Using of Rumen Content as a Cosubtrate and an Inoculum at the Start-Up of Anaerobic Digestion of Cattle Manure

Abstract

Tarımsal biyogaz tesislerinin başlatılması için çoğunlukla büyükbaş hayvan gübresi inokulüm (aşı) veya lignoselülozik hammaddenin anaerobik sindiriminde kosubstrat olarak kullanılır. Rumen sıvısı mikrobiyotasının da lignoselüloz sindiriminde etkili olduğu kabul edilmektedir. Rumen içeriğinde (Rİ) bulunan mikroorganizmaların, lignoselülozik yapıların hidrolizini kolaylaştırdığı bilinmektedir. Ancak rumen içeriğinin sığır gübresi (SG) ile birlikte kosubstrat ve inokulüm olarak kullanıldığı durumda rumen mikroorganizmalarının biyoreaktör performanslarında gösterdikleri inokulüm etkisi konusunda sınırlı çalışma vardır ve çeşitli anaerobik çürütme sistemlerinde, rumen içeriğinin nasıl kullanılabileceği açık değildir. Bu çalışmada Rİ ve SG mikrobiyal toplulukları ile oluşturulan mono ve kosubstrat biyoreaktörlerinde lignoselülozik içerikten elde edilen çözünmüş organik giderim ve biyogaz üretim verimleri araştırılmıştır. Çözünmüş organik giderim ve biyogaz üretim verimlerini tespit edebilmek amacıyla anaerobik sindirim süreci koşullarını laboratuar ortamında simüle eden biyometan potansiyeli (BMP) denemeleri uygulanmıştır. Rİ ve SG mikrobiyal topluluk bileşimini ortaya çıkarmak amacıyla 16S rRNA gen tabanlı topluluklar incelenmiştir. Rİ kosubstratının %50 oranında uygulanmasıyla monosubstrat SG biyoreaktörüne göre %61.83 biyogaz ve %50.21 metan üretim verim artışı sağlanmıştır. SG ve Rİ monosubstrat biyoreaktörlerinde sırasıyla %6.340 ve %11.458 metanojen yoğunluğu tespit edilmiştir. Kosubstrat biyoreaktörlerinde ise metanojen yoğunluğu SG75, SG50 ve SG25 için sırasıyla %11.625, %7.262 ve %13.929 değerlerine yükselmiştir.Cattle manure (CM) is mostly used as an inoculum in order to start-up of agricultural biogas plants or as a co-substrate in the anaerobic digestion of lignocellulosic content. Rumen fluid microbiota is also considered to be effective in lignocellulose digestion. It is known that microorganisms in the rumen content (RC) facilitate the hydrolysis of lignocellulosic structures. However, there are few studies on the inoculum effect of rumen microorganisms on bioreactor performances when rumen content is used as co-substrate and inoculum together with cattle manure, and it is not clear how rumen content can be used in various anaerobic digestion systems. In this study, dissolved organic removal and biogas production efficiencies obtained from lignocellulosic content in mono and cosubstrate bioreactors formed by using RC and CM microbial communities were investigated. In order to determine the dissolved organics removal and biogas production efficiencies, biomethane potential (BMP) experiments that simulates anaerobic digestion process conditions in a laboratory environment were applied. In order to reveal the RC and CM microbial community composition, 16S rRNA gene-based communities were examined. Treatment with 50% application of RC cosubstrate, 61.83% biogas and 50.21% methane production efficiency increases were achieved compared to monosubstrate CM bioreactor. Methanogen concentrations of 6.340% and 11.458% were determined in CM and RC monosubstrate bioreactors, respectively. In co-substrate bioreactors, the methanogen concentration increased to 11.625%, 7.262% and 13.929% for CM75, CM50 and CM25, respectively.