الطحالب الدقيقة زراعه والكتلة الحيوية الكمي في التمثيل الضوئي علي نطاق واسع مع غازات المداخن المسببة للتاكل
December 19th, 2019
وتسهل الزراعة الفائقة النطاق والاكينيه توصيف الطحالب الدقيقة وتحسين الانتاجيه قبل توسيع نطاق العملية اللاحقة. توفر الفعاليات الضوئية التحكم اللازم لتجارب الطحالب الدقيقة الموثوقه والقابلة للتكرار ويمكن تكييفها لزراعه الطحالب الدقيقة بأمان مع الغازات المسببة للتاكل (CO2، SO2، NO2) من انبعاثات الاحتراق المحلية أو الصناعية.
هذا البروتوكول تفاصيل عمليات التكيف معدات photobioreactor اللازمة لزراعة الطحالب الدقيقة مع الغازات المسببة للتآكل ويناقش التشغيل الآمن وأخذ عينات من photobioreactor. توفر أجهزة Photobioreactors التحكم اللازم لإجراء تجارب صغيرة موثوقة وقابلة للتكرار. ويمكن استخدام هذا النظام على نطاق مقاعد البدلاء لدراسة خصائص وإنتاجية الطحالب الدقيقة المزروعة مع محاكاة انبعاثات الاحتراق.
ويمكن استخدام هذه الطريقة مع غيرها من المفاعلات الحيوية المكيّف بعناية أو لزراعة الكائنات الحية الدقيقة الأخرى في مجال البيولوجياوتوتروفويك. إن البرهان المرئي لهذه الطريقة أمر بالغ الأهمية لأنه بروتوكول معقد يمنع تعرض الإنسان لانبعاثات الاحتراق المحاكاة السامة المستخدمة في زراعة الطحالب الدقيقة. للبدء، نموذج التركيز المتراكمة المحتملة من الغازات السامة في الغرفة إذا كان غطاء الدخان للفشل.
استخدام الجمعية الأمريكية للنظافة الصناعية الرياضية النمذجة جدول IH وزارة الدفاع عن كل غاز. من بناء موظفي صيانة التكييف أو فني HVAC، والحصول على س، العرض غرفة أو العادم معدل الهواء في متر مكعب في الدقيقة الواحدة. حساب حجم، V، من المختبر في متر مكعب.
حساب معدل الانبعاثات الملوثة، G، من كل نوع من الغاز السام في ملليغرام في الدقيقة باستخدام المعادلة المقتبسة من قانون الغاز المثالي حيث P هو جزء من الضغط الذي يمارسه الغاز السام في جهاز الصراف الآلي واحد، ف الغاز هو معدل تدفق الغاز في لتر في الدقيقة الواحدة، R هو ثابت الغاز العالمي، T هو درجة الحرارة في كلفن ، و MW هو الوزن الغازي بالجرام لكل مول. استخدم قيم V وQ و G لكل غاز في نموذج الغرفة المختلطة مع خيار إيقاف خوارزمية تطهير الغرفة النموذجية والجيل في جدول بيانات IH Mod لحساب تركيزات غاز الغرفة المتراكمة لكل غاز على مدار فترة محاكاة مدتها 24 ساعة. قارن هذه القيم بحدود التعرض.
إنشاء نظام مراقبة الغاز السام مع أجهزة استشعار لكل من الغازات السامة المستخدمة. معايرة أجهزة الاستشعار وفقا لتعليمات الشركة المصنعة. اختبار عثرة في كثير من الأحيان.
حدد موقع شاشة الغاز خارج غطاء الدخان. قبل التجربة، تأكد من أن جميع الموظفين قد تلقوا تعليمات بشأن الاستجابات المناسبة للإنذار بالغاز السام. الآن، إعداد 100 ملليلتر كل من هيدروكسيد الصوديوم العادي واحد وحمض الهيدروكلوريك العادي في اثنين من زجاجات حل المدخلات 250 ملليلتر.
تخزين حلول المدخلات المقننة في زجاجات توج قابلة لأتمتة مجهزة أنابيب تراجع وأنبوب تنفيس مع فلتر الهواء في خط معقمة. قم بتوصيل أنابيب الانخفاض باثنين من منافذ الإدخال الأربعة في المُدخلات الضوئية باستخدام أنابيب قابلة للتصوير التلقائي. إدراج وبرغي إغلاق الاصبع الباردة والعادم المكثف على لوحة رأس photobioreactor.
إدراج منفذ التلقيح والمسمار بإحكام في مكان. إضافة طول أنابيب قابلة لأتمتة إلى قسم من ميناء التلقيح فوق لوحة الرأس photobioreactor. قبل autoclaving مفاعل حيوي، المشبك الأنابيب مغلقة مع المشبك المضيف قابلة لأتمتة.
إرفاق أنابيب توج مع مرشحات معقمة إلى أي الموانئ غير المستخدمة photobioreactor. إضافة 1.5 لتر من الثقافة المتوسطة. اربط المفاعل بمفاعل ومحلول المدخلات المرتبطة به لمدة 30 إلى 45 دقيقة عند 121 درجة مئوية.
تمرير 1.6 ملليمتر داخل أنابيب قابلة للأنابيب القطر بين حلول الإدخال والموانئ الخاصة بهم من خلال مضخات peristaltic منفصلة. إرفاق المحرك المكره إلى رمح المكره وتشديد المناسب. ترتيب لوحات ضوء LED بشكل متماثل خارج مفاعل حيوي وفقا لمتطلبات الإضاءة.
إرفاق المنظمين المناسبين قادرة على 20 ضغط منفذ PSI إلى اسطوانات الغاز. نعلق ستة ملليمتر داخل قطر أنابيب مقاومة للضغط على منفذ منفذ منظم بارب وآمنة مع خرطوم المشبك. إرفاق الطرف الآخر من أنابيب مقاومة للضغط إلى الغاز الغاز مدخل باستخدام خرطوم بارب إلى ستة ملليمتر الجذعية سريعة الاتصال المناسب المضمون مع خرطوم المشبك.
ربط 3.2 ملليمتر داخل أنابيب قطرها إلى الغاز الغازية تنظيم منفذ باستخدام ستة ملليمتر سريعة الاتصال المناسب وربط الطرف الآخر من أنابيب منفذ إلى منفذ حلقة sparging في لوحة الرأس photobioreactor. تعيين ضغط منفذ إلى 20 PSI على كل منظم الغاز. على واجهة مفاعل حيوي، تعيين معدلات تدفق الغاز التجريبية.
استخدام الدالة STIRR لتعيين معدل دوران المكره التي هي سريعة بما يكفي لوسيلة الثقافة لاستيعاب فقاعات الغاز sparged. بعد autoclaving، وتجميع اسطوانات photobioreactor والغاز داخل غطاء محرك الدخان المشي في. ضع جهاز photobioreactor على طاولة داخل حاوية ثانوية ووضع اسطوانات الغاز في مصفاة اسطوانة قائمة بذاتها أو رف اسطوانة.
بعد بدء تدفق الغاز، واستخدام زجاجة غسيل مليئة 1:100 تخفيف من صابون طبق إلى الماء لتغطية الاتصالات بين اسطوانات الغاز و bioreactor مع تيار صغير من محلول الصابون. تحقق من تسرب الغاز المشار إليه عن طريق الفقاعات. عند بدء التجارب الطحالب الدقيقة ، ابدأ في رش الغاز ثم قم بضبط درجة اله PH قبل التطعيم.
تلقيح الضوئي عن طريق التعرق على إعداد الحقنة المجهرية في حقنة معقمة، وتركيب الحقنة إلى الأنابيب المرفقة بميناء التطعيم، وفتح المشبك أنابيب التلقيح، والاكتئاب الحقنة. تحقق من شاشة الغاز، وضغوط اسطوانة الغاز، واليوراكتور مرتين يوميا لمستويات مرتفعة من الغاز السام أو إشارة إلى التسريبات. الحد من فتحة غطاء محرك الدخان إلى عرض يسمح بالمنظمين للدزين الحيوي واسطوانة الغاز التي يمكن الوصول إليها.
عند أخذ العينات، قم بتحويل منظمي أسطوانة الغاز إلى الوضع المغلق لوقف تدفق الغاز إلى المفاعل. أغلق غطاء الأبخرة واسمح بخمس دقائق للغطاء للإخلاء من الغازات المسببة للتآكل. عينة داخل غطاء الدخان إما عن طريق فتح منفذ لوحة الرأس واستخدام ماصة المصلية العقيمة أو سحب الثقافة في حقنة من خلال ميناء التلقيح أو أخذ العينات.
في هذه الدراسة، تم إنشاء منحنى معايرة للجزئية الخضراء Scenedesmus obliquus التي تم حصادها في المرحلة الأسية مع قياسات OD750 وتركيزات الكتلة الحيوية المجففة. تم حساب تركيزات الكتلة الحيوية من منحنى المعايرة ثم نمشت مع منحنى لوجستي حيث L هو الحد الأقصى لتركيز الكتلة الحيوية، ك هو الانحدار النسبي للمرحلة الأسية، x0 هو الوقت من نقطة الوسط المنحنى، و x هو الوقت. وحققت تجربة أولية واعدة مع غاز المداخن المحاكاة معدل إنتاجية الكتلة الحيوية الجزئية القصوى في 690 ملليغرام للتر الواحد في اليوم الواحد الذي كان أكبر من 12٪ من ثاني أكسيد الكربون والهواء فائق الصفر عند 510 ملليغرام للتر الواحد في اليوم الواحد.
التجميع الصحيح للنظام هو الأكثر أهمية لإجراء زراعة الطحالب الدقيقة وسلامة الإنسان. يحتاج النظام إلى مراقبة مستمرة باستخدام أجهزة استشعار الغاز. خطوط النقل يجب أن تكون الغاز ضيق ويجب استخدام غطاء محرك الدخان بشكل مناسب.
اسطوانات مضغوطة تحتوي على غازات سامة خطرة. تأكد دائمًا من تأمين الأسطوانات واستخدامها فقط داخل غطاء أبخرة بعد إنشاء نظام مراقبة الغاز السام.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
يحدد هذا البروتوكول التكيفات المطلوبة لمعدات مفاعل التفاعل الحيوي الضوئي لزراعة الطحالب الدقيقة بشكل آمن باستخدام الغازات المسببة للتآكل. ويؤكد على أهمية التجارب الموثوقة والقابلة للتكرار في أبحاث الطحالب الدقيقة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- زراعة الطحالب الدقيقة
- تكنولوجيا مفاعل التفاعل الحيوي الضوئي
- التكنولوجيا الحيوية البيئية
الخلفية
- يمكن زراعة الطحالب الدقيقة باستخدام الغازات من انبعاثات الاحتراق.
- تسمح مفاعلات التفاعل الحيوي الضوئي بظروف تجريبية خاضعة للرقابة.
- التشغيل الآمن أمر بالغ الأهمية نظرًا لسمية الغازات المستخدمة.
- يمكن تكييف هذه الطريقة لميكروبات أخرى ذاتية التغذية ضوئيًا.
هدف الدراسة
- لتحسين إنتاجية الطحالب الدقيقة وخصائصها.
- لإظهار أساليب زراعة آمنة باستخدام الانبعاثات المحاكية.
- لتوفير إطار عمل لأبحاث المستقبل في تطبيقات الطحالب الدقيقة.
الطرق المستخدمة
- تكييف معدات مفاعل التفاعل الحيوي الضوئي لاستخدام الغازات المسببة للتآكل.
- نمذجة تراكم الغازات السامة في حالة فشل غطاء الدخان.
- عروض مرئية لتوضيح البروتوكولات المعقدة.
- تقنيات أخذ العينات للتشغيل الآمن أثناء التجارب.
النتائج الرئيسية
- زراعة ناجحة للطحالب الدقيقة باستخدام انبعاثات احتراق محاكية.
- وضع بروتوكولات تشغيل آمنة للباحثين.
- تبيان القابلية للتكرار في النتائج التجريبية.
- رؤى حول خصائص الطحالب الدقيقة في ظل ظروف محددة.
الاستنتاجات
- مفاعلات التفاعل الحيوي الضوئي فعالة في أبحاث الطحالب الدقيقة باستخدام الغازات المسببة للتآكل.
- تدابير السلامة ضرورية للتعامل مع الانبعاثات السامة.
- يمكن تكييف هذه الطريقة لتطبيقات أوسع في التكنولوجيا الحيوية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This protocol enables safe and reproducible cultivation of microalgae using corrosive flue gases, supporting early-stage target validation in environmental biotechnology and biofuel development. By integrating toxic gas monitoring, fume hood safety protocols, and biomass quantification via OD750 calibration, the method provides a controlled system for assessing photosynthetic productivity under industrial emission conditions. This approach de-risks downstream applications by establishing reliable growth metrics and safety benchmarks before scale-up.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of microalgal growth responses to simulated combustion emissions for pathway clarification and functional target validation.
- Operational Value: Supports biological de-risking through standardized biomass productivity measurements under controlled gas conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated microalgal cultures for downstream screening by establishing reproducible biomass concentration baselines via OD750 and dried weight calibration.
- Operational Value: Ensures assay readiness through gas-tight transfer lines, sterile filtration, and consistent sparging with corrosive gases.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant system continuity by modeling microalgal growth on waste gases, aligning with sustainability-focused preclinical models.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through logistic modeling of biomass productivity and maximum yield predictions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing quantifiable biomass outputs that inform lead identification and preclinical progression, particularly for photoautotrophic chassis development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on gas utilization pathways and growth optimization under flue gas conditions.
- Screening: Delivers quantitative biomass productivity readouts (e.g., 690 mg/L/day) for comparing culture conditions and strain performance.
- Analytics: Enables data-driven comparisons through logistic modeling of biomass accumulation over time, facilitating kinetic parameter extraction.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by demonstrating scalable cultivation on simulated waste streams, supporting bio-based product pipelines.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for testing microalgal strains under variable gas compositions, reducing redundant setup efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in microalgal productivity under emission stress, reducing mechanistic ambiguity in strain selection.
- Operational Value: Standardization of gas exposure protocols, biomass quantification, and safety monitoring across teams.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions via reproducible productivity metrics, lowering late-stage biological risk in biofuel or nutraceutical development.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of strains based on maximal biomass productivity and safety compliance under corrosive gas exposure.
Implementation Considerations
- Required expertise in photobioreactor operation, gas handling, and toxicological safety protocols.
- Need for pressure-resistant tubing, gas regulators, fume hoods, and real-time toxic gas monitoring systems.
- Cross-team standardization of gas flow rates, pH adjustment timing, and sampling procedures to ensure reproducibility.
- Adaptation considerations for different microalgal strains and gas mixtures, including flow rate optimization and material compatibility.
- Practical limitations include the need for continuous gas leak verification and restricted access during sampling due to hood evacuation requirements.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:54
Safe Use of a Photobioreactor Sparged with Corrosive Gases
2:39
Setup and Operation of Photobioreactor
5:18
Adapting the Photobioreactor and Experimental Setup for Toxic Gas Use
7:03
Results: Calibration Curve and Modeled Biomass Productivity
8:00
Conclusion
