O L R o n t h e U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e . B o t h p s e u d o - s t e a d y s t a t e a n d u n s t e a d y s t a t e e x p e r i m e n t s s h o w e d a c o n s i s t e n t t r e n d o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s w i t h O L R . A t l o w s t r e n g t h O L R v a r i a t i o n s ( 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) , r e s p o n s e s w e r e s m a l l . W h e n O L R w a s i n c r e a s e d t o 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d , r e s p o n s e s o f V F A s , H 2 , C H 4 , p H a n d g a s p r o d u c t i o n i n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y . A c e t a t e , p r o p i o n a t e , C O a n d g a s p r o d u c t i o n r a t e f o l l o w e d O L R . C H 4 d e c r e a s e d w h e n O L R i n c r e a s e d . p H g r a d u a l l y d e c r e a s e d a s t h e e x p e r i m e n t w a s p r o c e e d e d . S u s p e n d e d s o l i d s a n d C H : v a r i e d s l i g h t l y . 1 8 9 ® 9 8 8 c o u n t e r ® t r a c e g a s a n a l y z e r 6 w a t e r b a t h ® m o i s t u r e c o n d e n s e r « E D / A i n t e r f a c e . ® g a s v e n t v a l v e ( 3 ) l a b o r a t o r y U A S B r e a c t o r ® P C c o n t r o l @ 9 3 3 S p l i t v a l v e @ r e c y c l e p u m p 9 l i q u i d s a m p l i n g p o r t @ m e d i a p u m p 9 e f f l u e n t — " — — ' 1 1 9 9 5 - 9 l i n e ( 9 f e e d p u m p ® f e e d . _ _ _ . . . g a s l i n e C 9 9 “ P u m p ® m e d i a " " F " g g g z i s i t i o n m e t h a n e a n a l y z e r ® s l u d g e w a s t e i i g g n t r o l F i g u r e V I I I B - l . S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r w i t h o n - l i n e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m . ( a ) W M . i - - _ _ ( b ) w I C ) I ( V : " 1 . 1 1 L i F i g u r e W . . 1 ( ( d e ) ) t . I B - Z . T y p i c a l p r o fi l e s o f ( a ) C O , ( b ) m e t h a n e ( c ) H 2 ( d ) a c e t a t e a n d 1 " ? 1 9 0 a . — . - f — — . 0 « a n i i i — « w — w — t — , _ l I . . 1 1 E 1 p r o p i o n a t e , a n d ( e ) g a s p r o d u c t i o n r a t e a t p s e u d o - s t e a d y s t a t e . ( O L R 1 5 k g C O D / m 3 b e d - d , H R T 1 . 5 d , f e e d c o n c e n t r a t i o n 1 3 . 7 k g C O D / m 3 ) . T i m e s c a l e : ( a ) - ( d ) i n h r s ; ( e ) i n d a y s . D a t a c o l l e c t e d f r o m N o v . 3 0 t o D e c . 7 , 1 9 9 2 . _ _ . _ _ . 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A p p l i e d O L R a n d H R T a n d r e a c t o r m e t h a n e c o n t e n t v a r i a t i o n d u r i n g O L R l o a d i n g v a r i a t i o n e x p e r i m e n t s ( O L R : 5 - 2 5 k g C O D / m 3 b e d - d ) I + 6 3 5 p r o d u c t i o n ( t h ) ? ) m p p ( O C ' i 2 0 0 - ‘ * l ( 1 ) 0 " ‘ 2 0 3 — — H 2 t p p m ) A ’ u ' 0 . 0 0 1 0 . 0 0 1 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 5 0 . 0 0 6 0 . 0 0 7 0 . 0 0 t i m e ( h r s ) 0 . 8 0 i t - 0 . 7 0 ‘ * 0 . 6 0 * - 0 5 0 4 ' - 0 . 4 0 ‘ - 0 . 3 0 . 0 . 1 0 ‘ ~ 0 . 0 0 0 . 0 0 l 0 . 0 0 F i g u r e V I I I C - S . 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H t 0 3 1 8 9 7 5 8 e 0 4 8 3 0 4 4 2 4 5 6 c 4 7 4 7 2 2 9 8 4 7 6 3 8 0 0 j 6 9 . 0 7 9 . 0 4 9 0 4 7 3 8 0 1 t 5 4 0 5 4 t . . 1 . . . . . . . e . . . A c 3 0 3 0 9 0 0 r 1 2 0 2 0 e s t e t a t 5 2 3 9 0 7 j 8 4 3 2 6 0 3 1 4 3 0 e 7 0 1 5 6 3 2 5 3 5 0 1 c 1 6 1 9 3 0 5 8 t 8 2 6 2 7 2 r e 0 4 9 7 2 . 0 8 2 2 > 0 . 0 5 r e n t o r ' z a n h v a c e e s u l t s f o r e a P r o p 2 0 1 8 r r 0 0 3 2 0 3 0 r 2 0 . . . . . e . . . e e . . . . i 3 7 0 _ _ _ 6 1 5 j j 9 0 2 0 j 2 4 o 0 7 0 e 7 e 1 4 2 2 8 4 e 3 6 n a t _ _ _ 3 7 0 c c 0 4 8 8 5 6 4 c 6 5 5 0 t t 0 2 9 7 1 7 5 t 8 2 r r 2 0 9 0 3 0 4 r 1 0 2 3 0 i . . . . . . . C e 0 . e . . a 2 8 1 0 j 0 8 0 . 8 j 7 1 O 4 b 0 e 2 1 8 1 9 0 e 5 0 6 > r 0 e . . . 0 4 0 7 4 j e 0 1 c l 9 7 8 4 0 2 c 5 7 9 3 3 0 t e 0 0 2 7 4 t 7 7 7 1 5 t 5 3 c a t d i f f . . . . . . . e . . . 2 0 0 2 5 3 0 0 0 1 r 1 0 2 0 e G 9 4 9 4 3 2 P 7 0 3 8 2 3 3 8 6 . 0 9 1 9 0 7 j 8 1 7 8 2 3 e 5 4 0 8 5 c 5 8 3 9 . . 8 7 9 0 8 6 4 4 9 2 8 t 4 4 7 7 0 8 6 7 . . . i e C . . . e . . . . . . c j H 0 4 4 6 0 0 j 8 2 1 5 6 7 4 1 9 1 8 e 0 2 e 9 9 4 8 1 6 1 5 2 2 c 2 2 c 1 6 3 8 4 5 2 0 t 5 t 6 9 5 5 1 3 0 0 0 r r 5 4 6 2 0 1 0 2 0 1 0 . . 7 8 1 3 5 4 0 4 2 2 0 H y p o t h e s i s : H o : d a t a s e r i e s i s g e n e r a t e d f r o m w h i t e n o i s e ; H 1 : d a t a s e r i e s i s g e n e r a t e d f r o m p e r i o d i c c o m p o n e n t . 0 t = 0 . 0 5 . P — p r o b a b l i t y o f g ( t h e r e a l i z e d v a l u e o f x ) i s g r e a t e r t h a n x ; x — K a p p a ' s t e s t s t a t i s t i c s . T a b l e V l I l B - o . C H A C P G p C o c 2 r r O H a m p o n e n t e t a t e i u o c n t a i t o e n o o s p d 4 1 0 9 . 0 . 0 1 1 . 7 e l - 8 a 7 - 0 - 0 M 1 0 0 . - - 2 0 4 4 n e i n a g o t f o i i m e m t r n . v C a o ( c r o i e a f b e m f e f i a i e c i f l n c i s o e e d t n f 7 4 3 R o e n f x a p g n m g o e r p e p l m m p m m M p M / e n h m r 0 7 8 a 4 2 1 . 0 . 5 . 9 2 8 5 . 6 % n - 3 5 o f n g v a p r s i e a u V e p a r r a i t a i n o n d c o c e n s ) n t u 8 5 9 6 2 9 r . o . o i f 2 1 6 . 9 . 9 . . 0 6 e - s s a t e n a d d t s y S t 0 0 0 0 0 0 r r s a 9 . 0 0 . r a t n a d t a e n d r a a 3 0 0 6 5 2 0 3 1 3 0 6 5 4 4 r n - - - - - - d g d 4 0 0 0 4 0 e 2 e e 1 0 9 . . r 6 r 9 1 0 1 6 3 7 r r o 4 o 4 9 8 0 1 2 2 1 R a n g e d a m o n g e i g h t p s e u d o - s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s a = 0 . 0 5 2 2 2 T a b l e V ' l l I B - T O L R . H R T a n d f e e d c o n c e n t r a t i o n e f f e c t o n H ; . C O a n d p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s O L R H R T F e e d A c e t a t e P r o p i o n a t e C H 4 C O H ; G a s p r o d u c t i o n ( k g C O D / m ’ ( d ) ( k g c o o / m ’ ) ( m M ) ( m M ) ( % ) ( p p m ) ( p p m ) ( m l / h ) b e d - d ) 1 4 . 5 0 . 5 1 3 . 7 0 . 2 0 . 3 8 5 . 4 0 . 1 7 8 9 . 2 3 2 6 2 3 0 . 5 1 3 . 7 1 . 0 0 . 7 7 4 . 2 0 . 5 9 1 5 0 . 9 5 9 2 1 4 . 5 0 . 5 1 3 . 7 0 . 2 0 . 3 8 5 . 4 0 . 1 7 8 9 . 2 3 2 6 1 5 1 . 5 1 3 . 7 1 . 0 0 . 4 7 8 . 3 0 . 2 8 1 1 8 . 4 3 7 0 1 0 1 . 8 1 1 . 4 0 . 1 N D a 8 2 . 0 0 . 2 8 1 5 3 . 1 2 4 8 1 0 1 . 5 9 . 1 0 . 1 N D 8 2 . 0 0 . 2 6 1 7 3 . 0 2 3 9 4 . 2 2 . 5 1 1 . 4 0 . 1 N D 8 5 . 6 0 . 1 0 1 9 . 0 1 0 4 1 0 1 . 8 1 1 . 4 0 . 1 N D 8 2 . 0 0 . 2 8 1 5 3 . 2 2 4 8 1 4 1 . 0 1 1 . 4 0 . 7 0 . 4 8 3 . 7 0 . 2 4 1 2 6 . 1 3 7 8 5 . 8 1 . 5 5 . 7 0 . 1 N D 8 5 . 5 0 . 2 0 2 4 . 3 1 5 5 1 0 1 . 5 9 . 1 0 . 1 N D 8 2 . 0 0 . 2 6 1 7 3 . 0 2 3 9 1 5 1 . 5 1 3 . 7 1 . 0 0 . 4 7 8 . 3 0 . 2 8 1 1 8 . 4 3 7 0 a . N D < 0 . l m M 2 2 3 T a b l e \ ' I I l B - 8 . G i b b s f r e e e n e r g y c h a n g e f o r p r o p i o n a t e o x i d a t i o n a n d m e t h a n o g e n e s i s a t s t a n d a r d c o n d i t i o n s P r o p i o n a t e d e g r e d a t i o n A G o ' ( k c a l / m o l ) 1 . C H 3 C H 2 C O O ' + 3 1 1 2 0 — + H C O 3 ‘ + H + + 3 H 2 + C H 3 C O O ' 1 8 - 2 A c e t a t e d e g r a d a t i o n 2 . C H 3 C O O ' + H 2 + H + — — > C H 4 + C O + H 2 0 - 3 . 7 8 3 . C 0 + H 2 0 - — ) C 0 2 + H 2 - 4 . 7 8 C 0 2 r e d u c t i o n 4 . C 0 2 ' 1 ' 4 H 2 — ) C H 4 + 2 H 2 0 - 3 1 . 2 5 T a P V b r l o a A r c e p C G a s p r b a V o O 2 4 d I n t l u i e C i H a t H o s e e a t e c t i o n e a c h d o - s t m e r d R i a a n t l e c v p e e s l o e s f u a i t n e g ( v 0 a t r = 0 i S o n d 6 7 5 7 1 2 a 2 F 1 t 8 u r a e 8 i y t o s v 2 a . l 9 0 0 . . 2 9 1 5 9 . . 7 9 7 . 9 4 9 1 m a o n g n c e s a a . b 0 l 5 e ) i g n i + + + + + + f e t i s c t + + + + + + + + + + 4 — 1 - I I B - 9 . A O a n L l R s y s i o s p o f e r a v t a e O b s e r v a t i o n s O L 1 1 1 1 1 1 5 5 5 5 5 5 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 2 2 4 a . O L R a t 4 . 2 , 5 . 8 , 1 0 , 1 4 , 1 4 . 5 , 1 5 , a n d 2 3 k g C O D / m 3 b e d - d . T a b l e V I I a V G C C A P H I B - 1 0 . R o e f s u m l o t n s i f o t r r o i m n D g u v n a e d s u c t i o n a t e a p a i b r t o l o e n r i s e o H O a c r z 4 t p 2 2 2 2 2 2 c i a a n b ' l s e s m ( u g l r t i o p u l p e e G 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 5 5 5 5 r 3 3 3 3 3 3 e O L r a b n y o u g p t e R 0 0 0 0 4 0 1 1 1 1 1 1 r 5 5 d 4 0 4 4 a n d L S D t e s t o n m e a n s s ) t a 5 5 5 5 5 L . . . . . 8 8 8 8 8 4 4 4 4 4 . . . . . 2 2 2 2 2 E S — 3 + 2 2 2 5 a . v a r i a b l e s h a v e s a m e u n d e r l i n e a r e n o t d i f f e r e n t T a b l e V I I I B - l 1 . H U e A a d S B s p a e r c a e c a o t n r d d i s s o l v e d H 3 a n d C O i n t h e b e n c h - s c a l e 2 2 6 , H i t l ) C O ( I ) H 2 ( g ) C O ( g ) H , . , , , c o m b n M n M ( p p m ) ( m ) — . — . P P H u g , C O ( g ) m e a n 4 . 8 3 9 . 2 5 5 3 . 7 1 0 . 1 5 8 1 6 . 3 0 . 1 4 5 S D 5 . 5 9 1 7 . 9 4 3 4 . 5 3 0 . 0 5 8 . 1 7 . 3 0 . 1 2 9 R a n g e 1 . 3 6 - 1 8 . 5 0 0 . 7 1 - 5 1 . 4 5 9 . 6 - 9 4 . 5 0 . 1 1 - 0 . 2 6 2 - 5 0 0 . 0 2 - 0 . 3 4 a . T o t a l e i g h t o b s e r v a t i o n s . t h r e e r e p l i c a t e s e a c h s a m p l e f o r d i s s o l v e d g a s s a n a l y s i s . b . H 2 * ( g ) a n d C O * ( g ) a r e g a s p h a s e H 2 a n d C O c o n c e n t r a t i o n s t h a t a r e i n e q u i l i b r i u m w i t h l i q u i d p h a s e c o n c e n t r a t i o n s , c a l c u l a t e d f r o m d i s s o l v e d g a s m e a s u r e m e n t s . C H A P T E R 9 . M O D E L I N G U A S B R E A C T O R U S I N G A D Y N A M I C M O D E L I N C L U D I N G R E A C T O R H Y D R A U L I C S , R E A C T I O N A N D D I F F U S I O N A . I n t r o d u c t i o n D y n a m i c m o d e l i n g o f a n a e r o b i c p r o c e s s e s h e l p s u t i l i z e o u r c u r r e n t k n o w l e d g e o f t h e p r o c e s s d y n a m i c s k i n e t i c s , m a s s t r a n s f e r a n d h y d r a u l i c s , t o e x p l o r e t e c h n i q u e s f o r p r e d i c t i n g a n d p r e v e n t i n g p r o c e s s f a i l u r e . A d y n a m i c m o d e l c a n a l s o r e fl e c t t h e d y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e p r o c e s s v a r i a b l e s t o e x t e r n a l d i s t u r b a n c e s a n d i t s i n h e r e n t d y n a m i c c h a r a c t e r . T h e d y n a m i c s o f a w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t c o v e r a v e r y w i d e s p e c t r u m . A m o d e l s u m m a r i z e s t h e c u r r e n t u n d e r s t a n d i n g o f t h e d y n a m i c s a n d m a y a t l e a s t q u a l i t a t i v e l y v e r i f y o b s e r v a t i o n s o f t h e p r o c e s s r e s p o n s e t o d i f f e r e n t d i s t u r b a n c e s . T h u s , t h e m o d e l c a n b e a v a l u a b l e t o o l i n e x p l o r i n g t h e c o n s e q u e n c e s o f d i f f e r e n t u n s c h e d u l e d d i s t u r b a n c e s o r k e y o p e r a t i n g p a r a m e t e r s . T h e o u t p u t o r p r e d i c t i o n o f a m o d e l c a n b e a t s e v e r a l l e v e l s : I ) p r e d i c t t h e e x i s t e n c e o f a p h e n o m e n a , 2 ) p r e d i c t t h e p h e n o m e n a q u a n t i t a t i v e l y , 3 ) m a k e p r e d i c t i o n s w h i c h a r e i n t h e a p p r o p r i a t e d i r e c t i o n a n d o f r i g h t o r d e r o f m a g n i t u d e . M o d e l s n e e d t o b e c a l i b r a t e d a n d v e r i f i e d u s i n g p i l o t - o r f u l l — s c a l e t e s t i n g a n d s i m u l a t i o n w i t h o t h e r i n d e p e n d e n t s e t s o f o p e r a t i o n a l d a t a . M o d e l s c a n t a k e m a n y f o r m s . M e c h a n i s t i c m o d e l s a r e m o s t u s e f u l t o t h e r e s e a r c h e r s e e k i n g t o u n d e r s t a n d t h e e v e n t s o c c u r r i n g i n a s y s t e m . S u c h m o d e l s a r e d e t e r m i n i s t i c a n d i n c o r p o r a t e d i r e c t l i n k s b e t w e e n i n p u t s a n d o u t p u t s t h r o u g h r a t e e q u a t i o n s t h a t s e e k t o m i m i c r e a c t i o n m e c h a n i s m s . S o m e m o d e l s , h o w e v e r , c a n b e h i g h l y e m p i r i c a l . T h e s e a r e m o s t u s e f u l t o t h e o p e r a t o r b e c a u s e t h e y c a n b e s t o c h a s t i c a n d c a n r e fl e c t r e a l w o r l d 2 2 7 7 ’ 7 8 ~ ~ r e s p o n s e s . E m p i r i c a l m o d e l s a r e h i g h l y s y s t e m s p e c i f i c a n d t h u s a r e n o t e a s i l y t r a n s p o r t a b l e t o n e w s i t u a t i o n s . M a n y o t h e r a l t e r n a t i v e s l i e b e t w e e n t h e s e e x t r e m e s . T h i s c h a p t e r w i l l f o c u s o n m e c h a n i s t i c m o d e l s f o r a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s . C o n s i d e r a b l e e f f o r t h a s b e e n e x p e n d e d o n d e v e l o p i n g a d y n a m i c m o d e l f o r t h e a n a e r o b i c w a s t e t r e a t m e n t p r o c e s s [ A n d r e w s , 1 9 6 9 ] [ A n d r e w s a n d G r a e f , 1 9 7 l ] [ G r a e f a n d A n d r e w s , 1 9 7 4 ] [ C a r r a n d O ’ D o n n e l l , 1 9 7 7 ] , [ M o s e y , 1 9 8 3 ] a n d [ R o z z i , e t a l . , 1 9 8 5 ] . A n d r e w s [ 1 9 6 9 ] p r e s e n t e d a d y n a m i c m o d e l d e s c r i b i n g a s i n g l e c u l t u r e ( m e t h a n o g e n s ) s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n , p H , b a c t e r i a l g r o w t h ( w i t h i n h i b i t i o n b y n o n - i o n i z e d a c e t i c a c i d ) , a l k a l i n i t y a n d g a s p r o d u c t i o n . T h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n g a s , l i q u i d a n d b i o l o g i c a l p h a s e s w i t h i n t h e a n a e r o b i c d i g e s t o r w e r e c o n s i d e r e d i n t h i s m o d e l [ A n d r e w s a n d G r a e f , 1 9 7 1 ] . A t e m p e r a t u r e v a r i a b l e w a s a d d e d i n t o t h i s m o d e l t o e x p r e s s g r o w t h r a t e a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e [ B u h r a n d A n d r e w s , 1 9 7 7 ] . H i l l a n d B a r t h [ 1 9 7 7 ] e x p a n d e d t h i s m o d e l t o i n c l u d e h y d r o l y t i c a n d a c e t o g e n i e p h a s e s a n d a m m o n i a i n h i b i t o r y e f f e c t s f o r c o n t i n u o u s s u s p e n d e d g r o w t h f e r m e n t o r s t r e a t i n g a n i m a l m a n u r e . V a r i o u s d y n a m i c m o d e l s h a v e b e e n d e v e l o p e d u s i n g a s i m i l a r a p p r o a c h t o d e s c r i b e a n a e r o b i c s l u d g e d i g e s t i o n a n d w a s t e w a t e r t r e a t m e n t r e a c t o r s w i t h m u l t i p l e s u b s t r a t e s a n d m u l t i p l e s t a g e s ( h y d r o l y s i s , a c e t o g e n e s i s , a n d m e t h a n o g e n e s i s ) . T h e i n v o l v e m e n t o f a d d i t i o n a l m i c r o b i a l s p e c i e s w i t h u p t o f i v e m i c r o b i a l p o p u l a t i o n s a n d a s s o c i a t e d r e a c t i o n s w e r e i n c l u d e d i n t h e s e m o d e l s [ R o z z i e t a l . , 1 9 8 5 ] [ C o s t e l l o e t a l . , 1 9 9 1 ] . C o n v e r s i o n o f f o r m a t e , h y d r o g e n a n d c a r b o n d i o x i d e t o a c e t a t e b y h o m o a c e t o g e n i c b a c t e r i a h a s a l s o b e e n c o n s i d e r e d i n m o d e l i n g [ H i l l , 1 9 8 2 ] [ B r y e r s , 1 9 8 5 ] . W i t h n e w d i s c o v e r i e s i n a n a e r o b i c m i c r o b i o l o g y , t h e c e n t r a l r o l e o f h y d r o g e n g a s a s a n i n t e r m e d i a t e p r o d u c t w a s c o n s i d e r e d d u r i n g d y n a m i c m o d e l i n g [ H e y e s 2 2 9 a n d H a l l , 1 9 8 1 ] [ M o s e y , 1 9 8 3 ] . M o s e y [ 1 9 8 3 ] p r o p o s e d a f o u r p o p u l a t i o n m o d e l u s i n g H , u t i l i z i n g m e t h a n o g e n a s t h e k e y o r g a n i s m s . M e t a b o l i s m o f g l u c o s e i s r e g u l a t e d b y H 2 p a r t i a l p r e s s u r e t h r o u g h i t s e f f e c t o n t h e N A D / N A D H r e d o x c o u p l e . T h i s m o d e l w a s l a t e r e x t e n d e d t o i n c l u d e a c c u m u l a t i o n o f l a c t i c a c i d [ C o s t e l l o e t a l . , 1 9 9 l a ] . F o r a l l b i o f i l m s i t u a t i o n s , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n a n d d i f f u s i o n o c c u r s i m u l t a n e o u s l y w i t h i n t h e b i o fl l m [ H a r r e m o é s , 1 9 7 6 ] [ A t k i n s o n a n d D a v i e s , 1 9 7 4 ] [ K i s s e l e t a l . , l 9 8 4 ] . T w o c h a r a c t e r i s t i c t y p e s o f b i o f i l m w e r e d e s c r i b e d d u r i n g t h e m o d e l i n g o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n [ W i l l i a m s o n a n d M c C a r t y , 1 9 7 6 a ] . R i t t m a n n a n d M c C a r t y [ 1 9 8 0 ] e x t e n d e d t h i s m o d e l t o i n c l u d e b i o fl l m g r o w t h , a n d p r e d i c t e d s t e a d y s t a t e b i o fi l m t h i c k n e s s a n d s u b s t r a t e fl u x . S u b s e q u e n t w o r k [ R i t t m a n n , 1 9 8 2 ] a d d r e s s e d t h e g r o w t h a n d l o s s o f t h e b i o fi l m a n d t h e e s t a b l i s h m e n t o f a s t e a d y - s t a t e b i o fi l m . R i t t m a n n [ 1 9 8 5 ] p r o v i d e d a m o d e l i n g a n a l y s i s o f t h e s u b s t r a t e - l o a d i n g fl u c t u a t i o n s o n f i x e d - b e d b i o fi l m r e a c t o r s . M u c h l e s s w o r k h a s b e e n f o c u s e d o n t h e t r a n s i e n t s t a t e c o n d i t i o n s f o r b i o fi l m s n o t a t s t e a d y s t a t e . U n s t e a d y s t a t e i s t h e m o s t c r i t i c a l s i t u a t i o n f o r m o d e l i n g a s s o c i a t e d w i t h r e a l - t i m e c o n t r o l s t r a t e g i e s . D y n a m i c d i f f u s i o n - r e a c t i o n b i o fi l m m o d e l s h a v e b e e n p r e s e n t e d f o r a e r o b i c p r o c e s s e s c o n s i d e r i n g b o t h fl a t a n d s p h e r i c a l g e o m e t r y , f o r t h e b i o fi l m [ B e n e fi e l d a n d M o l z , 1 9 8 4 , 1 9 8 5 ] . B o l t e a n d H i l l [ 1 9 9 3 ] d e s c r i b e d a t t a c h e d g r o w t h a n a e r o b i c f e r m e n t e r s u s i n g a r e a c t i o n - d i f f u s i o n d y n a m i c m o d e l . T h i s m o d e l d e s c r i b e d f o u r m i c r o b i a l p o p u l a t i o n i n t e r a c t i o n s a n d s i x m e t a b o l i c p a t h w a y s d u r i n g a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f a m o d e l a n i m a l w a s t e ( C 6 H 1 3 N 0 3 ) . M o d e l v e r i fi c a t i o n s h o w e d t h a t a m u l t i p l e s u b s t r a t e a n d p a t h w a y r e a c t i o n m o d e l w a s a b l e t o p r e d i c t t h e p r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o n o f l a c t i c a c i d a n d , t o a l e s s e r d e g r e e , 2 3 0 h y d r o g e n i n h i b i t i o n a n d r e g u l a t i o n o f b u t y r a t e a n d p r o p i o n a t e u t i l i z a t i o n [ C o s t e l l o e t a l . , 1 9 9 l b ] . M o d e l e v a l u a t i o n s h a v e s h o w n t h a t m o s t m o d e l s a r e u n a b l e t o p r e d i c t V F A a n d g a s p r o d u c t i o n d u r i n g u n s t e a d y s t a t e [ J o n e s a n d H a l l , 1 9 8 9 ] . A n e x c e l l e n t p a p e r b y J o n e s e t a 1 . [ 1 9 9 2 ] p r o v i d e d a p r o c e s s i d e n t i fi c a t i o n p r o c e d u r e u s i n g a n e x t e n d e d K a l m a n fi l t e r s t a t e e s t i m a t i o n a l g o r i t h m t o e s t i m a t e u n m e a s u r e d p r o c e s s s t a t e s a n d p a r a m e t e r s f o r a p i l o t fl u i d i z e d b e d r e a c t o r . A f o u r p o p u l a t i o n d y n a m i c m o d e l s t r u c t u r e w a s t h e n p o s t u l a t e d . A l l o f t h e s e m o d e l s w e r e b a s e d o n C S T R ( c o m p l e t e m i x e d fl o w ) a s s u m p t i o n s . T h e r e a r e o n l y a f e w d y n a m i c m o d e l s d e v e l o p e d f o r U A S B r e a c t o r s , i n w h i c h b i o f i l m e x i s t s i n t h e f o r m o f g r a n u l e s . B o l l e e t a l . [ 1 9 8 5 ] a t t e m p t e d t o d e s c r i b e U A S B r e a c t o r u s i n g a fl o w m o d e l c o m b i n e d w i t h s l u d g e t r a n s p o r t a n d k i n e t i c s . U n f o r t u n a t e l y , t h e d e s c r i p t i o n o f k i n e t i c s d i d n o t i n c l u d e s u b s t r a t e d i f f u s i o n w i t h i n t h e g r a n u l e s . M o s t r e a c t i o n - d i f f u s i o n b i o f i l m d y n a m i c m o d e l s d e v e l o p e d t o d a t e w e r e e i t h e r a n a l y z e t h e p r o b l e m u s i n g fl a t g e o m e t r y o r w i t h s p h e r i c a l g e o m e t r y b i o fi l m s , b u t a t s t e a d y - s t a t e [ B o l t e a n d H i l l , l 9 9 3 ] [ D e B e e r , e t a l . , 1 9 9 2 ] [ L e n s , e t a l . , 1 9 9 3 ] . T h e p r i m a r y g o a l o f t h i s p o r t i o n o f t h e s t u d y w a s t o d e v e l o p a d y n a m i c m o d e l f o r U A S B r e a c t o r s w i t h g r a n u l a r s l u d g e . T h i s m o d e l w i l l c o m b i n e r e a c t o r h y d r a u l i c s , s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s d e v e l o p e d i n e a r l i e r c h a p t e r s a n d d i f f u s i o n a l i n f o r m a t i o n w i t h i n a n a e r o b i c g r a n u l e s , i n o r d e r t o p r e d i c t U A S B r e a c t o r s y s t e m r e s p o n s e s d u r i n g o r g a n i c l o a d i n g r a t e p e r t u r b a t i o n s . G e n e r a l a p p r o a c h e s u s e d i n d e v e l o p m e n t o f m o d e l s w e r e : 1 ) d e fi n e t h e p r o b l e m 2 ) c h a r a c t e r i z e t h e r e a c t o r h y d r a u l i c s 3 ) i d e n t i f y m a j o r r e a c t i o n s 4 ) d e t e r m i n e t h e k i n e t i c s 5 ) i d e n t i f y m a s s t r a n s p o r t w i t h i n t h e g r a n u l e s 6 ) a p p l y 2 3 1 m a s s b a l a n c e s o n t h e s u b s t r a t e s o f i n t e r e s t f o r e a c h e l e m e n t i n r e a c t o r 7 ) i n t e g r a t i o n o f a h y d r a u l i c fl o w m o d e l a n d d i f f u s i o n a l e f f e c t s i n t o t h e d y n a m i c m o d e l 8 ) n u m e r i c a l m e t h o d u s e d f o r o b t a i n i n g a s o l u t i o n 9 ) m o d e l c a l i b r a t i o n 1 0 ) m o d e l e v a l u a t i o n u s i n g a n i n d e p e n d e n t d a t a s e t g a t h e r e d f r o m t h e U A S B r e a c t o r . T h e b e n c h U A S B r e a c t o r ( C h a p t e r V ) w a s u s e d a s t h e m o d e l r e a c t o r . A c e t a t e w a s t h e m o d e l s u b s t r a t e . 2 3 2 B . D e v e l o p m e n t o f a d y n a m i c m o d e l A d y n a m i c m o d e l h a s b e e n d e v e l o p e d t o d e s c r i b e U A S B r e a c t o r s f r o m s e v e r a l a s p e c t s i n c l u d i n g r e a c t o r h y d r a u l i c s , b i o l o g i c a l r e a c t i o n k i n e t i c s a n d m a s s t r a n s f e r w i t h i n t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s . T h i s m o d e l i n t e g r a t e s t h e U A S B h y d r a u l i c m o d e l ( M o d e l 2 ; C h a p t e r V ) , r e a c t i o n k i n e t i c s k m , K s ( C h a p t e r V I ) a n d g r a n u l e s t r u c t u r a l i n f o r m a t i o n ( C h a p t e r V I I ) t o a s t r u c t u r e d m o d e l , i n o r d e r t o e x a m i n e d i f f e r e n t f a c t o r s t h a t i n fl u e n c e U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e . T h e m o d e l w a s e v a l u a t e d u s i n g a d a t a s e t o f w h e n a n a c e t a t e i m p u l s e w a s a p p l i e d t o t h e r e a c t o r . V e r i f i c a t i o n w a s o b t a i n e d u s i n g d a t a f r o m a t w o - s t e p O L R i n c r e a s e i n a c e t a t e e x p e r i m e n t u s i n g t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r . D u r i n g h y d r a u l i c m o d e l i n g u s i n g L i t h i u m C h l o r i d e i m p u l s e , t h i s m o d e l w a s s i m p l i fi e d t o M o d e l 2 ( C h a p t e r V ) . R e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e h y d r a u l i c m o d e l i n g w a s t h e n c o m p a r e d w i t h t h e d a t a f r o m t h e a c e t a t e O L R s t e p c h a n g e e x p e r i m e n t . B - l . M o d e l d e v e l o p m e n t , s o l u t i o n t e c h n i q u e , a n d p a r a m e t e r s T h e d y n a m i c m o d e l i s c o m p r i s e d o f t h r e e p a r t s : s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e b i o f i l m ( g r a n u l e s ) , m a s s t r a n s f e r a n d t r a n s p o r t i n t h e g r a n u l a r b e d , a n d m a s s t r a n s p o r t w i t h i n c l a r i f i e r ( z o n e a b o v e t h e b e d ) . S e v e r a l a s s u m p t i o n s w e r e m a d e : 1 ) g r a n u l e s w e r e s p h e r i c a l w i t h a r a d i u s o f R ; 2 ) s u b s t r a t e d i f f u s e s i n t o t h e g r a n u l e s , p e n e t r a t i n g a l a y e r w i t h a t h i c k n e s s o f 6 f r o m t h e o u t e r s u r f a c e o f g r a n u l e s . A t t h e i n n e r e d g e o f t h i s l a y e r , t h e s u b s t r a t e g r a d i e n t i s z e r o ; 3 ) c e n t r a l c o r e o f t h e g r a n u l e s w a s i m p e r m e a b l e t o t h e s u b s t r a t e a n d n o b i o l o g i c a l a c t i v i t y ; 4 ) t h e d e g r a d a t i o n o f a c e t a t e c a n b e d e s c r i b e d u s i n g M o n o d k i n e t i c s ; 5 ) a c e t a t e u t i l i z e r s a r e e v e n l y d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e e n t i r e g r a n u l e l a y e r 8 ; 6 ) 2 3 3 g r o w t h o f a c e t a t e u t i l i z i n g m e t h a n o g e n i s n e g l e c t e d d u e t o t h e s l o w g r o w t h r a t e a n d r e l a t i v e l y s h o r t p e r i o d o f t h e p e r t u r b a t i o n ( i . e . f o u r h o u r s ) t o t h e s y s t e m ; 7 ) m a s s c o n t i n u i t y h o l d s a t t h e i n t e r f a c e s b e t w e e n b u l k l i q u i d a n d t h e l i q u i d b o u n d a r y l a y e r , a n d b e t w e e n t h e l i q u i d b o u n d a r y l a y e r a n d g r a n u l e s u r f a c e ; 8 ) t h e g r a n u l a r b e d c a n b e d e s c r i b e d a s a C S T R ( s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e l i q u i d v o l u m e o f t h e b e d i s u n i f o r m ) ; 9 ) B y - p a s s fl o w a n d d e a d s p a c e a r e p r e s e n t ; 1 0 ) T h e c l a r i f i c a t i o n z o n e c a n b e d e s c r i b e d a s a d i s p e r s i o n P F R a n d 1 1 ) t h e r e i s n o s u b s t r a t e d i f f u s i o n i n t o t h e r e a c t o r d e a d v o l u m e . S u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e g r a n u l e s w a s d e s c r i b e d a s a d i f f u s i o n - r e a c t i o n p r o c e s s . I n g r a n u l a r s l u d g e b e d , s u b s t r a t e i s t r a n s p o r t t h r o u g h a d v e c t i o n i n t h e b u l k l i q u i d a n d t r a n s f e r r e d t o t h e l i q u i d b o u n d a r y l a y e r o f g r a n u l e s . M a s s t r a n s p o r t i n t h e c l a r i fi c a t i o n z o n e i s d e s c r i b e d b y a d v e c t i o n a n d d i s p e r s i o n p r o c e s s e s . B y a p p l y i n g m a s s b a l a n c e s o n t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s , t h e g r a n u l a r b e d , a n d t h e c l a r i fi e r , f o l l o w i n g f o u r t e e n m o d e l e q u a t i o n s w e r e o b t a i n e d 2 E 5 1 - : 6 S — 2 3 5 — — 1 " " m e ( I V - 3 5 ) a t 8 x 2 R — x a x K I + S . B S B C S Z ( 1 ) — D a — + K , S = K , S b , x = 0 ( I V - 3 6 ) x ( i i ) § = 0 , x = 5 ( I V - 3 7 ) a x 1 C : ( 1 ) S ( x , 0 ) = S , ( x ) a r e ( 0 , 5 ) ( I V - 3 8 ) A t s t e a d y s t a t e 2 a s , _ 2 a s , z k — m ’ f fi e ( 1 v - 3 9 ) 8 x 2 R - x 8 x K , + S , B S B C s : ( i ) — D a — " + K , s , = K , 5 , , , . x = 0 ( I V - 4 0 ) x . . B S . ( 1 1 ) — - ‘ - = 0 , x = 5 ( I V - 4 1 ) 8 ) : w h e r e D i s t h e e f f e c t i v e s u b s t r a t e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ( m l / s ) ; S , i s s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n w i t h i n b i o fi l m a t s t e a d y s t a t e ( m M ) ; k , , , i s s p e c i f i c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e ( g a c e t a t e / g V S - d ) ; X m i s b i o m a s s d e n s i t y w i t h i n t h e a c t i v e l a y e r o f t h e g r a n u l e s ( g V S / c m 3 ) ; K , i s h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t ( m M ) ; K , i s m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t ( m m / s ) ; S b ) , i s s t e a d y s t a t e s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n i n b u l k l i q u i d ( m m o l / L ) ; x i s a n a x i s o r i g i n a t i n g f r o m t h e s u r f a c e o f g r a n u l e s t o w a r d s t h e c e n t r a l c o r e ; R i s g r a n u l e r a d i u s ( m m ) . ( 1 8 V b — J t i z v i ( t ) — Q b e ( t ) — K L A , ( S , , — S ( 0 , t ) ) ( I V - 4 2 ) I C : S b ( 0 ) = S b ” ( I V - 4 3 ) M f . _ _ < < . E ( t ) = V 1 7 7 1 » ; ’ I f 0 _ t _ T ‘ " F o r i m p u l s e ( I V - 4 4 ) 0 . i f T . . . s : Q b e n g i i f O < t < T r t p i E ( t ) = Q f S fl p , , i f T m p l S t < T “ p 2 F o r s t e p i n c r e a s e . . . ( I V - 4 5 ) Q I S H P Z ’ ( f T r t p 2 S t w h e r e V ) , i s w o r k i n g v o l u m e o f C S T R ( L ) ; E ( t ) i s a n i n p u t f u n c t i o n ; A , i s t o t a l g r a n u l e s u r f a c e a r e a ( m 2 ) ; 5 ; , i s b u l k s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n ( m m o l / L ) ; S i s s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n w i t h i n g r a n u l e s a t u n s t e a d y s t a t e ; Q f i s t h e fl o w f r a c t i o n t h a t e n t e r s t h e m a i n s t r e a m ( L / d ) ; M f i s f r a c t i o n o f m a s s i n p u t t h a t g o t h r o u g h r e a c t o r w o r k i n g v o l u m e ( g ) ; S b k g d i s f e e d c o n c e n t r a t i o n b e f o r e s t e p i n c r e a s e ; S , , , , , i s f e e d c o n c e n t r a t i o n a t fi r s t s t e p r i t n h c e e fi a r s s ; e t » S t a p e , p s s i s i f n i e i e t d i a t c e o d n ; c e n t T , , , , _ r ~ a i t s i o t n d u r i n g h e t i m e t h e t a h t s h t e e c o n d s e c o e s n t d p s c i e n p r i e s a s i e n . i t t i T a , , t , e , d , . i s T t h e m i s t s i u m b e s t h a a t t e t r 2 3 5 i n j e c t i o n t i m e f o r t h e a c e t a t e i m p u l s e . _ — — , , - — — ; — — — — — , t > 0 , 0 < z < 1 I V - 4 6 a t L " B Z “ L a Z ( ) B C : S J ( 0 , I ) = S } , ( I ) ( I V - 4 7 ) I C : S d ( Z , 0 ) = S h u ( I V - 4 8 ) w h e r e S . ) i s c o n c e n t r a t i o n i n c l a r i fi c a t i o n z o n e ; B , i s d i s p e r s i o n c o e f fi c i e n t o f t h e l i q u i d i n t h e P F R ( m m 2 / s ) ; u i s fl o w v e l o c i t y i n P F R ( m m / s ) ; L i s t h e l e n g t h o f t h e P F R . D e t a i l e d d e r i v a t i o n s o f a b o v e s e c o n d o r d e r , p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ( P D E ) a n d o r d i n a r y d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s ( O D E s ) a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r I V . T h e a b o v e e q u a t i o n s w e r e s o l v e d n u m e r i c a l l y , u s i n g a F O R T R A N p r o g r a m . T h e O D E s w e r e s o l v e d b y I M S L ( i n t e r n a t i o n a l m a t h s u b r o u t i n e s l i b r a r y ) . T h e P D E w a s s o l v e d u s i n g a fi n i t e - d i f f e r e n c e m e t h o d [ A m e s , 1 9 7 7 ] . U n i t t r a n s f o r m a t i o n s w e r e p e r f o r m e d o n t h e m o d e l e q u a t i o n s w h i c h w e r e t h e n s e a l e d t o s i m p l i f y c o m p u t a t i o n s . T h e g r a n u l e a c t i v e l a y e r , 8 , i n X a x i s w a s d i v i d e d i n t o 1 0 0 s t e p s . T h e t i m e s c a l e w a s d i v i d e d i n t o 1 2 0 s t e p s . S o l u t i o n w a s o b t a i n e d b y s t e p w i s e s e a r c h f o r e a c h p a r a m e t e r u n t i l c o n v e r g e n c e w a s o b t a i n e d . M o d e l p a r a m e t e r s w e r e e s t i m a t e d t h r o u g h s e p a r a t e d e x p e r i m e n t s ( k m , K s , C h a p t e r V I ) , m e a s u r e d f o r t h e U A S B r e a c t o r b e d a n d g r a n u l e s ( 8 , e , R ) , u s i n g l i t e r a t u r e v a l u e s ( D ) a s t h e i n i t i a l g u e s s , o r d e t e r m i n e d d i r e c t l y b y t h e s i m u l a t i o n . P r e s e n t e d i n T a b l e D ( B - 2 a r e t h e m o d e l p a r a m e t e r s . M a j o r p a r a m e t e r s t h a t w e r e e s t i m a t e d d u r i n g s i m u l a t i o n w e r e : t h e a c e t a t e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t w i t h i n t h e g r a n u l e s D , t h e m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t t h r o u g h t , h e l i q u i d f r a c t i o n b o o f u n fl d o a r y l a w t h r y o e u r g K L , b i o m a s s h w o r k i n g v o d l e n s i t y w i t h i n g r a n u l e s X , " . C S u m e f , d i s p e r s i o n f a c t o r — — . , T . R d e a d v a n d i n v e o r l s u m e V ) e H R T r " 3 4 : 6 5 w e r e a l s o m o n i t o r e d . A c e t a t e a c c u m u l a t e d r a p i d l y u p t o 1 0 m M a n d t h e n d e c r e a s e d 2 3 6 w i t h i n d i s p e r s i o n P F R , % . T h e l a s t t w o p a r a m e t e r s w e r e o b s e r v e d t o v a r y w i t h g a s p r o d u c t i o n r a t e . D e a d v o l u m e , V d , a n d b y p a s s fl o w , ( l - D Q , v a r i e d w i t h o p e r a t i o n a n d p e r f o r m a n c e o f t h e U A S B r e a c t o r . T h u s a c o n v e r g e d r a n g e o f t h e s e p a r a m e t e r s w e r e e s t i m a t e d . T h e v o l u m e o f t h e d i s p e r s i o n P F R w a s o b t a i n e d b y m u l t i p l y i n g r e a c t o r t o t a l fl o w r a t e Q w i t h h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e i n t h e d i s p e r s i o n P F R , £ 5 - ( m i n ) . D e a d v o l u m e i s u d e t e r m i n e d b y s u b t r a c t i n g C S T R w o r k i n g v o l u m e a n d d i s p e r s i o n P F R v o l u m e f r o m r e a c t o r t o t a l v o l u m e . B - 2 . S i m u l a t i o n o f U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e l o a d i n g A n O L R o f 9 - 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d a n d a H R T o f 1 1 h r s w e r e m a i n t a i n e d d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t s . T h e g r a n u l a r b e d w a s fl u i d i z e d t o o b t a i n a t o t a l b e d V o l u m e o f 1 . 7 - 2 . 1 L . R e a c t o r g a s p r o d u c t i o n r a t e a n d h e a d s p a c e m e t h a n e c o n t e n t v a r i e d f r o m 5 . 3 - 6 . 7 L / d a n d 7 5 - 8 0 % , r e s p e c t i v e l y . E f fl u e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s w e r e b e l o w d e t e c t i o n l i m i t d u r i n g t h e p s e u d o s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n s p r i o r t o t h e s t a r t o f t h e a c e t a t e p u l s e a d d i t i o n . P r e s e n t e d i n T a b l e I X B - l a r e o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s o f t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e . A c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n o f s o d i u m a c e t a t e w a s i n j e c t e d i n t o t h e U A S B r e a c t o r r e c i r c u l a t i o n l i n e c l o s e t o t h e r e a c t o r i n l e t , t o p r o d u c e a n i r 1 ' l p u l s e . T h e e f fl u e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n s w e r e t h e n t r a c k e d w i t h t i m e . G a s p r o d u c t i o n F L . 8 6 d i ; o b : 2 3 7 b e l o w d e t e c t i o n l i m i t s i n 9 0 m i n u t e s . G a s p r o d u c t i o n r e s p o n d e d i n a s i m i l a r p a t t e r n . A p e a k g a s p r o d u c t i o n v a l u e o f 3 3 L / d w a s r e a c h e d . T h i s i s 5 - 6 t i m e s o f t h a t o b s e r v e d d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n ( T a b l e I X B - l ) . T h e c o m p u t e r p r o g r a m w a s r u n u s i n g m e a s u r e d d a t a t o e s t i m a t e m o d e l p a r a m e t e r s ( D , K b , X m , V d , f , P , 1 7 : ) . T h e s i m u l a t e d a c e t a t e 2 r e s p o n s e c u r v e i s p r e s e n t e d i n F i g u r e I X B - l . R e s u l t s s h o w t h a t t h e m o d e l d e s c r i b e s t h e U A S B r e s p o n s e s d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e v e r y w e l l . U n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s , b y - p a s s fl o w w a s 8 % o f t o t a l fl o w . D e a d v o l u m e w a s 6 % o f t o t a l r e a c t o r v o l u m e . C S T R a n d d i s p e r s i o n P F R o c c u p i e d 9 2 % a n d 2 % o f r e a c t o r t o t a l v o l u m e , r e s p e c t i v e l y . D i f f u s i o n c o e f fi c i e n t o f a c e t a t e w i t h i n g r a n u l e s w a s 3 3 % o f t h a t i n w a t e r ( D w m , = 1 3 . 3 x 1 0 ' l 0 m 2 / s , D [ B e n n e t t a n d M y e r s , 1 9 8 2 ] ) . D i s p e r s i o n f a c t o r L _ : w a s 0 . 0 0 5 m i n ' 1 w h i c h w a s fi v e t i m e s h i g h e r t h a n t h a t e s t i m a t e d d u r i n g t h e h y d r a u l i c m o d e l i n g ( 0 . 0 0 1 m i n " ; L i C L i m p u l s e ) . A l i s t o f p a r a m e t e r s e s t i m a t e d f r o m t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t s a r e s h o w n i n T a b l e I X B - 3 . E f f e c t s o f h y d r a u l i c a n d d i f f u s i o n - m a s s t r a n s f e r i n U A S B r e a c t o r m o d e l i n g w e r e e x a m i n e d . A c o m p a r i s o n w a s m a d e a m o n g r e a c t i o n m o d e l s i n v o l v i n g h y d r a u l i c s o r d i f f u s i o n s - m a s s t r a n s f e r , i n c l u d i n g o n e C S T R w i t h r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l , t w o C S T R i n s e r i e s w i t h r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l , h y d r a u l i c m o d e l ( u s i n g M o d e l 2 ) w i t h r e a c t i o n ( n o d i f f u s i o n ) , a n d t h e h y d r a u l i c — r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l . T h e c o m p u t e r p r o g r a m w a s m o d i fi e d f o r e a c h o f a b o v e m o d e l s . T h e s e m o d e l s w e r e r u n w i t h t h e e x p e r i m e n t d a t a t o o b t a i n a b e s t fi t . R e s u l t s w e r e t h e n p l o t t e d w i t h t h e m e a s u r e d d a t a a s s h o w n i n F i g u r e I X B - 3 a n d 4 . C S T R d i l u t i o n o u t c u r v e ( n o r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n ) a n d a s i m p l e h y d r a u l i c m a m w l U p o o a e e e p d d s a y e r A S a r l l B r e 5 ( e fi d d u t u b r i e s i m c c o a n o g s l m e c o a d t s s o M o e s t t r o s d a l y 5 . ) ( F i e l t t g N o i g s u V e ) c e h 2 a h t / e f t i S r w m o b X r e e r y r a e d a - B e s 4 t s s e o e g l d r a r n . o u ) f i c o s d m l B e o p d t r 7 C i . r a h e S t s e b e 8 a h 5 T y t L e I n o t g R d t n h r e l V e a d y S n o u . o b w i / l r T s h h e e r e n L b a c e t a v d w n y ( d h t h e o d d e m C d i r r a e a e a S f u c s T s f u l p t i o c n i v u R s r i — s e e r o n r e d e e . ; a b a a a i c l T o t c c f t h a c m o e o i a c r o s u i n s n h n t o r — y d c d e e t s s i o r a d r f n a f i f c u f f e u e e l o s i t c s n i r r t c n a r h p o r - t e U e t e r A o c o s c m a i e a S d B t n e t e i i n l v o i t n n e e b e d d t h e 2 3 8 r e s p o n s e s . H y d r a u l i c s h a d a m o r e p r o n o u n c e d e f f e c t ( F i g u r e I X B - 3 ) . B - 3 . M o d e l p r e d i c t i o n d u r i n g a c e t a t e s t e p i n c r e a s e s T o v e r i f y t h e h y d r a u l i c — r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l d e v e l o p e d , d a t a f r o m a t w o — s t e p a c e t a t e i n c r e a s e a p p l i e d t o t h e b e n c h U A S B r e a c t o r w a s u s e d . U s i n g t h e p a r a m e t e r s e s t i m a t e d f r o m t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t , m o d e l p r e d i c t i o n s w e r e m a d e a n d c o m p a r e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . A c e t a t e s t e p O L R i n c r e a s e s w e r e p e r f o r m e d b y i n c r e a s i n g t h e a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n f r o m 2 5 m M t o 1 2 5 m M f o r t h e f i r s t s t e p , a n d f r o m 1 2 5 m M t o 2 2 5 m M f o r t h e s e c o n d s t e p . O t h e r c o m p o n e n t s o f t h e s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d w a s n o t c h a n g e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t . T h e i n l e t fl o w r a t e w a s h e l d c o n s t a n t . T h e b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r w a s o p e r a t e d a t c o n d i t i o n s s i m i l a r t o t h a t u s e d d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e , a s s h o w n i n T a b l e I X B - l . A c e t a t e c o n c e n t r a t i o n a s w e l l a s g a s p r o d u c t i o n r a t e w e r e m o n i t o r e d d u r i n g t h e e n t i r e t i m e c o u r s e o f t h e e x p e r i m e n t . B a c k g r o u n d a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n w a s b e l o w t h e d e t e c t i o n l i m i t . T h e s e c o n d s t e p i n c r e a s e w a s i n i t i a t e d 1 0 5 m i n u t e s a f t e r t h e s t a r t o f t h e f i r s t s t e p . T h e e x p e r i m e n t w a s c o n c l u d e d a f t e r 4 h o u r s . A 1 0 0 m M i n c r e a s e i n i n l e t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d i d n o t p r o d u c e a s a t e o f fl v n t u e f b i c h o fl s g e e r o o w l a i u m t f e n r h t o m e o i v e c t e d f e a s e fi n a t l d e r w t c e r s q a r t e a i s n t F s s a l p t i 9 e t u p ( e s p o n s e c o t g e r n u p o c r e s e o e a 1 a 0 % e I % e c d o f n n s o i n n e . f X B t A t - 1 7 e r 2 . h o t f o t t a t s e fl t e . h e e f a ) 7 d l u l i U L r o e a A G / t e n n y a d o a S t c t a c c fl i i n n B l p u r o r s a d t e r t e t r r h o e i n o v a a g e a d w o t s a e e c d e t c t c u . l u t h o T m t c r i e h e o o n n o t r n a t s o . e l e c e e n t y t r c s e e t n r h a o e T h w e i e h n o s l s r e a a i a t g c p i d s d i s o n t n y l s c t p e o a r e p t n . . e t e , d e a r s a u i s w T e s a p s a e h o s e t d n d h o o o r p w v P i b e F i o w s n a 1 t l n m e c h c u R M i v n e a . r a c s c c d h F d e T h u r r t m e o e e o i u s p a g r u i d h s d w u t e i e r n e r e o i C p d e r g , n g e n l I t r y S 1 T 0 o - e s t c s X h e b p e a a r B R % 2 . e h d h m w o i i a o f n e e T t t g l k o c c n o t s l r h e d p d 1 b i t a s n 2 y l . u - g e g T h s L i / n d p a s s 2 3 9 v o l u m e , h i g h e r t h a n d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e ( 2 % o f t o t a l v o l u m e ) . H y d r a u l i c D p a r a m e t e r s — L - : — a n d — E w e r e o b s e r v e d t o b e 0 . 0 0 3 5 m i n ’ 1 a n d 0 . 0 1 2 5 m i n ' l ( T a b l e D ( B - 3 ) . T w o d a y s p r i o r t o t h e e x p e r i m e n t , t h e U A S B r e a c t o r h a d a d i s t u r b a n c e b e c a u s e t h e g a s c o l l e c t o r b e c a m e c l o g g e d b y g r a n u l e c l u s t e r s w h i c h f o r m e d w i t h i n t h e b e d . T h e g r a n u l e c l u s t e r s w e r e r e m o v e d . S o m e g r a n u l e s w e r e l o s t a s a c o n s e q u e n c e o f t h e c l e a n i n g p r o c e d u r e . T h i s i n c i d e n t c o u l d a f f e c t t h e u n i f o r m i t y o f t h e s l u d g e b e d a n d t h e b e d v o l u m e , a s o b s e r v e d i n t h e r e d u c t i o n i n d e a d v o l u m e a n d i n c r e a s e i n d i s p e r s i o n P F R v o l u m e . 2 4 0 C . S e n s i t i v i t y a n a l y s i s A s e n s i t i v i t y a n a l y s e s w a s p e r f o r m e d o n t h e m o d e l p a r a m e t e r s u s i n g a c e t a t e i m p u l s e d a t a , t o e x a m i n e t h e e x t e n t o f e f f e c t s o f h y d r a u l i c , b i o l o g i c a l a n d m a s s t r a n s f e r o n o v e r a l l d e g r a d a t i o n w i t h i n U A S B r e a c t o r s . P a r a m e t e r s a n a l y z e d w e r e : s p e c i f i c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e k m , h a l f - v e l o c i t y c o n s t a n t K s , a c e t a t e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t w i t h i n g r a n u l e s D , g r a n u l e d i a m e t e r R , m a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n t K L , C S T R d e a d v o l u m e V d , b y - p a s s fl o w ( l - f ) Q , a n d d i s p e r s i o n f a c t o r L — f . R e s u l t s f r o m p a r a m e t e r s e n s i t i v i t y a n a l y s e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s I X C - l t o 9 . T h e U A S B r e a c t o r r e s p o n s e s a p p e a r t o b e v e r y s e n s i t i v e t o t h e s p e c i f i c s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e , k m ( F i g u r e I X C - l ) . L a r g e k m t e n d s t o l o w e r t h e r e s p o n s e c u r v e d u e t o a n i n c r e a s e d r e a c t i o n r a t e . T h e c h a n g e i n t h e c u r v e s w i t h r e s p e c t t o c h a n g e s i n k m b e c o m e s m o r e p r o n o u n c e d w h e n k m i s s m a l l . A d e c r e a s e i n k m o f 2 5 % h a s m o r e e f f e c t t h a n a n i n c r e a s e i n t h e s a m e a m o u n t . T h e a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n c u r v e d e c r e a s e s w i t h a d e c r e a s e i n t h e h a l f - v e l o c i t y c o n s t a n t , K s ( F i g u r e I X C - 2 ) . T h i s i s c a u s e d b y a n i n c r e a s e d s u b s t r a t e a f f i n i t y o r g r e a t e r s l o p e i n t h e M o n o d c u r v e a n d s u b s e q u e n t i n c r e a s e d r e a c t i o n r a t e . T h e m a g n i t u d e o f c h a n g e i n a c e t a t e r e s p o n s e f o r a 2 5 % v a r i a t i o n s i n K s i s n o t s i g n i fi c a n t . B o t h k m a n d K s p r i m a r i l y a f f e c t t h e s e c o n d h a l f o f t h e r e s p o n s e c u r v e , t h a t i s t h e p o r t i o n w h e n c o n c e n t r a t i o n b e g i n s t o d e c r e a s e o r a f t e r 2 0 m i n u t e s t i m e c o u r s e . V a r i a t i o n o f g r a n u l e r a d i u s R h a s t h e g r e a t e s t e f f e c t o n t h e c o n c e n t r a t i o n c u r v e a m o n g a l l p a r a m e t e r s e x a m i n e d ( F i g u r e I X C - 3 ) . W h e n t h e g r a n u l e r a d i u s i s r e d u c e d b y 1 / 3 ( R = 0 . 5 m m f r o m 1 . 5 m m ) , t o t a l s u r f a c e a r e a i n c r e a s e s 2 . 6 t i m e s i f g r a n u l e b e d v o l u m e a n d t h e a c t i v e b i o m a s s l a y e r 5 r e m a i n u n c h a n g e d . M o r e m a s s fl u x c a n d i f f u s e i n t o e a c h g r a n u l e . A s a r e s u l t , o v e r a l l s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e i n c r e a s e s a n d t h e c o n c e n t r a t i o n c u r v e T s s o T s ( r T f m u w A c i i t i r a s t i h e i u h 3 s l v e h r e n r n a n t i r 4 e 0 v e n i t p a h s v . n e l g r s u n e e o t e s i h a i m h t s 0 . ( a z a c 8 0 - e 4 a 2 f t l T t m a e l t , f l a i e c z i a h t s o e o e r 1 o m d e h s t S d v e e f r r d o s n c l o ) S m n a 0 u a e i e a g n b t ’ p s c n s h h a b g r u = a e a o t c i r o d r n r i t s i d e e g t o i i l F s a e t ) t t r n g o o u s r e r s n t s 5 m a i i e i 0 h c t a r x i e r t h e i e a i u i b s m h z p t fi s . d a g h e n m c n l r n f e e e l o g g i s e e c p e t n 3 d n r M a a o r g , u o e 3 , o n s e c r m I n n e r . i m t e e t w X i t t s a a e t c r t V h e s i m h c h h i t o T p e n s h C t ( h l r h e c n u i a a t d s t n - f z e i i e e t u e s V s n c o l l e - 4 u a fi u fl l r r t t c l e r e s v c u n e n = r e f a e t c e u r e t s i e b v f l o d e v h t i e a u r i i s s i w a a e e F r t d e e n ( c n c f t r t k d a i h e i o a s u l i n n n e i t a s c e l s b n t o a h r r n w o o w i f c e o a s a i a f o t n h u o b t n a g n t t r s e t c n c i e S s e o o c i u r t h u y o r h o t c t n a m h e o h o o e c t s t n e a e h a s o c t 3 i h u i f e l n I s n n c h l o g y r e fi i e o 7 n h 3 - o X a n e t d s k d f t d v r n t c % C e . r i m h i f a l - w a d o m g a o e F i e f M o i l f d T s i e l w n t i 6 u h l h g i n i h ) l q l u d g f f . g i u e o i t c c u . i e m u i u n n v n c i i i r f s r T t b e s i d o h . h n c e i o X C e e n h f i s a fi ; w V r a e p l t d n t c u o b d i I s n c e i g h a o e r a a u F l e u c e t a a a i c r p e f u n a i m l s T u h b e n s t m o s e o - e e t u i e d n v s r w o u u i f d r e n e o u e 4 i n c f f i a o o fi r n c m t o c d e l c e t e i a r o u f c q f r f t g e n d i s e f a f f n i c h s a n y I l t e e r a l e e i t e r s t s X s u n e c t i d n e e d n e a m C e c s i b l t c g i e - . c t n d t o o o a . l o t c f e s e t s K f o n e c f h i a x t i 5 e . n A e y f t e h K n r r f 7 i i fi r c e e t f L i ) e W s a a u h r s n . i d f e A y f i b n y a t c - d r o i p e d D e e i r T e u L c c h h r p g n i e n t e r a s o e h e t a a v d h t f r m o e i a n t e a n i t a c f i o t p r g h s s n r e e r u s s d i i n f s e e . a m a a a e ( f o u r i p 1 l l t s fl c 6 o o n a r t o s . t fi r o 7 e u t n i u a g o u e c a f a i 6 r i o H e s o n i 3 s i 2 t n x o l w e m f f c b e a c e t n c s e x n f i n a ; f c e f 0 i n c c d o o ' e e t h a i r n 1 0 . r t t e s t o l F e n t c i ( n t A b h e i n 3 t i f d n e o 4 e c s a c r e o e t U C a o i i m e i i r n i y e t g u l 7 t a n m g c fi b n d t e i t a d h i ° u o c l c t t e a t o i A c i i X t t a e a a n e o t c e . s t n e h n a e n e h t e o . n c d ) f o k n 0 a a t I r n s t s r m e r r 0 e I s 5 v e o C a o fl o t u l t i l i S B z r n c r o c t n - a e n n c s e a a s e a m m i l t s u s a s a e s e s n e a e o t a . . b e s t e i y t a / . m e ) n n d , o n . d s t t l u r 4 o e x i c t o r 2 4 1 d e c r e a s e s . T h i s i n fl u e n c e b e c o m e s s t r o n g e r w h e n t h e m a g n i t u d e o f t h e i m p u l s e a c e t a t e r e s p o n s e s i s s h o w n i n F i g u r e I X C - 8 . I n c r e a s i n g t h e b y - p a s s fl o w i n c r e a s e s t h e a m o u n t o f " 1 4 " ) m a s s l o s t t h r o u g h b y - p a s s s t r e a m , w h i c h a p p e a r s i n t h e e f fl u e n t f o r a s h o r t t i m e p e r i o d a t t h e b e g i n n i n g o f t h e e x p e r i m e n t . T h e r e f o r e , t h e m a i n c o n c e n t r a t i o n c u r v e i s r e d u c e d . W h e n t h e r e i s n o b y - p a s s fl o w , a l l t h e m a s s o f a c e t a t e i n t h e i m p u l s e g o e s t h r o u g h t h e r e a c t o r w o r k i n g v o l u m e , a n d t h e c o n c e n t r a t i o n c u r v e i n c r e a s e s . R e a c t o r d i s p e r s i o n w a s [ I . . . , . W h e n d i s p e r s m n i n c r e a s e d , t h e r e a c t o r a n a l y z e d u s i n g a d i s p e r s i o n f a c t o r c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d ( F i g u r e I X C - 9 ) . A s e x p e c t e d , t h e c u r v e b e c o m e s w i d e a n d s m o o t h , a p p r o a c h i n g t h e r e s p o n s e o f a c o m p l e t e l y m i x e d fl o w r e a c t o r . A d e c r e a s e i n t h e d i s p e r s i o n f a c t o r t e n d s t o i n c r e a s e t h e p e a k a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n c u r v e w i t h c o n c u r r e n t n a r r o w i n g o f t h e c u r v e . I n a n e x t r e m e c a s e , d i s p e r s i o n e q u a l t o z e r o . A z e r o d i s p e r s i o n f a c t o r m e a n s n o d i s p e r s i o n o r t h e r e a c t o r i s p l u g fl o w ( P F R ) . R e s u l t s o f t h e h y d r a u l i c - . . . . D r e a c t i o n - d 1 f f u s r o n m o d e l ( C S T R + d i s p e r S i o n P F R ) a n d a C S T R + P F R m o d e l ( w h e n i = 0 ) a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e I X C - 1 0 . T h e C S T R + P F R m o d e l d i d n o t d e s c r i b e t h e U A S B r e a c t o r . A l l t h r e e h y d r a u l i c p a r a m e t e r s ( d e a d v o l u m e , b y - p a s s fl o w a n d d i s p e r s i o n f a c t o r ) a f f e c t t h e w h o l e r a n g e o f t h e c o n c e n t r a t i o n c u r v e . 2 4 3 D . D i s c u s s i o n D a t a f r o m a n a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t w e r e s i m u l a t e d u s i n g t h e h y d r a u l i c - r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l w i t h a g o o d f i t . T h e a c e t a t e s t e p i n c r e a s e e x p e r i m e n t s w e r e a l s o p r e d i c t e d b y t h e m o d e l u s i n g s a m e s e t o f p a r a m e t e r s ( r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n ) , w i t h a s l i g h t v a r i a t i o n i n t h e h y d r a u l i c p a r a m e t e r s . I n g e n e r a l , t h e h y d r a u l i c - r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l w a s a d e q u a t e t o d e s c r i b e p e r f o r m a n c e o f t h e l a b o r a t o r y - b e n c h s c a l e U A S B r e a c t o r s . O n e C S T R h a s o f t e n b e e n a s s u m e d s u f fi c i e n t t o d e s c r i b e U A S B r e a c t o r s . R e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e I X B - 4 d e m o n s t r a t e t h a t n e i t h e r o n e i d e a l C S T R w i t h o r w i t h o u t d i f f u s i o n , n o r t w o C S T R s i n s e r i e s w i t h d i f f u s i o n , c o u l d p r o v i d e a d e q u a t e d e s c r i p t i o n o f t h e U A S B r e a c t o r . R e s u l t s i n d i c a t e d a l l t h r e e t e r m s i n t h e m o d e l : r e a c t i o n k i n e t i c s , d i f f u s i o n a n d h y d r a u l i c s a r e i m p o r t a n t t o p r o p e r l y c h a r a c t e r i z e t h e p e r f o r m a n c e o f U A S B r e a c t o r s ( F i g u r e I X B - 3 ) . E a c h t e r m c o n t r i b u t e s s i g n i fi c a n t l y t o t h e m o d e l . R e a c t i o n k i n e t i c s i s t h e p a r t o f m a j o r i m p o r t a n c e a n d i s o f t e n t h e o n l y t e r m e m p h a s i z e d . T h e r e a r e a g r e a t d i f f e r e n c e s b e t w e e n d i s p e r s e d c e l l s y s t e m s ( h y d r a u l i c s — r e a c t i o n m o d e l ) a n d b i o fi l m s y s t e m s ( h y d r a u l i c — r e a c t i o n — d i f f u s i o n m o d e l ) w h e n t h e y w e r e a p p l i e d t o d e s c r i b e U A S B r e a c t o r s ( F i g u r e I X B - 3 ) . H y d r a u l i c s a n d m a s s t r a n s f e r h a v e d i f f e r e n t i m p a c t s o n U A S B r e s p o n s e c u r v e s . R e a c t o r h y d r a u l i c s p r o d u c e d a d e l a y i n t h e p e a k a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d u e t o n o n - i d e a l fl o w . T h e r e s p o n s e o f i d e a l C S T R s t o a n i m p u l s e i s a p e a k c o n c e n t r a t i o n p o i n t a t t h e b e g i n n i n g o f t h e t i m e c o u r s e . E x i s t e n c e o f a d i s p e r s i o n P F R r e d u c e d t h e v o l u m e o f C S T R . T h e d e l a y t i m e o b s e r v e d i s t h e H R T i n t h e d i s p e r s i o n P F R . M a s s t r a n s f e r w i t h i n t h e g r a n u l e s a f f e c t s t h e p e a k h e i g h t o f a c e t a t e r e s p o n s e c u r v e s . I n a d c M s t t c u g m i l n d i e r a 3 i o i h n r o o X V e n o n e x a 3 n n B S a fl s e u m s a t n d p s n p e l u o - / s g d s d s i i n u e e c g % d l e r d 3 r e L u f e r d r r e i . s - o ) a t a e b r s e b n s . i o d K a s t e n S e d n e T e t i e r c c E n r t m f r y a n l d o d l h i u T a e T r a f e s t i U h f h n n t h l s c p e l e T . i m w y n ; e e d d e b i r d t e e s a s l A b w a e o e a c t o l a m e S v t n m t a l t a a U k h a s c h i S i a a i e s o s b . s t . a A j u l B c t v n l y b i o o e i n p n , l e c r T o r n T b s t 9 u h s r u e 8 t e t i c s u X n i m s a c c e n A a b e . c . n t t B r e t i j r t i o f f w u S c i r r e o v e f ; s - o s e o d e s e a e o a m s p T t t 2 d f a r n m c l i r t p e w ) c r e h h e a c t l o s o e e . a t e r a x t o p m h c t p o r o e n o d i d n r . e c p n v b E e m i e o r t e s r e c e o e a o 5 u v n c b r o s t l n , a g R t f o l s n g e t e s r n o o e e c t p w 1 s a e c f p k e r e 9 e f a a c V e n c u f d a i s u S t t s u l f r a t c a r 8 r w o e i / b i n u o t e a v v i l p b L e w f c n d i d m e i e t ] u s e e t i r n e o e c . t e t t h e n t d b c i z c e n a s m d e q s o fi l m 8 b e e d a t l p r d e h . t e t n o c t o , s h c n T o s o n i r r o d u h i e e t i d t u a s e i l d e r e t e m h i e u g f s f t 4 o e r d d g h n d I . i i B i a t t f e r o s 9 a a e w a s n o l e t a r c s h t o a e u t r a 0 s y t s f t w m e h v s h a l a y a t - 8 a s c a o s u d c s n e s T i t e r c e g e r e n o n , e a c n c o e e e v v d e m g e e t f c e % b r h c s t f n s t e . a i a [ w e i f h t o s r i t e c i l A e e r n r e e a 6 t T a n i t d t i o r % t e b s l o c t a , o l t t c a s i 4 h h c i e s t t u l h e i s p h b l n t i c a y e u a e w e a u s s n i o t o i a t w n n a s v i e t r o c o m l w i v n c e o c a t o f l b h m n d g y a f s i m r r a , f i o e m f e a a o r d a t e u l w i h f k r t f e n d u n i r u e t n s s t e e f r s v g t , b l e a t i v b d e e h e i a t d p t e , e t m h e d n e w e s n e l r r r i s e y m , b a e l e n i a e d t d r d i f a . a c l d z i s l d n r d y e , o s e t D s u n v l d o i e a r o n e d g r c s s a ( i e u i 1 h l , w X r t r e f e c p l n u o o c w e 9 r e i e ) o e r a i a l t u p g i w e 9 m n d w m o ] n e r o s e l i i t a f 3 m e d e a n o e u l a s u n e c o d d h s e i s n s s i 2 a r . v r l r a . n j s e e a d m d w n o 2 A r i c a a e d l t i t T a a o i b e u s h s t d t r f a - s D a h n f 3 e . h c o r n i u h f n t w t e a r 0 t p e i l e i a u l n r n w e d b t d f e r e e r 4 ( f h i i e a b a r o a v % s 8 e y n y y l l . o c h n e f i e l e t n e s t o f h c e d s l a 7 a m f e l s u g o t o [ l d 3 p d s r n n N ( e o a t i i s f o t 5 w t 4 o l l o w i n g f i a m o F e o o r l % b r e n t h u e l n d i m t n e t n a l g d h c h d s a t h a e u . s i l o t b l s e e s o n o f i p h c a c o k e t a l o a s r p t t u 2 4 4 t h a t i n p u r e w a t e r h a s b e e n u s e d i n a p H p r o fi l e m o d e l a n d a p p e a r e d a d e q u a t e [ D e b e e r e t s c t h a r o t p c b m t s s g c s p a s U 0 c l . e h t v h o u o a o r u e a o a p , p 1 o r 9 2 e ] d 9 m l i v O s t e q t e e l t l c e t r u a t i a t B m m a u r r t e e e t i t t v e L x n a i r m s r s e e n e e n b r t a r r n p A . l s o a i a h a n f e S p s s s 5 n c e n t r m d 0 x t o ( a n e t s t a b z e e d t e a e e y i s n e r f d s a o a t T a b s ) s t s . r s a i R a e n I r s e e e ( , d r v b s u d n l , r t n t a r 8 e e a l . , u a t t o u c i l h t o e a e u r u r c k i n t i i s h u l s i D a t o d l b o n n o o n t e d o . p t a a i k v t o R r e a ( n s o t f s r t y s 0 u r e e d c e e i ) i t a e n i F , n r m r o c e i n 3 t l i m , k i r i r i u l d r o f o m z r a e l a i f c n e M a a y r f n c y n m n i m o s t s n t e h e i . z e h u c e c ( t a c s / i r t e b t n a a m s o o I e f t o s a i e s n b i a s e c t i n t f X t t T i e m h h o t s h r e . n s i C o r r n t e o h i t i [ d g . c n n h - r o h e P n a I i r c e d b 3 c s T s v e a s e e r f m p c f n c r a u t u s t t f s k e i u ( o n a a n u o e r d a t r d e x r i i s e a e d e c e e a l w f n n d i fi , h d e ( e r d a m e f u fl d i a e n o e r n c h C K i m i s 4 e t a e e h s g s t e t y m n i ) i s r e r K r a e u u c K n s s n , u h d n r A i n n t d ) t d a e l i n e s , u p , r K o t g e o n . t o e u a i n e v v t p K 0 g 9 L l a i d u t s l e a t i o a 0 m o i c t b . ( a t ) c a w K o t e t c L y r i i r D n a . o r n l i a w s c l t d c I a m e e h fi c e e e n x m n V . b f a d a n e o o e a f ) u f e t W o h f , l t k T e c s a a l , u s t s a h e i o ) d c s t f . r s i e e n t p i t n t r r o p s e 1 e f p e e g s o a t d o t C k p n e i n o e i s e o u c h a e p 8 t m 0 9 h e a o c . t t n t t s i h h t n a t n a x k i r e s f o a r s m o i a i i a t y l o b r t e t u f t m a f d d t l t e e h d 0 9 h l i p a 1 ] e i s a m i o n r c e a o u m d ; f a s b k e n f e a t c . 3 q a s n h o d c t m m / i a i n s e r g i m e o i c L y d n a s e r r n a i t e g b s f f r k r c t a n i g a e a l t y r a s o n e o n l u n 4 s p p a u , o e f l s u u l c a n m C i e i e a s s b u ( t m X s r d s u 0 w p l e o w e o h l c s e o g u s r n % h a n y d u , t h n e o e b r t a c i r c e h d o t p r a p p v n d i t a r d a f s i r d l y n f a s e s t r e t a t t a u h e l a d a i e w r h m u e e a r l r l u c o t e e v e - h g e K i t r t d i r t t e s a n b t s e a f f e c n u r i r H s y a t f a o y V e t r i t d g o s t h t f l e r h s u r t . t l o r t a s c i i i ) o e m i v , l z o G s i r l e c i e a n o t 1 o . t z i n a o s n u m r m t l l a i t a r . s R t e p a l o a r m d n a t n o i d d n o n f n a d e u n y i u a 5 a l s s n i g n e s l e l o m e d r i f s n r n k i u i s r i e w e l n t e l p c a i e m n i m e e u r r e i a o n o h n e f i i r r r l n o w n m v i e t t c s r a e d l a t w r e u u a e t t o i h p u u t a t s p t o i d t a c o a r e e e l e n s e z e h c i l n f s e t h e e i n o n d i s s e s e 2 4 U r c o n c e n t r a t i o n w a s 1 7 m M ( F i g u r e I X C - 3 ) . T h e s e r e s u l t s o f g r a n u l e s i z e e f f e c t s c o n fi r m e d 2 4 6 e x p e r i m e n t a l d a t a o b t a i n e d f r o m m a s s t r a n s f e r s t u d y o n a n a e r o b i c g r a n u l e s ( C h a p t e r V I ) . B a i l e y & O l l i s [ C h a p t e r 4 , 1 9 8 6 ] d i s c u s s e d t h e r e a c t i o n - d i f f u s i o n p r o b l e m w i t h i n i m m o b i l i z e d e n z y m e c a t a l y t i c s y s t e m s u s i n g a d i m e n s i o n l e s s a p p r o a c h . F r o m t h e a n a l y s e s , e f f e c t i v e n e s s f a c t o r ( r a t i o o f o b s e r v e d r e a c t i o n r a t e t o i n t r i n s i c r e a c t i o n r a t e ) w a s a f u n c t i o n o f p a r t i c l e s i z e , d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t , p a r t i c l e g e o m e t r y , r e a c t i o n o r d e r s , b u l k l i q u i d c o n c e n t r a t i o n a n d r e a c t i o n k i n e t i c p a r a m e t e r s . P a r t i c l e s i z e s p l a y a s i g n i fi c a n t r o l e i n d e t e r m i n i n g e f f e c t i v e n e s s f a c t o r s . A t s m a l l i n i t i a l i m p u l s e c o n c e n t r a t i o n s , t h e d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t D t e n d s t o h a v e m o r e i n fl u e n c e o n o b s e r v e d r e s p o n s e s ( F i g u r e I X C - 5 ) t h a n w h e n i n i t i a l a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n i s h i g h , s u g g e s t i n g t h a t m a s s t r a n s f e r b e c o m e s l e s s l i m i t i n g w h e n t h e s u b s t r a t e fl u x i n c r e a s e d g r e a t l y . V a r i a t i o n o f h y d r a u l i c p a r a m e t e r s c h a n g e t h e w h o l e r e s p o n s e c u r v e , w h i l e k i n e t i c p a r a m e t e r s p r i m a r i l y i n fl u e n c e d t h e s e c o n d p o r t i o n o f t h e r e s p o n s e c u r v e . K i n e t i c p a r a m e t e r s h a d l i t t l e i m p a c t o n f i r s t p o r t i o n o f t h e r e s p o n s e c u r v e . T h e d i s t r i b u t i o n o f a c e t a t e w i t h i n t h e r e a c t o r d e p e n d e d l a r g e l y o n r e a c t o r h y d r a u l i c s ( b y - p a s s , C S T R , P F R , e t c . ) . S u b s t r a t e m u s t g o t h r o u g h m a s s t r a n s f e r a n d d i f f u s i o n p r o c e s s b e f o r e r e a c t i o n c a n o c c u r . I m m e d i a t e l y a f t e r i n t r o d u c t i o n o f a n i m p u l s e , m a s s t r a n s f e r a n d d i f f u s i o n p r o c e s s e s w e r e t h e p r e d o m i n a n t m e c h a n i s m s . C o m p a r i n g t h e r e s u l t s o f t h e t h r e e e x p e r i m e n t a l r u n s ( T a b l e I X B - 3 ) , o n e c a n o b s e r v e t h a t h y d r a u l i c p a r a m e t e r s d i d n o t v a r y s i g n i f i c a n t l y . R e a c t o r w o r k i n g v o l u m e p r e d i c t e d b y t h e m o d e l , f r o m L i C l i m p u l s e a n d a c e t a t e e x p e r i m e n t s , w e r e i n a c l o s e a g r e e m e n t , 9 0 t o 9 2 % o f r e a c t o r t o t a l v o l u m e ( T a b l e I X B - 3 ) . D e a d v o l u m e a n d d i s p e r s i o n P F R v o l u m e w e r e a l s o w i t h i n s e v e r a l p e r c e n t . 2 4 7 D u r i n g t h e a c e t a t e s t e p O L R i n c r e a s e s , a n i n c i d e n t o c c u r r e d p r i o r t o t h e e x p e r i m e n t . C o m p a c t c l u s t e r s o f g r a n u l e s c l o g g e d t h e r e a c t o r . T h e s e g r a n u l e s w e r e l i k e l y a p o r t i o n o f t h e d e a d v o l u m e w i t h i n t h e b e d . D u r i n g a c l e a n i n g p r o c e d u r e t o r e d u c i n g c l o g g i n g , s o m e g r a n u l e s w e r e l o s t f r o m t h e r e a c t o r . T h i s r e d u c e d b o t h t h e d e a d v o l u m e a n d t o t a l s l u d g e b e d v o l u m e . A s a r e s u l t , t h e r e a c t o r d e a d v o l u m e d e c r e a s e d f r o m c a . 6 - 7 % t o z e r o . C o n c u r r e n t w i t h t h i s , t h e d i s p e r s i o n P F R v o l u m e i n c r e a s e d f r o m 2 % t o 1 0 % , t h e m a j o r i t y o f w h i c h w a s d u e t o t h e d e c r e a s e i n b e d v o l u m e . T h e i n c r e a s e i n t h e d i s p e r s i o n P F R a l s o r e s u l t e d i n a g r e a t e r d e l a y i n s y s t e m r e s p o n s e ( F i g u r e I X B - 2 ) . G r a n u l e fl o c s w e r e o f t e n o b s e r v e d i n t h e U A S B r e a c t o r . T h e s e fl o c s t e n d t o f o r m a l o o s e l a y e r a b o v e t h e b e d . T h i s l a y e r o f fl o c s o c c u p i e s a c e r t a i n v o l u m e i n t h e c l a r i fi c a t i o n z o n e . F l o c s a r e s m a l l p a r t i c l e s t h a t a r e f o r m e d f r o m t h e b r e a k - d o w n o f l a r g e r g r a n u l e s a n d t h u s h a v e s o m e m i c r o b i a l a c t i v i t y . T h e s e fl o c s p r o d u c e b i o g a s a n d , i n c r e a s e t h e m i x i n g v o l u m e i n t h e r e a c t o r . T h i s m a y c o n t r i b u t e t o t h e s m a l l d i s p e r s i o n P F R v o l u m e ( L i C l a n d a c e t a t e i m p u l s e ) . D i s p e r s i o n i n t h e U A S B v a r i e d w i t h o p e r a t i o n a l o r e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s . T h e . . D P . . . d i s p e r s m n f a c t o r 1 — 2 - w a s o b s e r v e d t o i n c r e a s e w r t h a p p l i e d O L R a n d t h e r e f o r e , r e a c t o r g a s p r o d u c t i o n r a t e ( T a b l e I X B - 4 ) . F o r t h e L i C l i m p u l s e e x p e r i m e n t t h e O L R ( 9 k g C O D / m 3 b e d - d ) a n d g a s p r o d u c t i o n ( 5 . 3 L / d ) w e r e l o w e r t h a n f o r t h e o t h e r e x p e r i m e n t a l r u n s . D u r i n g t h e a c e t a t e O L R s t e p i n c r e a s e s , a n i n c r e a s e i n t h e a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n b y 1 0 0 m M i n t h e f e e d f o r e a c h s t e p r e s u l t e d i n a g a s p r o d u c t i o n m o r e t h a n d o u b l e f o r t h e f i r s t s t e p i n c r e a s e ( 1 2 L / d ) , a n d m o r e t h a n t r i p l e f o r t h e s e c o n d O L R s t e p i n c r e a s e ( 1 7 . 7 L / d ) . A n i m p u l s e o f a c e t a t e r e s u l t e d i n 1 7 m M a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e r e a c t o r , 2 4 8 p r o d u c e d m u c h h i g h e r g a s p r o d u c t i o n . A p e a k v a l u e o f 3 3 . 6 L / d w a s o b s e r v e d . T h e d i s p e r s i o n f a c t o r d u r i n g t h e s e e x p e r i m e n t s i n c r e a s e d f r o m 0 . 0 0 1 t o 0 . 0 0 5 f o r t h e L i C l i m p u l s e a n d a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t s , r e s p e c t i v e l y . I n t h i s m o d e l , d i s p e r s i o n i s a m e a s u r e o f m a s s t r a n s p o r t i n t h e c l a r i f i c a t i o n z o n e i n a d d i t i o n t o a d v e c t i o n . G a s b u b b l e s r a i s e f r o m t h e b e d t h r o u g h c l a r i fi c a t i o n z o n e r e s u l t e d i n i n c r e a s e d d i s p e r s i o n i n t h i s l a y e r . I t i s r e a s o n a b l e t h a t w i t h a h i g h O L R , t h e l a r g e a m o u n t o f g a s b u b b l e s p r o d u c e d f r o m r e a c t i o n b e d w o u l d r e s u l t i n i n c r e a s e d d i s p e r s i o n i n t h e c l a r i f i c a t i o n z o n e . ) M m ( e O t a t e c a s d t a e t p a i f c n r r o e m a s t e h e i n b a c e n e c t h a t U e A e t i n S l B c r e o a n c c t e o n r t . r a t i o n c o m p a r e d t o m e a s u r e d 2 4 9 1 0 J - / o m e a s u r e d — p r e d i c t e d 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m l n ) F i g u r e I X B - 1 . M o d e l s i m u l a t i o n o f a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g a n a c e t a t e i m p u l s e a n d m e a s u r e d d a t a f r o m a b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r . a m e a u r e d 4 . 0 0 . . f e e d ( m M / 1 0 0 ) - - p r e d i c t e d 3 . 0 0 ~ - i 8 2 . 0 0 ~ ~ 1 . 0 0 4 A A . . A . - - - - - - . . . . . ‘ A . A A — _ A A - ‘ ' 6 A 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 t i m e ( m i n ) F i g u r e I X B - 2 . M o d e l s i m u l a t i o n r e s u l t s o f e f fl u e n t a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n d u r i n g a / . . ’ \ 1 1 3 1 t h “ : m m ! ) M m ( e t a t e c a ) M m ( e 0 t a t e c a 2 5 0 F i g u r e I X B - 3 . E f f e c t o f r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n i n m o d e l i n g d a t a f r o m t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . 1 8 u « » . ‘ ‘ - ~ . o n e C S T R + d i f f u s i o n 1 2 ‘ - 1 \ ' ’ ‘ ‘ ~ - . - o n e C S T R + r e a c t i o n + d i f f u s i o n ‘ 1 0 - - 9 ‘ e ~ h y d r a u l i c m o d e l + r e a c t i o n + d i f f u s i o n t w o C S T R s i n s e r i e s + r e a c t i o n + d i f f u s i o n I _ . ' r . a ‘ - - - . A A A A o ' Y Y I I 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) F i g u r e I X B - 4 . M o d e l c o m p a r i s o n s : o n e o r t w o C S T R s a n d t h e n e w l y d e v e l o p e d h y d r a u l i c m o d e l w i t h r e a c t i o n a n d d i f f u s i o n . ) M m ( e t a t e c a ) M n r ( e t a t e c a F i g u r e I X C - 2 . E f f e c t o f h a l f v e l o c i t y c o n s t a n t , K s , o n U A S B r e a c t o r r e s p o n s e I " ; 2 5 1 v a r y i n g k m F i g u r e I X C - l . t i m e ( m i n ) A A A I A A v 1 0 0 - A - - A - 1 2 0 - A - - 1 4 0 E f f e c t o f m a x i m u m s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e , k m , o n U A S B r e a c t o r r e s p o n s e d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . 1 2 1 0 - v a r y i n g K s \ \ a - » \ \ \ 6 “ \ ‘ \ ‘ 2 . 0 \ 7 ' \ \ m e a s u r e d I K s , 0 . 4 5 \ 2 ‘ , 0 . 8 0 . 1 o i A a g - _ A A A A A 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) d u r i n g t h e a c e t a t e i m p u l s e e x p e r i m e n t . 8 a 8 2 0 1 5 1 0 5 0 . i . . . . 0 R = 1 R = 0 5 m m . S 0 I . . ' R 3 0 5 m , m . S o = 3 0 m . \ 1 3 0 m M . o 5 = ‘ m . v a r y i n g g r 7 m M 2 0 4 0 I ‘ . . . . v 0 6 1 A - - . 3 . 0 8 9 1 t i m e ( m i n ) a 0 n u l e r a d i u s R ‘ 0 A _ A A 1 2 0 1 4 0 2 5 2 F i g u r e I X C - 3 . E f f e c t o f v a r i a t i o n i n g r a n u l e r a d i u s R o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e a t d i f f e r e n t i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n s ( S o ) . 1 2 I \ 1 0 " ' . Q . \ v a r y i n g D \ \ a ‘ \ \ A \ i 3 5 . . a i 0 a \ 0 . 0 4 5 x 4 ‘ \ \ 5 \ fi l t e d 2 ‘ " 3 6 x ‘ \ . § 0 L e e ‘ f ' ‘ ' - ° 9 9 9 ‘ 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) F i g u r e I X C - 4 . E f f e c t o f d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t , D , o n a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n c u r v e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e . ) M m ( e t a t e c a 2 5 3 / , ~ \ 1 ' " ‘ § \ 1 ' r . \ 1 0 , " a S o = 1 7 m M . D = 0 . 0 4 5 : r \ I a 1 i : S o = 1 0 m M , 0 = o . o 4 s x ‘ 3 6 « r \ , a 3 \ 0 U . s . \ ‘ S o a l M 0 3 2 . 3 8 I \ 4 4 1 - \ ' S o = 5 m M . D a d . 0 4 5 x \ \ 2 ‘ 0 . ’ O \ ‘ \ I ' \ S o = 5 m M . D - 2 . 5 x ‘ ~ ‘ A ‘ . o : ' - . . “ n e w e ‘ e A e 4 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) F i g u r e D ( C - 5 . E f f e c t o f v a r i a t i o n s i n d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t D o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e a t d i f f e r e n t i n i t i a l s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n ( 5 , ) . v a r y i n g K L 1 . 7 E 1 0 - 4 , 0 , 0 1 3 . 0 . 0 5 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) F i g u r e I X C - 6 . E f f e c t o f m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t , K L , o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e a P ) M m ( e t a t e c a ) M m ( e t a t e c a 2 5 4 t o v a r y i n g V d B e l 6 . 4 2 ‘ r 0 A A A 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i n e ( m i n ) F i g u r e I X C - 7 . E f f e c t o f d e a d v o l u m e , V d , o n a c e t a t e i m p u l s e m o d e l i n g . 1 2 I - 1 o 4 ) - A r v a r y i n g b y - p a s s f l o w ( l - f ) Q 8 . . r " \ 3 ' A “ o - - ' , a fi t t e d ~ . ( 0 . 1 ) 4 < \ Z C I ' O 0 . 3 ~ . I \ 2 - - ‘ \ A . O r { a v r ~ ? ‘ - L 9 A T e O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) F i g u r e I X C - 8 . E f f e c t o f b y - p a s s fl o w ( 1 - f ) Q o n U A S B r e s p o n s e c u r v e d u r i n g a c e t a t e i m p u l s e ) M m ( e t a t e c a 0 I F i g u r e X C - 1 0 . C 0 2 o 4 0 m p a r i s d u o r n i f o g n s d i a c e s t p a e t r e 6 i i 0 o m t i m e ( n p P u l F s m R e i n ) a n m o 8 d 0 d e P l F i n R g 1 0 0 1 2 0 1 4 0 ( d i s p e r s i o n f a c t o r i s z e r o ) 2 5 5 I ) " o 0 1 f 1 i t l e d . l ) . 0 5 . 4 ' / . 1 0 J » ‘ , i 1 . v a r y i n g d i s p e r s i o n f a c t o r . ' 1 fl > z . . 3 0 U I A 4 2 d o - - . 4 ‘ \ - ~ — e e e e 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t i m e ( m i n ) D F i g u r e I X C - 9 . E f f e c t o f d i s p e r s i o n f a c t o r , I : — ( x 1 0 ) , o n U A S B r e s p o n s e d u r i n g a n a c e t a t e i m p u l s e 1 4 s r n + P F R ( p p m ) 1 0 a . S T R + d i s p e r s i o n P F R T a b l e I X ( k g C O D T T o e t F m a e O H ( p l e ( h p fl L m R r r U g / ( e d k ) ° R T ’ s a d H ( C o / B b t C w ) O L ) e u ) D - 1 . E t x h p e e a r c i e m t e a n t t e a i l m d ) d r — e r a t e ' 9 6 . 6 . 6 8 1 c o n p l - 3 1 u l 7 . 7 - - 1 l 0 6 . 4 d s i e t i a o n n d s s o t f e p e t h O R e a L c g R G e a c t r ( a a s M n o s u l l i p e t a r o d h r s r o a 1 . 7 e n b R c i h n c t o r t c v v l e v d i o a o n o i ) o a o s l q n t l l l u e e u u e u i r n x U e e e m e m e ) t m d a t - a ) ) s ) d s r l t c d U ) A p e S r B i m e r n e t a s c t o . d u r i n g r 3 . 1 . 1 1 1 5 . . 7 6 3 5 - - - 1 6 8 7 7 . . 0 o b ( ( a g ( ( d n t a L L n L % u e e ( c 2 5 6 a . t h e f e e d i s a s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e w h i c h c o n t a i n s 2 5 m M o f a c e t a t e ( A p p e n d i x A ) T a b l e [ K B - l M o d e l p a r a m e t e r s u s e d i n s i m u l a t i o n 2 5 7 k m " t g A c / g X - d ) 5 . 1 l K s “ ( m m o l / L ) 0 . 4 5 1 : ) f r ( m l / s ) 4 . 4 2 x 1 0 ' 0 R a ( m m ) 1 . 5 1 3 " 0 . o 9 5 ‘ ( 1 1 m ) 1 0 0 A r b ( m m z ) 1 . 0 5 x 1 0 ' 6 x “ ( g V S / L ) 4 2 X m ( g V S / c m 3 ) 0 . 1 3 5 K L ( m m / s ) 1 . 3 x 1 0 ' 2 i ‘ 0 . 8 - 1 . 0 D p d ' 7 ( l / m i n ) 0 . 0 0 1 - 0 . 0 0 5 u d _ - L - ( l l m m ) 0 . 0 1 - 0 . 0 6 5 a . m e a s u r e d f r o m s e p a r a t e k i n e t i c s t u d i e s b . m e a s u r e d f r o m t h e g r a n u l a r b e d o f t h e U A S B r e a c t o r c . o b t a i n e d f r o m p r e v i o u s h y d r a u l i c s s t u d y ( C h a p t e r V ) ( 1 . fi n a l c o n v e r g e d r a n g e e . g r a n u l e a c t i v e l a y e r f r o m t h e s u r f a c e t o w a r d c e n t r a l c o r e . f . D , i s d i f f u s i o n c o e f fi c e n t o f a c e t a t e w i t h i n g r a n u l e s ; e i s g r a n u l a r s l u d g e b e d v o i d s p a c e p o r o s i t y = ; R i s g r a n u l e r a d i u s ; A r i s t o t a l g r a n u l e s u r f a c e a r e a i n t h e t o t a l v o l u m e b e d ; X i s b i o m a s s c o n c e n t r a t i o n w i h t i n t h e b e d ; X m i s b i o m a s s ( a c e t a t e u t i l i z e r s ) d e n s i t y w i t h i n t h e g r a n u l e s ; f i s t h e f r a c t i o n o f fl o w e n t e r i n g t h e w o r k i n g v o l u m e . g . m e a s u r e d a s v o l a t i l e s o l i d s . w h e n a c c o u n t f o r t h e a c t i v e p o r t i o n w i t h i n t h e g r a n u l e ( 5 ) , w h i c h i s 1 8 . 7 % o f a g r a n u l e t o t a l v o l u m e , t h e a c t i v e a c e t a t e u t i l i z e r b i o m a s s c o n c e n t r a t i o n i n t h e b e d w i l l b e 7 . 8 5 g V S / L b e d . T a b l e [ K B - 3 . R C e h s l u o l r t i s d o e b i t m a p i u n l e s d e . f r o m a c e t a t e i m p u l s e a n d s t e p O L R i n c r e a s e a n d L i t h i u m 2 5 8 L i C l i m p u l s e A c e t a t e s t e p i n c r e a s e A c e t a t e i m p u l s e K L ( m m / s ) N A 0 . 0 1 3 0 . 0 1 3 D ( m z l s ) N A 4 . 4 2 x 1 0 ' l 0 4 . 4 2 x 1 0 “ ° f 0 . 7 6 0 . 9 9 0 . 9 0 1 2 4 ( 1 / m i n ) 0 . 0 0 1 0 . 0 0 3 5 0 . 0 0 5 u . ‘ 1 : ( “ m l “ ) 0 . 0 6 4 0 . 0 1 2 5 0 . 0 6 2 5 v 4 4 . . . “ * ’ 0 . 0 2 V ' 0 . 1 V 0 . 0 2 v G a s p r o d u c t i o n r a t e 5 . 3 l s t s t e p : 1 2 . 0 p e a k : 3 3 . 6 ( U d ) 2 n d s t e p : 1 7 . 7 V b ( C S T R w o r k i n g 0 . 9 1 v 0 . 9 0 v 0 . 9 2 v v o l u m e ) V d ( d e a d v o l u m e ) 0 . 0 7 V 0 V 0 . 0 6 V a . V i s r e a c t o r t o t a l v o l u m e u b . c a l c u l a t e d f r o m Z . 2 5 9 T a b l e I X B - 4 . C o m p a r i s o n o f U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s a n d m a s s t r a n s f e r d u r i n g L i t h i u m C h l o r i d e a n d a c e t a t e i m p u l s e a n d a c e t a t e s t e p O L R i n c r e a s e L i C l i m p u l s e A c e t a t e s t e p i n c r e a s e A c e t a t e i m p u l s e D p F ( 1 / m i n ) 0 . 0 0 1 0 . 0 0 3 5 0 . 0 0 5 G a s p r o d u c t i o n r a t e 5 . 3 l s t s t e p : 1 2 . 0 p e a k : 3 3 . 6 ( U d ) 2 n d s t e p : 1 7 . 7 B a c k g r o u n d O L R 9 . 0 9 . 0 9 . 4 ( k g C O D / m 3 b e d - d ) C H A P T E R 1 0 . S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h e s t u d y p e r f o r m e d o n t h e U A S B r e a c t o r a n d t h e b r e w e r y g r a n u l e s a r e s u m m a r i z e d a n d c o n c l u s i o n s d r a w n p r e s e n t e d b e l o w : A . U A S B r e a c t o r h y d r a u l i c s 1 . U A S B r e a c t o r s r e p r e s e n t e d n o n - i d e a l fl o w r e a c t o r s f o r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t e s t e d ( r a n g i n g f r o m 4 - 1 0 k g C O D / m 3 b e d - d O L R a n d 1 2 h r s — 2 d a y s H R T ) . R e a c t o r fl o w r e g i m e s w e r e d i f f e r e n t a t l o w a n d h i g h O L R d u e t o t h e d i f f e r e n c e s i n g a s p r o d u c t i o n . H y d r a u l i c fl u x h a d s t r o n g i n fl u e n c e s o n t h e m i x i n g . 2 . T h e g r a n u l a r s l u d g e b e d i n t h e U A S B r e a c t o r w a s n o n - u n i f o r m w i t h r e s p e c t t o e x p a n s i o n a t t h e s a m e fl u x r a t e . G r a n u l e p a r t i c l e s i z e s v a r i e d a l o n g t h e h e i g h t o f t h e b e d . T h e e x t e n t o f m i x i n g v a r i e d t h r o u g h o u t t h e b e d . H y d r a u l i c r e g i m e i n t h e b e d c o u l d b e d e s c r i b e d a s a c o m b i n a t i o n o f m i x e d fl o w , d e a d v o l u m e a n d b y - p a s s fl o w . T h e s t r u c t u r e a n d p r o p o r t i o n o f t h e s e n o n - i d e a l fl o w e l e m e n t s v a r i e d w i t h t h e o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s a n d r e a c t o r s t a t u s . 3 . T h e fl o w m o d e l s d e v e l o p e d ( M o d e l s 1 a n d 2 ) d e s c r i b e d t h e h y d r a u l i c s o f t h e U A S B r e a c t o r v e r y w e l l , f o r l o w a n d h i g h O L R , r e s p e c t i v e l y . B . K i n e t i c s o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e b r e w e r y g r a n u l e s 4 . M a s s t r a n s f e r a n d d i f f u s i o n a l l i m i t a t i o n s h a d a s i g n i fi c a n t i n fl u e n c e o n o v e r a l l s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w h e n u s i n g w h o l e g r a n u l e s ( u p t o 3 . 0 m m i n d i a m e t e r ) a n d d i s r u p t e d g r a n u l e s ( 1 . 1 m m ) . S u b s t r a t e u t i l i z a t i o n t h r o u g h b o t h l i q u i d fi l m a n d g r a n u l e s 2 6 0 2 6 1 w e r e m a s s t r a n s f e r l i m i t e d . T h e o r d e r o f d i f f u s i o n a l l i m i t a t i o n f o r s u b s t r a t e . i n t e r m s o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r , w a s a c e t a t e > p r o p i o n a t e > e t h a n o l . 5 . U A S B r e a c t o r s y s t e m p e r f o r m a n c e c a n b e i m p r o v e d b y m i n i m i z i n g m a s s t r a n s f e r r e s i s t a n c e . T h i s c a n b e a c c o m p l i s h e d b y r e d u c i n g g r a n u l e s i z e a n d i n c r e a s i n g r e a c t o r l i q u i d r e c i r c u l a t i o n r a t e . 6 . A c e t a t e u t i l i z a t i o n u s i n g g r a n u l e fl o c s f o l l o w e d M o n o d k i n e t i c s a n d V a n ’ t H o f f — A r r h e n i u s r e l a t i o n s h i p v e r y w e l l , i n d i c a t i n g m a s s t r a n s f e r l i m i t a t i o n w a s m i n i m i z e d . T h e s e k i n e t i c p a r a m e t e r s c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t t h e i n t r i n s i c k i n e t i c s o f t h e b i o m a s s i n t h e g r a n u l a r s l u d g e . 7 . T e m p e r a t u r e i m p a c t o n s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n w i t h i n t h e g r a n u l e s w a s m o r e p r o n o u n c e d w h e n T 2 3 1 ° C f o r fl o c s , d i s r u p t e d g r a n u l e s a n d w h o l e g r a n u l e s . T h e m a g n i t u d e o f t h e i m p a c t o n s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e s c o r r e l a t e d w i t h g r a n u l e s i z e . N o e x p o n e n t i a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t e m p e r a t u r e a n d r e a c t i o n r a t e w a s o b s e r v e d f o r t h e l a r g e g r a n u l e s ( w h o l e g r a n u l e s a n d d i s r u p t e d g r a n u l e s ) . T h i s i n d i c a t e s t h e o v e r a l l d e g r a d a t i o n r a t e i s m a s s t r a n s f e r l i m i t e d . T e m p e r a t u r e e f f e c t s w e r e p r e d o m i n a n t w h e n u s i n g s m a l l fl o c s ( 3 3 p m ) p r o d u c e d b y p h y s i c a l l y d i s r u p t i n g t h e g r a n u l e s . 8 . E t h a n o l d e g r a d a t i o n t o m e t h a n e f o l l o w e d a s t o i c h i o m e t r i c r e l a t i o n s h i p . M a j o r e l e c t r o n fl o w c a n b e d e s c r i b e d a s e t h a n o l — ) a c e t a t e — > m e t h a n e . N - p r o p a n o l o b s e r v e d w a s a n i n t e r m e d i a t e f r o m e t h a n o l d e g r a d a t i o n . 9 . P r 0 p a n o l p a t h w a y s t u d y p r o v e d n o e v i d e n c e o f C 0 2 i n v o l v e m e n t i n p r o p a n o l f o r m a t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . 7 6 ‘ ) 1 0 . T h e r e a c t i o n o f e t h a n o l c o n d e n s a t i o n t o f o r m p r o p a n o l i s l i k e l y a c a n d i d a t e f o r p r o p a n o l f o r m a t i o n d u r i n g e t h a n o l d e g r a d a t i o n . H y d r o g e n p l a y s a s t r o n g r o l e a s a d r i v i n g f o r c e g o v e r n i n g r e a c t i o n s i n v o l v i n g p r o p i o n a t e , b a s e d o n r e a c t i o n e n e r g e t i c a n a l y s e s . C . M i c r o b i a l p o p u l a t i o n s a n d g r a n u l e s t r u c t u r e 1 1 . T h e b r e w e r y g r a n u l e s t e s t e d h a v e a c o m p l e x i n t e r n a l s t r u c t u r e , i n c l u d i n g a n a c t i v e l a y e r a t t h e p e r i p h e r a l o f g r a n u l e s w i t h fi n g e r l i k e c e l l c l u s t e r s , a n d a c e n t r a l c o r e . T h e a c t i v e l a y e r w a s h i g h i n c e l l d e n s i t y , h e t e r o g e n e o u s i n m i c r o b i a l p o p u l a t i o n . E t h a n o l a n d p r o p i o n a t e d e g r a d e r s , a c e t o c l a s t i c a n d h y d r o g e n o t r o p h i c m e t h a n o g e n s w e r e p r e s e n t i n t h e a c t i v e l a y e r i n a m i x e d n e t w o r k r a t h e r t h a n i n l a y e r e d a r r a n g e m e n t . M e t h a n o t h r i x s p . w e r e t h e p r e v a i l i n g p o p u l a t i o n o f a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n s i n t h e a n a e r o b i c g r a n u l e s . D . M o n i t o r i n g U A S B r e a c t o r 1 2 . U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s V F A s , g a s p r o d u c t i o n r a t e , m e t h a n e c o n t e n t a n d r e s p o n s e s o f H 2 a n d C O w e r e i n fl u e n c e d p r i m a r i l y b y O L R . T h e i m p a c t o f f e e d c o n c e n t r a t i o n w a s n o t s i g n i f i c a n t . 1 3 . T h e d e g r e e o f v a r i a t i o n o f t h e m o n i t o r i n g v a r i a b l e s , b a s e d o n t h e i r C V ( o r d e r e d f r o m l o w t o h i g h ) , w a s : C H 1 > g a s p r o d u c t i o n > p r o p i o n a t e > C O > a c e t a t e > > H 2 , i n d i c a t i n g H 2 h a d h i g h e s t v a r i a t i o n a n d t h u s m o s t s e n s i t i v e w h i l e C H a w a s t h e l e a s t s e n s i t i v e . S t a n d a r d e r r o r s o f m o n i t o r i n g v a r i a b l e s s u g g e s t e d H 2 h a d t h e h i g h e s t 2 6 3 b a c k g r o u n d n o i s e w h i l e C H 4 h a d t h e l o w e s t n o i s e . T h e r e i s n o c y c l i c p a t t e r n w i t h i n t h e m o n i t o r i n g v a r i a b l e s . 1 4 . U A S B r e a c t o r p e r f o r m a n c e a t u n s t e a d y s t a t e w a s a f f e c t e d b y O L R s t r e n g t h , s t e p i n c r e a s e a n d t h e d u r a t i o n o f t h e e a c h s t e p . A n O L R o f 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d a p p l i e d t o t h e U A S B r e a c t o r f o r m o r e t h a n 1 4 h o u r s c a n l e a d t o s y s t e m f a i l u r e . G a s p r o d u c t i o n , V F A S a n d H 2 w e r e a m o n g t h e m o s t s e n s i t i v e v a r i a b l e s i n r e s p o n d i n g t o h i g h O L R p e r t u r b a t i o n s . M e t h a n e c o n t e n t a n d s u s p e n d e d s o l i d s w e r e t h e l e a s t . 1 5 . L i q u i d p h a s e c o m p o n e n t s r e c o v e r e d f a s t e r t h a n t h a t o f g a s p h a s e c o m p o n e n t s , a f t e r a h i g h s t r e n g t h O L R ( 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) p e r t u r b a t i o n . T h e s e q u e n c e o f t h e r e c o v e r y f o r e a c h c o m p o n e n t w a s : a l c o h o l s a n d l o n g c h a i n V F A s > a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e > p H > H 2 > g a s p r o d u c t i o n r a t e a n d C O > m e t h a n e . 1 6 . H z w a s v e r y s e n s i t i v e t o h i g h s t r e n g t h O L R ( i . e . 6 0 k g C O D / m 3 b e d - d ) a n d d i s p l a y e d a n i n c r e a s e d r e s p o n s e t o r e p e a t e d p e r t u r b a t i o n s a n d t h e s y s t e m f a i l u r e . H o w e v e r , H 2 c o n c e n t r a t i o n e x h i b i t e d h i g h b a c k g r o u n d n o i s e . C O c o r r e l a t e d w i t h p e r f o r m a n c e v a r i a b l e s w e l l . T h e r e s p o n s e o f C O w a s h i g h t o t h e fi r s t O L R p e r t u r b a t i o n b u t r e s p o n s e d e c r e a s e d d u r i n g r e p e a t e d O L R p e r t u r b a t i o n s t h a t o c c u r r e d w i t h i n 2 4 - 4 8 h o u r s . R e s p o n s e o f C O t o s y s t e m f a i l u r e w a s s l o w . B o t h H 2 a n d C O m a y n o t b e u s e d a l o n e a s a n a e r o b i c s y s t e m i n d i c a t o r s . S u c c e s s f u l m o n i t o r i n g c a n b e a c c o m p l i s h e d b y u s i n g g a s a n d l i q u i d p h a s e c o n t r o l l i n g v a r i a b l e s t o g e t h e r . 2 6 4 E . D y n a m i c m o d e l i n g o f U A S B r e a c t o r 1 7 . T h e d y n a m i c h y d r a u l i c - r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l ( M o d e l 2 ) d e v e l o p e d i n t h i s s t u d y a d e q u a t e l y d e s c r i b e d t h e t r a n s i e n t b e h a v i o r o f t h e U A S B r e a c t o r u n d e r a c e t a t e O L R p e r t u r b a t i o n s . T h e k i n e t i c p a r a m e t e r s m e a s u r e d u s i n g t h e g r a n u l e s i n s e p a r a t e e x p e r i m e n t s w e r e s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o t h e m o d e l . T h e m o d e l h a s t h e f e a t u r e o f b e i n g c o m p r e h e n s i v e , s t r u c t u r e d a n d m e c h a n i s t i c . M o s t U A S B r e a c t o r s u s e d i n t h e U S . a r e o p e r a t e d a t c o n d i t i o n s s i m i l a r t o t h e b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r t e s t e d ( O L R o f 1 0 k g C O D / m 3 - d a n d H R T o f . < _ 1 2 h r s ) . T h e m o d e l d e v e l o p e d t h e r e f o r e h a s t h e p o t e n t i a l t o b e a t o o l f o r u n d e r s t a n d i n g a n d e x a m i n i n g t h e i n h e r e n t p r o p e r t i e s o f t h e s y s t e m a n d p r e d i c t i n g s y s t e m b e h a v i o r d u r i n g o r g a n i c p e r t u r b a t i o n s . 1 8 . N e i t h e r a C S T R r e a c t i o n m o d e l a l o n e w i t h o u t m a s s t r a n s f e r , n o r a r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l w i t h a C S T R , c o u l d a d e q u a t e l y d e s c r i b e U A S B r e s p o n s e d u r i n g a n a c e t a t e O L R p e r t u r b a t i o n . T h i s c o n fi r m s t h a t a n i d e a l C S T R d o e s n o t d e s c r i b e t h e U A S B w e l l . 1 9 . S i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e d t h e U A S B r e a c t o r s y s t e m w a s s e n s i t i v e t o h y d r a u l i c p a r a m e t e r s , g r a n u l e s i z e s a n d k i n e t i c p a r a m e t e r s a n d n o t s e n s i t i v e t o m a s s t r a n s f e r c o e f fi c i e n t , K L . G r a n u l e r a d i u s ( R ) w a s a m o n g t h e m o s t s e n s i t i v e p a r a m e t e r s i n g o v e r n i n g o v e r a l l s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n r a t e . T h i s a g r e e s w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f r o m k i n e t i c a n d m a s s t r a n s f e r s t u d i e s . M t s o a f i l e o t l t i t d l n r c s M e t n e l o e - o y i b r i r a i e d c i r d n o e m u u C g d g h d n i r s g m c n r H a f d a a n g e c s a e a d A d n f n r r l t l c c t r i r y e e e n y o o o e e e i l o P l l s u d d m i o l o l d u u u a t a u e e r d s e t i T s o e s i n a t e s f o , , f n 2 3 t o d 4 , 1 , n c - o 5 c 6 E R 1 1 . . . . i . . t i o b - d i a h . r k f e n r i s o o i n a i e f m u f n r n m p c D M s P F c T a e i t i m r t F s i c e e e i b y t s s h e a c u u n s o l c a f t o h c o u t t a e r l e f e t c s d i R e n u p a s x n u e n r a e d t t i h E t s o i r d d s o n d / a l l e o f n e u d u y o u r o ( f s s k t n c o d l b e r C r b r g r c s o r M e s r c e i s e t e c t n e e e t a n r a r l f f e o e t e s , o t r a n l e d y g d o i n e u t u r s o i i o e r s d o o i o h i u n g r l e l n n n s e r e l a d a t t e y s t i p - o d m . e r z d p e l t i m a c a s t i r - i l o l n m t o h d , a n O t u a h m n a u f q g o d o o h y E i r o d e e d w h n s s t l s e s n o N g n e a b s e n f U d t l n f ) d s i a a n n o m T d n o e A r S f t m e — a e r i v D d A r n e e . v e . e v e n a p t e — a t l w l o a t d e i e d - r e m e e n e n n i d g t v T e c u e s d u o l i s B p t e s l o h t e i m . e y s g c l t r r m p h p a e I s p i s o t e O i n o i p e t y g o a e o n c n i n a s k n c t e a e s n u t d n l b i f s e e i t o l e N e t e s ( f e r , S p c h M e s a a o t t o e s e m d n s w n p d d p s l c e r p r o i e g e n o o F m o n t t d t r a i f r s o t h e f t u o e f t v d d p i O t u c w l r o g u t o h b r l e c n c t t u o o r a R t h h r e e o t a v o l v F U i e a , o f s t h i . h e n f f n t t i v i c d e t d T s n e , s , o d u y 2 e x e m b i t r p l r b i r e y ) e e d . m d a o e h i e l o e d w y r e h t d T l m c l t u p h o d d o e U o i a u e a a o k h o c r n o m e f i r e a l e 2 c h i n i i t o r c h t m h i e c r u h s R d e s c d p c e s l s n v p p e p n n e s t e p x r a g a E s l t b c R a a t a m r c e n fi t t i i i i p o u e t t b e o e l c h o d t i h a . r E s n t b o y i r a n t t t i a f i y h o i i n a t w R i e i S g t d e s f h t m a n S i e l e e o n t a g o E s a i a o U a h o c A t h w fl d n c n o h f t d n u e A i a t e t d e u n w n r i c l y e f c h n i n n e h i o s m y n h n v i r t e h h s t r d l r C c i n o e o h B i , H b t l n l a e n u e u s r t l f r a d i h s m e i o t e s r a y r o a t e h r e h e y c d r e y d i s t , a a g i b e e m s n c r t h a h t u i a r b ( i 8 c ) a u l i c - o r t i e e n n i s o w t t h a n d s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n k i n e t i c s . 2 6 5 A P P E N D I X A A p p e n d i x A A p p e n d i x A M e d i u m a n d f e e d c o m p o s i t i o n I n o r d e r t o p r e v e n t p r e c i p i t a t i o n a n d g r o w t h i n t h e f e e d t o t h e U A S B r e a c t o r , t w o s e p a r a t e m e d i a f e e d s w e r e m a d e : o n e t o s u p p l y t h e m i n e r a l s a n d t r a c e n u t r i e n t s r e q u i r e d ( m i n e r a 1 m e d i u m ) a n d t h e s e c o n d t o s u p p l y t h e o r g a n i c s ( s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d ) . T r a c e m i n e r a l s w e r e p r e p a r e d s e p a r a t e l y a n d a d d e d a s a s o l u t i o n t o t h e m i n e r a l m e d i u m . T h e c o m p o s i t i o n o f t h e m i n e r a l m e d i a s o l u t i o n a n d t r a c e m i n e r a l s u s e d a r e p r e s e n t e d i n T a b l e s A - 1 a n d A — 2 , r e s p e c t i v e l y . A l l c h e m i c a l s w e r e o f r e a g e n t g r a d e . T a b l e A - 1 . M i n e r a l m e d i u m c o m p o s i t i o n ( p r e p a r e d i n 1 6 l i t t e r b a t c h e s ) C h e m i c a l A m o u n t S u p p l i e r N a C l 3 . 2 g B a k e r A n a l y t i c a l N H , , C 1 3 . 2 g B a k e r A n a l y u ' c a l M g C 1 2 . 6 H 2 0 3 . 2 g M a l l i n c k r o d t C a C 1 2 . 2 H z O 1 . 6 g S i g m a C h e m i c a l K Z H P O 4 0 . 1 g C o l u m b u s K H Z P O 4 0 . 0 5 g B a k e r A n a l y t i c a l N a H C O 3 3 0 . 2 4 g M a l l i n c k r o d t T r a c e m i n e r a l * 3 2 m l _ _ * p r e p a r e d s e p a r a t e l y A t o t a l o f f o u r d i f f e r e n t o r g a n i c c o n c e n t r a t i o n s f o r t h e s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d w e r e u s e d t o f e e d t h e l a b o r a t o r y - p i l o t U A S B r e a c t o r . F e e d I w a s 2 6 6 A p p e n d i x A 2 6 7 1 1 . 4 k g C O D / m 3 , f e e d 1 1 w a s 5 . 7 k g C O D / m 3 , f e e d I I I w a s 9 . 1 k g C O D / m 3 a n d f e e d I V w a s 1 3 . 7 k g C O D / m 3 . T h e f e e d s w e r e a d j u s t e d u s i n g s o d i u m h y d r o x i d e t o o b t a i n a fi n a l p H o f 5 . 0 1 0 1 . F e e d I w a s u s e d d u r i n g s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n ( C h a p t e r V I I I ) . T h e c o m p o s i t i o n o f F e e d s I - I V a r e a r e p r e s e n t e d i n T a b l e s A - 3 a n d A - 4 . T a b l e A - 2 . C o m p o s i t i o n o f t r a c e m i n e r a l s o l u t i o n ( p r e p a r e d i n 1 l i t e r b a t c h e s ) C h e m i c a l A m o u n t S u p p l i e r N i t r i l o t r i a c e - t i c a c i d 1 2 . 8 g S i g m a C h e m i c a l F e S O 4 . 7 H z O 0 . 1 g S i g m a C h e m i c a l M n C 1 2 . 4 H Z O 0 . l g S i g m a C h e m i c a l C o C 1 2 . 6 H z O 0 . 1 7 g C o l u m b u s C a C 1 2 . 2 H z O 0 . l g S i g m a C h e m i c a l Z n C 1 2 0 . 1 g F i s h e r S c i e n t i fi c C u C 1 2 . 2 H z O 0 . 0 2 g F i s h e r S c i e n t i fi c H 3 B O 3 0 . 0 1 g A l d r i c h N a m o l y b d a t e 0 . 0 1 g S i g m a C h e m i c a l N a C l 1 . 0 0 g B a k e r A n a l y t i c a l N a 2 8 e 0 3 0 . 0 1 7 g S i g m a C h e m i c a l N i S O 4 . 6 H Z O 0 . 0 2 6 g F i s h e r S c i e n t i fi c A p p e n d i x A 2 6 8 T a b l e A - 3 . S y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d c o m p o s i t i o n ( p r e p a r e d i n 8 l i t e r b a t c h e s ) M C h e m i c a l A m o u n t S u p p l i e r N a O H 9 . 6 g M a l l i n c r o d t R e s a z u r i n ( 0 . 2 % ) 1 0 m l S i g m a C h e m i c a l A c e t i c a c i d 1 2 m l F i s h e r s c i e n t i fi c P r 0 p i o n i c a c i d 8 . 8 8 m l M a l l i n c r o d t G l u c o s e 7 . 2 g S i g m a C h e m i c a l F e S O 4 . 7 H 2 0 1 . 3 3 5 g S i g m a C h e m i c a l E t h a n o l ( 1 9 0 p r o o f ) 3 6 . 8 m l Q u a n t u m T a b l e A - 4 . S y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e f e e d c o m p o s i t i o n ( p r e p a r e d i n 8 l i t e r b a t c h e s ) n g g I I , I I I , I V * C h e m i c a l F e e d 1 1 F e e d 1 1 1 F e e d I V N a O H 4 . 8 0 g 7 . 6 8 g 1 1 . 5 2 g R e s a z u r i n ( 0 . 2 % ) 1 0 m l 1 0 m l 1 0 m l A c e t i c a c i d 6 . 0 m l 9 . 6 m l 1 4 . 4 m l P r 0 p i o n i c a c i d 4 . 4 m ] 7 . 1 m ] 1 0 . 7 m l G l u c o s e 3 . 6 0 g 5 . 7 6 g 8 . 6 4 g F e S O 4 . 7 H 2 0 0 . 6 6 7 5 g 1 . 0 6 8 g 1 . 6 g E t h a n o l ( 1 9 0 p r o o f ) 1 8 . 4 m l 2 9 . 4 m l 6 6 . 2 m l * f o r c h e m i c a l s u p p l i e r s e e T a b l e A - 3 . A p p e n d i x A 2 6 9 P h o s p h a t e b u f f e r e d b a s a l m e d i u m ( P B B M ) w a s u s e d d u r i n g n - p r o p a n o l a s s a y . M e d i u m p H w a s b r o u g h t t o 7 . 2 - 7 . 4 , b o i l e d a n d f l u s h e d w i t h N 2 . A f t e r a u t o c l a v i n g , P h o s p h a t e b u f f e r ( 1 5 % K H 2 P 0 4 a n d 2 9 % K Z H P O 4 ) , r e d u s i n g a g e n t ( 2 . 5 % N a 2 8 ) , a n d s t e r i l i z e d v i t a m i n s w e r e t h e n a d d e d . T a b l e A - 5 p r e s e n t s t h e c o m p o s i t i o n o f P B B M . T a b l e A - 5 P h o s p h a t e B u f f e r e d B a s a l M e d i u m ( p r e p a r e d i n 1 L i t t e r b a t c h ) C h e m i c a l s Q u a n t i t y D o u b l e D i s t i l l e d W a t e r 9 4 5 m l N a C L 0 . 9 g M g C L z . 6 H 2 0 0 . 2 g C a C L z . 2 H 2 0 0 . 1 g N H a C L 1 . 0 g T r a c e M i n e r a l I I * 1 0 m l R e s a z u r i n S o l u t i o n , 2 % 1 m l " s e e T a b l e A - 2 A P P E N D I X B A p p e n d i x B A p p e n d i x B M a t e r i a l s a n d M e t h o d s B - l . A c t i v i t y a s s a y s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l u s i n g b r e w e r y g r a n u l e s B - l . l . I n o c u l u m a n d m e d i a B - l . l l . I n o c u l u m p r e p a r a t i o n a n d b i o m a s s e s t i m a t i o n G r a n u l e s w e r e o b t a i n e d f r o m a l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r ( F i g u r e V I I I - 1 ) w h i c h w a s a c c l i m a t e d t o t h e s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e C I ‘ a b l e A - 3 ) f o r 6 m o n t h s . G r a n u l e s t a k e n f r o m t h e b e n c h - s c a l e U A S B w e r e s t o r e d a t r o o m t e m p e r a t u r e i n a n 8 L c a r b o y e q u i p p e d w i t h a w a t e r s e a l . B e f o r e t h e s t a r t o f t h i s e x p e r i m e n t , t h e i n o c u l a w e r e i n c u b a t e d o v e r n i g h t a t 3 7 ° C w i t h a t r a c e a m o u n t ( c a . 1 - 2 m g / l ) o f e t h a n o l t o s t i m u l a t e t h e a c t i v i t y o f d i f f e r e n t p o p u l a t i o n s a n d r e d u c e a n y l a g p h a s e i n t h e a s s a y . A t t h e c o n c l u s i o n o f t h e a s s a y s , t h e g r a n u l e s w e r e s u b j e c t e d t o m i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n f o r p a r t i c l e s i z e m e a s r u ' e m e n t s a n d p o p u l a t i o n o b s e r v a t i o n s . G r a n u l e s i z e w a s e s t i m a t e d b y g e o m e t r i c a v e r a g i n g . S e v e r a l fi e l d s u n d e r t h e m i c r o s c p e w e r e r a n d o m l y s e l e c t e d f o r t h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n t . T h e g e o m e t r i c m e a n f o r e a c h fi e l d w a s d e t e r m i n e d a n d p a r t i c l e s i z e w a s e s t i m a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : M e a n s i z e = 2 [ P i Q i / Q i ] j / n ( B - l ) w h e r e P i i s p a r t i c l e s i z e i n e a c h fi e l d ( i = 1 , 2 , 3 . . m ) , Q i i s t h e n u m b e r o f t h a t p a r t i c l e i n s i z e i w i t h i n t h a t fi e l d ( r a n g i n g 1 - 8 0 ) , j i s t h e n u m b e r o f fi e l d ( j = l , 2 , 3 . . . n ) . 2 7 0 A p p e n d i x B 2 7 1 B i o m a s s c o n c e n t r a t i o n s w e r e a n a l y z e d f o r t o t a l s o l i d s a n d v o l a t i l e s o l i d s ( T S a n d V S ) f o r e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d u s i n g t h e M u l t i g e n r e a c t o r c o n t e n t s ( A p p e n d i x C ) . B - l . 1 2 . M e d i u m p r e p a r a t i o n a n d i n o c u l u m t r a n s f e r t e c h n i q u e B e t w e e n 1 . 2 a n d 1 . 4 L o f m e d i u m ( c o m p o s i t i o n i n T a b l e A — l ) i n a 2 L g l a s s fl a s k w a s f l u s h e d w i t h n i t r o g e n g a s ( A G A I n c . ) f o r 2 0 m i n u t e s . T h e s o l u t i o n p H w a s a d j u s t e d t o 7 . 0 0 : 0 . 0 1 u s i n g 3 N H C L o r 3 N N a O H ( u n d e r n i t r o g e n ) . A f t e r t r a n s f e r r i n g t h e m e d i u m t o a M u l t i g e n r e a c t o r , a k n o w n a m o u n t ( 8 0 — l O O m l ) o f i n o c u l a ( g r a n u l e s o r fl o c s ) w a s t r a n s f e r r e d p r o m p t l y t o t h e m u l t i g e n r e a c t o r ( N e w B r u n s w i c k S c i e n t i fi c , m o d e l F l O O O ) ( F i g u r e V I - l ) . T h e r e a c t o r w a s t h e n s e a l e d , h e a t e d a n d s t i r r e d ( f o r d e t a i l d e s c r i p t i o n o f t h e m u l t i g e n s y s t e m r e f e r t o C h a p t e r V I ) . T o r e d u c e a n y o x y g e n b r o u g h t i n t o t h e r e a c t o r d u r i n g t r a n s f e r , 0 . 2 5 m l o f 2 . 5 % N a Z S ( F i s h e r S c i e n t i fi c ) w a s i n j e c t e d i n t o t h e r e a c t o r f r o m t h e s a m p l i n g p o r t . T h e e x p e r i m e n t w a s i n i t i a t e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e d e s i r e d t e m p e r a t u r e w a s a t t a i n e d i n t h e r e a c t o r . B - l . 2 . A s s a y s f o r i n t r i n s i c k i n e t i c p a r a m e t e r s f o r a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d e t h a n o l d e g r a d a t i o n ~ B r e w e r y g r a n u l e s , o b t a i n e d f r o m t h e l a b o r a t o r y b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r w e r e fi r s t d i s r u p t e d u s i n g a m o t a r a n d p e s t l e . T h i s w a s s u f fi c i e n t t o d i s r u p t t h e g r a n u l e s t o a n a v e r a g e s i z e o f 1 . 1 m m i n d i a m e t e r . T h e s e s m a l l g r a n u l e s w e r e t h e n f u r t h e r f r a c t i o n a t e d i n a M u l t i g e n r e a c t o r ( i m p e l l e r s p e e d 6 0 0 r p m ) f o r s e v e r a l h o u r s a n d e x a m i n e d u n d e r m i c r o s c o p e u n t i l fl o c s o f a b o u t 3 3 p m i n d i a m e t e r w e r e A p p e n d i x B 2 7 2 f o r m e d . D u r i n g t h i s p r o c e s s , 3 - 4 m m o l e / L o f a c e t a t e w a s m a i n t a i n e d i n t h e r e a c t o r t o a v o i d e n d o g e n o u s m e t a b o l i s m . T h e F l o c s w e r e t h e n t r a n s f e r r e d t o a w a t e r s e a l e d fl a s k . T h e f l a s k w a s t h e n a m e n d e d w i t h 0 . 2 m l o f 2 . 5 % N a Z S , a n d s t o r e d a t r o o m t e m p r a t u r e . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r V F A , e t h a n o l , n — p r o p a n o l , f o r m a t e , H 2 , C O , a n d C H 4 a r e d e c r i b e d i n A p p e n d i x C . P r o t o c o l s f o r t h e i n t r i n s i c k i n e t i c a s s a y s w e r e d e s c r i b e d i n C h a p t e r V I . T y p i c a l s a m p l i n g f r e q u e n c y f o r t h e s e a s s a y s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e s V I — 2 a n d V I — 3 . B - 2 . R e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( R T D ) e x p e r i m e n t s f o r t h e l a b o r a t o r y b e n c h — s c a l e U A S B r e a c t o r A c o n c e n t r a t e d t r a c e r , l i t h i u m c h l o r i d e ( S i g m a C h e m i c a l ) o r a c e t a t e s o l u t i o n w a s i n j e c t e d i n t o t h e i n l e t o f t h e r e a c t o r u s i n g a 5 0 m l s y r i n g e e q u i p p e d w i t h a 2 1 - g a u g e n e e d l e . L i q u i d s a m p l e s ( 1 . 0 m l ) w e r e c o l l e c t e d f r o m t h e s a m p l i n g p o r t a t r e c i r c u l a t i o n 1 i n e ( F i g u r e V I I I - 1 ) . S a m p l e s w e r e d i r e c t l y t r a n s f e r r e d i n t o 1 . 5 m l p o l y p r o p y l e n e e p p e n d o r f m i c r o t e s t t u b e s ( B r i n k m a n n ) u s i n g a 3 m l s y r i n g e a n d a 2 1 — g a u g e n e e d l e . S a m p l e s w e r e t h e n c e n t r i f u g e d i n a n e p p e n d o r f c e n t r i f u g e ( B r i n k m a n n , m o d e l 5 4 1 5 ) a t 1 2 0 0 0 r p m f o r 2 m i n u t e s . T h e s u p e r n a t a n t w a s c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r d e t e r m i n i n g L i t h i u m c h l o r i d e a n d a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n i s d e s c r i b e d i n C 2 a n d C 6 , A p p e n d i x C . A s a m p l i n g f r e q u e n c y o f 2 m i n u t e s w a s u s e d f o r t h e o r g a n i c a n d h y d r a u l i c fl u x a s s a y s . A s a m p l i n g f r e q u e n c y o f 1 0 % o f t h e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e ( H R T ) w a s u s e d d u r i n g f l o w m o d e l i n g e x p e r i m e n t s u s i n g l i t h u m a n d 1 0 t o 1 5 m i n u t e s u s i n g a c e t a t e . A p p e n d i x B 2 7 3 B - 3 . T r a c e r r e c o v e r y t e s t f o r a d s o r p t i o n o n g r a n u l a r s l u d g e T h e e x t e n t o f l i t h i u m c h l o r i d e a d s o r p t i o n o n t h e g r a n u l a r s l u d g e w a s d e t e r m i n e d t o e x a m i n e a n y i n f l u e n c e o f a d s o r p t i o n d u r i n g t h e t r a c e r s t u d y . T h e t r a c e r r e c o v e r y t e s t w a s c o n d u c t e d i n 5 8 m l s e r u m b o t t l e s s e a l e d w i t h r u b b e r s t o p p e r a n d a l u m i n u m c r i m p s . T h e s t e p b y s t e p p r o c e d u r e i s d e s c r i b e d b e l o w : ( 1 ) 5 8 m l s e r u m b o t t l e s w i t h 5 m l n u t r i e n t m e d i a ( p H = 7 . 0 ) w e r e v a c u u m f l u s h e d w i t h N 2 f o r 0 . 5 h r , a n d s e a l e d . A 3 m l v o l u m e o f s y n t h e t i c b r e w e r y w a s t e w a s a d d e d t o t h e b o t t l e s u s i n g a 3 m l s y r i n g e w i t h a 2 1 - g a u g e n e e d l e . T h e s e m e d i a h a d t h e s a m e c o m p o s i t i o n a s t h e r e a c t o r f e e d a n d m i n e r a l m e d i a ( A p p e n d i x A ) . ( 2 ) 0 . 1 m l o f 2 . 5 % N a Z S w a s a d d e d i n t o t h e s e r u m b o t t l e s t o s c a v e n g e a n y 0 2 . ( 3 ) t h e s e r u m b o t t l e s w e r e f l u s h e d w i t h 2 0 % C 0 2 / 8 0 % H 2 f o r 5 m i n u t e s t o a d j u s t t h e p H r a n g e t o b e t w e e n 6 . 8 - 7 . 0 . ( 4 ) 5 . 0 m l o f a n a e r o b i c g r a n u l e s w e r e a d d e d i n t o t h e s e r u m b o t t l e s , u s i n g a 5 m l s y r i n g e w i t h a 1 8 - g a u g e n e e d l e . ( 5 ) 0 . 5 m l o f 3 . 2 g / l L i C l s o l u t i o n w a s a d d e d i n t o t h e b o t t l e t o o b t a i n a f i n a l l i q u i d v o l u m e o f 1 3 m l a n d L i C l c o n c e n t r a t i o n o f 1 2 0 m g / l . ( 6 ) T h e s e r u m b o t t l e s w e r e i n c u b a t e d a t 3 7 ° C ( s a m e a s t h e r e a c t o r t e m p e r a t u r e ) i n a n I n c u b a t o r S h a k e r ( N e w B r u n s w i c k , m o d e l G 2 5 ) a t 1 7 0 r p m f o r 2 4 h o u r s t o r e a c h e q u i l i b r i u m . ( 7 ) A 1 . 2 m l o f l i q u i d s a m p l e w a s w i t h d r a w n f r o m e a c h o f t h e s e r u m b o t t l e s i n t o 1 . 5 m l e p p e n d o r f t e s t t u b e s . T h e t u b e s w e r e t h e n c e n t r i f u g e d a t 1 2 0 0 0 r p m f o r 2 m i n u t e s i n a n e p p e n d o r f c e n t r i f u g e . T h e s u p e r n a t a n t w a s t h e n c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s . ( 8 ) L i t h u m c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d b y a I o n C h r o m a t o g r a p h y C D i o n e x m o d e l 2 0 0 0 ) A p p e n d i x B 2 7 4 B - 4 . U n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t u s i n g t h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r A n o r g a n i c l o a d i n g r a t e ( O L R ) p e r t u r b a t i o n w a s i n t r o d u c e d u s i n g t h e o n - l i n e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y e t e m P A R A G O N ( I n t e c ) t h r o u g h a n a n a l o g / d i g i t a l ( A / D ) i n t e r f a c e ( O P T O — 2 2 ) a n d a W a t s o n — M a r l o w p u m p ( 5 0 3 U ) ( F i g u r e V I I I - l , A p p e n d i x C 4 ) . A T y p i c a l f e e d c o n t r o l p r o g r a m f o r s t e p O L R v a r i a t i o n i s p r e s e n t e d b e l o w : T a b l e B - 1 . T y p i c a l s e q u e n c y p r e o g r a m d u r i n g u n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t ( b l o c k S E Q I N F L U E N T i n P A R A G O N ) S t e p S l o p e / m i n E n d V a l u e H o l d T i m e ( m i n ) N e x t S t e p 1 0 3 . 0 6 0 y 2 0 4 . 7 5 1 8 0 y 3 O 7 . 0 4 2 0 y 4 0 4 . 7 5 1 8 0 Y 5 0 3 . 0 6 0 0 y I m p u l s e O L R w e r e p e r f o r m e d m a n u a l l y b y i n j e c t i n g t h e d e s i r e d m a s s o f o r g a n i c c a r b o n d i r e c t l y i n t o t h e r e a c t o r i n l e t . T r a c e g a s ( H 2 a n d C O ) m o n i t o r i n g s e t t i n g s f o r P A R A G O N p r o g r a m a n d I n t e g r a t e r / c o n t r o l l e r m o d u 1 e ( I C M ) o f t r a c e g a s a n a l y z e r a r e p r e s e n t e d i n T a b l e B - 2 . A p p e n d i x B 2 7 5 T a b l e B - 2 . U n s t e a d y s t a t e m o n i t o r i n g p a r a m e t e r s s e t t i n g f o r P a r a g o n a n d I C M P A R A G O N b l o c k s R G A 3 I C M T r a u x H , r a n g e : 0 . 0 4 - 1 0 0 0 p p m S p a n : H 2 = 0 . 0 4 - 1 0 0 0 p p m T r a u x C O r a n g e : 0 . 0 0 4 - 1 0 . 4 p p m C O = 0 . 0 0 4 - 1 0 . 4 p p m S E Q t r a c e g a s : h o l d t i m e = l 6 . 9 6 6 7 m i n S e n s e : 5 0 0 o r 2 6 . 9 6 6 7 m i n H i s t : d a t a c o l l e c t = 1 0 m i n O t h e r p o r t i o n s o f t h e P A R A G O N p r o g r a m a n d t h e I C M p r o g r a m r e m a i n e d s a m e a s t h e s e p r e s e n t e d i n A p p e n d i x C — 2 a n d A p p e n d i x C — 4 , r e s p e c t i v e l y . B - S . D i s s o l v e d H 2 a n d C O m e a s u r e m e n t s B - 5 . l . R G A 3 t r a c e g a s a n a l y z e r I C M m o d u l e p r o g r a m s e n s e = 1 0 0 f o r o t h e r s e t t i n g s s e e A p p e n d i x C — 2 . B - 5 . 2 . P r o c e d u r e f o r d i s s o l v e d H 2 a n d C O m e a s u r e m e n t s A s e r u m b o t t l e t e c h n i q u e w a s u s e d f o r t h e d i s s o l v e d g a s a n a l y s e s . T o p r e v e n t a n y b i o l o g i c a l a c t i v i t y ( u p t a k e o r p r o d u c t i o n o f C O a n d H 2 ) d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t s o f d i s s o l v e d g a s e s , w h i c h c o u l d i n t e r f e r e w i t h t h e r e s u l t s , a s t r o n g a l k a 1 i ( N a O H ) s o l u t i o n w a s a d d e d i n t o t h e s e r u m b o t t l e p r i o r t o a d d i n g t h e s a m p l e . A f t e r t h e a q u e o u s s a m p l e r e a c h e d e q u i l i b r i u m w i t h g a s p h a s e i n t h e s e r u m b o t t l e , t h e g a s p h a s e H 2 a n d C O c o n c e n t r a t i o n w e r e m e a s u r e d . D i s s o l v e d g a s c o n c e n t r a t i o n i n t h e s a m p l e w a s e s t i m a t e d a c c o r d i n g t o H e n r y ' s l a w . F o r A p p e n d i x B 2 7 6 c a l c u l a t i o n s o f t h e d i s s o l v e d H 2 a n d C O r e f e r t o C h a p t e r V I I I - F . A d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e s e r u m b o t t l e p r o c e d u r e u s e d i s p r e s e n t e d b e l o w : I n i t i a l l y , 2 5 m l s e r u m b o t t l e s w e r e v a c u u m fl u s h e d a n d p r e s s u r i z e d w i t h N 2 ( A G A , I n c ) f o r 1 2 m i n u t e s a n d s e a l e d w i t h a r u b b e r s t o p p e r a n d a l u m i n u m c r i m p . T h e b o t t l e s w e r e t h e n a u t o c l a v e d t o e n s u r e s t e r i l i t y . 2 m l o f a 3 N N a O H s o l u t i o n w a s a d d e d u n d e r N 2 a t m o s p h e r e . T h e f o l l o w i n g s t e p s w e r e t h e n e x e c u t e d : * w a r m u p s e r u m b o t t l e s i n a 3 7 ° C s h a k i n g w a t e r b a t h ( A m e r i c a n S c i e n t i fi c Y B - 5 2 1 ) * fl u s h a 5 m l g l a s s g a s s y r i n g e ( S G E ) w i t h a m i n i n e r t v a l v e ( S V L L M A ) a n d a 2 1 g a u g e n e e d l e i n a n a n a e r o b i c s t e r i l e b o t t l e * fl u s h t h e s y r i n g e w i t h t h e h e a d s p a c e o f t h e s e r u m b o t t l e s t w i c e , s l o w l y t a k e 1 m l g a s s a m p l e , i n j e c t t o R G D 2 t r a c e g a s a n a l y z e r , c h e c k i n g f o r t h e b a c k g r o u n d * fl u s h a 1 0 m l s y r i n g e w i t h r e a c t o r e f fl u e n t t w i c e f r o m t h e r e a c t o r s a m p l i n g p o r t * s l o w l y t a k e 1 0 m 1 l i q u i d s a m p l e t o e n s u r e n o b u b b l e f o r m a t i o n d u e t o a v a c c u m f o r m i n g u s i n g t h e s y r i n g e . * i n j e c t t h e s a m p l e i m m e d i a t e l y i n t o t h e a n a e r o b i c s e r u m b o t t l e s u s i n g a 2 1 - g a u g e n e e d l e . T h e c o n c e n t r a t i o n o f N a O H i n t h e s e r u m b o t t l e s w a s c a . 0 . 5 N . * s h a k e s e r u m b o t t l e s f o r 5 m i n u t e s i n 3 7 ° C w a t e r b a t h ( A m e r i c a n S c i e n t i fi c Y B - 5 2 1 ) t o r e a c h e q u i l i b r i u m A p p e n d i x B 2 7 7 * fl u s h a 5 . 0 m l g l a s s g a s s y r i n g e w i t h a m i n i n e r t v a l v e a n d a 2 1 - g a u g e n e e d l e i n a n a n a e r o b i c s t e r i l e b o t t l e fi l l e d w i t h N 2 g a s * t a k e a 1 . 0 m l g a s s a m p l e f r o m t h e s e r u m b o t t l e h e a d s p a c e * i n j e c t i n t o t r a c e g a s a n a l y z e r ( R G D 2 ) f o r a n a l y s i s B - 6 . I s o t o p i c a s s a y f o r d e t e r m i n i n g n - p r o p a n o l p a t h w a y n - p r o p a n o l a s s a y w a s p e r f o r m e d o n s e r u m v i a l s ( 1 5 8 m l ) . 1 3 C ( l - C ) e t h a n o l ( C a m b r i d g e I s o t o p e , 9 5 % ) w a s u s e d a s s u b s t r a t e . S e r u m v i a l s w e r e v a c u u m fl u s h e d w i t h N ; f o r 0 . 5 h r . 5 0 m l P B B M m e d i u m ( T a b l e A - 5 ) w a s t r a n s f e r e d i n t o s e r u m v i a l s a n d t h e c o n t e n t p H w a s a d j u s t e d t o 7 . 0 u s i n g 8 0 % C O / 2 0 % H 2 g a s . 0 3 a n o f g r a n u l e w a s i n j e c t e d i n t o s e r u m v i a l s u s i n g a l m l s y r i n g e w i t h a 1 8 - g a u g e n e e d l e . 1 3 C ( l - C ) e t h a n o l w a s t h e n a d d e d i n t o t h e s o l u t i o n u s i n g a 3 m l s y r i n g e w i t h a 2 1 - g a u g e n e e d l e . A b o v e p r o c e d u r e w a s c o n d u c t e d u n d e r N 2 a t o m s p h e r e . A q u e o u s s a m p l e s w e r e w i t h d r a w n f r o m s e r u m v i a l s u s i n g a l m l s y r i n g e w i t h a 2 1 - g a u g e n e e d l e a n d w e r e fi l t e r e d t h r o u g h a 0 . 2 p m s y r i n g e fi l t e r . S a m p l e s w e r e t h e n e x t r a c t e d w i t h e t h y l - a c e t a t e ( s e e f o l l o w i n g s e c t i o n ) . 1 3 C n - p r o p a n o l w a s d e t e r m i n e d u s i n g g a s c h r o m a t o g r a p h y / m a s s s p e c t r a , a t a s c a n w a v e l e n g t h o f 4 7 1 - 4 8 5 n m . B - 6 . l P r o t o c o l f o r e x t r a c t i o n o f n - p r o p a n o l * i n a 4 m ] g l a s s v i a l , a d d l m l s a m p l e m i x e d w i t h l m l e t h y l - a c e t a t e ( A l d r i c h , 9 9 . 5 % ) , s h a k e w e l l * p i p e t 0 . 5 m ] t o p l a y e r o f t h e s o l u t i o n i n t o a 1 . 2 m l a u t o s a m p l e r c r i m p v a i l ( t o fl o n l i n e d ) A p p e n d i x B 2 7 8 * a d d 0 . 5 m l e t h y l - a c e t a t e . s e a l t h e v i a l w i t h a l u m i n u m c r i m p , m i x w e l l * s t o r e s a m p l e i n r e f r e g e r a t o r f o r a n a l y s e s B - 7 . M i c r o s c o p y G r a n u l e a n d fl o c s s i z e d i s t r i b u t i o n s w e r e e s t i m a t e d u s i n g a n O l y m p u s D F p l a n b r i g h t fi e l d m i c r o s c o p e . M i c r o b i a l p o p u l a t i o n o b s e r v a t i o n s w e r e p e r f o r m e d o n a n O l y m p u s p h a s e c o n t r a s t m i c r o s c o p e ( m o d e l B H - 2 ) e q u i p p e d w i t h a m e r c u r y l a m p , a n d a C o n f o c o l a s e r b e a n m i c r o s c o p e . T h e a u t o fl u o r e c e n c e o f m e t h a n o g e n s w a s o b s e r v e d w i t h a B O P - 4 9 0 ) e x c i t a t i o n fi l t e r . T r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y C I ' E M ) w a s p e r f o r m e d w i t h a P h i l i p s C M - l O e l e c t r o n m i c r o s c o p e . T h i n s e c t i o n g r a n u l e s a m p l e s w e r e i m m e r s e d i n t o a 2 . 5 % G l u t a r a l d e h y d e s o l u t i o n c o n t a i n i n g a 0 . 1 M p h o s p h a t e b u f f e r ( p H = 7 . 2 ) . T h e r a t i o o f fi x a t i v e t o s a m p l e w a s a p p r o x i m a t e l y 1 0 : 1 ( v / v ) . S a m p l e s w e r e l e f t s u b m e r g e d f o r a w e e k a t 4 ° C t o e n s u r e c o m p l e t e p e n e t r a t i o n o f fi x a t i v e . T h e fi x e d s a m p l e s w e r e r i n s e d t h r e e t i m e s a t r o o m t e m p e r a t u r e u s i n g a 0 . 1 m M p h o s p h a t e b u f f e r ( p H 7 . 2 ) , a n d t h e n p o s t fl x e d w i t h 1 % 0 3 0 4 i n t h e s a m e b u f f e r . T h e s a m p l e s w e r e t h e n d e h y d r a t e d t h r o u g h a g r a d e d s e r i e s o f e t h a n o l s o l u t i o n s a n d p r o p y l e n e o x i d e . F i n a l l y , t h e s a m p l e s w e r e e m b e d d e d i n p o l y b e d 8 1 2 p l a s t i c s . T h i n s e c t i o n s w e r e c u t w i t h a L K B u l t r a t o m e a n d s t a i n e d w i t h 0 . 5 % t o l u i d i n e b l u e . A P P E N D I X C . A p p e n d i x C A p p e n d i x C Q u a l i t y A s s u r a n c e a n d Q u a l i t y C o n t r o l T h i s s e c t i o n d e t a i l s t h e m o n i t o r i n g , s a m p l i n g , s t o r a g e , a n a l y s e s a n d c a l i b r a t i o n p r o c e d u r e s e s t a b l i s h e d t o a s s u r e a n d c o n t r o l t h e q u a l i t y o f a n a l y t i c a l m e a s u r e m e n t s . T h e s e p r o c e d u r e s w e r e u s e d f o r t h e b a t c h k i n e t i c s e x p e r i m e n t s ’ a n d t h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r s . U n l e s s s p e c i fi e d h e r e , t h e Q A / Q C p l a n f o l l o w s t h e r e c o m m e n d a t i o n s g i v e n i n t h e R a d i a n C o r p o r a t i o n d o c u m e n t : " G u i d e l i n e s f o r t h e P r e p a r a t i o n o f G R ] Q u a l i t y A s s u r a n c e P r o j e c t P l a n s " ( A u g u s t 1 9 9 0 ) . C - l . M o n i t o r i n g a n d s a m p l e r e c o r d i n g d u r i n g l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r o p e r a t i o n C r i t i c a l r e a c t o r c o m p o n e n t s a n d p a r a m e t e r s w e r e m o n i t o r e d a n d r e c o r d e d d a i l y . T h e D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t w a s fi l l e d o u t d u r i n g e a c h m o n i t o r i n g c h e c k . A D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t u s e d f o r t h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r i s a t t a c h e d ( A p p e n d i x C 4 ) . D u r i n g u n s t e a d y s t a t e p e r t u r b a t i o n e x p e r i m e n t s , a s e p a r a t e m o n i t o r i n g s h e e t w a s u s e d ( A p p e n d i x C 4 ) . G a s p h a s e s a m p l e d a t a w e r e a v a i l a b l e t h r o u g h a n o n - l i n e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m e q u i p p e d w i t h a p e r s o n a l c o m p u t e r ( 3 8 6 ) . S e p a r a t e fi l e s w e r e c r e a t e d t w i c e a w e e k . D a t a w a s i n g e n e r a l m o n i t o r e d h o u r l y . T h e D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t a l o n g w i t h t h e g a s m o n i t o r i n g fi l e s e r v e d a s t h e o f fi c i a l r e c o r d o f t h e c o n d i t i o n s i n a r e a c t o r o n a n y g i v e n d a y o f a n e x p e r i m e n t . T h e s h e e t a l s o s e r v e d a s t h e o f fi c i a l r e c o r d o f s o m e d i r e c t l y m e a s u r e d p a r a m e t e r s , m i n e r a l m e d i a a n d f e e d p r e p a r a t i o n , c h a n g e s m a d e i n r e a c t o r p a r a m e t e r s , p r o b l e m s e n c o u n t e r e d a n d s a m p l e s c o l l e c t e d . A g e n e r i c l i s t o f t h e i n f o r m a t i o n r e c o r d e d o n D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t i s p r e s e n t e d i n T a b l e C - 1 . 2 7 9 A p p e n d i x C 2 8 0 T a b l e C - l . L i s t o f i n f o r m a t i o n r e c o r d e d o n D a i l y M o n i t o r i n g S h e e t s D i r e c t m e a s u r e m e n t s g a s c o m p o s i t i o n l i q u i d p H g a s p r o d u c t i o n e f fl u e n t V F A / e t h a n o l g a s a n d l i q u i d p h a s e C O / H z i n fl u e n t V F A / e t h a n o l r e a c t o r t e m p e r a t u r e T S S N S S f e e d t e m p e r a t u r e b e d h e i g h t fl o w r a t e ( f e e d / m e d i a / r e c y c l e ) P u m p a n d t u b i n g c h e c k s f e e d p u m p a n d t u b i n g m e d i u m p u m p a n d t u b i n g e f fl u e n t t u b i n g F e e d a n d m i n e r a l p r e p a r a t i o n f e e d s u p p l y m e d i u m s u p p l y T r o u b l e s h o o t i n g g a s c o l l e c t o r p r e s s u r e / fl o a t i n g g r a n u l e e f fl u e n t t u b i n g p r e c i p i t a t i o n p H v a r i a t i o n S a m p l e s t a k e n f o r a n a l y s i s A c e t a t e , p r o p i o n a t e , e t h a n o l C O , H 2 , C H 4 , g a s p r o d u c t i o n r a t e T S S , V S S G n o y d i s c o o n k i m d a d n s t a a t o n p a a d b u i c n t e e c a " b d h a d s q L a a t e c o u n m s u u r o o i s g n t a p u i t k d h i i g c 1 s t - o h n o 2 o p p c n s r i 3 p h i e " a e a s - h t g k w E e a o w x g r a e c e n r e m o . d e l k n i i a n m s t P w h w w e e a a a a k e d r r e r s g l c n a l D a t y a s i i g a p o i r r fi e n i l a t n e a d g s v n i s v fi o o r e i t h n a h e e e e d c 3 t a r i a r d s w e l n w W b e 0 e l e 0 w s o k a p l fi s y ( H fl e e t e y r l 2 p . r G . C o s r f e k s O d a T a t n i h s s , e e s p C r d r . r H n d h o u i c e d r e o T 4 t h a r c e a d t n n b e i s d d i o w " - g n r e H w a e i r s r e s a a e e t r k o r s l t p e r n y o r a t y c F e e a i d d t g r d o m p l u e o b t a o d u c t i o o f " i - n a fi n a e i l t ) s o n A p p e n d i x C 2 8 1 p l o t t e d w i t h t i m e f o r f u r t h e r a n a l y s i s . C - 2 . S a m p l i n g , s t o r a g e , a n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n A s u m m a r y o f t h e v a r i o u s a n a l y s e s p e r f o r m e d a n d t h e m e t h o d s e m p l o y e d a r e p r e s e n t e d i n T a b l e C - 2 . C - 2 . l V F A s , e t h a n o l a n d n - p r o p a n o l C - 2 . l l S a m p l i n g a n d s t o r a g e T h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r a n d M u l t i g e n b e n c h t o p r e a c t o r s a m p l e s w e r e t a k e n w i t h a 5 m l p o l y e t h y l e n e s y r i n g e w h i c h h a s b e e n fl u s h e d w i t h r e a c t o r fl u i d p r i o r t o s a m p l i n g . T h e s a m p l e s w e r e s l o w l y w i t h d r a w n i n t o t h e s y r i n g e t o a v o i d a n y g a s b u b b l e s f r o m f o r m i n g i n t h e s o l u t i o n . S a m p l e s w e r e c o l l e c t e d , t r a n s f e r r e d i n t o 1 . 5 m l e p p e n d o r f t u b e s a n d c e n t r i f u g e d a t 1 2 0 0 0 r p m i n a n e p p e n d o r f c e n t r i f u g e ( B r i n k m a n n m o d e l 5 4 1 5 ) f o r 2 m i n u t e s . A 0 . 8 m l a l i q u o t o f s u p e r n a t a n t w a s t h e n c o l l e c t e d u s i n g a p i p e t t e a n d a c i d i fi e d w i t h 0 . 3 M o x a l i c a c i d a t a r a t i o o f 1 / 1 0 ( a c i d / s a m p l e ) i n a 1 . 2 m l a u t o s a m p l e r c r i m p v i a l . A p p e n d i x C 2 8 2 T a b l e C - 2 . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r s a m p l e s f r o m l a b o r a t o r y b e n c h — s c a l e U A S B a n d b a t c h e x p e r i m e n t s P a r a m e t e r M e t h o d V F A s / e t h a n o l , p r o p a n o l G a s C h r o m a t o g r a p h y w i t h p a c k e d c o l u m n / F I D C O / H z R e d u c t i o n G a s D e t e c t i o n u s i n g a H g r e a c t i o n b e d a n d p h o t o d i o d e d e t e c t o r C H 4 I n f r a r e d g a s a n a l y z e r , G a s p r o d u c t i o n l i q u i d d i s p l a c e m e n t / c o n d u c t i v i t y T S S d r y a t 1 0 5 ° C * T S e v a p o r a t e a t 6 0 ° C , d r y a t 1 0 5 ° C * V S S i g n i t i o n a t 5 5 0 ° C * V S i g n i t i o n a t 5 5 0 ° C * * i n a c c o r d a n c e w i t h S t a n d a r d M e t h o d s [ l 6 t h e d . ] F i n a l l y , t h e s a m p l e s w e r e s e a l e d w i t h a T e fl o n l i n e r a n d a l u m i n u m c r i m p . T h e s a m p l e v i a l s w e r e e i t h e r i m m e d i a t e l y a n a l y z e d o r s t o r e d a t 0 ° C . S t o r e d s a m p l e s w e r e a l l a n a l y z e d w i t h i n o n e w e e k . C - 2 . 1 2 A n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n L i q u i d s a m p l e s w e r e a n a l y z e d f o r V F A w i t h a H P 5 8 9 0 G a s C h r o m a t o g r a p h , e q u i p p e d w i t h a p a c k e d c o l u m n , F I D , a n d H P 7 6 7 3 A a u t o m a t o r i n j e c t o r . S e p a r a t i o n w a s a c c o m p l i s h e d u s i n g a 4 % C a r b o w a x o r g a n i c p h a s e o n a 8 0 / 1 2 0 c a r b o p a c P c o l u m n , I D 2 m , 2 m i n l e n g t h ( S u p e l c o ) . N 2 w a s u s e d a s t h e c a r r i e r g a s ( 1 6 - 2 0 m l / m i n ) . C o l u m n A p p e n d i x C 2 8 3 t e m p e r a t u r e w a s p r o g r a m m e d f o r b e t t e r p e a k s e p a r a t i o n . T h r e e d i f f e r e n t p r o g r a m s ( w o r k i n g fi l e s 5 , 7 , 8 ) w e r e u s e d f o r s a m p l e a n a l y s i s a c c o r d i n g t o t h e c o n c e n t r a t i o n r a n g e a n d s p e c i e s o f i n t e r e s t . A n a l y s i s c o n d i t i o n s a r e l i s t e d i n T a b l e C - 3 . S t a n d a r d c a l i b r a t i o n c u r v e s w e r e m a d e u s i n g a n i n t e r n a l s t a n d a r d m e t h o d . P r o p i o n a t e w a s s e l e c t e d a s a n i n t e r n a l s t a n d a r d f o r a c e t a t e c a l i b r a t i o n . E i g h t l e v e l s o f a c e t a t e s t a n d a r d c o n c e n t r a t i o n s , r a n g i n g f r o m 0 . 1 t o 2 0 m M , w e r e u s e d f o r c a l i b r a t i o n u s i n g b o t h w o r k fi l e 7 a n d 8 , a n d w e r e c o m p a r e d f o r l i n e a r i t y a t l o w r a n g e a n d h i g h r a n g e ( F i g u r e C - l a n d C - 2 ) . S t a n d a r d c o n c e n t r a t i o n s o f a c e t a t e a t 0 . 0 1 - 0 . 0 5 m M w e r e u s e d f o r c a l i b r a t i o n w i t h w o r k fi l e 5 . L i n e a r i t y d i d n o t e x i s t f o r w o r k fi l e 7 a t c o n c e n t r a t i o n s l o w e r t h a n 1 m M ( F i g u r e C — l ) . I t w a s d e t e r m i n e d t h a t t h e c o n d i t i o n s i n w o r k fi l e 8 w e r e b e t t e r f o r a c c u r a t e l y q u a n t i f y i n g l o w c o n c e n t r a t i o n s ( 0 . 1 - 1 m M ) o f a c e t a t e , w o r k fi l e 7 w a s b e s t f o r t h e h i g h c o n c e n t r a t i o n r a n g e ( > l m M ) a n d w o r k fi l e 5 T a b l e C - 3 . G C o p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s f o r V F A s a n a l y s i s P a r a m e t e r s w o r k fi l e 7 w o r k fi l e 8 w o r k fi l e 5 G a s fl o w r a t e N 2 l 6 - 2 0 m l / m i n 1 6 - 2 0 m l / m i n l 6 - 2 0 m l / m i n H 2 3 0 m l / m i n 3 0 m l / m i n 3 0 m l / m i n a i r 3 0 0 m l / m i n 3 0 0 m 1 / m i n 3 0 0 m l / m i n c o l u m n h e a d p r e s s u r e 5 0 p s i 5 0 p s i 5 0 p s i T e m p e r a t u r e i n j e c t i o n p o r t 2 0 0 ° C 1 9 0 ° C 1 9 0 ° C c o l u m n 1 7 5 ° C 1 4 0 ' 2 2 0 0 C ’ - 1 4 0 0 c r a m p 5 ° C / m 1 n d e t e c t o r 2 0 0 ° C 2 2 0 ° C 2 2 0 ° C A p p e n d i x C 2 8 4 f o r m i c r o m o l a r l e v e l q u a n t i t a t i o n . S i n c e t h e r e s p o n s e o f p r o p i o n a t e . b u t y r a t e a n d i s o - b u t y r a t e w e r e p r o p o r t i o n a l t o a c e t a t e u n d e r t h e c o n d i t i o n s u s e d , b u t y r a t e a n d p r o p i o n a t e s t a n d a r d s w e r e m a d e t o g e t h e r w i t h a c e t a t e , a t 5 m M f o r e a c h c o m p o n e n t . T h e a c e t a t e , p r o p i o n a t e , a n d b u t y r a t e s t a n d a r d w a s a n a l y z e d a l o n g w i t h s a m p l e s t o c h e c k a n y c h a n g e i n r e s p o n s e s c a l e . A d j u s t m e n t w a s m a d e a s r e q u i r e d . S a m p l e c o n c e n t r a t i o n w a s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e s t a n d a r d c u r v e . T h e d e t e c t i o n l i m i t f o r a c e t a t e w a s 4 m m , 0 . 1 m M a n d 1 m M u s i n g w o r k fi l e s 5 , 8 a n d 7 , r e s p e c t i v e l y . P r o p i o n a t e , i s o - b u t y r a t e a n d b u t y r a t e d e t e c t i o n l i m i t s w e r e 0 . 1 m M , 0 . 1 m M a n d 0 . 1 m M w i t h w o r k fi l e 8 . S t a n d a r d c u r v e s f o r 2 - m e t h y l — b u t y r a t e , n - v a l e r a t e , i s o - v a l e r a t e w e r e m a d e s e p a r a t e l y , a s e x t e r n a l s t a n d a r d s . T h e s e a c i d s w e r e a n a l y z e d u s i n g w o r k fi l e 8 . D e t e c t i o n l i m i t s w e r e 0 . 0 4 m M , 0 . 3 m M a n d 0 . 1 m M f o r 2 - m e t h y l - b u t y r a t e , n - v a l e r a t e a n d i s o - v a l e r a t e , r e s p e c t i v e l y . T h e V F A s t a n d a r d w a s fi x e d w i t h 0 . 3 M o x a l i c a c i d a t 1 / 1 0 ( a c i d / s t a n d a r d ) , p r e p a r e d o n c e a m o n t h a n d s t o r e d a t 0 ° C w h e n n o t i n u s e . E t h a n o l a n d n - p r o p a n o l s t a n d a r d s ( e x t e m a l s t a n d a r d s ) , w e r e p r e p a r e d w i t h o u t a c i d i fi c a t i o n . T h e e t h a n o l s t a n d a r d w a s m a d e o n c e a m o n t h a n d s t o r e d a t 0 ° C . E t h a n o l a n d n - p r o p a n o l w e r e a n a l y z e d u s i n g w o r k fi l e 8 . T h e d e t e c t i o n l i m i t f o r e t h a n o l w a s 0 . 0 1 m M a n d f o r n - p r o p a n o l i t w a s 0 . 0 5 m M . C - 2 . 2 F o r m a t e C - 2 . 2 1 S a m p l i n g , a n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n F o r m a t e w a s a n a l y z e d f o r e n z y m a t i c a l l y u s i n g f o r m a t e d e h y d r o g e n a s e . F o r m a t e d e h y d r o g e n a s e h a v e t h e f o l l o w i n g r e a c t i o n w h e n N A D i s p r e s e n t u s i n g f o r m a t e a s A p p e n d i x C 2 8 5 s u b s t r a t e : H C O O ' + N A D + + H 2 — > H C O 3 ' + N A D H + H + T h e a m o u n t o f N A D H , a s m e a s u r e d b y t h e e x t i n c t i o n c h a n g e a t 3 6 5 n m , i s p r o p o r t i o n a l t o t h e a m o u n t o f f o r m a t e p r e s e n t . T h e e x t i n c t i o n c h a n g e w a s m e a s u r e d u s i n g a s p e c t r o p h o t o m e t e r ( U V l 6 0 , S h i m a d z u ) . T h e p r o p o r t i o n a l i t y f a c t o r w a s d e t e r m i n e d b y s t a n d a r d i z a t i o n o f t h e a s s a y w i t h f o r m a t e s t a n d a r d s . T h e m a x i m u m v a l u e o f t h e e x t i n c t i o n - t i m e c u r v e w a s r e c o r d e d . B o t h s t a n d a r d a n d s a m p l e s w e r e a d j u s t e d w i t h b l a n k s ( w i t h o u t N A D ) . S a m p l e f o r m a t e c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d u s i n g t h e s t a n d a r d c u r v e . S a m p l e s w e r e fi r s t a d j u s t e d t o p H o f 7 . 0 - 7 . 5 u s i n g 1 N N a O H . D e t a i l s o f t h e p r o c e d u r e w e r e c o n d u c t e d a c c o r d i n g t o " M e t h o d s o f e n z y m a t i c a n a l y s i s " [ B e r g m e y e r , H . R . ] . C - 2 . 3 G a s p h a s e a n a l y s i s C - 2 . 3 l G a s s a m p l i n g l o o p a n d i n s t r u m e n t a t i o n G a s p h a s e C O , H 2 , C H 4 a n d g a s p r o d u c t i o n f r o m b e n c h - s c a l e U A S B w e r e s a m p l e d a n d a n a l y z e d o n - l i n e . G a s s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d f r o m a g a s l o o p c o n n e c t e d t o r e a c t o r h e a d s p a c e ( 2 0 0 m 1 ) . T o r e m o v e m o i s t u r e i n g a s s t r e a m , a c o n d e n s e r w a s p l a c e d a t t h e t o p o f t h e r e a c t o r p r i o r t o w h e r e t h e g a s e n t e r e d t h e g a s l o o p , t o d r y t h e g a s a n d p r e v e n t c o n d e n s a t i o n i n t h e g a s l o o p i t s e l f . T h e r e a c t o r g a s l o o p s e t - u p i s p r e s e n t e d i n F i g u r e V I I I - 1 . T h e g a s s t r e a m w a s p u m p e d a t a fl o w r a t e o f 0 . 5 L / m i n c o n t i n u o u s l y i n t o a n i n f r a r e d M e t h a n e A n a l y z e r ( A D C S B l O O ) f o r o n - l i n e q u a n t i t a t i o n . G a s p r o d u c e d w a s A p p e n d i x C 2 8 6 c o l l e c t e d i n t o a t h r e e - w a y v a l v e . T h e v a l v e a l s o c o n n e c t e d t o a g a s m e t e r ( h o u s e m a d e b y M B I ) a n d a e x h a u s t p i p e . G a s p r o d u c e d w a s c o n t i n u o u s l y f o r w a r d e d t h r o u g h t h e g a s m e t e r a n d t h e n v e n t e d o u t o f t h e s y s t e m . G a s s a m p l e s w e r e i n t r o d u c e d i n t o a t r a c e g a s a n a l y z e r ( R G A 3 ) f o r C O a n d H 2 a n a l y s i s f r o m r e a c t o r h e a d s p a c e v i a a u t o m a t e d a c t u a t e d g a s s a m p l i n g v a l v e s . A l O - p o r t , i n - l i n e g a s s a m p l i n g v a l v e w a s c o n n e c t e d t o a t r a c e g a s l o o p ( 2 5 0 m l , w i t h i n t h e i n s t r u m e n t ) t h a t r e a c t o r h e a d s p a c e w a s c o n t i n u o u s l y p u m p e d t h r o u g h . D u r i n g l o a d p o s i t i o n , t r a c e g a s l o o p i s s e p a r a t e d f r o m c o l u m n . C a r r i e r g a s N 2 fl o w i n c o l u m n i s r e v e r s e d . T h e c o m p o n e n t s r e m a i n i n g i n c o l u m n a r e b a c k fl u s h e d t o v e n t w i t h t h e c a r r i e r g a s . I n t h e i n j e c t p o s i t i o n , t r a c e g a s s a m p l e l o o p a n d c o l u m n a r e c o n n e c t e d i n s e r i e s . C O a n d H 2 a r e a l l o w e d t o e l u t e f r o m c o l u m n t o d e t e c t o r . S a m p l e i n l e t a n d o u t l e t l i n e s w e r e s h o r t e d i n o r d e r t o p r o v i d e c o n t i n u i t y o f s a m p l e fl o w . C - 2 . 3 2 C O a n d H 2 a n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n S a m p l e c o m p o n e n t s o f i n t e r e s t ( H 2 a n d C O ) w e r e s e p a r a t e d c h r o m a t o g r a p h i c a l l y w i t h i n a n i s o t h e r m a l m a n d r e l - h e a t e d c o l u m n o v e n i n a R e d u c e d G a s A n a l y z e r ( R G A 3 , T r a c e A n a l y t i c a l ) a n d q u a n t i t a t e d b y a r e d u c e d g a s d e t e c t i o n m e t h o d . S p e c i e s e l u t i n g ~ f r o m t h e c h r o m a t o g r a p h i c c o l u m n p a s s i m m e d i a t e l y i n t o t h e d e t e c t o r w h i c h c o n t a i n s a h e a t e d b e d o f m e r c u r i c o x i d e . T h e f o l l o w i n g r e d u c t i o n r e a c t i o n o c c u r s : H g O z + X — ) X O + H g ( v ) w h e r e X i s t h e r e d u c e d g a s s p e c i e s . T h e m e r c u r y v a p o r p r o d u c e d b y t h e r e a c t i o n i s q u a n t i t a t e d b y a u l t r a v i o l e t p h o t o d i o d e . T h e d e t e c t i o n l i m i t s f o r H 2 a n d C O w e r e 4 0 p p b a n d 4 . 0 p p b , r e s p e c t i v e l y . A s p h e r o c a r b 6 0 / 8 0 p a c k e d c o l u m n w a s u s e d i n R e d u c e d G a s A n a l y z e r ( R G A 3 , a n d R G A Z ) . O p e r a t i o n a l c o n d i t i o n s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e C - 4 . A p p e n d i x C 2 8 7 D a t a a n a l y s i s w a s p e r f o r m e d a u t o m a t i c a l l y b y t h e i n t e g r a t o r / c o n t r o l l e r m o d u l e ( I C M ) i n t h e R G A 3 . T h e I C M c o n s i s t e d o f a s i n g l e b o a r d c o m p u t e r . I t w a s p r o g r a m m e d f o r c o m p l e t e o p e r a t i o n , i n c l u d i n g s a m p l e c o l l e c t i o n ( t i m e d e v e n t s ) , z e r o i n g , d e t e c t o r s i g n a l n o i s e fi l t e r i n g , p e a k d e t e c t i o n a n d i n t e g r a t i o n , c o m p o n e n t s i d e n t i fi c a t i o n , c a l i b r a t i o n a n d s e l f - t e s t i n g . T h e o p e r a t i o n o f I C M w a s m o n i t o r e d b y t h e p r o g r a m i n t h e h o s t c o m p u t e r t h r o u g h t h e O p t o - 2 2 a n a l o g / d i g i t a l i n t e r f a c e b o a r d . I C M p r o g r a m s e t - u p f o r C O a n d H 2 u s e d i n t h e s t u d y i s s h o w n i n T a b l e 0 5 . T a b l e C - 4 . R e d u c e d G a s A n a l y z e r o p e r a t i n g c o n d i t i o n s C o l u m n t e m p e r a t u r e 9 0 ° C D e t e c t o r t e m p e r a t u r e 2 6 5 ° C C a r r i e r g a s fl o w r a t e 1 6 : 0 . S m l / m i n S a m p l e v o l u m e 2 5 0 m L I n j e c t i o n t i m e 7 0 5 B a c k fl u s h t i m e 1 9 m i n - 5 5 m i n N 2 g a s p r e s s u r e 3 0 p s i g A i r p r e s s u r e 2 5 p s i g T r a c e g a s H 2 a n d C O c a l i b r a t i o n w a s c o n d u c t e d u s i n g t h e I C M w i t h 1 0 . 4 p p m C O ( i n N 2 , S p e c i a l t y G a s ) a n d 5 0 . 3 a n d 9 5 . 2 p p m H 2 ( i n N 2 , S p e c i a l t y G a s ) . F o r k i n e t i c a s s a y s , H 2 a n d C O w e r e d e t e r m i n e d o n a R G A 2 g a s c h r o m a t o g r a p h w i t h a R G D 2 r e d u c e d g a s d e t e c t o r . T h e o p e r a t i o n c o n d i t i o n s w e r e 9 0 ° C f o r t h e c o l u m n a n d 2 6 5 ° C f o r t h e d e t e c t o r . B a c k fl u s h t i m e w a s s e t a t f o u r m i n u t e s u s i n g a t i m e r ( E a g l e S i g n a l ) . C a r r i e r g a s ( N 2 ) fl o w c o n d i t i o n s w e r e s a m e a s R G A 3 . C a l i b r a t i o n w a s m a d e b y i n j e c t l m l a l i q u o t s o f l O l p p m a n d 5 0 . 3 p p m H 2 s t a n d a r d ( i n N 2 , S p e c i a l t y G a s ) , a n d l m l a l i q u o t s o f 1 0 . 2 p p m a n d 5 . 3 7 p p m C O s t a n d a r d ( i n N 2 , S p e c i a l t y G a s ) . A l l s a m p l e H 2 a n d A p p e n d i x C 2 8 8 C 0 c o n c e n t r a t i o n s w e r e c a l c u l a t e d f r o m a s t a n d a r d r e s p o n s e ( p e a k h e i g h t s ) f a c t o r c a l c u l a t e d f r o m t h e s t a n d a r d i n j e c t i o n s . S t a n d a r d s w e r e i n j e c t e d w i t h e v e r y b a t c h o f s a m p l e s . T h e d e t e c t i o n l i m i t o f R G D 2 w e r e 3 . 8 p p m a n d 0 . 5 p p m , f o r H 2 a n d C O , r e s p e c t i v e l y . A p p e n d i x C T a b l e C - 5 . I C M 3 p 8 9 a r a m e t e r s p r o g r a m m i n g D e t e c t o r t e s t : x 8 2 5 m v r a n g e : x 1 I C M T a b l e - p e a k - g a t e : p k 0 1 o n 0 0 1 2 5 o f f 0 0 2 5 5 p k 0 2 o n 0 0 3 8 s o f f 0 0 5 2 5 E v e n t - i n t e g r a t o r - l : o n 0 0 1 0 5 o f f 0 0 9 0 5 T e s t - d e t e c t o r - r a w : s p a n 3 2 m v - s m o o t h : fi l t e r x 8 - s l o p e : p k 0 1 0 1 4 5 — > 2 0 5 p k 0 2 0 4 0 5 — - ) 7 0 5 T a b l e - fi l t e r - s e n s e : 2 0 0 m V - s l i c e : 0 . 1 2 5 5 T a b l e - p e a k - S T D : p k 0 1 l O O p p m T o ] 1 0 0 % p k 0 2 1 0 . 4 p p m T o l 1 0 0 % u n i t : p p m m e t h o d : e x t e r n a l n a m e : p k 0 1 H 2 p k 0 2 C O T a b l e - v a l v e - a u t o : 0 . 0 0 4 5 T a b l e - s t r e a m - S E Q : 0 1 - 0 0 - 0 0 0 — 0 0 0 T a b l e - e x t . s t a r t - a c t i v e : o n a l a r m : l o w T a b l e - t r e n d - T r O l s t r m 0 1 c o m p 0 1 z e r o 0 . 0 4 s p a n 1 0 0 0 T r 0 2 s t r m 0 1 c o m p 0 2 z e r o 0 . 0 0 4 s p a n 1 . 0 E v e n t - 1 ~ 0 1 ( c y c l e t i m e ) : 0 1 8 0 5 A p p e n d i x C 2 9 0 T a b l e S - C . ( C o n t ' d ) l - 0 2 ( s t e p t i m e ) : 0 0 0 1 5 l - 0 3 ( p r o c e s s d a t a ) : 0 1 7 0 5 l - 0 4 ( i n t e g r a t o r o n ) : 0 0 1 4 s l - 0 5 ( i n t e g r a t o r o f t ) : 0 0 9 0 5 l - - 1 0 ( z e r o ) : 0 0 0 1 5 1 - 1 3 ( fi l t e r o n ) : 0 0 0 1 5 C - 2 . 3 3 D i s s o l v e d H 2 a n d C O C - 2 . 3 3 l S a m p l i n g a n d s t o r a g e L i q u i d s a m p l e s ( 1 0 m l ) w e r e t a k e n f r o m b e n c h U A S B r e a c t o r u s i n g a 1 0 m l s y r i n g e . T h e s a m p l e s w e r e i n j e c t e d i n t o 5 8 m l a n a e r o b i c s t e r i l i z e d s e r u m b o t t l e s e a l e d w i t h a r u b b e r s t o p p e r a n d a l u m i n u m c r i m p . B o t t l e s w e r e t h e n b r o u g h t i n t o e q u i l i b r i u m i n a w a t e r S h a k e r ( A m e r i c a n S c i e n t i fi c Y B - 5 2 1 ) a t 3 7 ° C a t s e t t i n g 8 f o r 5 m i n u t e s . N a O H w a s p l a c e d i n t h e b o t t l e t o o b t a i n a fi n a l c o n c e n t r a t i o n o f 0 . 5 N . D i s s o l v e d H 2 a n d C O w e r e a n a l y z e d i m m e d i a t e l y . C - 2 . 3 3 2 A n a l y s e s a n d C a l i b r a t i o n D i s s o l v e d H 2 a n d C O w e r e m e a s u r e d b y i n j e c t i n g l m l s e r u m b o t t l e h e a d s p a c e s a m p l e i n t o a r e d u c e d g a s a n a l y z e r ( R G A 2 a n d R G D 2 ) . G C c o n d i t i o n s w e r e e x a c t l y s a m e a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n C 2 - 3 . 2 . B a c k g r o u n d s a m p l e o f t h e s e r m n b o t t l e s w e r e t a k e n . R w s e t e p a r l n e i d c a c a r a t d l e c i n u i n j e c t i o n l a t e j e c t d i f n o r s s o w m e a . S t a r e m a s n t d a a n r d d d a s e r d w f e r o r r e e e a c h s e a w e m d e p l e . A l l a w k i h e t h i e g h t v e s r s a y ) m p f b l e a a c t t c o h H r 3 o c a f a n l s c a d u m C a l p t i o n s 0 c t e d o f n r c o n e m t t r h a e l e s . D e t a i l e d s p i o n n s j e c t A p p e n d i x C 3 9 1 p r o t o c o l f o r d i s s o l v e d H 2 a n d C O a n a l y s e s r e f e r t o A p p e n d i x B 5 - 2 . ( 2 - 2 . 3 4 C H 4 C - 2 . 3 4 1 S a m p l i n g , S t o r a g e , A n a l y s e s a n d C a l i b r a t i o n T h e g a s e o u s s a m p l e i n t h e b e n c h U A S B r e a c t o r fl o w e d c o n t i n u o u s l y t h r o u g h t h e a n a l y s i s c e l l o f t h e i n s t r u m e n t ( A D C ) , w h i c h i s s i t u a t e d b e t w e e n a h o t w i r e s o u r c e a n d t h e i n f r a r e d ( I R ) d e t e c t o r . M e t h a n e a b s o r b s e n e r g y f r o m t h e I R s o u r c e a n d r e d u c e s t h e a m o u n t r e a c h i n g t h e d e t e c t o r . O u t p u t s i g n a l f r o m t h e d e t e c t o r w a s c o l l e c t e d , a n d s t o r e d i n t h e P a r a g o n p r o g r a m o f t h e h o s t c o m p u t e r . C a l i b r a t i o n a n d z e r o i n g w e r e p e r f o r m e d w e e k l y . T h e z e r o w a s a d j u s t e d s e p a r a t e l y a t p o w e r o f f ( m e c h a n i c a l a d j u s t m e n t ) a n d p o w e r o n u s i n g a i r . T h e s p a n w a s a d j u s t e d w i t h 9 9 . 9 % C H 4 s t a n d a r d g a s a t fl o w r a t e o f 0 . 5 L / m i n f o r 1 5 m i n u t e s a f t e r w a r m i n g u p t h e i n s t r u m e n t . F o r k i n e t i c a s s a y s , m e t h a n e w a s d e t e r m i n e d b y a g a s c h r o m a t o g r a p h u s i n g m a n u a l i n j e c t i o n . G a s s a m p l e w a s c o l l e c t e d f r o m t h e M u l t i g e n r e a c t o r h e a d s p a c e a n d i n j e c t e d 0 . 1 m ] a l i q u o t s i n t o t h e G C i m m e d i a t e l y . T w o a l i q u o t s w e r e i n j e c t e d a n d a v e r a g e d . T h e G C u s e d w a s a H e w l e t t - P a c k a r d 5 8 9 0 w i t h a fl a m e i o n i z a t i o n d e t e c t o r . S a p a r a t i o n w a s a c c o m p l i s h e d w i t h a S u p e l c o I n c . V O C A L c a p i l l a r y c o l u m n ( 3 0 m , 0 . 5 3 m m I D , 3 . 0 m m fi l m ) . G C c o n d i t i o n s w e r e : O v e n 4 5 ° C , D e t e c t o r 2 0 0 ° C , I n j e c t o r 1 5 0 ° C . C a l i b r a t i o n w a s m a d e b y i n j e c t i n g 0 . 1 m l a l i q u o t s o f 9 9 . 9 9 % m e t h a n e s t a n d a r d g a s ( A G A , s p e c t i a l t y ) . A l l s a m p l e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n s w e r e d e t e r m i n e d b a s e d o n s t a n d a r d r e s p o n s e ( p e a k a r e a ) f a c t o r c a l c u l a t e d f r o m t h e s t a n d a r d i n j e c t i o n s . S t a n d a r d s w e r e i n j e c t e d w i t h e v e r y b a t c h o f s a m p l e s . A p p e n d i x C 3 9 3 C - 2 . 3 5 G a s p r o d u c t i o n G a s v o l u m e p r o d u c e d i n t h e r e a c t o r w a s m e a s u r e d b y m e a n s o f l i q u i d d i s p l a c e m e n t a n d c h a n g e o f c o n d u c t i v i t y . A t h r e e - w a y v a l v e w a s c o n n e c t e d t o t h e r e a c t o r h e a d s p a c e , t h e g a s m e t e r , a n d a n e x h a u s t p a r t . T h e g a s p r o d u c e d d e p r e s s e d t h e l i q u i d l e v e l i n t h e g a s m e t e r ( F i g u r e C - 3 , p o s i t i o n l ) f r o m fi r s t t o s e c o n d e l e c t r o d e u n t i l t h e v o l u m e b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s w a s c o m p l e t e l y d i s p l a c e d r e p l a c e d b y t h e g a s ( p o s i t i o n 2 ) . T h e c h a n g e o f c o n d u c t i v i t y ( f r o m w a t e r t o g a s ) w a s t h e n t r a n s m i t t e d i n t o a d i g i t a l s i g n a l t o a c o u n t e r . T h e g a s c o u n t w a s r e c o r d e d a n d s t o r e d i n t h e P a r a g o n . T h e t h r e e - w a y v a l v e w a s t h e n a c t u a t e d a n d t h e " p a c k e t " o f g a s v e n t e d ( p o s i t i o n 2 ) . T h e v a l v e w a s i m m e d i a t e l y p l a c e d b a c k t o t h e o r i g i n a l p o s i t i o n w h i l e t h e l i q u i d l e v e l i n t h e g a s m e t e r r e t u r n e d t o t h e fi r s t e l e c t r o d e l e v e l ( p o s i t i o n 1 ) . T h e g a s m e t e r w a s c a l i b r a t e d b y i n j e c t i n g a i r t h r o u g h t h e g a s m e t e r u s i n g a 1 5 m l s y r i n g e . T h e g a s c o u n t s a n d v o l u m e i n j e c t e d w e r e r e c o r d e d . F i v e t o t e n i n j e c t i o n s w e r e m a d e t o o b t a i n a n a v e r a g e d g a s v o l u m e p e r c o u n t f o r c a l c u l a t i o n o f g a s p r o d u c t i o n . T h e c a l i b r a t i o n w a s m a d e e v e r y s i x m o n t h s . L i q u i d l e v e l o f g a s m e t e r r e s e r v o i r w a s fi l l e d e v e r y 2 m o n t h s . G a s m e t e r e l e c t r o d e s w e r e c l e a n e d w i t h 0 . 3 M o x a l i c a c i d s o l u t i o n e v e r y 2 m o n t h s t o r e m o v e a n y b i o fi l m b u i l d . A p p e n d i x C 2 9 3 C - 2 . 3 6 C O : C — 2 . 3 6 l S a m p l i n g a n d s t o r a g e G a s s a m p l e s ( 0 . 6 m l ) w e r e t a k e n i n 1 . 0 m l g a s t i g h t s y r i n g e f r o m t h e M u l t i g e n r e a c t o r h e a d s p a c e . S a m p l e s w e r e t a k e n d i r e c t l y t o t h e g a s c h r o m a t o g r a p h f o r i m m e d i a t e a n a l y s e s . C - 2 . 3 6 2 A n a l y s e s a n d C a l i b r a t i o n C a r b o n d i o x i d e w e r e m e a s u r e d b y i n j e c t i n g M u l t i g e n r e a c t o r h e a d s p a c e s a m p l e s i n t o t h e g a s c h r o m a t o g r a p h . T h e G C u s e d w a s a G O W - M A C s e r i e s 5 8 0 w i t h a T C D . S e p a r a t i o n w a s a c c o m p l i s h e d w i t h a S u p e l c o , I n c . c a r b o s p h e r e 8 0 / 1 0 0 p a c k e d c o l u m n ( 1 / 8 i n 8 . 8 . , 6 f t ) . G C c o n d i t i o n s w e r e : I n j e c t o r 1 0 0 ° C , D e t e c t o r 1 5 0 ° C , O v e n l 5 0 ° C . C a l i b r a t i o n w a s m a d e b y i n j e c t i n g 0 . 6 m ] a l i q u o t s o f 2 0 % C O Z / 8 0 % N 2 ( A G A , s p e c i a l t y ) . T h e c a l c u l a t e d r e s p o n s e ( p e a k a r e a ) f a c t o r w a s u s e d t o c a l c u l a t e a l l c o n c e n t r a t i o n s . S t a n d a r d s w e r e i n j e c t e d w i t h e v e r y b a t c h o f s a m p l e s . C - 2 . 4 . T o t a l S u s p e n d e d S o l i d s ( T S S ) a n d V o l a t i l e S u s p e n d e d S o l i d s ( V S S ) C - 2 . 4 1 S a m p l i n g a n d s t o r a g e E f fl u e n t s a m p l e s f r o m t h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r w e r e w i t h d r a w n f r o m t h e e f fl u e n t p o r t c o n t i n u o u s l y o v e r 2 0 - 2 4 h o u r s t o p r o v i d e a t i m e - i n t e g r a t e d s a m p l e . T h e e f f l u e n t fl o w w a s c o l l e c t e d i n a 2 L c y l i n d e r . S i n c e o c c a s i o n a l l y s o m e fl o a t i n g g r a n u l e s e s c a p e d f r o m t h e r e a c t o r b e d i n t o t h e e f fl u e n t ( w h i c h m a y i n t e r f e r e w i t h t h e A p p e n d i x C 2 9 4 s u s p e n d e d s o l i d s m e a s u r e m e n t ) . a n y g r a n u l e s s e t t l e d i n t h e b o t t o m o f t h e c y l i n d e r w e r e r e m o v e d . F o r a n a l y s e s , 5 0 m l m i x e d a l i q u o t s w e r e fi l t e r e d i n a v a c u u m fi l t e r t h r o u g h 4 . 5 c m W h a t m a n 9 3 4 A H g l a s s fi b e r fi l t e r p a p e r . C - 2 . 4 2 A n a l y s i s F i l t e r s w e r e d r i e d a t 1 0 5 ° C o v e r n i g h t f o r T S S , i g n i t e d a t 5 5 0 ° C f o r V S S , u s i n g a n a l u m i n u m d i s h , a n d w e i g h e d a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 2 0 9 C & D o f S t a n d a r d M e t h o d s [ l 9 8 5 ] . A l l w e i g h t s a n d v o l u m e s w e r e r e c o r d e d o n a S o l i d s D a t a S h e e t ( a t t a c h e d A p p e n d i x C 4 . ) B l a n k fi l t e r s w e r e p r e p a r e d p r i o r t o s a m p l e a n a l y s i s . F o r b l a n k s , 5 0 m l d e i o n i z e d d i s t i l l e d w a t e r w a s fi l t e r e d , d r i e d , i g n i t e d a c c o r d i n g t o t h e s a m e p r o c e d u r e a s f o r t h e s a m p l e s . T h e b l a n k s w e r e s t o r e d i n a v a c u u m d e s s i c a t o r . B l a n k s w e r e w e i g h e d p r i o r t o s a m p l e fi l t e r i n g . C - 2 . 5 . T o t a l S o l i d s ( T S ) a n d V o l a t i l e S o l i d s ( V S ) f o r g r a n u l e s C - 2 . 5 1 S a m p l i n g a n d s t o r a g e G r a n u l a r s l u d g e s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d f r o m t h e l a b o r a t o r y b e n c h - s c a l e U A S B r e a c t o r t h r o u g h t h e b e d d i s c h a r g e p o r t . T h e g r a n u l e s a m p l e s f r o m t h e M u l t i g e n r e a c t o r w a s c o l l e c t e d u s i n g a 3 m l s y r i n g e c o n n e c t e d t o a p i e c e o f 1 . 6 m m I D T e fl o n t u b i n g . S a m p l e s w e r e s e t t l e d i n a 2 5 m l g l a s s c y l i n d e r c o v e r e d w i t h p a r a fi l m f o r 2 0 - 3 0 m i n u t e s . S o l i d s v o l u m e w a s t h e n r e c o r d e d . S a m p l e s w e r e t r a n s f e r r e d i n t o p r e w e i g h e d p o r c e l a i n c r u c i b l e s f o r a n a l y s i s . h t a n d e v a u r t e 9 r C a i & n g D T d [ B n h t i t l l n i t i o n a e i 9 a n s n k n c 5 a s ] a o h e o n 8 d m w t . w o p e l i l i e s g l h l ° , 0 e g A 5 r n 5 e w C w e p e e d r b e l r f i f a p e o o g r h r a n r k h a 2 i o 0 f g o t t e s c o n t e p a a d i r u o l n c h n r d i a t s o o u l r v l h t b i e , o d d l e e s s i n s a s u w a a m m e a a e s e d n e r e 6 y c l s w w s s r 0 s a r e t i ° y i o . e C b r e a e v o r e o d V s d e c n e n l i d i n o a t i l o s t d r S a c e d r v i a e e v a r S d e . c n b g f n o d u i l a r u i d d m o r s M d e s ( e V t a s d d w e r , t i e e r s d e e a t d t c e i s . A o r . f B t l 1 t 0 e o a e n n r r d k r o n e 5 ° C m i n f e o d r s y i w n e g r , e S h ) o m s p i l c a A p p e n d i x C 2 9 5 C - 2 . 5 2 A n a l y s i s w e i g h e d p r i o r t o s a m p l e c o l l e c t i o n . C - 2 . 6 L i t h i u m C - 2 . 6 l S a m p l i n g a n d s t o r a g e L i t h i u m s a m p l e s o f 5 m l w e r e c o l l e c t e d f r o m t h e s a m p l i n g p o r t o f t h e b e n c h U A S B r e a c t o r , fi l t e r e d t h r o u g h a 0 . 2 u m s y r i n g e fi l t e r , a n d t r a n s f e r r e d i n t o a 1 0 m l g l a s s t u b e . T h e s a m p l e s w e r e s t o r e d a t 0 ° C . S t o r e d s a m p l e s w e r e a l l a n a l y z e d w i t h i n o n e w e e k . C - 2 . 6 2 A n a l y s i s a n d c a l i b r a t i o n L i t h i u m c o n c e n t r a t i o n w a s d e t e r m i n e d b y F l a m e E m i s s i o n S p e c t r o s c o p y . T h e F E S u s e d w a s a S p e c t r a A A - 2 0 P l u s u s i n g a i r - a c e t y l e n e . A n a l y s e s c o n d i t i o n s w e r e : w a v e l e n g t h 6 7 0 . 8 n m , s l i t w i d t h 1 . 0 n m . A s e r i e s d i l u t i o n s o f fi v e s t a n d a r d s w e r e m a d e . T r i p l e t s w e r e i n j e c t e d i n t o t h e F E f o r e a c h s t a n d a r d c o n c e n t r a t i o n . R e s u l t s w e r e a v e r a g e d t o o b t a i n a s t a n d a r d c u r v e . S a m p l e s w e r e i n j e c t e d i n t o t h e F E S a n d t h e c o n c e n t r a t i o n s w e r e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e s t a n d a r d c u r v e . S t a n d a r d s w e r e i n j e c t e d w i t h e v e r y b a t c h A p p e n d i x C 2 9 6 o f s a m p l e s . I o n C h r o m a t o g r a p h y w a s a l s o u s e d i n d e t e r m i n i n g L i t h u i m c o n c e n t r a t i o n d u r i n g t h e o r g a n i c a n d h y d r a u l i c fl u x e f f e c t e x p e r i m e n t ( C h a p t e r V B ) . T h e I C u s e d w a s a D i o n e x , m o d e l 2 0 0 0 ) e q u i p p e d w i t h a c o n d u c t i v i t y d e t e c t o r . C a l i b r a t i o n w a s p e r f o r m e d u s i n g t h e s a m e m e t h o d d e s c r i b e d a b o v e . C - 3 . D a t a s h e e t s T h e d a t a s h e e t s f o r s t e a d y s t a t e d a i l y m o n i t o r i n g a n d u n s t e a d y s t a t e m o n i t o r i n g a r e p r e s e n t e d a s T a b l e 0 6 t o 7 , r e s p e c t i v e l y . A c e t a t e h n M ) F i g u r e C - l . R e s p o n s e o f w o r k fi l e 7 a n d 8 t o l o w c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e N m ) e t o a n r o e i a s p n o . c o r p p s / e e R t a t D e S c 1 A ( 0 0 0 F i g u r e C — 2 . R e s p o A 2 0 w k fl 8 2 5 1 5 o h i g h c o n c e n t r a t i o n o f a c e t a t e 5 n 0 1 A s e o f w o r k fi c l e e t a 7 t a e n ( m M d 8 ) t 2 9 7 1 0 0 0 0 0 ) ‘ 3 ‘ 8 0 0 0 ( 1 ) ' - £ 5 7 ; 6 0 0 0 ( 1 ) " 3 ° w k fl 7 8 . 4 0 0 0 ( 1 ) ~ 3 ‘ w k fl 8 a : 2 0 0 0 ( 1 ) : - U n e o r R e g r . 0 : : : O l _ 2 3 4 5 d ' w k fl 7 d l I L i n e o r R e g r . D B F r o m r e a c t o r 7 ‘ [ Z Z Z 1 3 0 3 1 t h 1 R e f e r e n c e e l e c t r o d e G a s c o u n t e r . 1 1 V e n t 4 — - — t T : 1 P o s i t i o n 2 D O F i g u r e C — 3 . S c h e m a t i c d i a g h r a m o f o n — l i n e g a s v o l u m e m e a s u r e m e n t T a b l e 0 6 . p s e u d o - s t e a d y s t a t e d a i l y m o n i t o r i n g s h e e t 2 9 9 P A R A M E T E R O F N E A S U R M O N T U E W E D M E N T D a t e T i m e p H t . \ l . L . ‘ ) d a i l y E f f . ( m l ) d a i l y B e d ( m l ) d a i l y F l o w r a t e ( m l / d ) d a i l y g e c I n f . A c r . ( m M ) P r o p . ( m M ) E t h a n o l ( m M ) G l u e . ( m M ) E f f . T s s ( m g / l ) V s s ( m g / l ) C O D s ( m g / l ) E f f . A c t . ( m M ) P r o p . ( m M ) H 2 ( m M ) C O ( m M ) F e e d l e v e l G a s m e t e r r e a d i n T o t a l g a s ( c t / h ) C H 4 ( % ) H 2 ( P P m ) C 0 ( P P m ) R e c y c . p u m p p u m p r e a d i n g t u b i n g c h e c k l e d . p u m p r e a d i n g \ l e d . t u b i n g c h e c k e m p . h e a t e r ( o C ) e m p . c o o l e r ( 0 C ) E f f l u e n t t u b i n N o r - e T a b l e C 3 . L ' n s T i m e / d a t e # p l - l s t a t t C e a d H 4 ( ‘ y 7 c ) e g m o n i t o r a s m e t e r i V n g s h F A e C e t O D i n i t i a l N o r e fi 3 0 0 A P P E N D I X D A p p e n d i x D D e t e r m i n a t i o n o f M o n o d K i n e t i c C o n s t a n t s k m a n d K , b y N o n l i n e a r L e a s t S q u a r e M e t h o d D - 1 . D i f f e r e n t i a l f o r m . T h e d i f f e r e n t i a l f o r m o f M o n o d e q u a t i o n i s g i v e n b y ( 1 ) w h e r e s i s s u b s t r a t e i n g / l , : 1 : i s b i o m a s s i n g , u i s u p t a k e r a t e i n g / g x — d , k m i s t h e m a x i m u m u p t a k e r a t e i n g / g ‘ a r - ( l , 3 , , v , - a r e m e a s u r e d d a t a , f ( 5 , ) i s t h e e s t i m a t e d u p t a k e r a t e a t s , a s d e t e r m i n e d u s i n g e q u a t i o n ( 1 ) . T h e r e s i d u a l s u m o f s q u a r e 5 5 i s d e fi n e d b y 5 5 = Z W : — f e m - > 1 2 . t = l T h e d e r i v a t i v e . o f f a n d S S b e c o m e 8 f _ _ . 5 0 k m _ . K , + . 5 , 0 f _ _ k , , , s 0 K , ” ( K , + s y ’ 0 5 5 _ n . 0 f ( 3 , ' ) ‘ 0 7 : : — — E u “ : — f ( 8 z ) ) 0 k m , 0 5 5 _ n , 1 0 f ( s , ~ ) 0 K 3 — — 2 2 ( 1 ) , — — f ( s , ) ) 0 K 3 . S e t t i n g g i g — S : = 0 a n d 3 2 9 = 0 , w e s e e f r o m ( B C ) a n d ( 3 d ) t h a t i k m ' q t ' S i O ) - — = _ I 1 I C : , - I - . 8 ' , ‘ [ ( 3 - j - S " , t = l ' k m ' s r 5 ' 1 _ 0 . 1 “ ' ( I x ’ . . + ~ ' ~ ' t ) " ' I x ' . + . - . - “ ‘ 3 0 1 ( 2 ) ( 3 a ) ( 3 b ) ( 3 c ) ( 3 d ) ( 4 a ) ( 4 b ) " ‘ 8 ‘ 2 1 ( 3 4 - . 5 , _ Z : ( 1 ( , m + , r ) 2 ’ ( 5 3 ' ) ' U i , ‘ S + S i ; u ( _ \ ’ 1 t 3 ? _ 3 + = _ , 8 ) 3 n ; ’ 1 ‘ “ ; — ( I f : I _ + — t 3 - ) 2 Z _ ( — 1 " 8 8 + 2 — 8 “ ) 2 7 ( ) 3 0 2 H e n c e ' 1 Z ( I & , + . 5 , ) 2 Z ( I t , " - i - ; ) 3 . ( 5 b ) D e f i n e 5 ( 1 ) , 5 ( 2 ) , 5 ( 3 ) a n d 5 ( 4 ) b y 1 ) ' S ' . 5 = t I 2 : - — — — — — t i 2 I C : , + S i ' 1 S ( ) 1 ; ( I X ' S + ‘ 9 1 : ) 3 3 1 1 1 ( 1 N . ’ v i ' q i n S ? 5 “ ” = ; U T ) — 5 “ " = Z ( T I — r T h e n i n t e r m s o f 5 ( i ) , i = 1 , . . . , 4 , t h e s o l u t i o n f o r k m u s i n g e q u a t i o n s ( 5 a ) a n d ( 5 b ) c a n b e w r i t t e n a s e i t h e r , , = S ( 1 ) / 5 ( 4 ) o r k m 2 5 ( 3 ) / 5 ( 2 ) . ( 6 ) T h i s i m p l i e s t h a t 5 ( 1 ) 5 ( 2 ) = 5 ( 3 ) 5 ( 4 ) , o r e q u i v a l e n t l y , I n s o l v i n g e q u a t i o n ( 4 ) f o r K , , k m c a n b e f o u n d b y s u b s t i t u t i n g K , i n t o e i t h e r o n e o f e q u a t i o n s i n ( G ) . D - 2 . I n t e g r a t e d f o r m . T h e i n t e g r a t e d f o r m o f M o n o d e q u a t i o n i s g i v e n b y 1 t , Z L [ V o l x K , 1 1 1 ( 1 ) + V o l x ( s o — 5 , ) ( 8 ) S i 7 m m w h e r e t . - i s t h e m e a s u r i n g t i m e i n d a y , V o l i s r e a c t i o n v o l u m e i n l i t e r s . L e t I i " , 1 , I ) : ( L : I t ) " , . 1 : a X 2 [ V o l X I n ( 2 " 2 1 ) ] [ V o : : Z Z I A A C D l 2 Q X ( [ t s i o — . s X V Z 2 C 0 D 2 , 0 , - ) ] + 1 ) 1 X ( 3 0 1 : X : E l l / 0 1 X ( 3 0 — 3 i ) l 2 ( 1 0 b ) _ 3 i ) l ' E Z C C ? D I 2 Z 4 A 0 D I Q . ( 1 1 ) 3 0 3 E q u a t i o n ( 8 ) t h e n b e c o m e s t , - = a X V o l X 1 1 1 ( I ) + b X V o l X ( 5 0 — 5 , ) . I S : T h e r e s i d u a l s u m o f s q u a r e i s g i v e n b y n 2 5 5 = Z [ a X V o l X l n ( : 2 ) + 1 ) X V o l X ( . 5 0 — s , ) — t i ] ( 9 ) . 9 . i = 1 i 0 5 5 0 a = 0 a n d 0 b 2 . a X Z [ V o l X 1 1 1 ( 2 ) ] + 1 ) X X [ V o l X 1 1 1 ( 2 2 ) ] [ V o l X ( - ‘ ~ ' o ‘ 3 1 ) ] = Z [ t , - x V o l x I n ( 5 3 ) ] S e t t i n g : 0 r e s u l t s i n ( 1 0 a ) z r r r t l T h e s o l u t i o n a , I ) o f e q u a t i o n s ( 1 0 a ) a n d ( 1 0 1 ) ) c a n b e s i m p l i f i e d b y d e n o t i n g . 9 0 8 0 A C 2 t , X V o l X 1 1 1 ( — - — ) , C D 2 [ V o l X ( s o — 5 . ) ] [ V o l X 1 n ( ) J . 5 : r 3 i A D : t i X V 0 1 X ( S U ' — 3 " ) , D : 1 / 0 1 X ( 3 0 _ ' 3 1 - ) , 2 o z E c o . Q 2 [ C D : 0 2 T h e n ( 1 . : 0 4 A P P E N D I X E 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A p p e n d i x E A p p e n d i x E . F o r t r a n p r o g r a m o f t h e h y d r a u l i c - r e a c t i o n - d i f f u s i o n m o d e l C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C T H I S P R O G R A M S E A R C H E S P A R A M E T E R S T O F I T T H E i m p l u s e C U R V E . C C T H E V A R I A B L E P A R A M E T E R S A R E : D , K l , R t n , V b , D b , D p C O T H E R R E A D - I N P A R A M E T E R S A R E : S b o ( E I T H E R 0 . 0 O R 0 . 1 ) A N D C N R C T . C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C S p e c i fi c a t i o n s f o r P a r a m e t e r s S y s t e m p a r a m e t e r s I N T E G E R N S T E P , N P A R , I , J , J R , K R , 1 1 , 1 2 , I C R , N A L , M X I T P A R A M E T E R ( N P A R = 6 ) I N T E G E R I C ( N P A R ) , I P ( N P A R ) , N C ( N P A R ) , I F U N ( N P A R , N P A R ) D O U B L E P R E C I S I O N R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V D O U B L E P R E C I S I O N T F I N A L , Q , T d , T , S b j D O U B L E P R E C I S I O N D , R f , R t n , V b , D b , D p , E M I N D O U B L E P R E C I S I O N C R f , C R t n , C V b , C D b , C D p , C D D O U B L E P R E C I S I O N E R f , E R t n , E V b , E D b , E D p , E D P A R A M E T E R ( N S T E P = 4 6 , T F I N A L = 9 . 0 D 0 , N d = 2 0 ) D O U B L E P R E C I S I O N T O L , E R R O R , E D A T A ( 1 0 ) , T D A T A ( N S T E P ) D O U B L E P R E C I S I O N F L O A T , E X P , S Q R T L O G I C A L S C A N I N T R I N S I C F L O A T , E X P , S Q R T C O M M O N [ P A R A M / D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , D b C O M M O N I Q V B / Q , V b P a r a m e t e r s u s e d i n D B V P F D I N T E G E R M X G R I D , N E Q N S , N I N I T I N T E G E R N C U P B C , N F I N A L , N L E F I ‘ P A R A M E T E R ( M X G R I D = 4 5 , N E Q N S = 2 , N I N I T = 1 0 ) P A R A M E T E R ( N L E F ' I ‘ = 1 , N C U P B C = 1 ) D O U B L E P R E C I S I O N T I N I T ( N I N I T ) , Y I N I T C N E Q N S , N I N T T ) D O U B L E P R E C I S I O N E R R E S T ( N E Q N S ) , P I S T E P , X F I N A L ( M X G R I D ) , & X L E F I ‘ , X R I G H T , Y F I N A L ( N E Q N S , M X G R I D ) S A V E T I N I T , Y I N I T 3 0 5 0 0 3 0 6 L O G I C A L L I N E A R , P R I N T E X T E R N A L D B V P F D , U M A C H E X T E R N A L F S S B C , F C N E Q N , F C N J A C , F C N P B C , F C N P E Q C P a r a m e t e r s u s e d i n D C S I N T I N T E G E R N I N T V D O U B L E P R E C I S I O N B R E A K ( N S T E P ) , C S C O E F ( 4 , N S T E P ) , D C S V A L D O U B L E P R E C I S I O N Y T E M P ( M X G R I D ) E X T E R N A L D C S I N T , D C S V A L C P a r a m e t e r s u s e d i n D P L O T P D O U B L E P R E C I S I O N R A N G E ( 4 ) , A P ( M X G R I D , 1 0 ) , X P ( M X G R I D ) C H A R A C T E R T I T L E * 2 5 , X T I T L E * 1 0 , Y T I T L E * 1 0 , S Y M B O L * 1 0 I N T E G E R I N C , N F U N E X T E R N A L D P L O T P , D C O N S T , P G O P T P a r a m e t e r s u s e d i n D I V P A G I N T E G E R N P A R A M , I D O , I N O R M , I M E T H , N E Q , M T Y P E , I A T Y P E , & M I T E R , M X S T E P , N R C T , M X N E Q , N I N P A R A M E T E R ( N P A R A M = 5 0 , M X N E Q = 1 0 0 0 ) D O U B L E P R E C I S I O N H I N I T , P A R A M ( N P A R A M ) , X , & T E N D , Y ( M X N E Q ) , S B ( N S T E P ) , S D ( N S T E P ) E X T E R N A L F C N , D I V P A G , F C N J C O M M O N I D I M / N I N , N R C T , D p C C o m m o n p a r a m e t e r s D A T A E D A T A / O . 1 D 0 , 2 . 3 7 D 0 , 1 0 . 0 8 D 0 , 9 . 9 5 D 0 , 7 . 4 1 D 0 , 5 . 9 5 D 0 , & 2 . 8 5 D 0 , 0 . 7 4 D 0 , 0 . 2 7 D 0 , 0 . 2 2 D 0 / R d = 1 5 . 0 D 0 R s = 0 . 4 5 D 0 = 0 . 4 6 5 1 8 D 0 S b j = 1 7 . 0 D 0 C D e fi n e T D A T A D O 1 0 1 : 1 , N S T E P T D A T A ( I ) = T F I N A L * F L O A T ( I - 1 ) / F L O A T ( N S T E P - 1 ) 1 0 C O N T I N U E O P E N ( U N I T = N O U T , F I L E = ’ i m p l s . t x t ' , S T A T U S = ' U N K N O W N ' ) P R I N T * , E N T E R S E A R C H T Y P E : 1 = S C A N , 2 = T E S T ' R E A D “ , I I F ( I . E Q . 1 ) T H E N S C A N = . T R U E . E L S E S C A N = . F A L S E . E N D I F 3 0 7 P R I N T * , E N T E R S b o , T d A N D N R C T R E A D * , S b o , T d , N R C T N I N = N I N I T N E Q = N I N + N R C T + 1 I F ( . N O T . S C A N ) T H E N P R I N T * , ' E N T E R K l , R t n , V b , D b , D p , A N D D ' R E A D “ , C R f , C R t n , C V b , C D b , C D p , C D C C H A N G E O T H E R P A R A M E T E R S P R I N T ’ “ , ' E N T E R R X , R s , S b j ' R E A D * , R X , R s , S b j W R I T E ( N O U T , * ) ' D , D p , D b , K l , R X , R s , S b j ' W R I T E ( N O U T , 7 0 0 0 ) C D , C D p , C D b , C R f , R X , R s , S b j 7 0 0 0 F O R M A T ( 7 F 9 . 4 ) G O T O 1 0 1 0 E N D I F P R I N T * , ' E N T E R I N I T I A L G U E S S O F K l , R t n , V b , D b , D p , R X A N D D ' R E A D “ , C R f , C R t n , C V b , C D b , C D p , R X , C D P R I N T ' “ , ' E N T E R I N I T I A L S T E P S O F K l , R t n , V b , D b , D p , R X A N D D ' R E A D * , E R f , E R t n , E V b , E D b , E D p , R X , E D P R I N T * , ' E N T E R A C C U R A C Y L E V E L A N D N U M B E R O F I T E R A T I O N S ' R E A D * , N A L , M X I T W R I T E C " , * ) ' T H E W I N N E R S A R E ' W R I T E ( * , 2 0 0 0 ) 2 0 0 0 F O R M A T ( 2 X , ' K R ' , 3 X , ' K l ' , 6 X , ' R t n ' , 6 X , ' V b ' , 7 x , ' D b ' , 7 x , ' D p ' , & 7 X , ' D ' , 8 X , ' E r r o r ' ) E M I N = 1 0 0 . 0 J R = 0 K R = 0 D O 5 I = l , N P A R D O 5 J = l , N P A R I F U N ( I , J ) = 0 5 C O N T I N U E D O 6 I = l , N P A R I F U N ( I , I ) = 1 6 C O N T I N U E 1 0 0 W R I T E ( * , * ) ' ( J R = ' , J R , ' ) ' W R I T E ( N O U T , * ) ' ( J R = ' , J R , ' ) ' D O 1 2 1 = 1 , N P A R I C ( I ) = 3 1 2 C O N T I N U E 1 0 1 K R = K R + 1 D O 1 1 I = 1 , N P A R N C ( I ) = 0 1 1 C O N T I N U E D O 1 0 0 0 1 1 = 1 , N P A R 3 0 8 D 0 1 0 0 0 1 2 = l , 2 C S E T C O O R D I N A T E S D O 1 5 I = l , N P A R I P ( l ) = ( - l ) * * 1 2 * I F U N ( l , l l ) 1 5 C O N T I N U E C C H E C K F O R O V E R L A P I C R = 0 D O 2 0 I = 1 , N P A R I C R = I C R + A B S ( I P ( I ) + I C ( I ) ) 2 0 C O N T I N U E I F ( I C R . E Q . 0 ) G O T O 1 0 0 0 C S E T P A R A M E T E R S R f = C R f + E R P ' F L O A T O P ( 1 ) ) / 2 . 0 * * J R R t n = C R t n + E R t n * F L O A T ( I P ( 2 ) ) / 2 . 0 * * J R V b = C V b + E V b * F L O A T ( I P ( 3 ) ) / 2 . 0 * * J R D b = C D b + E D b * F L O A T ( I P ( 4 ) ) / 2 . 0 * * J R D p = C D p + E D p * F L O A T ( I P ( 5 ) ) / 2 . 0 * * J R D = C D + E D * F L O A T ( I P ( 6 ) ) / 2 . 0 * * J R S b i = S b j * R t n R 1 = R t ‘ t 6 0 0 . 0 D 0 R A V = 1 . 0 5 D 0 * R l / V b Q A V = R A V + Q * R t n / V b C C H E C K F O R C O N S T R A I N T S I F ( R f . L E . 0 . 0 D 0 . O R . D . L E . 0 . 0 D 0 ) G O T O 1 0 0 0 I F ( R t n . G T . 1 . 0 D 0 . O R . R t n . L E . 0 . 0 D 0 ) G O T O 1 0 0 0 I F ( D b . L E . 0 . 0 D 0 . O R . D p . L E . 0 . 0 D 0 ) G O T O 1 0 0 0 C S E T I N I T I A L C O N D I T I O N F O R S ( X , T ) I F ( S b o . L E . 0 . 0 1 D 0 ) T H E N D O 6 1 1 : 1 , N I N I T Y ( I ) = S b o 6 1 C O N T I N U E G O T O 5 0 0 0 E N D I F C F I N D S s ( X ) B Y D B V P F D ( I N L O O P ) D O 3 0 1 : 1 , N I N I T T I N I T ( I ) = F L O A T ( I - 1 ) / F L O A T ( N I N I T - 1 ) Y I N I T ( 1 , I ) = F L O A T ( N I N I T - D / F L O A T ( N I N I T - 1 ) Y I N I T ( 2 , I ) = 0 . 0 D 0 3 O C O N T I N U E T O L = l . D - 0 6 T I N I T ( 1 ) = 0 . 0 D 0 T I N I T ( N I N I T ) = 1 . 0 D 0 X L E F I ‘ = 0 . 0 D 0 X R I G H T = 1 . 0 D 0 P I S T E P = 0 . 1 D 0 < & & & C l n t e 4 0 C S o l 5 0 7 0 3 0 9 P R I N T = . F A L S E . L I N E A R = . F A L S E . C A L L D B V P F D ( F C N E Q N , F C N J A C , F S S B C , F C N P E Q , F C N P B C , N E Q N S , & N L E F I ‘ , N C U P B C , X L E F ' I ‘ , X R I G H T , P I S T E P , T O L , N I N I T , T I N I T , & Y I N I T , N E Q N S , L I N E A R , P R I N T , M X G R I D , N F I N A L , & X F I N A L , Y F I N A L , N E Q N S , E R R E S T ) C I n t e r p o l a t e S s ( x ) D O 4 0 1 : 1 , N F I N A L Y T E M P ( I ) = Y F I N A L ( 1 , I ) 4 0 C O N T I N U E C A L L D C S I N T ( N F I N A L , X F I N A L , Y T E M P , B R E A K , C S C O E F ) N I N T V = N F I N A L - 1 D O 6 0 1 : 1 , N I N I T Y ( I ) = D C S V A L ( T I N I T ( I ) , N I N T V , B R E A K , C S C O E F ) 6 0 C O N T I N U E C S o l v e S _ i ( t ) b y D I V P A G ( I N L O O P ) 5 0 0 0 H I N I T = 1 . 0 D - 3 I N O R M = 1 I M E T H = 2 M I T E R = 2 M T Y P E = 0 I A T Y P E = 0 M X S T E P = 1 0 0 0 D O 5 0 1 : 1 , N P A R A M P A R A M ( I ) = 0 . 0 D 0 5 0 C O N T I N U E P A R A M ( 1 ) = H I N I T P A R A M ( 4 ) = M X S T E P P A R A M ( I O ) = I N O R M P A R A M ( 1 2 ) = I M E T H P A R A M ( 1 3 ) = M I T E R P A R A M ( 1 4 ) = M T Y P E P A R A M ( 1 9 ) = I A T Y P E I D O = 1 X = 0 . 0 D 0 T O L = 1 . 0 D - 4 D O 7 0 I = N I N + 1 , N E Q Y ( I ) = S b o 7 0 C O N T I N U E S B ( l ) = Y ( N E Q ) S D ( l ) = Y ( l ) D O 8 0 1 : 2 , N S T E P T E N D = T D A T A ( I ) C A L L D I V P A G ( I D O , N E Q , F C N , F C N J , A , X , T E N D , T O L , P A R A M , Y ) S B ( I ) = Y ( N E Q ) C U P I 8 0 C E s t i 9 0 C U P I 4 0 0 5 0 0 7 0 0 d m n n n n n 2 1 0 0 r — 1 6 0 0 6 0 1 3 1 0 S D ( I ) = Y ( l ) 8 0 C O N T I N U E I D O = 3 C A L L D I V P A G ( I D O , N E Q , F C N , F C N J , A , X , T E N D , T O L , P A R A M , Y ) C E 5 t i m a t e t h e e r r o r i n S b ( 1 , t ) . ( I N L O O P ) C A L L D C S I N T ( N S T E P , T D A T A , S B , B R E A K , C S C O E F ) N I N T V = N S T E P - l E R R O R = 0 . 0 D 0 D O 9 0 1 : 1 , 1 0 T = F L O A T ( I - l ) X = D C S V A L ( T , N I N T V , B R E A K , C S C O E F ) E R R O R = E R R O R + ( X - E D A T A ( I ) ) * * 2 9 0 C O N T I N U E E R R O R = S Q R T ( E R R O R ) C U P D A T E M I N I M U M E R R O R I F ( E R R O R . L T . E M I N ) T H E N E M I N = E R R O R D O 4 0 0 1 : 1 , N P A R N C ( I ) = I P ( I ) 4 0 0 C O N T I N U E E N D I F 1 0 0 0 C O N T I N U E C C H E C K I F T H E C E N T E R I S C H A N G E D I C R = 0 D O 5 0 0 I = l , N P A R I C R = I C R + A B S ( N C ( I ) ) 5 0 0 C O N T I N U E I F ( I C R . E Q . 0 ) G O T O 6 0 0 C U P D A T E C E N T E R D O 7 0 0 I = l , N P A R I C ( I ) = N C ( I ) 7 0 0 C O N T I N U E C R f = C R f + E R P “ F L O A T ( I C ( 1 ) ) / 2 . 0 * * J R C R t n = C R t n + E R t n * F L O A T ( I C ( 2 ) ) / 2 . 0 * * J R C V b = C V b + E V b * F L O A T ( I C ( 3 ) ) / 2 . 0 * * J R C D b = C D b + E D b * F L O A T ( I C ( 4 ) ) / 2 . 0 * * J R C D p = C D p + E D p * F L O A T ( I C ( 5 ) ) / 2 . 0 * * J R C D = C D + E D * F L O A T ( I C ( 6 ) ) / 2 . 0 * * J R W R I T E ( * , 2 1 0 0 ) K R , C R f , C R t n , C V b , C D b , C D p , C D , E M I N 2 1 0 0 F O R M A T ( I S , 7 ( F 9 . 4 ) ) I F ( K R . G E . M X I T ) G O T O 6 0 1 G O T O 1 0 1 6 0 0 J R = J R + 1 I F ( J R . L E . N A L ) G O T O 1 0 0 6 0 1 P R I N T * , ' T H E F I N A L R E S U L T I S ' 2 3 0 0 3 l l W R I T E ( * , 2 2 0 0 ) K R , C R f , C R t n , C V b , C D b , C D p , C D , E M I N 2 2 0 0 F O R M A T ( 1 5 , 7 ( F 9 . 4 ) ) W R I T E ( N O U T , * ) ' K l = ' , C R f W R I T E ( N O U T , * ) ' R t n = ' , C R t n W R I T E ( N O U T , * ) ' V b = ' , C V b W R I T E ( N O U T , * ) ' D b = ' , C D b W R I T E ( N O U T , * ) ' D p = ' , C D p W R I T E ( N O U T , * ) ' D = ' , C D C L O O P F I N I S H E D , R E R U N T O F I N D S b ( l , t ) A N D P L O T C U R V E S 1 0 1 0 R f = C R f a n = C R t N V b = C V b D b = C D b D p = C D p D = C D S b i = S b j * R t n R 1 = R P 6 0 0 . 0 D 0 R A V = 1 . 0 5 D 0 * R l / V b Q A V = R A V + Q * R t n / V b C S E T I N I T I A L C O N D I T I O N F O R S ( X , T ) I F ( S b o . L T . 0 . 0 1 D 0 ) T H E N D O 1 4 1 1 : 1 , N I N I T Y ( I ) = 0 . 0 D 0 1 4 1 C O N T I N U E G O T O 5 1 0 0 E N D I F C F I N D S s ( X ) B Y D B V P F D D O 1 1 1 1 : 1 , N I N I T T I N I T ( I ) = F L O A T ( I - 1 ) / F L O A T ( N I N I T - 1 ) Y I N I T ( 1 , I ) = F L O A T ( N I N I T - I ) / F L O A T ( N I N I T - 1 ) Y I N I T ( 2 , I ) = 0 . 0 D 0 1 1 1 C O N T I N U E T O L = 1 . D - 0 6 T I N I T ( 1 ) = 0 . 0 D 0 T I N I T ( N I N I T ) = 1 . 0 D 0 X L E F T = 0 . 0 D 0 X R I G H T = 1 . 0 D 0 P I S T E P = 0 . 1 D 0 P R I N T = . F A L S E . L I N E A R = . F A L S E . C A L L D B V P F D ( F C N E Q N , F C N J A C , F S S B C , F C N P E Q , F C N P B C , N E Q N S , N L E F I ‘ , & N C U P B C , X L E F T , X R I G H T , P I S T E P , T O L , N I N I T , T I N I T , & Y I N I T , N E Q N S , L I N E A R , P R I N T , M X G R I D , N F I N A L , & X F I N A L , Y F I N A L , N E Q N S , E R R E S T ) 1 3 0 E D N A — H H H M H M F N H 1 5 0 r — i r n I n C I n t e r p o l a t e S s ( x ) D O 1 2 0 1 : 1 , N F I N A L Y T E M P ( I ) = Y F I N A L ( 1 , I ) 1 2 0 C O N T I N U E C A L L D C S I N T ( N F I N A L , X F I N A L , Y T E M P , B R E A K , C S C O E F ) N I N T V = N F I N A L - l D O l 4 0 1 = 1 , N I N I T Y ( I ) = D C S V A L ( T I N I T ( I ) , N I N T V , B R E A K , C S C O E F ) 1 4 0 C O N T I N U E C S o l v e S _ i ( t ) b y D I V P A G 5 1 0 0 H I N I T = 1 . 0 D - 3 I N O R M = 1 I M E T H = 2 M I T E R = 2 M T Y P E = 0 I A T Y P E = 0 M X S T E P = 1 0 0 0 D O 1 3 0 1 = 1 , N P A R A M P A R A M ( 1 ) = 0 . 0 D 0 1 3 0 C O N T I N U E P A R A M ( 1 ) = H I N I T P A R A M ( 4 ) = M X S T E P P A R A M ( I O ) = I N O R M P A R A M ( 1 2 ) = I M E T H P A R A M ( 1 3 ) = M I T E R P A R A M ( 1 4 ) = M T Y P E P A R A M ( 1 9 ) = I A T Y P E I D O = l X = 0 . 0 D 0 T O L = 1 . 0 D - 4 D O 1 5 0 1 = N I N + 1 , N E Q Y ( I ) = S b o 1 5 0 C O N T I N U E S B ( l ) = Y ( N E Q ) S D ( l ) = Y ( l ) D O 1 6 0 1 : 2 , N S T E P T E N D = T D A T A ( I ) C A L L D I V P A G ( I D O , N E Q , F C N , F C N J , A , X , T E N D , T O L , P A R A M , Y ) S B ( I ) = Y ( N E Q ) S D ( I ) = Y ( l ) 1 6 0 C O N T I N U E I D O = 3 C A L L D I V P A G ( I D O , N E Q , F C N , F C N J , A , X , T E N D , T O L , P A R A M , Y ) C C A L L D C S I N T ( N S T E P , T D A T A , S B , B R E A K , C S C O E F ) C C S U B R O U T I N E S U B R O U T I N E S F U S E D I C N E Q N N ( D B V P N E Q N S F , D . T , Y , P , D Y D T ) 3 1 3 N I N T V = N S T E P - 1 W R I T E ( N O U T , 2 3 0 0 ) 2 3 0 0 F O R M A T ( 7 X , " I ‘ i ' , 1 1 X , ' S b ' ) D O 1 6 5 I = 1 , N S T E P W R I T E ( N O U T , 2 5 0 0 ) T D A T A ( I ) , 8 8 ( 1 ) 2 5 0 0 F O R M A T ( 2 F 1 3 . 4 ) 1 6 5 C O N T I N U E W R I T E ( N O U T , * ) E D A T A ( I ) - S b ( T _ i ) = ' E R R O R = 0 . 0 D O D O 1 7 0 1 : 1 , 1 0 T = F L O A T ( I - 1 ) X = D C S V A L ( r , N I N T V , B R E A K , C S C O E F ) W R I T E ( N O U T , * ) E D A T A ( I ) - X E R R O R = E R R O R + ( X - E D A T A ( I ) ) * * 2 1 7 0 C O N T I N U E E R R O R = S Q R T ( E R R O R ) W R I T E ( N O U T , * ) E r r o r = ' , E R R O R P R I N T * , ' E M I N = ' , E R R O R C P l o t S b ( t ) , S ( d e l t a , t ) N F U N = 2 I N C = 1 S Y M B O L = ' B * ' X T I ' I L E = ' T A X I S ' Y T I T L E = ' C O N C E N T R A T I O N ' T I T L E = ' D = S ( d e l t a , t ) , B = S b ( t ) ’ R A N G E ( 1 ) = 0 . 0 R A N G E ( 2 ) = T F I N A L R A N G E ( 3 ) = 0 . 0 R A N G E ( 4 ) = 3 0 . 0 D O 1 8 0 1 = 1 , N S T E P X P ( I ) = T D A T A ( I ) A P ( I , 1 ) = S B ( I ) A P ( I , 2 ) = - 1 . 0 D 0 1 8 0 C O N T I N U E D O 1 9 0 1 : 1 , 1 0 J = ( I - 1 ) * 5 + 1 A P ( I , 2 ) = E D A T A ( I ) 1 9 0 C O N T I N U E C A L L D P L O T P ( N S T E P , N F U N , X P , A P , M X G R I D , I N C , R A N G E & S Y M B O L , X T I T L E , Y T I T L E , T I T L E ) E N D C 3 1 4 I N T E G E R N E Q N S D O U B L E P R E C I S I O N T , P . Y ( N E Q N S ) , D Y D T ( N E Q N S ) D O U B L E P R E C I S I O N D , R l , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b C O M M O N / P A R A M / D , R l , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , D b D Y D T ( l ) = Y ( 2 ) D Y D T ( Z ) = P * R X * Y ( l ) / D / ( R 5 + Y ( l ) ) + 2 . 0 D 0 * Y ( 2 ) / ( R d - T ) R E T U R N E N D S U B R O U T I N E F C N J A C ( N E Q N S , T , Y , P , D Y P D Y ) I N T E G E R N E Q N S D O U B L E P R E C I S I O N T , P , Y ( N E Q N S ) , D Y P D Y ( N E Q N S , N E Q N S ) D O U B L E P R E C I S I O N D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b C O M M O N / P A R A M / D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , D b D Y P D Y ( 1 , 1 ) = 0 . 0 D 0 D Y P D Y ( 1 , 2 ) = 1 . 0 D 0 D Y P D Y ( 2 , 1 ) = P * R s * R X / D / ( R 5 + Y ( l ) ) * * 2 D Y P D Y ( 2 , 2 ) = 2 . 0 D 0 / ( R d — T ) R E T U R N E N D S U B R O U T I N E F S S B C ( N E Q N S , Y L E F I ‘ , Y R I G H T , P , F ) I N T E G E R N E Q N S D O U B L E P R E C I S I O N P , Y L E P T ( N E Q N S ) , Y R I G H T ( N E Q N S ) , F ( N E Q N S ) D O U B L E P R E C I S I O N D C O N S T D O U B L E P R E C I S I O N D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b C O M M O N I P A R A M / D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , D b E X T E R N A L D C O N S T F ( l ) = - D * Y L E F T ( 2 ) + R 1 * Y L E F T ( l ) - R l * S b o F ( 2 ) = Y R I G H T ( Z ) R E T U R N E N D S U B R O U T I N E F C N P E Q ( N E Q N S , T , Y , P , D Y P D P ) I N T E G E R N E Q N S D O U B L E P R E C I S I O N T , P , Y ( N E Q N S ) , D Y P D P ( N E Q N S ) D O U B L E P R E C I S I O N D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b C O M M O N [ P A R A M / D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , D b D Y P D P ( l ) = 0 . 0 D 0 D Y P D P ( 2 ) = R X * Y ( l ) / D / ( R s + Y ( l ) ) R E T U R N S I T E o d I I E C o G C C L L L L C C V I F L C 1 0 0 0 0 3 1 5 E N D S U B R O U T I N E F C N P B C ( N E Q N S , Y L E F T , Y R I G H T , P , D F D P ) I N T E G E R N E Q N S D O U B L E P R E C I S I O N P , Y L E F T ( N E Q N S ) , Y R I G H T ( N E Q N S ) , D F D P ( N E Q N S ) , E X T E R N A L S S E T A = 0 . 0 D 0 C A L L S S E T ( N E Q N S , A , D F D P , 1 ) R E T U R N E N D S U B R O U T I N E S U S E D I N D I V P A G . S U B R O U T I N E F C N ( N E Q , X , Y , Y P R I M E ) I N T E G E R N E Q , N I N , I , N R C T D O U B L E P R E C I S I O N X , Y ( N E Q ) , Y P R I M E ( N E Q ) , H 1 , H 2 , C 1 , C 2 , C 3 , E D O U B L E P R E C I S I O N D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b , Q , V b , D p D O U B L E P R E C I S I O N F L O A T , D C O N S T , S Q R T , E X P I N T R I N S I C F L O A T , S Q R T , E X P E X T E R N A L D C O N S T C O M M O N / P A R A M / D , R 1 , R X , R s , R d , S b o , S b i , R A V , Q A V , T d , & D b C O M M O N I Q V B / Q , V b C O M M O N [ D I M / N I N , N R C T , D p H 1 = l . 0 D 0 / F L O A T ( N I N - l ) H 2 = l . 0 D 0 / F L O A T ( N R C T ) C 1 = 2 . 0 D 0 * D / H l * * 2 C 2 = 2 . 0 D 0 * R l / H l + 2 . 0 D 0 * R l / R d / D Y P R I M E ( l ) = C l * Y ( 2 ) + C 2 * Y ( N I N + 1 ) - ( C 1 + C 2 ) * Y ( l ) - R X * Y ( 1 ) / ( R 5 + Y ( l ) ) D O 1 0 I : 2 , N I N - 1 C 3 = 1 . 0 D O / ( R d - H l * F L O A T ( I - 1 ) ) / H 1 Y P R I M E ( I ) = ( C 1 / 2 . 0 D 0 + C 3 ) * Y ( I - l ) + ( C 1 / 2 . 0 D 0 - C 3 ) * Y ( I + l ) - C 1 * Y ( I ) & - R X * Y ( I ) / ( R 5 + Y ( I ) ) 1 0 C O N T I N U E Y P R I M E ( N I N ) = C 1 * Y ( N I N - 1 ) - C 1 * Y ( N I N ) - R X * Y ( N I N ) / ( R 5 + Y ( N I N ) ) I F ( x . 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K . a n d W e s t e r m a n n , P . , M e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e z P h y s i o l o g y o f a t h e r m o p h i l i c a c e t a t e - u t i l i z i n g m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a , F E M S M i c r o b i o l . L e t t . V o l . 2 8 , p p 1 5 - 1 9 . 1 9 8 5 A l i b h a i K . R . K . a n d F o r s t e r , C . F . , P h y s i c o c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s l u d g e s p r o d u c e d i n a n a e r o b i c u p fl o w s l u d g e b l a n k e t r e a c t o r s , E n z y m e M i c r o b . T e c h n o l . V o l . 8 , O c t . p p 6 0 1 - 6 0 6 , 1 9 8 6 A l p h e n a a r , P . A . , P e r e z , M . C . a n d L e t t i n g a , G . , T h e i n fl u e n c e o f s u b s t r a t e t r a n s p o r t l i m i t a t i o n o n p o r o s i t y a n d m e t h a n o g e n i c a c t i v i t y o f a n a e r o b i c s l u d g e g r a n u l e s . A p p l . M i c r o b i o l . B i o t e c h n o l , V o l . 3 9 , p p 2 7 6 - 2 8 0 , 1 9 9 3 A m e s , W . F . , N u m e r i c a l m e t h o d s f o r p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s . C o m p u t e r S c i e n c e a n d a p p l i e d m a t h e m a t i c s s e r i e s , E d . R h e i n b o l d t , W . , A c a d e m i c p r e s s , N e w Y o r k , 1 9 7 7 A n d r e w s , J . F . a n d G r a e f , S . P . , D y n a m i c m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f t h e a n a e r o b i c d i g e s t i o n p r o c e s s . A n a e r o b i c B i o l o g i c a l T r e a t m e n t P r o c e s s . , A d v a n c e s i n C h e m i s t r y S e r i e s , V o l . 1 0 5 , p p 1 2 6 - 1 6 2 , A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y , W a s h i n g t o n , D C , 1 9 7 1 3 1 8 A n 1 1 1 1 3 1 9 A n d r e w s , J . F . , A m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r t h e c o n t i n u o u s c u l t u r e o f m i c r o o r g a n i s m s u t i l i z i n g i n h i b i t o r y s u b s t r a t e . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 1 0 , p p 7 0 7 - 7 2 3 , 1 9 6 9 A n d r e w s , G . F . a n d T i e n , C . T h e e x p a n s i o n o f a fl u i d i z e d b e d c o n t a i n i n g b i o m a s s , A I C H E J . V o l . 2 5 , N o . 4 , 1 9 7 9 A P H A — A W W A — W P C F S t a n d a r d M e t h o d s , p a r t 2 0 9 C & D , p p 9 6 — 9 8 , 1 6 t h e d i t i o n , 1 9 8 5 A s i n a r i d i S a n M a r z a n o , C . M . V o l a t i l e f a t t y a c i d s , a n i m p o r t a n t s t a t e p a r a m e t e r f o r t h e c o n t r o l o f t h e r e l i a b i l i t y a n d t h e p r o d u c t i v i t i e s o f m e t h a n e a n a e r o b i c d i g e s t i o n s . B i o m a s s . V o l . 1 , p p 4 7 - 5 9 , 1 9 8 1 A t k i n s o n , B . a n d D a v i e s , [ J . , T h e o v e r a l l r a t e o f s u b s t r a t e u p t a k e ( r e a c t i o n ) b y m i c r o b i a l fi l m s . P a r t I . A b i o l o g i c a l r a t e e q u a t i o n . T r a n s . I n s t . C h e m . E n g r s . , V o l . 5 2 , p p 2 4 8 - 2 5 9 , 1 9 7 4 B a e , J . a n d M c C a r t y , P . L . V a r i a t i o n o f c a r b o n m o n o x i d e p r o d u c t i o n d u r i n g u r e t h a n e f e r m e n t a t i o n o f g l u c o s e . W a t . E n v i r o n . R e s . V o l . 6 5 , N o . 7 , p p 8 9 0 - 8 9 8 , 1 9 9 3 B a i l e y , J . E . a n d O l l i s , D . F . C h a p t e r 4 , B i o c h e m i c a l E n g i n e e r i n g F u n d a m e n t a l s , 2 n d e d i t i o n , M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 8 6 B a r n e t t , M . a n d A n d r e w s , J . F . E x p e r t s y s t e m f o r a n a e r o b i c d i g e s t i o n p r o c e s s o p e r a t i o n . J . o f E n v i r o n . E n g . V o l . 1 1 8 , N o . 6 , p p 9 4 9 - 9 6 3 , 1 9 9 2 B e n e f i e l d , L . a n d M o l z , F . , A m o d e l f o r t h e a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s w h i c h c o n s i d e r s w a s t e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s , fl o c b e h a v i o r a n d m i c r o b i a l p o p u l a t i o n . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 2 6 , p p 3 5 2 - 3 6 1 , 1 9 8 4 B e n e fi e l d , L . a n d M o l z , F . , A n a c t i v a t e d s l u d g e m o d e l w h i c h c o n s i d e r s t o x i c a n t c o n c e n t r a t i o n : s i m u l a t i o n a n d s e n s i t i v i t y a n a l y s i s . A p p l i e d M a t h e m a t i c a l M o d e l l i n g , V o l . 9 . P P 4 5 4 - 4 6 5 , 1 9 8 5 B e n n e t t , C . O . a n d M y e r s , J . E . M o m e n t u m , h e a t a n d m a s s t r a n s f e r . C h e m i c a l e n g i n e e r i n g s e r i e s , 3 r d e d . , M c G r a w - H i l l , 1 9 8 2 B e r g m e y e r , H a n s U l r i c h e d i . M e t h o d s o f E n z y m a t i c A n a l y s i s , V o l . 3 , l 9 7 4 B e r t h o u e x , P . M . C o n s t r u c t i n g c o n t r o l c h a r t s f o r w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t o p e r a t i o n . J . W P C F , V o l . 6 1 , N o . 9 . P P 1 5 3 4 - 1 5 5 1 , 1 9 8 9 B o l l e , W . L . , v a n B r e u g e l , J . , v a n E y b e r g e n , G . C . , K o s s e n , N . W . F . a n d v a n G i l s , W . , A n i n t e g r a l d y n a m i c m o d e l f o r t h e U A S B r e a c t o r , B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 2 8 , p p 1 6 2 1 - 1 6 3 6 , 1 9 8 5 3 2 0 B o l l e , W . L . e t 3 1 M o d e l i n g t h e l i q u i d fl o w i n u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t r e a c t o r s , B i o t e c h n o l o g y a n d B i o e n g i n e e r i n g , V o l . 2 8 , N o . 1 1 , 1 9 8 6 B o l t e , J . P . a n d H i l l , D . T . , A c o m p r e h e n s i v e d y n a m o i c m o d e l o f a t t a c h e d g r o w t h a n a e r o b i c f e r m e n t e r s . T r a n s . A S A E , V o l . 3 6 ( 6 ) , p p l 8 0 5 - 1 8 1 4 , 1 9 9 3 B o o n e , D . R . , J o h n s o n , R . L . a n d L i n , Y . , D i f f u s i o n o f t h e i n t e r s p e c i e s e l e c t r o n c a r r i e r s H 2 a n d f o r m a t e i n m e t h a n o g e n i c e c o s y s t e m s a n d i t s i m p l c a t i o n s i n t h e m e a s u r e m e n t s o f K m f o r H 2 a n d f o r m a t e u p t a k e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 5 5 , p p 1 7 3 5 - 1 7 4 1 , 1 9 8 9 B o r n s t e i n , B T a n d B a r k e r , H A , T h e e n e r g y m e t a b o l i s m o f C l o s t r i d i u m k l u y v e r i a n d t h e s y n t h e s i s o f f a t t y a c i d s , J . B i o l o g i c a l C h e m i s t r y , V o l . 1 7 2 , p p 6 5 9 - 6 6 9 , 1 9 4 8 B o s c o l o , A . , M a n g i a v a c c h i , C . , D r i u s , F . , R o n g i o n e , F . , P a v a n , P . a n d C e c c h i , F . F u z z y c o n t r o l o f a n a n a e r o b i c d i g e s t e r f o r t h e t r e a t m e n t o f t h e o r g a n i c f r a c t i o n o f m u n i c i p a l s o l i d w a s t e ( M S W ) . W a t . S c i . T e c h n a l . V o l . 2 7 , N o . 2 , p p 5 7 - 6 8 , 1 9 9 3 B r a u n , M . , M a y e r , F . , G o t t s c h a l k , G . C l o s t r i d i u m a c e t i c u m ( W i e r i n g a ) , a m i c r o o r g a n i s m p r o d u c i n g a c e t i c a c i d f r o m m o l e c u l a r h y d r o g e n a n d c a r b o n d i o x i d e . A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 2 8 , p p 2 8 8 - 2 9 3 B r o c k w e l l , P . J . a n d D a v i s , R . A . T i m e S e r i e s : t h e o r y a n d m e t h o d s . S p r i n g e r - V e r l a g , 1 9 8 7 B r y a n t , M . P . , C a m p b e l l , L . L . , R e d d y , C . A . , C r a b i l l , M . R . , G r o w t h o f D e s u l f o v i b r i a i n l a c t a t e o r e t h a n o l m e d i a l o w i n s u l f a t e i n a s s o c i a t i o n w i t h H z - u t i l i z i n g m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l , V o l . 3 3 , p p 1 1 6 2 - 1 1 6 9 , 1 9 7 7 B r y a n t , M . P . , W o l i n , E . A . , W o l i n , M . J . , W o l f e , R . S . , M e t h a n a b a c i l l u s a m e l i a n s k i i , a s y m b i o t i c a s s o c i a t i o n o f t w o s p e c i e s o f b a c t e r i a . A r c h . M i c r o b i o l . , V o l . 5 9 , p p 2 0 - 3 1 , 1 9 6 7 B r y e r s , J . D . , S t r u c t u r e d m o d e l i n g o f t h e a n a e r o b i c d i g e s t i o n o f b i o m a s s p a r t i c l a t e s . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 2 7 , p p 6 3 8 - 6 4 9 , 1 9 8 5 B u h r , H . O . a n d A n d r e w s , J . F . , T h e t h e r m o p h i l i c a n a e r o b i c d i g e s t i o n p r o c e s s . W a t e r R e s . , V o l . 1 1 ( 2 ) , p p 1 2 9 - 1 4 4 , 1 9 7 7 C a r r , A D . a n d O ’ D o n n e l l , R . C . , T h e d y n a m i c b e h a v i o r o f a n a n a e r o b i c d i g e s t o r . P r a g . i n W a t e r T e c h n o l . , V o l . 9 , p p 7 2 7 - 7 3 8 , 1 9 7 7 C h a n g , H . N . , N u m e r i c a l c a l c u l a t i o n o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r s f o r t h e M i c h a e l i s - M e n t e n t y p e k i n e t i c s w i t h h i g h t h i e l e m o d u l i , J . A . I . C h E . , V o l . 2 8 , N o . 6 , 1 9 8 2 3 2 1 C h a n g , J . E . , N o i k e , T . , M a t s u m o t o , J . E f f e c t o f p H o n m e t h a n o g e n e s i s i n a n a e r o b i c d i g e s r i o n , P r a c . a f J . S . C . E . , N o . 3 3 5 , p p 7 9 - 8 7 , 1 9 8 3 C h a n g , J . E . , N o i k e , T . , M a t s u m o t o , J . . E f f e c t o f r e t e n t i o n t i m e a n d f e e d s u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h a n o g e n e s i s i n a n a e r o b i c d i g e s t i o n , P r a c . o f J . S . C . E . , N o . 3 2 0 , p p 6 7 - 7 6 , 1 9 8 2 C h a p m a n , D . T . M i x i n g e f fi c i e n c y a s e s t i m a t e d b y n o n l i n e a r l e a s t s q u a r e s C a n a d i a n J . o f C i v i l e n g i n e e r i n g , V o l . 1 0 , p p 7 0 3 - 7 1 2 , 1 9 8 3 C h a r t r a i n , M . a n d Z e i k u s , J . G . , M i c r o b i a l e c o p h y s i o l o g y o f w h e y b i o m e t h a n a t i o n : C h a r a c t e r i z a t i o n o f t r o p h i c p o p u l a t i o n s a n d p r e v a l e n t s p e c i e s c o m p o s i t i o n i n c o n t i n u o u s c u l t u r e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 1 , p p 1 8 8 - 1 9 6 , 1 9 8 6 C h o l e t t e , A . a n d C l o u t i e r , L . M i x i n g e f fi c i e n c y d e t e r m i n a t i o n s f o r c o n t i n u o u s fl o w s y s t e m s , C a n a d i a n J . o f C h e m i c a l e n g i n e e r i n g , J u n e , 1 9 5 9 C h u n g , K . T . I n h i b i t o r y e f f e c t s o f H 2 o n g r o w t h o f C l o s t r i d i u m c e l l a b i a p a r u m . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 3 1 , p p 3 4 2 - 3 4 8 , 1 9 7 6 C h u n g , Y . C . a n d N e e t h l i n g , J . B . A T P a s a m e a s u r e o f a n a e r o b i c s l u d g e d i g e s t e r a c t i v i t y . J . W P C F V o l . 6 0 , p P 1 0 7 - 1 1 2 , 1 9 8 8 C l a r k , R H . a n d S p e e c e , R E . T h e p H t o l e r a n c e o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n . I n A d v a n c e s i n W a t e r P o l l u t i o n R e s e a r c h P r o c e e d i n g s o f t h e fi f t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n W a t e r P o l l u t i o n R e s e a r c h , S a n F r a n c i s c o a n d H a w a i i , 1 9 7 0 , 1 1 - 2 7 , p p l - 1 4 , P e r g a m o n P r e s s , O x f o r d U K , 1 9 7 1 C o l i n , F . D e v e l o p m e n t o f a n a u t o m a t i c e q u i p m e n t f o r t h e s t u d y o f a c i d - b a s e e q u i l i b r i a f o r t h e c o n t r o l o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n . I n A n a e r o b i c d i g e s t i o n a n d c a r b o h y d r a t e h y d r o l y s i s o f w a s t e . p p 3 9 1 - 3 9 4 , e d s . F e r r e r o , G . L . , F e r r a n t i , M P . a n d N a v e a u , H . , E l s e v i e r A p p l i e d S c i n c e P u b l i s h e r s , L o n d o n , 1 9 8 4 C o r d - R u w i s c h e t a l . , T h e c a p a c i t y o f h y d r o g e n o t r o p h i c a n a e r o b i c b a c t e r i a t o c o m p e t e f o r u ' a c e s o f h y d r o g e n d e p e n d s o n t h e r e d o x p o t e n t i a l o f t h e t e r m i n a l e l e c t r o n a c c e p t o r , A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 4 9 , p p 3 5 0 - 3 S 7 , 1 9 8 8 C o s t e l l o , D . J . , G r e e n fi e l d , R F . a n d L e e , P . L . , D y n a m i c m o d e l i n g o f a s i n g l e - s t a g e h i g h - r a t e a n a e r o b i c r e a c t o r - I . M o d e l d e r i v a t i o n . W a t e r R e s . V o l . 2 5 ( 7 ) , p p 8 4 7 - 8 5 8 , 1 9 9 1 a C o s t e l l o , D . J . , G r e e n f i e l d , R F . a n d L e e , P . L . , D y n a m i c m o d e l i n g o f a s i n g l e - s t a g e h i g h - r a t e a n a e r o b i c r e a c t o r - I I . M o d e l v e r i fi c a t i o n . W a t e r R e s . V o l . 2 5 ( 7 ) , p p 8 5 9 - 8 7 1 , 1 9 9 1 b D a g u e , R . R . A p p l i c a t i o n o f d i g e s t e r t h e o r y t o d i g e s t e r c o n t r o l . J . W P C F . V o l . 4 0 , p p 2 0 2 1 - 2 0 3 2 , 1 9 6 8 3 2 2 D a n i e l s , L . , S p a r l i n g , R . a n d S p r o t t , G . D . T h e b i o e n e r g e t i c s o f m e t h a n o g e n e s i s . B i a c h i m . B i o p h y s . A c t a V o l . 7 6 8 , p p l 1 3 - 1 6 3 , 1 9 8 4 D e B e e r , D . , H u i s m a n , J . W . , V a n d e n H e u v e l , J . C . a n d O t t e n g r a f , S . P . P . , T h e e f f e c t o f p H p r o fi l e s i n m e t h a n o g e n i c a g g r e g a t e s o n t h e k i n e t i c s o f a c e t a t e c o n v e r s i o n . W a t . R e s . V o l . 2 6 ( 1 0 ) . P P 1 3 2 9 - 1 3 3 6 , 1 9 9 2 D i r a s i a n , H . A . , M o l o f , A . H . a n d B o r c h a r d t , J . A . E l e c t r o d e p o t e n t i a l s d e v e l o p e d d u r i n g s l u d g e d i g e s t i o n . J . W P C F . V o l . 3 5 , p p 4 2 4 - 4 3 9 , 1 9 6 3 E i c h l e r , B . , S c h i n k , B . , O x i d a t i o n o f p r i m a r y a l i p h a t i c a l c o h o l s b y A c e t a b a c t e r i u m c a r b i n a l i c u m s p . n o v . , a h o m o a c e t o g e n i c a n a e r o b e . , A r c h . M i c r o b i a l . , V o l . 1 4 0 , p p 1 4 7 - 1 5 2 , 1 9 8 4 E i k m a n n s , B . , T h a u e r , R . K . C a t a l y s i s o f a n i s o t r o p i c e x c h a n g e b e t w e e n C O 2 a n d t h e c a r b o x y l g r o u p o f a c e t a t e b y M e t h a n a s a r c i n a b a r k e r i g r o w n o n a c e t t a e . A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 3 8 , p p 3 6 5 - 3 7 0 , 1 9 8 4 F o u d a , A . E . a n d C a p e s , C . E . H y d r o d y n a m i c p a r t i c l e v o l u m e a n d fl u i d i z e d b e d e x p a n s i o n , T h e C a n a d i a n J . o f C h e m . E n g r . V o l . 5 5 , A u g u s t , 1 9 7 7 F u k u z a k i S . , N i s h i o , N . , N a g a i , 8 . , K i n e t i c s o f t h e m e t h a n o g e n i c f e r m e n t a t i o n o f a c e t a t e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . V o l . 5 6 , N o . 1 0 , p p 3 1 5 8 - 3 1 6 3 , O c t . , 1 9 9 0 a F u k u z a k i S . , N i s h i o , N . , S h o b a y a s h i , M . , N a g a i , 8 . , I n h i b i t i o n o f t h e f e r m e n t a t i o n o f p r o p i o n a t e t o m e t h a n e b y h y d r o g e n , a c e t a t e a n d p r o p i o n a t e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . V o l . 5 6 , N o . 3 , p p 7 l 9 - 7 2 3 , M a r . 1 9 9 0 b F u k u z a k i , S . , N i s h i o , N . , S a k u r a i , H . , N a g a i , 8 . , C h a r a c t e r i s t i c s o f m e t h a n o g e n i c g r a n u l e s g r o w n o n p r o p i o n a t e i n a n u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t ( U A S B ) r e a c t o r . J . F e r m e n t . B i o e n g . , V o l . 7 1 , N o . 1 , p p 5 0 - 5 7 , 1 9 9 1 G a r s i d e J . a n d A l - D i b o u n i , M . R . V e l o c i t y - v o i d a g e r e l a t i o n s h i p s f o r fl u i d i z a t i o n a n d s e d i m e n t a t i o n i n s o l i d - l i q u i d s y s t e m , I n d . E n g . C h e m . P r o c e s s D e s D e v . , V o l . 1 6 , N o 2 , 1 9 7 7 G r a e f , S P . a n d A n d r e w s , J . F . , M a t h e m a t i c a l m o d e l i n g a n d c o n t r o l o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n . W a t e r - 1 9 7 3 ( E d . G . F . B e n n e t t ) , S y m p o s i u m S e r i e s N o . 1 3 6 , V o l . 7 0 , P P 1 0 1 - 1 1 3 , A I C h E , N e w Y o r k , N e w Y o r k , 1 9 7 4 G u j e r , W . a n d Z e h n d e r , A . J . B . , C o n v e r s i o n p r o c e s s i n a n a e r o b i c d i g e s t i o n . W a t e r S c i . T e c h n o l . , V o l . 1 5 , p p 1 2 7 - 1 6 7 , 1 9 8 2 3 2 3 G u j e r , W . a n d Z e h n d e r , A . J . B . , C o n v e r s i o n p r o c e s s i n a n a e r o b i c d i g e s t i o n , W a t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , V o l . 1 5 , p p 1 2 7 - 1 6 7 , 1 9 8 3 H a l l , E . R . I m p r o v i n g h y d r a u l i c e f fi c i e n c y i n h i g h r a t e a n a e r o b i c s y s t e m s , A s e m i n a r s p o n s o r e d b y P o l l u t i o n C o n t r o l A s s o c i a t i o n o f O n t a r i o , M a r c h , 1 9 8 4 , B u r l i n g t o n , O n t a r i o H a l l , E . R . N o n - i n t r u s i v e e s t i m a t i o n o f a c t i v e v o l u m e i n a n a e r o b i c r e a c t o r s , W a t e r P o l l . R e s . J . C a n a d a V o l . 2 0 , N o . 2 , 1 9 8 5 H a n g M i n a n d Z i n d e r , S . H . , K i n e t i c s o f a c e t a t e u t i l i z a t i o n b y t w o t h e r m o p h i l i c a c e t o t r o p h i c m e t h a n o g e n s : M e t h a n o s a r c i n a s p . s t r a i n C A L S - l a n d M e t h a n o t h r i x s p . s t r a i n C A L S - 1 , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . p p 4 8 8 - 4 9 1 , F e b . 1 9 8 9 H a m e l e r s , H . V . M . a n d K o s t e r , L W . , E s t i m a t i o n o f t h e k i n e t i c c o n s t a n t s o f a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n s f r o m b a t c h e x p e r i m e n t s , P r a c . E W P C A c o n f . o n a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . I n d u s t r i a l p r e s e n t a t i o n s , A m s t e r d a m , T h e N e t h e r l a n d s , p p 6 2 5 - 6 2 8 , 1 9 8 6 H a r p e r , S R . a n d P o h l a n d , F . G . E n h a n c e m e n t o f a n a e r o b i c t r e a t m e n t e f f i c i e n c y t h r o u g h p r o c e s s m o d i fi c a t i o n . J . W P C F , V o l . 5 9 , N o . 3 , p p 1 5 2 - 1 6 1 , 1 9 8 7 H a r r e m o e s , P . , T h e s i g n i fi c a n c e o f p o r e d i f f u s i o n t o fi l t e r d e n i t r i fi c a t i o n . J . W a t e r P a l l u . C o n t r o l . F e d , V o l . 4 8 ( 2 ) , p p 3 7 7 - 3 8 8 , 1 9 7 6 H e n s o n , J . M . , M c I n e r n e y , M . J . , S h a w n B e a t y , P . , N i c k e l s , J . a n d W h i t e , D . C . P h o s p h o l i p i d f a t t y a c i d c o m p o s i t i o n o f t h e s y n t r O p h i c b a c t e r i u m S y n t r o p h o m o n a s w a l f e i . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 5 4 , p p 1 5 7 0 - 1 5 7 4 , 1 9 8 8 b H e n s o n , J . M . , S m i t h , R H . a n d W h i t e , D . C . E x a m i n a t i o n o f t h e r m o p h i l i c m e t h a n e - p r o d u c i n g d i g e r t e r s b y a n a l y s i s o f b a c t e r i a l l i p i d s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 0 , p p 1 4 2 8 - 1 4 3 3 , 1 9 8 8 a H e n z e , M . a n d H a r r e m o e s , P . , A n a e r o b i c t r e a t m e n t o f w a s t e - w a t e r i n f i x e d fi l m r e a c t o r s - a l i t e r a t u r e r e v i e w . , W a t . S c i . T e c h n o l . , V o l . 1 5 , p p l - 1 0 1 , 1 9 8 3 H e y e s , R H . a n d H a l l , R . J . , A n a e r o b i c d i g e s t i o n m o d e l l i n g - T h e r o l e o f H 2 . B i o t e c h n o l . L e t t . , V o l . 3 , p p 4 3 1 - 4 3 6 , 1 9 8 1 H e y e s , R H . a n d H a l l , R . J . , K i n e t i c s o f t w o s u b g r o u p s o f p r o p i o n a t e - u s i n g o r g a n i s m s i n a a n a e r o b i c d i g e s t i o n , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 4 6 , p p 7 1 0 - 7 1 5 , 1 9 8 3 H i c k e y , R . F . a n d S w i t z e n b a u m , M . S . , B e h a v i o r o f c a r b o n m o n o x i d e a s a t r a c e c o m p o n e n t o f a n a e r o b i c d i g e s t e r g a s e s a n d m e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e , E . S . & T . , V o l . 2 4 , N o . 1 1 , p p 1 6 4 2 - 1 6 4 8 , 1 9 9 0 3 2 4 H i c k e y , R . F . a n d S w i z e n b a u m , M S . T h e r o l e o f i n t e r m e d i a t e a n d p r o d u c t g a s e s a s r e g u l a t o r s a n d i n d i c a t o r s o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n . I n P o s t e r P a p e r s , A n a e r o b i c D i g e s t i o n . p p 4 3 - 4 7 , e d s . T i l c h e , A a n d R o z z i , A . , M o n d u z z i E d i t o r e , B o l o g n a , I t a l y , 1 9 8 8 H i c k e y , R . F . , V a n d e r w i e l e n , J . a n d S w i z e n b a u m , M . S . P r o d u c t i o n o f t r a c e l e v e l s o f c a r b o n m o n o x i d e d u r i n g m e t h a n o g e n e s i s o n a c e t a t e a n d m e t h a n o l . B i o t e c h n o l . L e t t . , V o l . 9 . p p 6 3 - 6 6 , 1 9 8 7 b H i c k e y , R . F . , V a n d e r w i e l e n , J . a n d S w i z e n b a u m , M S . T h e e f f e c t o f h e a v y m e t a l s o n m e t h a n e p r o d u c t i o n a n d h y d r o g e n a n d c a r b o n m o n o x i d e d u r i n g b a t c h a n a e r o b i c s l u d g e d i g e s t i o n . W a t . R e s . , V o l . 2 3 , p p 2 0 7 - 2 1 8 , 1 9 8 9 H i c k e y , R . F . , V a n d e r w i e l e n , J . a n d S w i z e n b a u m , M S . T h e e f f e c t s o f o r g a n i c t o x i c a n t s o n m e t h a n e p r o d u c t i o n a n d h y d r o g e n g a s l e v e l s d u r i n g t h e a n a e r o b i c d i g e s t i o n o f w a s t e a c t i v a t e d s l u d g e . W a t . R e s . , V o l . 2 1 , p p 1 4 1 7 - 1 4 2 7 , 1 9 8 7 a H i l l , D . T . a n d B a r t h , C . L . , A d y n a m i c m o d e l f o r s i m u l a t i o n o f a n i m a l w a s t e d i g e s t i o n . J . W a t . P u l l u t . C o n t r o l . F e d . V o l . 1 0 , p p 2 1 2 9 - 2 1 4 3 , 1 9 7 7 H i l l , D . T . , A c o m p r e h e n s i v e d y n a m i c m o d e l f o r a n i m a l w a s t e m e t h a n o g e n e s i s . T r a n s . A S A E , V o l . 2 5 . P P 1 3 7 4 - 1 3 8 0 , 1 9 8 2 H u s e r , B . A . , M e t h a n b i l d i n g a u s a c e t a t , p h D t h e s i s , S w i s s F e d e r a l I n s t i t u t e o f T e c h . Z u r i c h , 1 9 8 1 I n o u e , Y . a n d K o y a m a , K . , M e c h a n i s m o f v o l a t i l e f a t t y a c i d r e m o v a l i n a fi x e d b i o fi l m m e t h a n e f e r m e n t a t i o n r e a c t o r . W a t . S c i . T e c h . V o l . 2 0 ( 1 1 ) , p p 3 7 7 - 3 8 3 , 1 9 8 8 I z a , J . e t a l . A n a e r o b i c fl u i d i z e d b e d r e a c t o r s ( A F B R ) : p e r f o r m a n c e a n d h y d r a u l i c b e h a v i o u r , 5 t h I n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m a n a n a e r o b i c d i g e s t i o n , 1 9 8 8 J o n e s , R M . a n d H a l l , E . R . , A s s e s s m e n t o f d y n a m i c m o d e l s f o r a h i g h r a t e a n a e r o b i c n e a t m e n t p r o c e s s , E n v i r o n . T e c h n o l . L e t t . , V o l . 1 0 , p p 5 5 1 - 5 6 6 , 1 9 8 9 J o n e s , R . M . , M a c G r e g o r , J . F . , M u r p h y , K L . a n d H a l l , E . R . , T o w a r d s a u s e f u l d y n a m i c m o d e l o f t h e a n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e t n p r o c e s s : A p r a c t i c a l i l l u s t r a t i o n o f p r o c e s s i d e n t i fi c a t i o n . W a t . S c i . T e c h n o l . , V o l . 2 5 ( 7 ) , p p 6 1 - 7 1 , 1 9 9 2 J o n e s , W . J . , N a g l e , D . P . J r , W h i t m a n , W . B . M e t h a n o g e n s a n d t h e d i v e r s i t y o f a r c h a e b a c t e r i a . M i c r o b i o l . R e v . , V o l . 5 1 , N o . 1 , p p 1 3 5 - 1 7 7 , 1 9 8 7 K a s p a r , H . a n d W u h r m a n n , K . , K i n e t i c p a r a m e t e r s a n d r e l a t i v e t u r n o v e r s o f s o m e i m p o r t a n t c a t a b o l i c r e a c t i o n s i n d i g e s t i n g s l u d g e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 3 6 , p p l - 7 , 1 9 7 8 3 2 5 K a s p a r , H . F . a n d W u h r m a n n , K . P r o d u c t i n h i b i t i o n i n s l u d g e d i g e s t i o n . M i c r o b i a l E c o l . V o l . 4 , p p 2 4 1 - 2 4 8 , 1 9 7 8 K e n e a l y , W . R . a n d Z e i k u s , J . G . , O n e - c a r b o n m e t a b o l i s m i n m e t h a n o g e n s : e v i d e n c e f o r s y n t h e s i s o f a t w o - c a r b o n c e l l u l a r i n t e r m e d i a t e a n d u n i fi c a t i o n o f c a t a b o l i s m a n d a n a b o l i s m i n M e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i . J . B a c t e r i o l . , V o l . 1 5 1 , p p 9 3 2 - 9 4 1 , 1 9 8 2 K e n n e d y , K . J . a n d D r o s t e , R . L . , A n a e r o b i c fi x e d fi l m r e a c t o r t r e a t i n g c a r b o h y d r a t e w a s t e w a t e r , W a t . R e s . V o l . 2 0 , N o . 6 , p p 6 8 5 - 6 9 6 , 1 9 8 6 K i s s e l , J . C . , M c C a r t y , P . L . a n d S t r e e t , R . L . , N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f m i x e d c u l t u r e b i o fi l m . J . E n v i r o n . E n g . , A S C E , V o l . 1 1 0 ( E E 2 ) , p p 3 9 3 - 4 1 1 , 1 9 8 4 K o h l e r , H . P . E . a n d Z e h n d e r , A . J . B . , C a r b o n m o n o x i d e d e h y d r o g e n a s e a n d a c e t a t e t h i o k i n a s e i n M e t h a n o t h r i x s a e h n g e n i i , F E M S M i c r o b i a l . L e t t . , V o l . 2 1 , p p 2 8 7 - 2 9 2 , 1 9 8 4 K o s t e r , I . W . a n d C r a m e r , A . I n h i b i t i o n o f m e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e i n g r a n u l a r s l u d g e b y l o n g - c h a i n f a t t y a c i d s , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 5 3 , N o . 2 , p p 4 0 3 - 4 0 9 , 1 9 8 7 K o s t e r , I . W . , C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p H - i n fl u e n c e d a d a p t a t i o n o f m e t h a n o g e n i c s l u d g e t o a m m o n i u m t o x i c i t y , J . C h e m . T e c h n o l . B i o t e c h n o l . , V o l . 3 6 , N o . 1 0 , p p 4 4 5 - 4 5 5 , 1 9 8 6 K o s t e r , I . W . , R i n z e m a , A . L . , L e t t i n g a , G . , S u l fi d e i n h i b i t i o n o f t h e m e t h a n o g e n i c a c t i v i t y o f g r a n u l a r s l u d g e a t v a r i o u s p H - l e v e l s , W a t . R e s . V o l . 2 0 , N o . 1 2 , p p 1 5 6 l - 1 5 6 8 , 1 9 8 6 K r z y c k i , J . A . a n d Z e i k u s , G . C h a r a c t e r i z a t i o n a n d p u r i fi c a t i o n o f c a r b o n m o n o x i d e d e h y d r o g e n a s e f r o m M e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i . J . B a c t e r i a l . V o l . 1 5 8 , p p 2 3 l - 2 3 7 , 1 9 8 4 K r z y c k i , J . A . , W o l k i n , R . a n d Z e i k u s , G . C o m p a r i s o n o f u n i t r o p h i c a n d m i x t r o p h i c s u b s t r a t e m e t a b o l i s m b y a n a c e t a t e - a d a p t e d s t r a i n o f M e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i . J . B a c t e r i a l . V o l . 1 4 9 , p p 2 4 7 - 2 5 4 , J a n . 1 9 8 2 K u g e l m a n , I . J . a n d C h i n , K . K . T o x i c i t y , s y n e r g i s m a n d a n t a g o n i s m i n a n a e r o b i c w a s t e t r e a t m e n t p r o c e s s e s , A n a e r o b i c B i o l o g i c a l T r e a t m e n t P r o c e s s , A u g . 1 9 7 0 L a M o t t a , E . J . a n d S h i c h , W . K . , D i f f u s i o n a n d r e a c t i o n o n b i o l o g i c a l n i t r i fi c a t i o n . J . E n v i r o n . E n g . D i v . A S C E , V o l . 1 0 5 ( E E 4 ) , p p 6 5 5 - 6 7 3 , 1 9 7 9 L a a n b r o e k , H J , A b e e , T . , V o o g d , J L , A l c o h o l c o n v e r s i o n b y D e s u l f o b u l b u s p r o p i o n i c u s L i n d h o r s t i n t h e p r e s e n c e a n d a b s e n c e o f s u l f a t e a n d h y d r o g e n , A r c h . M i c r o b i a l . , V o l . 1 3 3 , p p 1 7 8 - 1 8 4 , 1 9 8 2 L i l m e P P L o t e c l 3 2 6 L a w r e n c e , A . W . a n d M c C a r t y , P . L . K i n e t i c s o f m e t h a n e f e r m e n t a t i o n i n a n a e r o b i c t r e a t m e n t , J . W . F . C F . V o l . 4 1 N o . 2 , R e s . S u p p l . R l - R l 7 , 1 9 6 9 L e e , M . J . a n d Z i n d e r , S . H . , H y d r o g e n p a r t i a l p r e s s u r e s i n a t h e n ' n O p h i l i c a c e t a t e - o x i d i z i n g m e t h a n o g e n i c c o c u l t u r e , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 4 , p p 1 4 5 7 - l 4 6 1 , 1 9 8 8 L e n h a r d , G . A s t a n d a r i z e d p r o c e d u r e f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f d e h y d r o g e n a s e a c t i v i t y i n s a m p l e s f r o m a n a e r o b i c t r e a t m e n t s y s t e m . W a t . R e s . , V o l . 2 , p p 1 6 1 - 1 6 7 , 1 9 6 8 L e n s , P . N . L . , D e B e e r , D . , C r o n e n b e r g , C . C . H . , H o u w e n , F . P . , O t t e n g r a f , S . P . P . a n d V e r s t r a e t e , W . H . , H e t e r o g e n e o u s d i s t r i b u t i o n o f m i c r o b i a l a c t i v i t y i n m e t h a n o g e n i c a g g r e g a t e s : p H a n d g l u c o s e m i c r o p r o fi l e s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 9 ( 1 1 ) , p p 3 8 0 3 - 3 8 1 5 , 1 9 9 3 L e v e n s p i e l , O . C h e m i c a l r e a c t i o n e n g i n e e r i n g , 2 n d e d i t i o n , c h a p t e r 9 . 1 9 7 2 L i n C . Y . , N o i k e , T . , F u r u m a i , H . , M a t s u m o t o , J . , A k i n e t i c s t u d y o n t h e m e t h a n o g e n e s i s p r o c e s s i n a n a e r o b i c d i g e s t i o n , W a t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , V o l . 2 1 , p p 1 7 5 - 1 8 6 , 1 9 8 9 L o c h e r , G . , S o n n l e i t n e r , B . a n d F i e c h t e r A . P a t t e r n r e c o g n i t i o n : a u s e f u l t o o l i n t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s e s . B i a p r a c e s s e n g i n e e r i n g , V o l . 5 , p p 1 8 1 - 1 8 7 , 1 9 9 0 L o v e l y , D . R . , M i n i m u m t h r e s h o l d f o r h y d r o g e n m e t a b o l i s m i n m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 4 9 , N o . 6 , J u n e 1 9 8 5 M a c a r i o , A . J . L . a n d C o n w a y d e M a c a r i o , E . A n t i g e n i c fi n g e r p r i n t i n g o f m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a w i t h p o l y c l o n a l a n t i b o d y p r o b e s . S y s t e m . A p p l . M i c r o b i o l . V o l . 4 , p p 4 5 1 - 4 5 8 , 1 9 8 3 M a c L e o d , E A . e t a l . , L a y e r e d s t r u c t u r e o f b a c t e r i a l a g g r e g a t e s p r o d u c e d i n a n U A S B a n d fi l t e r r e a c t o r , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 6 ( 6 ) , p p 1 5 9 8 - 1 6 0 7 , 1 9 9 0 M a c m u l l e n , R B . a n d W e b e r , M . T h e t h e o r y o f s h o r t c i r c u i t i n g i n c o n t i n u o u s fl o w m i x i n g v e s s e l s i n s e r i e s a n d t h e k i n e t i c s o f c h e m i c a l r e a c t i o n s i n s u c h s y s t e m s , T r a n s . A I C H E t V o l . 3 l p p 4 0 9 , 1 9 3 5 M a h , R . A . , S m i t h , M R . a n d B a r e s i , L . , S t u d i e s o n a n a c e t a t e - f e r m e n t i n g s t r a i n o f M e t h a n o s a r c i n a , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 3 5 , p p 1 1 7 4 - 1 1 8 4 , 1 9 7 8 M a n j u n a t h , D . L . e t a l . T r e a t m e n t o f c a n e s u g a r m i l l w a s t e w a t e r i n u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t r e a c t o r s , P r o c e e d i n g s o f t h e 4 4 t h P u r d u e I n d u s t r i a l W a s t e C o n f e r e n c e , 1 9 8 9 M t d i g N ) - M I T e . M I w a E n M i M i a n : M t a m 3 2 7 M c C a r t y P . L . O n e h u n d r e d y e a r s o f a n a e r o b i c t r e a t m e n t . , p p 3 - 2 2 , i n A n a e r o b i c d i g e s t i o n , e d s . H u g h e s . D . E . , S t a f f o r d , D . A . , W h e a t l e y , B . J . , B a a d e r , W . , L e t t i n g a , G . , N y n s , E . J . a n d V e r s t r a e t e n , W . , E l s e v i e r , A m s t e r d a m , 1 9 8 1 M c C a r t y , P . L . a n d S m i t h , P . D . , A n a e r o b i c w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . E n v i r o n . S c i . T e c h n o l . , V o l . 2 0 , p p 1 2 0 0 - 1 2 0 6 , 1 9 8 6 M c I n e r n e y , M . J . , B r y a n t , M . P . , H e s p e l l , R . B . , C o s t e r t o n , J . W . , S y n t r a p h a m a n a s w a l f e i g e n . n o v . s p e c . n o v . , a n a n e r o b i c s y n u ' o p h i c f a t t y a c i d o x i d i z i n g b a c t e r i u m . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 4 1 , p p 1 0 2 9 - 1 0 3 9 , 1 9 8 1 M e t c a l f & e d d y . W a s r e w a t e r E n g i n e e r i n g : t r e a t m e n t , d i s p o s a l , r e u s e . 3 r d e d i . M o n t e i t h , H . D . a n d S t e p h e n s o n , J . P . , M i x i n g e f fi c i e n c i e s i n f u l l s c a l e a n a e r o b i c d i g e s t e r s b y t r a c e r m e t h o d s , J . W a t e r P o l l u t i o n C o n t r o l F e d e r a t i o n , V 0 1 5 3 , p p 7 8 - 8 4 , J a n . 1 9 8 1 M o r g a n , J . W . e t a l . , A c o m p a r a t i v e s t u d y o f t h e n a t u r e o f b i o p o l y m e r s e x t r a c t e d f r o m a n a e r o b i c a n d a c t i v a t e d s l u d g e s , W a t . R e s . V o l . 2 4 , N o . 6 , p p 7 4 3 - 7 5 0 , 1 9 9 0 M o s e y , F . E . K i n e t i c d e s c r i p t i o n o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n . 3 " I n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m a n a n a e r o b i c d i g e s t i o n , B o s t o n , 1 9 8 3 M o s e y , F . E . , a n d F e r n a n d e s , X . A . P a t t e r n s o f H y d r o g e n i n b i o g a s f r o m t h e a n a e r o b i c d i g e s t i o n o f m i l k - s u g a r s , W a t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , V o l . 2 1 , p p 1 8 7 - 1 9 6 , 1 9 8 9 M o s e y , F . E . , M a t h e m a t i c a l m o d e l i n g o f t h e a n a e r o b n i c d i g e s t i o n p r o c e s s : R e g u l a t o r y m e c h a n i s m s f o r t h e f o r m a t i o n o f s h o r t - c h a i n v o l a t i l e a c i d s f r o m g l u c o s e . W a t e r S c i . T e c h n o l . , V o l . 1 5 ( 8 ) . P P 2 0 9 - 2 1 9 , 1 9 8 3 N i l s s o n , B . K . a n d K a r l s s o n , H . T . , D i f f u s i o n r a t e s i n a d e n s e m a t r i x o f m e t h a n e — p r o d u c i n g m i c r o o r g a n i s m s . J . C h e m . T e c h . B i o t e c h n o l . , V o l . 4 4 , p p 2 5 5 - 2 6 0 , 1 9 8 9 O l s s o n , G . , A n d e r s s o n , B . , H e l l s t r o m , B . G . , H o l m s t r o m , H . , R e i n i u s , L . G . a n d V o p a t e k , P . M e a s u r e m e n t s , d a t a a n a l y s i s a n d c o n t r o l m e t h o d s i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s - s t a t e o f t h e a r t a n d f u t u r e t r e n d s . W a t . S c i . T e c h . V o l . 2 1 , p p 1 3 3 3 - 1 3 4 5 , 1 9 8 9 P a t e l , G . B . , C h a r a c t e r i z a t i o n a n d n u t r i t i o n a l p r o p e r t i e s o f M e t h a n o t h r i x c a n c i l i i s p . n o v . , a m e s o p h i l i c a c e t o c l a s t i c m e t h a n o g e n , , C a n . J . M i c r o b i a l . V o l . 3 0 , p p 1 3 8 3 - 1 3 9 6 , 1 9 8 4 P a u s s , A . , A n d r e , G . , P e r r i e r , M . a n d G u i o t , S . L i q u i d t o g a s m a s s t r a n s f e r i n a n a e r o b i c p r o c e s s : I n e v i t a b l e t r a n s f e r l i m i t a t i o n s o f m e t h a n e a n d h y d r o g e n i n t h e b i o m e t h a n a t i o n p r o c e s s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , J u n e , p p 1 6 3 6 — 1 6 4 4 , 1 9 9 0 b 3 2 8 P a u s s , A . , a n d G u i o t , S . R . H y d r o g e n m o n i t o r i n g i n a n a e r o b i c s l u d g e b e d r e a c t o r s a t v a r i o u s h y d r a u l i c r e g i m e s a n d l o a d i n g r a t e s . W a t e r E n v i r o n . R e s . V o l . 6 5 , N o . 3 , p p 2 7 6 - 2 8 0 , 1 9 9 3 P a u s s , A . , G u i o t , S . R . , S a m s o n , R . a n d B e a u c h e m i n , C . C o n t i n u o u s m e a s u r e m e n t o f d i s s o l v e d H 2 i n a n a n a e r o b i c r e a c t o r u s i n g a n e w h y d r o g e n a i r f u e l c e l l d e t e c t o r . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 3 5 , p p 4 9 2 - 5 0 1 , 1 9 9 0 a P e t e r s o n , S P . a n d A h r i n g , B . K . , A c e t a t e o x i d a t i o n i n a t h e r m o p h i l i c a n a e r o b i c s e w a g e - s l u d g e d i g e s t o r : t h e i m p o r t a n c e o f n o n - a c e t i c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e , F E M S M i c r o b i a l . E c o l . V o l . 8 6 , p p 1 4 9 - 1 5 8 , 1 9 9 1 P h e l p s , T . J . , C o n r a d , R . a n d Z e i k u s , J . G . , S u l f a t e d e p e n d e n t i n t e r s p e c i e s H 2 t r a n s f e r b e t w e e n M e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i a n d D e s u l f o v i b r i a v u l g a r i s d u r i n g m e t a b o l i s m o f a c e t a t e a n d m e t h a n o l . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 0 , p p 5 8 9 - 5 9 4 , 1 9 8 5 P o s t g a t e , J . R . a n d C a m p b e l l , L . L . , C l a s s i fi c a t i o n o f D e s u l f o v i b r i a s p e c i e s , t h e n o n s p o r u l a t i n g s u l f a t e - r e d u c i n g b a c t e r i a . B a c t e r i a l . R e v . , V o l . 3 0 , p p 7 3 2 - 7 3 8 P o w e l l , G E . a n d A r c h e r , D . B . O n l i n e t i t r a t i o n m e t h o d f o r m o n i t o r i n g b u f f e r c a p a c i t y a n d t o r a l v o l a t i l e f a t t y a c i d l e v e l s i n a n a e r o b i c d i g e s t e r s . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 3 3 , p p 5 7 0 - 5 7 7 . 1 9 8 9 R a d i a n C o . G u i d e l i n e s f o r t h e p r e p a r a t i o n o f G R ! q u a l i t y a s s u r a n c e p r o j e c t p l a n s , A u g . 1 9 9 0 R e b h u n , M . , A r g a m a n , Y . E v a l u a t i o n o f h y d r a u l i c e f fi c i e n c y o f s e d i m e n t a t i o n b a s i n s , J . S a n . E n g D i v . P r o c e e d i n g s A S C E S A 5 , p p 3 7 , O c t . 1 9 6 5 R i c h a r d s o n J . F . a n d Z a k i , W . N . S e d i m e n t a t i o n a n d fl u i d i s a t i o n T r a n a n s t . C h e m . E n g r . , V o l . 3 2 , N o . 3 5 , 1 9 5 4 R i e m e r , M . , K r i s t e n s e n , G . H . a n d H a r r e m o e s , P . , R e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n i n s u b m e r g e d b i o fi l t e r s , W a t e r R e s e a r c h , V o l . 1 4 , 1 9 8 0 R i t t m a n n , B E . a n d M c C a r t y , P . L . , M o d e l o f s t e a d y - s t a t e - b i o fi l o m k i n e t i c s . B i o t e c h n o l . B i o e n g . , V o l . 2 2 , p p 2 3 4 3 - 2 3 5 7 , 1 9 8 0 R i t t m a n n , B . E . , T h e e f f e c t o f l o a d i n g fl u c t u a t i o n s o n t h e e f fl u e n t c o n c e n t r a t i o n p r o d u c e d b y fi x e d - fi l m r e a c t o r s . W a t e r S c i . T e c h n o l . , V o l . 1 6 , p p 4 5 - 5 5 , 1 9 8 5 R i t t m a n n , B . E . , T h e e f f e c t o f s h e a r s t r e s s o n b i o fi l m l o s s r a t e . B i a t e h n a l . B i o e n g . , V o l . 2 4 , p p 5 0 1 - 5 0 6 , 1 9 8 2 3 2 9 R o b i n s o n , J . A . a n d T i e d j e , J . M . K i n e t i c s o f h y d r o g e n c o n s u m p t i o n b y r u m e n fl u i d , a n a e r o b i c d i g e s t o r s l u d g e . a n d s e d i m e n t , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 4 4 , p p 1 3 7 4 - 1 3 8 4 . 1 9 8 2 R o z z i , A . , D i P i n t o , A . C . a n d B r u n e t t i , A . A n a e r o b i c p r o c e s s c o n t r o l b y b i c a r b o n a t e m o n i t o r i n g . E n v i r o n . T e c h n o l . L e t t . , V o l . 6 , p p 5 9 4 - 6 0 1 , 1 9 8 5 R o z z i , A . S . , M e r l i n i o , S . , a n d P a s s i n o , R . , D e v e l o p m e n t o f a f o u r p o p u l a t i o n m o d e l o f t h e a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f c a r b o h y d r a t e s . E n v i r o n . T e c h n o l . L e t t e r s , V o l . 6 , p p 6 1 0 - 6 1 9 , 1 9 8 5 S a e z , R B . a n d R i t t m a n n , B . E . , I m p r o v e d p s e u d o a n a l y t i c a l s o l u t i o n f o r s t e a d y s t a t e b i o fi l m k i n e t i c s , B i a t e c h . B i o e n g . , V o l . 3 2 , p p 3 7 9 - 3 8 5 , 1 9 8 8 S a m a i n , E . , A l b a n i a c , G . , D u b o u r g i e r , H C . , T o u z e l , J P . , C h a r a c t e r i z a t i o n o f a n e w p r o p i o n a i c a c i d b a c t e r i u m t h a t f e r m e n t s e t h a n o l a n d d i s p l a y s a g r o w t h f a c t o r d e p e n d e n t a s s o c i a t i o n w i t h a G r a m n e g a t i v e h o m o a c e t o g e n , F E M S M i c r o b i o l o g y L e t t . V o l . 1 5 , p p 6 9 - 7 4 , 1 9 8 2 S c h a u e r , N . L . a n d F e r r y . J . G . , M e t a b o l i s m o f f o r m a t e i n M e t h a n a b a c t e r i u m f o r m i c i c u m . J . B a c t e r i a l . V o l . 4 2 , p p 8 0 0 - 8 0 7 , 1 9 8 0 S c h a u e r , N . L . , B r o w n , D . P . a n d F e r r y . J . G . , K i n e t i c s o f f o r m a t e m e t a b o l i s m i n M e t h a n a b a c t e r i u m f o r m i c i c u m a n d M e t h a n a s p i r i l l u m h u n g a t e i . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l 4 4 , p p 5 4 9 - 5 5 4 , 1 9 8 2 S c h i n k , B , K r e m e r , D . K . , H a n s e n , T . A . , P a t h w a y o f p r o p i o n a t e f o r m a t i o n f r o m e t h a n o l i n P e l a b a c t e r p r o p i o n i c u s , A r c h M i c r o b i o l V o l . 1 4 7 , p p 3 2 1 - 3 2 7 , 1 9 8 7 S c h i n k , B . a n d T h a u e r , R . K . E n e r g e t i c s o f s y n t r o p h i c m e t h a n e f o r m a t i o n a n d t h e i n fl u e n c e o f a g g r e g a t i o n . I n G r a n u l a r a n a e r o b i c s l u d g e ; m i c r o b i o l o g y a n d t e c h n o l o g y . P r o c e e d i n g s o f t h e G A S M A T - w o r k s h a p , p p 5 - 1 7 , L u n t e e r e n , N e t h e r l a n d s , 2 5 - 2 7 O c t . , 1 9 8 7 S c h i n k , B . , P h e l p s , T . , E i c h l e r , B . , Z e i k u s , J . G . , C o m p a r i s o n o f e t h a n l d e g r a d a t i o n p a t h w a y s i n a n o x i c f r e s h w a t e r e n v i r o n m e n t s , J . o f G e n e r a l M i c r o b i a l . V o l . 1 3 1 , p p 6 5 1 - 6 6 0 , 1 9 8 5 S c h i n k , B . , F e r m e n t a t i o n o f 2 , 3 - b u t a n e d i o l b y P e l a b a c t e r c a r b i n a l i c u s s p . n o v . n d P e l a b a c t e r p r o p i o n i c u s s p . n o v . , a n d e v i d e n c e f o r p r o p i o n a t e f o r m a t i o n f r o m C 2 c o m p o u n d s , A r c h M i c r o b i a l . V o l . 1 3 7 , p p 3 3 - 4 1 , 1 9 8 4 S c h m i d t , J . E . a n d A h r i n g , B . K , E f f e c t s o f h y d r o g e n a n d f o r m a t e o n t h e d e g r a d a t i o n o f p r o p i o n a t e a n d b u t y r a t e i n t h e r m O p h i l i c g r a n u l e s f r o m a n U p fl o w A n a e r o b i c S l u d g e B l a n k e t r e a c t o r . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 9 , N o . 8 , p p 2 5 4 6 - 2 5 5 1 , 1 9 9 3 3 3 0 S c h m i d t , J . E . a n d A h r i n g , B . K . A c e t a t e a n d h y d r o g e n m e t a b o l i s m i n i n t a c t a n d d i s i n t e g r a t e d g r a n u l e s f r o m a n a c e t a t e - f e d , 5 5 ° C , U A S B r e a c t o r , A p p l . M i c r o b i a l . B i o t e c h n o l . 3 5 : p p 6 8 1 - 6 8 5 , 1 9 9 1 S c h m i d t , J . E . a n d A h r i n g , B . K . , E f f e c r s o f h y d r o g e n a n d f o r m a t e o n t h e d e g r a d a t i o n o f p r o p i o n a t e a n d b u t y r a t e i n t h e r m o p h i l i c g r a n u l e s f r o m a n u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t r e a c t o r , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 9 , N o . 8 , p p 2 5 4 6 - 2 5 5 1 , 1 9 9 3 S c h u l z e , D . , M e h k h o u s , M . , F i e b i g , R . , a n d D e l l w e g , H . A n a e r o b i c t r e a t m e n t o f p r o t e i n - c o n t a i n i n g w a s t e w a t e r s : c o r r e l a t i o n b e t w e e n c o e n z y m e F 4 2 0 a n d m e t h a n e p r o d u c t i o n . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 2 9 , p p 5 0 6 - 5 1 0 , 1 9 8 8 S e i t z , H . , ] . , S c h i n k , B . , P f e n n i n g , N . , C o n r a d , R . , E n e r g e t i c s o f s y n t r o p h i c e t h a n o l o x i d a t i o n i n d e fi n e d c h e m o s t a t c o c u l t u r e s 1 . E n e r g y r e q u i r e m e n t f o r H 2 p r o d u c t i o n a n d H 2 o x i d a t i o n , A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 5 5 , p p 8 2 - 8 8 , 1 9 9 0 S e i t z , R . J . , S c h i n k , B . , P f e n n i n g , N . , C o n r a d , R . , E n e r g e t i c s o f s y n t r o p h i c e t h a n o l o x i d a t i o n i n d e fi n e d c h e m o s t a t c o c u l t u r e s 2 . E n e r g y s h a r i n g i n b i o m a s s p r o d u c t i o n , A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 5 5 , p p 8 9 - 9 3 , 1 9 9 0 S h r i n k , B . , E n e r g e t i c s o f a n a e r o b i c s y s t e m , s p e e c h a t C e n t e r o f M i c r o b i a l E c o l o g y , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , A u g . 1 1 , 1 9 9 2 S h r i n k , B . , P r i n c i p l e s a n d l i m i t s o f a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n : e n v i r o n m e n t a l a n d t e c h n o l o g i c a l a s p e c t s , B i o l o g y o f a n a e r o b i c m i c r o o r g a n i s m s e d i . Z e h n d e r , 1 9 8 8 S m i t h , D . P . , p h D t h e s i s , S t a n f o r d U n i v e r s i t y , 1 9 8 7 S m i t h , R H . a n d M a h , R . A . , G r o w t h a n d m e t h a n o g e n e s i s b y m e t h a n o s a r c i n a s t r a i n 2 2 7 o n a c e t a t e a n d m e t h a n o l , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i o l . V o l . 3 7 , p p 9 9 3 - 9 9 9 , 1 9 7 8 S p e e c e , R . E . , A s u r v e y o f m u n i c i p a l a n a e r o b i c s l u d g e d i g e s t e r s a n d d i a g n o s t i c a c t i v i t y a s s a y s . W a t . R e s . V o l . 2 2 , p p 3 6 5 - 3 7 2 , 1 9 8 8 S t e v e n s , D . K . e t a l . , T h e e f f e c t o f t r a c e r d i f f u s i o n i n b i o fi l m o n r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n s , W a t e r R e s e a r c h , V o l . 2 0 , N o . 3 , 1 9 8 6 S t r a y e r , R . F . a n d T i e d j e , J . M . A p p l i c a t i o n o f t h e fl u o r e s c e n t - a n t i b o d y t e c h n i q u e t o t h e s t u d y o f a m e t h a n o g e n i c b a c t e r i u m i n l a k e s e d i m e n t s . A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 3 5 , p p l 9 2 - 1 9 8 , 1 9 7 8 S t u p p e r i c h , E . , H a m m e l , K . E . , F u c h s , G . a n d T h a u e r , R . K . C a r b o n m o n o x i d e fi x a t i o n i n t o t h e c a r b o x y l g r o u p o f a c e t y l c o e n z y m e A d u r i n g a u t o t r o p h i c g r o w t h o f M e t h a n a b a c t e r i u m . F E B S L e t t . , V o l . 1 5 2 , p p 2 1 - 2 3 , 1 9 8 3 3 3 1 S w i t z e n b a u m , M . S . , G i r a l d o - G o m e z , E . , H i c k e y , R . F . C o n t r o l o f a n a e r o b i c d i g e s t o r s . p r e s e n t e d a t t h e R e g i o n a l w o r k s h o p a n d c o n f e r e n c e a n a n a e r o b i c t r e a t m e n t o f w a s t e w a t e r i n L a t i n A m e r i c a , M e x i c o C i t y , M e x i c o , N o v . 6 - 9 , 1 9 9 0 T h a u e r , R . K . , F u c h s , G . a n d J u n g e r m a n , K . , R o l e o f i r o n - s u l f u r p r o t e i n s i n f o r m a t e m e t a b o l i s m . I n I r a n S u l f u r P r o t e i n s , W . L o w e n b e r g ( E d . ) , A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k , p p 1 2 1 - 1 5 6 , 1 9 7 3 T h a u e r , R . K . , J u n g e r m a n n , K . a n d D e c k e r , K . E n e r g y c o n s e r v a t i o n i n c h e m o t r o p h i c a n a e r o b i c b a c t e r i a . B a c t e r i a l . R e v . V o l . 4 1 , p p 1 0 0 - 1 8 0 , 1 9 7 7 T h a u e r , R . K . , J u n g e r m a n n , K . , D e c k e r , K . , E n e r g y c o n s e r v a t i o n i n c h e m o t r o p h i c a n a e r o b i c b a c t e r i a , B a c t e r i o l o g i c a l R e v i e w s . V o l . 4 1 , N o . 1 , p p 1 0 0 - 1 8 0 , M a r . 1 9 7 7 T h i e l , P . G . a n d H a t t i n g h , W . H . J . D e t e r m i n a t i o n o f h y d r o l y t i c e n z y m e a c t i v i t i e s i n a n a e r o b i c d i g e s t i o n s l u d g e . W a t . R e s . , V o l . 1 , p p l 9 l - 1 9 6 , 1 9 6 7 T h i e l e , J . H . a n d Z e i k u s , J . G . , I n t e r a c t i o n s b e t w e e n h y d r o g e n - a n d f o r m a t e - p r o d u c i n g b a c t e r i a a n d m e t h a n o g e n s d u r i n g a n a e r o b i c d i g e s t i o n , H a n d b o o k a n a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n s , e d i . E r i c k s o n , L E . a n d F u n g , D . Y . , l 9 8 8 a T h i e l e , J . H . a n d Z e i k u s , J . G . , C o n t r o l o f i n t e r s p e c i e s e l e c n ‘ o n fl o w d u r i n g a n a e r o b i c d i g e s t i o n : T h e r o l e o f f o r m a t e v e r s u s h y d r o g e n t r a n s f e r d u r i n g s y n t r o p h i c m e t h a n o g e n e s i s i n fl o c s , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l V o l . 5 4 , N o . 1 , p p 2 0 - 2 9 , 1 9 8 8 0 T h i e l e , J . H . , C h a r t r a i n , M . Z e i k u s , J . G . , C o n t r o l o f e l e c t r o n fl o w d u r i n g a n a e r o b i c d i g e s t i o n : T h e r o l e o f fl o c f o r m a t i o n i n s y n t r o p h i c m e t h a n o g e n e s i s , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l , V o l . 5 4 , N o . 1 , p p 1 0 - 1 9 , 1 9 8 8 b V a n d e r M e e r , R . R . A n a e r o b i c t r e a t m e n t o f w a s t e w a t e r c o n t a i n i n g f a t t y a c i d s i n u p fl o w r e a c t o r s , p h D t h e s i s , D e l f t u n i v e r s i t y p r e s s , 1 9 7 9 V i s s e r , E A . e t a l . , D i v e r s i t y a n d p o p u l a t i o n d y n a m i c s o f m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a i n a g r a n u l a r c o n s o r t i u m , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 7 , N o . 6 , p p 1 7 2 8 - 1 7 3 4 , 1 9 9 1 v a n L i e r , J . B . , C r o l l e , K . C . F . , F r i j t e r s , C . T . M . J . , S t a m s , A . J . M . a n d L e t t i n g a , G . , E f f e c t s o f a c e t a t e , p r o p i o n a t e a n d b u t y r a t e o n t h e t h e r m o p h i l i c a n a e r o b i c d e g r a d a t i o n o f p r o p i o n a t e b y m e t h a n o g e n i c s l u d g e a n d d e fi n e d c u l t u r e s , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 5 9 , N o . 4 , p p 1 0 0 3 - 1 0 1 1 , 1 9 9 3 v a n L i e r , J . B . , G r o l l e , K . C . F . , S t a m s , A . J . M . , C o n w a y d e M a c a r i o , E . a n d L e t t i n g a , G . S t a r t - u p o f a t h e r m o p h i l i c u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b e d ( U A S B ) r e a c t o r w i t h m e s o p h i l i c g r a n u l a r s l u d g e . A p p l . M i c r o b i a l . B i o t e c h n o l . V o l . 3 7 , p p 1 3 0 - 1 3 5 , 1 9 9 2 3 3 2 W e n , C . Y . a n d Y u , Y . H . M e c h a n i c s o f fl u i d i z a t i o n , C h e m . E n g . P r o c e s s S y m p . S e r i e s , V o l . 6 2 . 1 9 6 6 W e s t e r m a n n , P . e t a l . , T h r e s h o l d a c e t a t e c o n c e n t r a t i o n f o r a c e t a t e c a t a b o l i s m b y a c e t i c l a s t i c m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , F e b . p p 5 1 4 - 5 1 5 , 1 9 8 9 W i d d e l , F . , W o l f e , R . S . , G r o w t h o f m e t h a n o g e n i c b a c t e r i a i n p u r e c u l t u r e w i t h 2 - p r o p a n o l a s s o l e h y d r o g e n d o n o r , 8 6 t h A n n u a l m e e t i n g o f t h e A m e r i c a n S o c i e t y f o r M i c r o b i o l o g y . A b s t r a c t 1 1 2 6 , 1 9 8 6 W i l l i a m s o n , K . a n d M c C a r t y , P . L . , A m o d e l o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n b y b a c t e r i a l fi l m s . J . W a t e r P o l l u . C o n t r o l F e d . , V o l . 4 8 ( 1 ) , p p 9 - 2 4 , 1 9 7 6 W i l l i a m s o n , K . J . a n d M c C a r t y , P . L . , A m o d e l o f s u b s t r a t e u t i l i z a t i o n b y b a c t e r i a l fi l m s , J . W P C F . V o l . 4 8 , N o . 1 . 1 3 1 3 9 - 2 4 . 1 9 7 6 W o l i n , M . J . I n t e r a c t i o n b e t w e e n H z - p r o d u c i n g a n d m e t h a n e p r o d u c i n g s p e c i e s . p p 1 4 1 - 1 4 6 , i n M i c r o b i a l f o r m a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f g a s e s ( H 2 , C H 4 , C 0 ) . e d . S c h l e g e l , H . G . , G o t t s c h o l k , G . a n d P f e n n i n g , N . , G o l t z e , G o t t i n g e n , F e d e r a l R e p u b l i c o f G e r m a n y , 1 9 7 6 W o o d s , D . D . , H y d r o g e n l y a s e s . T h e s y n t h e s i s o f f o r m i c a c i d b y b a c t e r i a , J . B i o l . C h e m , V o l . 7 7 , p p 5 1 5 - 5 1 8 , 1 9 3 6 W u , W - M , 1 9 9 1 ( a ) , p h D t h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y W u , W - M , H i c k e y , R . F . , Z e i k u s , J . G . , 1 9 9 1 ( b ) , C h a r a c t e r i z a t i o n o f m e t a b o l i c p e r f o r m a n c e o f m e t h a n o g e n i c g r a n u l e s t r e a t i n g b r e w e r y w a s t e w a t e r : r o l e o f s u l f a t e - r e d u c i n g b a c t e r i a , A p p . E n v i r o n . M i c r o b i a l . V o l . 5 7 , N o . 1 2 , p p 3 4 3 8 - 3 4 4 9 , 1 9 9 1 X u , B . J . P r i n c i p l e s o f w a t e r s u p p l y a n d w a s t e w a t e r t r e a t m e n t , Q i n g - H u a U n i v e r s i t y p r e s s , p p 5 0 - 6 0 , P . R . C h i n a , 1 9 8 3 Z e h n d e r , A . J . , I n g v o r s e n , B . K . a n d M a r t i , T . M i c r o b i o l o g y o f m e t h a n e b a c t e r i a . p p 4 5 - 6 8 , i n A n a e r o b i c d i g e s t i o n , e d s . H u g h e s , D . E . , S t a f f o r d , D . A . , W h e a t l e y , B . J . , B a a d e r , W . , L e t t i n g a , G . , N y n s , E . J . a n d V e r s t r a e t e n , W . , E l s e v i e r , A m s t e r d a m , 1 9 8 1 Z e h n d e r , A . J . B . , H u s e r , B . A . , B r o c k , T D . a n d W u h r m a n n , K . , C h a r a c t e r i z a t i o n o f a n a c e t a t e d e c a r b o x y l a t i n g n o n - h y d r o g e n - o x i d i z i n g m e t h a n e b a c t e r i a , A r c h . M i c r o b i a l V o l . 1 2 4 , p p l — l 1 , 1 9 8 0 3 3 3 Z e i k u s , J . G . , M i c r o b i a l p o p u l a t i o n s i n d i g e s t o r s , I n F i r s t I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n A n a e r o b i c D i g e s t i o n , D . A . S t a f f o r d . e t a l . ( E d . ) . A . D . C a r d i f f S c i e n t i fi c P r e s s , C a r d i f f , U K . 1 3 1 3 7 5 - 1 0 3 , 1 9 7 9 Z i n d e r , S H . a n d K o c h , M . , N o n - a c e t i c l a s t i c m e t h a n o g e n e s i s f r o m a c e t a t e : a c e t a t e o x i d a t i o n b y a t h e r m o p h i l i c s y n t r o p h i c c o c u l t u r e , A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 3 8 , p p 2 6 3 - 2 7 2 , 1 9 8 4 Z i n d e r , S . H . , A n g u i s h , T . , L o b o , A . L . , I s o l a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f a t h e r m o p h i l i c a c e t o t r o p h i c s t r a i n o f M e t h a n o t h r i x , A r c h . M i c r o b i a l . V o l . 1 4 6 , N o . 4 , p p 3 1 5 - 3 2 2 , 1 9 8 7 Z i n d e r , S . H . , C a r d w e l l , S . C . , A n g u i s h , T . , L e e , M . a n d K o c h , M . , M e t h a n o g e n e s i s i n a t h e r m o p h i l i c ( 5 8 ° C ) a n a e r o b i c d i g e s t o r : M e t h a n o t h r i x s p . a s a n i m p o r t a n t a c e t i c l a s t i c m e t h a n o g e n , A p p l . E n v i r o n . M i c r o b i a l . , V o l . 4 7 , N o . 4 , p p 7 9 6 - 8 0 7 , 1 9 8 4 Z i n d e r , S . H . , C o n v e r s i o n o f a c e t i c a c i d t o m e t h a n e b y t h e r m o p h i l e s , F E M S M i c r o b i o l o g y R e v i e w s , V o l . 7 5 , p p 1 2 5 - l 3 8 , 1 9 9 0 Z o e t e m a y e r , R . J . , M a t t h u s e n , A . J . C . M . , C o h e n , A . a n d B o e l h o u w e r , C . P r o d u c t i n h i b i t i o n i n t h e a c i d f o r m i n g s t a g e o f t h e a n a e r o b i c d i g e s t i o n p r o c e s s . W a t . R e s . , V o l . 1 6 , p p 6 3 3 - 6 3 9 . 1 9 8 2 M I C H I G A N S T A T E U N I V . L I B R A R I E S l l l l l l l l l t l t l l t l l l l l l l t l l t l l l M I N I W l l l l t l l l t l l l 3 1 2 9 3 0 1 4 1 1 0 5 9 1