High rate continuous biohydrogen production by hyperthermophilic Thermotoga neapolitana

This study focused on continuous-flow hydrogen production by Thermotoga neapolitana at a hydraulic retention time (HRT) decreasing from 24 to 5 h. At each HRT reduction, the hydrogen yield (HY) immediately dropped, but recovered during prolonged cultivation at constant HRT. The final HY in each operating period decreased from 3.4 (±0.1) to 2.0 (±0.0) mol H2/mol glucose when reducing the HRT from 24 to 7 h. Simultaneously, the hydrogen production rate (HPR) and the liquid phase hydrogen concentration (H2aq) increased from 82 (±1) to 192 (±4) mL/L/h and from 9.1 (±0.3) to 15.6 (±0.7) mL/L, respectively. Additionally, the effluent glucose concentration increased from 2.1 (±0.1) to above 10 mM. Recirculating H2-rich biogas prevented the supersaturation of H2aq reaching a value of 9.3 (±0.7) mL/L, resulting in complete glucose consumption and the highest HPR of 277 mL/L/h at an HRT of 5 h

Effect of feed glucose and acetic acid on continuous biohydrogen production by Thermotoga neapolitana

This study focused on the effect of feed glucose and acetic acid on biohydrogen production by Thermotoga neapolitana under continuous-flow conditions. Increasing the feed glucose concentration from 11.1 to 41.6 mM decreased the hydrogen yield from 3.6 (±0.1) to 1.4 (±0.1) mol H2/mol glucose. The hydrogen production rate concomitantly increased until 27.8 mM of feed glucose but remained unaffected when feed glucose was further raised to 41.6 mM. Increasing the acetic acid concentration from 0 to 240 mM hampered dark fermentation in batch bioassays, diminishing the cumulative hydrogen production by 45% and the hydrogen production rate by 57%, but induced no negative effect during continuous operation. Indeed, throughout the continuous flow operation the process performance improved considerably, as indicated by the 47% increase of hydrogen yield up to 3.1 (±0.1) mol H2/mol glucose on day 110 at 27.8 mM feed glucose

Enhancement of hydrogen production rate by high biomass concentrations of Thermotoga neapolitana

The objective of this study was to enhance the hydrogen production rate of dark fermentation in batch operation. For the first time, the hyperthermophilic pure culture of Thermotoga neapolitana cf. Capnolactica was applied at elevated biomass concentrations. The increase of the initial biomass concentration from 0.46 to 1.74 g cell dry weight/L led to a general acceleration of the fermentation process, reducing the fermentation time of 5 g glucose/L down to 3 h with a lag phase of 0.4 h. The volumetric hydrogen production rate increased from 323 (±11) to 654 (±30) mL/L/h with a concomitant enhancement of the biomass growth and glucose consumption rate. The hydrogen yield of 2.45 (±0.09) mol H2/mol glucose, the hydrogen concentration of 68% in the produced gas and the composition of the end products in the digestate, i.e. 62.3 (±2.5)% acetic acid, 23.5 (±2.9)% lactic acid and 2.3 (±0.1)% alanine, remained unaffected at increasing biomass concentrations

Skilled Vision

Global Challenges (FSW

Vom Feld zum Labor und zurück

Prof. Dr. Jens Schröter ist Herausgeber der Reihe und die Herausgeber der einzelnen Hefte sind renommierte Wissenschaftler und -innen aus dem In- und Ausland.Mitglieder des Siegener DFG-Graduiertenkollegs Locating Media betrachten das Verhältnis "Labor" und "Feld" aus der Sicht ihrer jeweiligen Dissertations- bzw. Habilitationsprojekte auf je verschiedene Weise: manchmal eng angelehnt an konkrete Feld- und Laborforschung, manchmal durch metaphorische Wendung der Grundfrage "Vom Feld zum Labor und zurück"

Optimisation de la production de biohydrogène fermentatif par Thermotoga neapolitana

Hydrogen has revealed a great potential as a versatile and non-polluting energy carrier of the future providing a high energy density and an efficiently conversion to usable power. Dark fermentation is one of the most promising biological production processes, but still has to overcome major challenges, most importantly low hydrogen production rates (HPRs) and hydrogen yields (HYs), before its industrial application becomes cost- and energy-efficient.In this work, we aimed to optimize the hydrogen production via dark fermentation by Thermotoga neapolitana. The main objectives were to enhance the HPR and maintaining a high HY using different approaches to counteract process limitations and prevent the most relevant inhibitions. Furthermore, a development of the industrially preferred continuous-flow process was projected. An increase of the initial biomass concentration from 0.46 to 1.74 g CDW/L in batch bioassays resulted in a more than 2-fold enhancement of the HPR up to 654 (±30) mL/L/h without negatively affecting the HY. However, while the volumetric productivity increased the specific HPR (per unit of biomass) was negatively correlated with the HPR and the biomass concentration. Subsequently, we investigated the supersaturation of hydrogen in the liquid phase (H2aq) in batch bioassays. At 100 rpm agitation H2aq supersaturated up to 3 times the equilibrium concentration. Increasing the agitation speed diminished the accumulation of H2aq until an equilibrium between the gas and liquid phase hydrogen was reached with 500 rpm agitation at low cell concentrations. A raise from 200 to 600 rpm gradually reduced H2aq from 21.9 (± 2.2) to 8.5 (± 0.1) mL/L and approximately doubled the HPR, revealing a direct correlation between the two parameters. Similarly, the addition of K1 carrier and H2-rich biogas recirculation (GaR) successfully counteracted the accumulation of H2aq. Accelerating the process by increasing the reactors biomass concentration up to 0.79 g CDW/L, GaR revealed to be more efficient in removing H2aq than 500 rpm agitation. The application of GaR at 300 and 500 rpm enhanced the HPR by approximately 260% up to 850 (± 71) mL H2/h/L, compared to a sole 300 rpm agitation, reaching a HY of 3.5 mol/mol glucose. We demonstrated that an insufficient gas-liquid mass transfer leads to the accumulation of H2aq which inhibits the yield but even more so the rate of dark fermentation. In the final phase of this project we successfully maintained continuous-flow hydrogen production. Increasing the feed glucose concentration from 11.1 to 41.6 mM diminished the HY from 3.6 (± 0.1) to 1.4 (± 0.1) mol H2/mol glucose. The HPR increased concomitantly up to approximately 55 mL/L/h at 27.8 mM of glucose, whereas a further increase of feed glucose to 41.6 mM did not enhance the HPR and the AA concentration. To investigate whether high levels of AA limited the process, the feed AA concentration was gradually increased. However, this revealed no negative effect on continuous dark fermentation up to 240 mM of feed AA and, throughout the 110 days of continuous fermentation, the HY increased by 47%. Decreasing the HRT from 24 to 7 h also led to a HPR enhancement from 82 (± 1) to 192 (± 4) mL/L/h, while decreasing the HY. Concomitantly, the H2aq accumulated, directly correlated to the HPR reaching 15.6 mL/L at an HRT of 7 h and 500 rpm agitation. The application of GaR efficiently counteracted the supersaturation of H2aq and allowed the highest HPR of 277 mL/L at a HRT of 5 hL'hydrogène a révélé un grand potentiel en tant que vecteur d'énergie du futur polyvalent et non polluant, offrant une densité d'énergie élevée et une conversion efficace en puissance utilisable. La fermentation noire est l'un des procédés de production biologique les plus prometteurs, mais doit encore surmonter des défis majeurs, notamment des taux de production d'hydrogène faibles (HPR) et des rendements en hydrogène (HY), avant que son application industrielle ne devienne économe en énergie et en coûts. Dans ce travail, nous avons cherché à optimiser la production d’hydrogène par fermentation noire de Thermotoga neapolitana. Les principaux objectifs étaient d'améliorer le HPR et de maintenir une HY élevée en utilisant différentes approches pour contrecarrer les limitations des processus et prévenir les inhibitions les plus pertinentes. En outre, un développement du procédé à flux continu privilégié par l'industrie a été prévu. Une augmentation de la concentration de biomasse initiale de 0,46 à 1,74 g CDW / L dans les essais biologiques en lots a entraîné une augmentation de plus de 2 fois de la HPR jusqu'à 654 (± 30) mL / L / h sans affecter négativement l'HY. Cependant, alors que la productivité volumétrique augmentait, le HPR spécifique (par unité de biomasse) était négativement corrélé avec le HPR et la concentration de biomasse. Par la suite, nous avons étudié la sursaturation en hydrogène de la phase liquide (H2aq) dans des essais biologiques par lots. À 100 tr / min d'agitation, H2aq est sursaturé jusqu'à 3 fois la concentration à l'équilibre. L'augmentation de la vitesse d'agitation diminuait l'accumulation de H2aq jusqu'à atteindre un équilibre entre l'hydrogène en phase gazeuse et liquide en agitation à 500 tr / min à de faibles concentrations cellulaires. Une augmentation de 200 à 600 tr / min a réduit progressivement l'H2aq de 21,9 (± 2,2) à 8,5 (± 0,1) mL / L et a presque doublé le HPR, révélant une corrélation directe entre les deux paramètres. De même, l’ajout de supports K1 et de recirculation de biogaz riche en H2 (GaR) a permis de contrecarrer l’accumulation de H2aq. En accélérant le processus en augmentant la concentration de biomasse dans les réacteurs jusqu'à 0,79 g CDW / L, le GaR s'est révélé plus efficace pour éliminer l'H2aq que l'agitation à 500 tr / min. L'application de GaR à 300 et 500 tr / min a augmenté le HPR d'environ 260% à 850 (± 71) mL H2 / h / L, par rapport à une agitation à 300 tr / min, atteignant une HY de 3,5 mol / mol de glucose. Nous avons démontré qu'un transfert de masse gaz-liquide insuffisant conduit à une accumulation de H2aq qui inhibe le rendement, mais plus encore le taux de fermentation à l'obscurité. Dans la phase finale de ce projet, nous avons réussi à maintenir la production d'hydrogène à débit continu. L'augmentation de la concentration en glucose de l'alimentation, de 11,1 à 41,6 mM, a entraîné une diminution de l'HY de 3,6 (± 0,1) à 1,4 (± 0,1) mol H2 / mol de glucose. L’HPR a augmenté simultanément jusqu’à environ 55 ml / L / h à 27,8 mM de glucose, tandis qu’une augmentation supplémentaire du glucose dans l’alimentation animale à 41,6 mM n’a pas augmenté les concentrations en HPR et en AA. Pour rechercher si des taux élevés d'AA limitaient le processus, la concentration en AA de l'alimentation a été progressivement augmentée. Cependant, cela n'a révélé aucun effet négatif sur la fermentation à l'obscurité en continu jusqu'à 240 mM de nourriture AA et, tout au long des 110 jours de fermentation en continu, l'HY a augmenté de 47%. La réduction du THS de 24 à 7 h a également entraîné une augmentation du taux de HPR de 82 (± 1) à 192 (± 4) mL / L / h, tout en diminuant le HY. De manière concomitante, le H2aq accumulé est directement corrélé au HPR atteignant 15,6 mL / L pour un THS de 7 h et à une agitation de 500 tr / min. L'application de GaR a efficacement neutralisé la sursaturation en H2aq et a permis d'obtenir le HPR le plus élevé de 277 mL / L à un THS de 5

Entwicklung kontextsensitiver Möbel für intelligente Wohnumgebungen

Eine wichtige Ergänzung zu intelligenten Wohnumgebungen ist eine Idee über den Kontext von Handlungen seiner Bewohner. Dieser Kontext ermöglicht es intelligenten Wohnumgebungen sinnvollere Aktionen zur Unterstützung seiner Bewohner einzuleiten. Zur Gewinnung von Kontext sind Informationen notwendig. Besonders die Position eines Bewohners und der vom Bewohner zurück gelegte Weg ermöglichen Rückschlüsse auf die Intentionen des Bewohners. In dieser Masterarbeit geht es um die Gewinnung dieser Daten. Dabei soll auf Kameras und zusätzliche Hardware verzichtet werden, die das Wohngefühl verändern könnten. Diese Arbeit beschreibt einen Ansatz für den Einsatz von Möbelstücken als Ersatz für Kameras und externe Sensoren. Gleichzeitig zeigt diese Arbeit Wege auf, wie eine gute Basis für kontextsensitive Möbel aussehen könnte. Dafür wurden verschiedene Prototypen gefertigt und eine entsprechende Software entwickelt. Gemeinsam Bieten die Soft- und Hardware eine Basis für kontextsensitive Möbel.The knowledge, of the context of actions residents take, is an important addition to smart environments. The knowledge of the context allows better support by the environment. The base for context is information. Especially informations about the position of a resident and where he goes is valuable. The position and possible destination of a resident can help forcasting his next actions. This master thesis is about collecting data. It avoids kameras and extra sensor hardware that might have an impact on the way people live. Instead this thesis shows an approach that turns furniture in smart sensors and builds a base for context aware furniture. To show and evaluate this base for context aware furniture, several prototypes and a special software were built. The shown combination of the built soft- and hardware is a good base for context sensitive furniture