具有腐蚀性烟气的台式光生物反应器中的微藻培养和生物量定量
December 19th, 2019
台式轴栽培有助于在后续工艺扩展之前实现微藻特性和生产力优化。光生物反应器为可靠和可重复的微藻实验提供必要的控制，并可适应从市政或工业燃烧排放中安全培育具有腐蚀性气体（CO2、SO2、NO2）的微藻。
该协议详细介绍了培养腐蚀性气体微藻所需的光生物反应器设备适应情况，并讨论了光生物反应器的安全操作和采样。光生物反应器为可靠且可重复的微藻实验提供必要的控制。该台秤系统可用于研究模拟燃烧排放培养的微藻的特性和生产率。
此方法可与其他经过精心调整的生物反应器一起使用，或用于培养其他光自动营养微生物。这种方法的视觉演示至关重要，因为它是一种复杂的协议，可防止人类接触用于微藻养殖的有毒模拟燃烧排放物。首先，对烟雾罩发生故障时室内可能累积的有毒气体浓度进行建模。
使用美国工业卫生协会的数学建模电子表格 IH Mod 每种气体。从建筑 HVAC 维护人员或 HVAC 技术人员那里，获取 Q、房间供应或排气率（以立方米/分钟为单位）。计算实验室的体积，V，以立方米为单位。
使用理想气体定律改编的方程计算每种类型的有毒气体的污染物排放速率，G，其中 P 是一个 ATM 中有毒气体施加的压力的分数，Q 气体是气体的流速（以升/分钟为单位，R 是通用气体常数，T 是开尔文的温度），MW 是气体分子重量（以克为单位）。在 IH Mod 电子表格中，对混合室模型中的每个气体使用 V、Q 和 G 的值，并可以选择停止生成和建模房间净化算法，以计算 24 小时模拟期内每个气体的累积室内气体浓度。将这些值与曝光限制进行比较。
设置有毒气体监测系统，为使用的每个有毒气体设置传感器。根据制造商的说明校准传感器。经常进行凹凸测试。
找到烟气罩外的气体监测器。在实验之前，确保所有人员都被告知对有毒气体警报做出适当反应。现在，在两个250毫升输入溶液瓶中，每瓶准备100毫升的正常氢氧化钠和一个普通盐酸。
将计量输入溶液存放在装有浸管的可清洁封盖瓶和带无菌内线空气过滤器的通风管中。使用可 <3>性管将浸管连接到光生物反应器的四个输入端口中的两个。在光生物反应器头板上插入并拧紧冷指和排气冷凝器。
插入接种端口并拧紧到位。在光生物反应器头板上方的接种口部分添加一段可 <3>性管。在高压灭菌前，用可高压灭菌主机夹紧管。
将带无菌过滤器的管子连接到任何未使用的光生物反应器端口。添加 1.5 升的培养介质。在121摄氏度下，在30至45分钟内自动保存反应堆和相关输入解决方案。
通过单独的近源泵将 1.6 毫米内径可高压管在输入解决方案与其端口之间传递。将叶轮电机连接到叶轮轴并拧紧接头。根据照明要求，在生物反应器外对称地排列 LED 灯面板。
将具有 20 PSI 出口压力的适当调节器连接到气瓶上。将六毫米内径耐压管连接到调节器出口软管杆上，用软管夹固定。使用软管棒将耐压管的另一端连接到气体调节塔气体入口，使用软管棒连接到用软管夹固定的安全装置的六毫米茎快速连接接头。
使用 6 毫米快速连接接头将 3.2 毫米内径管连接到气体调节塔气体出口，并连接出口管的另一端到光生物反应器头板处的散热环端口。在每个气体调节器上将出口压力设置为 20 PSI。在生物反应器接口上，设定实验气体流速。
使用 STIRR 函数设置叶轮旋转速率，该速率足够快，使培养基能够吸收气泡。高压灭菌后，将光生物反应器和气瓶组装在步入式烟气罩内。将光生物反应器放在二次容器内的桌子上，将气瓶放在独立式气瓶或气瓶架中。
启动气流后，使用装满 1:100 洗碗液的洗涤瓶将洗碗液水冲刷，用少量肥皂溶液覆盖气瓶和生物反应器之间的连接。检查冒泡指示的气体泄漏。启动微藻实验时，开始对气体进行分量，然后在接种前调整pH值。
通过将准备好的微藻接种器吸进无菌注射器，将注射器安装到连接到接种口的管子上，打开接种管夹并压住注射器，为光生物反应器接种。每天检查两次气体监测仪、气瓶压力和光生物反应器，以查到有毒气体水平升高或泄漏迹象。将烟罩窗框开口限制在允许达到生物反应器和气瓶调节器的宽度。
采样时，将气瓶调节器转动到关闭位置，以停止气体流向反应器。关闭烟罩窗框，让烟罩留出五分钟时间，以疏散腐蚀性气体。通过打开头板端口并使用无菌血清移液器或通过接种或取样口将培养装置绘制到注射器中，在烟气罩内取样。
在这项研究中，利用OD750测量和干生物质浓度，建立了在指数阶段收获的绿色微藻S现场藻的校准曲线。从校准曲线计算生物量浓度，然后用逻辑曲线建模，其中L为最大生物量浓度，k是指数相的相对陡度，x0是曲线中点的时间，x是时间。一项有希望的模拟烟气初步试验实现了最大微藻生物质生产率，每天为690毫克/升，高于12%二氧化碳和超零空气，每天510毫克。
系统的正确组装对于微藻栽培和人体安全过程最重要。系统需要不断使用气体传感器进行监控。输送管路必须紧固气体，并且必须适当使用烟气罩。
含有有毒气体的加压气缸是危险的。建立有毒气体监测系统后，始终确保气瓶安全且仅在烟气罩内使用。
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概述
本协议概述了光生物反应器设备为安全培养使用腐蚀性气体的微藻所需的适应。它强调了微藻研究中可靠和可重复实验的重要性。
关键研究组成部分
科学领域
- 微藻培养
- 光生物反应器技术
- 环境生物技术
背景
- 微藻可以使用来自燃烧排放的气体培养。
- 光生物反应器允许控制实验条件。
- 由于所涉及气体的毒性，安全操作至关重要。
- 该方法可以适用于其他光自养微生物。
研究目的
- 优化微藻的生产力和特性。
- 展示使用模拟排放的安全培养方法。
- 为微藻应用的未来研究提供框架。
使用的方法
- 适应光生物反应器设备用于腐蚀性气体。
- 建模烟囱故障情况下的有毒气体积累。
- 视觉演示以说明复杂的协议。
- 实验期间安全操作的采样技术。
主要结果
- 成功用模拟燃烧排放培养微藻。
- 为研究人员建立安全操作协议。
- 展示实验结果的可重复性。
- 洞察特定条件下微藻的特性。
结论
- 光生物反应器对于使用腐蚀性气体的微藻研究是有效的。
- 安全措施对于处理有毒排放至关重要。
- 该方法可以适用于生物技术的更广泛应用。
常见问题
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
