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Methodenartikel

A Novel Bioreaktor für High Density Anbau von Diverse mikrobiellen Gemeinschaften

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DOI:

10.3791/53443

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25. Dezember 2015

 ,  , 
1Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Drexel University, 2Chemical and Biomolecular Engineering, University of Pennsylvania

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein neuartiges Reaktordesign, das als High Density Bioreactor (HDBR) bezeichnet wird, wird für die Kultivierung und Untersuchung von mikrobiellen Gemeinschaften mit hoher Dichte vorgestellt. Hier wird der HDBR erfolgreich in einer Photobioreaktor (PBR)-Konfiguration zur Untersuchung des Stickstoffstoffwechsels durch eine gemischte Algengemeinschaft mit hoher Dichte eingesetzt.

Zusammenfassung

Ein neuartiges Reaktordesign, das als High Density Bioreactor (HDBR) bezeichnet wird, wird für die Kultivierung und Untersuchung von mikrobiellen Gemeinschaften mit hoher Dichte vorgestellt. Frühere Studien haben die Leistung des Reaktors bei der Entfernung von CSB1 und Stickstoffspezies2-4 durch heterotrophe bzw. chemoautotrophe Bakterien untersucht. Das HDBR-Design macht externe Flockungs-/Sedimentationsprozesse überflüssig und liefert dennoch Abwässer mit geringen Schwebstoffen. In dieser Studie wird der HDBR als Photobioreaktor (PBR) eingesetzt, um die Stickstoffentfernungseigenschaften einer algenbasierten photosynthetischen mikrobiellen Gemeinschaft zu charakterisieren. Wie bereits für dieses HDBR-Design berichtet, wurde eine stabile Biomassezone mit einer klaren Abgrenzung zwischen dem biologisch aktiven Teil des Reaktors und der Recycling-Reaktorflüssigkeit eingerichtet, was zu einem geringen Schwebstoffabfluss führte. Es wurde beobachtet, dass die Algengemeinschaft in der HDBR 18,4 % der gesamten Stickstoffspezies im Zufluss entfernte. Unterschiedliche NH4+ und NO3- Konzentrationen im Futtermittel hatten keinen Einfluss auf die NH4+ Entfernung (n = 44, p = 0,993 bzw. n = 44, p = 0,610), während sich herausstellte, dass die NH4+ Futterkonzentration negativ mit der NO3- Entfernung korrelierte (n = 44, p = 0,000) und die NO 3-Futterkonzentration positiv mit NO3- korrelierte Entfernung (n=44, p=0,000). Die konsequente Entfernung von NH4+ in Kombination mit der Akkumulation oxidierter Stickstoffspezies bei hohen NH4+-Flüssen deutet auf das Vorhandensein von Ammoniak- und Nitrit-oxidierenden Bakterien in der mikrobiellen Gemeinschaft hin.

Einleitung

Kommunales Abwasser ist häufig mit Belebtschlammverfahren, um die suspendierten Feststoffe (SS), biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), organische und anorganische Stickstoff und Phosphorgehalt 5,6 zu verringern behandelt. Das Belebtschlammverfahren, ein Mittel zur Abwasserbehandlung vor, beinhaltet die Oxidation von organischem Kohlenstoff in einem Belüftungstank mit einer Mischflüssigkeit von ankommenden Abwasser- und Recycling heterotrophen Mikroorganismen gefüllt 5-7 (üblicherweise als Belebtschlamm genannt). Der gemischten Flüssigkeit tritt dann in eine relativ große Absetzbecken (Absetzbecken), wo der Schlamm absetzt zur leichteren Erfassung, um entweder entsorgt oder recycelt zurück in den Belüftungstank, während das geklärte, behandeltes Abwasser zu tertiären Behandlung oder Desinfektion weiter, bevor es in freigesetzt werden Vorfluter 5-7. Effiziente Trennung des gereinigten Abwassers und Feststoffe (Schlamm) im Nachklärbecken ist für die ordnungsgemäße Funktion der a wartewater Behandlungssystem, wie jeder Belebungs weiterhin über die Klärbecken wird das BOD und SS im Abwasser 5-8 erhöhen.

Eine Anzahl von alternativen biologischen Verfahren zur Zweitbehandlung von Abwasser, die Verringerung oder Beseitigung der Notwendigkeit für große Klärung Tanks, einschließlich befestigt-Wachstum (Biofilm) Reaktoren, Membranbioreaktoren (MBR) und granulare Schlammreaktoren existieren. Biofilmreaktoren, die Bildung von Biofilmen, in dem Mikroorganismen natürlich aggregierten und befestigen sich als Schicht auf einer festen Oberfläche, ermöglicht eine Biomasserückhaltung und Akkumulation, ohne die Notwendigkeit für ein Klärbecken. Biofilmreaktoren können in drei Typen eingeteilt werden: Festbett-Reaktoren, Fließbettreaktoren und Scheibentauchkörper. Festbett-Reaktoren, wie ein Tropfkörper und biologische Türme, nutzen eine stationäre feste Wachstumsoberfläche 5,6. Wirbelschichtreaktoren (FBRS) hängen von der Befestigung von Mikroorganismen an Teilchen,wie Sand, Aktivkohlegranulat (GAC) oder Glasperlen, die in der Suspension durch einen hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit 9,10 gehalten werden. Rotierenden biologischen Reaktoren hängen von Biofilmen auf Medien zu einem rotierenden Welle befestigt ermöglicht den Biofilm gebildet, um abwechselnd Luft ausgesetzt werden, und der zu behandelnden Flüssigkeit 5,6. MBRs verwenden Membranfiltrationseinheiten, entweder innerhalb des Bioreaktors (untergetaucht Konfiguration) oder extern über Rückführung (Nebenstromkonfiguration) 5,11. Die Membranen dienen dazu, eine gute Trennung von Biomasse und Feststoffpartikeln aus der behandelten Flüssigkeit 11,12 zu erzielen. Granuläre Schlammreaktoren mit Aufwärtsströmung Reaktoren, in denen die Bildung von extrem dichte und gut Absetzen Granulat von Mikroorganismen auftritt, wenn sie hohen Oberflächenluftaufwärtsströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind 13.

Als weitere Alternative zu dem Belebtschlammverfahren, einem neuartigen Aufstromreaktor System, jetzt eine hohe Dichte Bioreaktor (HDBR) war designed und Vertrieb und Shieh (2006) gebaut, um CSB-Entfernung von Belebtschlamm aus synthetischen Abfallströmen in niedrigen F / M Bedingungen, die bekannt sind, um die Bildung von schlechten Vorklärschlamm verursachen (dh Blähschlamm) 1,7,14 studieren. Das verwendete HDBR System modifizierten Fließbett-Reaktoren, die typischerweise aus einem Aufstromreaktor und einer externen Rückführungstank. Wirbelschichtreaktoren werden typischerweise mit Rückführstrom Fließgeschwindigkeiten hoch genug ist, um die Biofilmwachstum Substrat in Suspension zu halten, jedoch niedrig genug betrieben, daß die Biofilm-bedeckten Substrats beibehalten wird. Anders als Wirbelbettreaktoren, in Verkaufs beschriebene HDBR und Shieh (2006) verwendet, relativ niedrigen Rückführstrom Flussraten, die zusammen mit externe Belüftung verhindert Störungen des Biomasse-Zone innerhalb des Reaktors 1 ausgebildet. Nachfolgende Studien haben dieses Reaktordesign Fähigkeit, erfolgreich zu behandeln eine Reihe von Stickstoffflüssen mit nitrifizierenden / denitrifizierenden Bakterien 3,4 demonstriert. In allen Studies die Bildung einer stabilen, dichten Biomasse Zone innerhalb des HDBR eliminiert die Notwendigkeit für eine externe Flockung / Sedimentationsverfahren 1-4.

Wie wir hier berichten, hat sich der Einsatz der HDBR dichte Kulturen wachsen auch in einem Photobioreaktor (PBR) Konfiguration für die Kultivierung von Algen getestet. Wir diskutieren die Vor-und Nachteile dieser neuen Reaktorsystem zur Algenanbau und sein Potenzial zur Überwindung eine große Hürde bei der Kommerzialisierung von Biokraftstoffen mit Algenbiomasseernte (dh gute Fest-Flüssigtrennung 15,16) verbunden sind. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte notwendig, um zusammenzubauen, Inbetriebnahme, Probe aus, und unterhält ein HDBR mit Algen als der mikrobiellen Gemeinschaft von Interesse. Variationen in der Start und Betrieb Protokoll heterotrophe Nitrifikanten und / denitrifizierenden Kulturen werden ebenfalls erwähnt werden. Schließlich werden allgemeine Vorteile, Nachteile und Unbekannten dieser neuartigen Reaktordesign hervorgehoben.

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Protokoll

1. Reaktoranordnung

  1. Ordnen die Reaktorkomponenten nach dem Schema in Figur 1.
    1. Setzen Sie den Reaktor (R) auf einer Mischplatte, fügen Sie einen Rührstab in den Reaktor. Platzieren der Rückführungstank (RT) neben der Rührplatte und eines Reaktors, so daß das Abwasser (oben) Anschluss der Flasche in Richtung auf den Rand der Laborbank gerichtet sind.
    2. Setzen Sie den Abfallbehälter (W) unterhalb des Abwassers (oben) Anschluss des Rückführungstank (RT). Transporteur-Tank (FT) neben dem Rückführungstank (RT).
      Hinweis: Der Beschickungsbehälter hat eine Gesamtkapazität von 5 L.
  2. Sichern Sie den Reaktor (R) gegen Kippen mit einem passenden Stativ und Klemme. Ebenso sichern die Rückführungstank (RT), um eine Bewegung zu verhindern.
  3. Legen Neopren-Schlauchpumpenschlauch in den Papier (Pumpe A) und Futtermittel (Pumpe B) Pumpenköpfe. Beziehen sich auf die Materialtabelle für zusätzliche Schlauchspezifikationen. Installieren Sie die Pumpenköpfe auf die Pumpenantriebe mit den Schrauben provimit den Pumpenantriebe ded.
  4. Schließen Pumpe A der Schlauch an den Häfen an der Reaktor und der Rückführungstank. Führen Sie das Ende Pump Bs Schlauch in den Vorlagebehälter und die Rückführungstank. Schließen Sie die obere Reaktor Port in den Papierbehälter mit Schlauch. Bewerben Schellen auf den Schlauch an den Reaktor Ports.
    Hinweis: Photosynthetic Gemeinden können von künstlicher Beleuchtung durch Lampen profitieren.

2. Herstellung von Stammlösungen, Zulauf / Beschickungslösungen und Algen Impflegierung

  1. Bereiten Sie die Mineralgrundlösung. Fügen Sie folgende in einem 1-L-Kolben mit 500 ml VE-Wasser: 200 g Natriumhydrogencarbonat, 40 g Kaliumdihydrogenphosphat, 4 g Magnesiumsulfat, 4 g Eisenchlorid, 4 g Calciumchlorid, 1 g Kupferchlorid, 1 g Kobalt Chlorid-Hexahydrat, 1 g Nickelchlorid-Hexahydrat, 1 g Zinksulfatheptahydrat. Fügen Sie eine zusätzliche 400 ml VE-Wasser. Wirbeln mit Nachdruck um die Auflösung von Salzen zu fördern. Nach dissolution von Salzen, fügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen der Lösung zum 1 L.
  2. Bereiten Sie die Ammoniak-Stammlösung. In einem 1 l-Messkolben 38,214 g Ammoniumchlorid in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen.
    Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NH 4 + -N-Lösung.
  3. Bereiten Sie die Nitratstammlösung. In einem 1 l-Messkolben 72,413 g Kaliumnitrat in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen.
    Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NO 3 - -N-Lösung.
  4. Bereiten feed / Zulauflösung. Einen Rohstofflösung mit 20 mg L -1 NH 4 + -N und 20 mg L -1 NO 3 - -N, 2 ml der einmmonia Stammlösung und 2 ml Nitratstammlösung auf 1 L Gesamtvolumen. Vor der Verdünnung, 0,5 ml Minerallösung / l-Lösung gemacht. Bereiten 5 l Zulauf insgesamt zur Inbetriebnahme des Reaktors.
  5. Bereiten Sie die Algen Impfmittel.
    1. Sammeln ein großes Volumen (mindestens 10 l) Wasser aus einer Algenhaltigen Wasserkörpers, wie beispielsweise einem Strom oder einem Teich. Lassen Sie die Algen, indem Sie die 24 Stunden lang ungestört Wasserproben zu begleichen.
    2. Dekantieren und entsorgen Sie die clear (nicht-Algen enthalten) Wasser an der Spitze der Proben, so dass eine konzentrierte Algensuspension innerhalb der Probenflaschen. Kombinieren Sie die Algensuspension von allen Proben in einem Container, und wiederholen Sie das Absetzen und Dekantierstufen.
    3. Messen Sie die Biomasse im konzentrierten Probe.
      1. Trocknen Sie ein Papier Vakuumfilter (0,45 um MCE Vakuumfilter) und Aluminium wiegen Boot O / N in einem Ofen, der auf 103 ° C eingestellt wurde nach dem Abkühlen in einem Exsikkator für 30 Minuten bei RT messen die Zusammenarbeitmbined Masse des Filters und wiegen Boot.
      2. Vakuumfilter 20 ml konzentrierte Algensuspension und kehren Sie den Filter und wiegen Boot zum Ofen zum Trocknen O / N.
      3. Messung der Gesamtmasse des Filters und Wägeschiffchen. Berechnen Sie die Biomassendichte innerhalb der konzentrierten Probe.
        Hinweis: Das Gesamtvolumen der Wasserprobe, die Ermittler beenden, müssen Sie hängt von der Quellwasserkörper abhängen.

3. Säen und Starten des Reactor

  1. Add 750 ml Speiselösung in den Reaktor. Füllen Sie den Rückführungstank mit 500 ml Speiselösung.
  2. Verwenden Sie eine lange Pipette vorsichtig fügen Sie ein inoculate Suspension, die 1,5 g Algen in der Nähe des Bodens des Reaktors. Ermöglichen das Inokulum auf den Boden des Reaktors absetzen, sicherzustellen, dass dies durch visuelle Beobachtung, bevor sie zu dem nächsten Schritt.
  3. Sobald die Zellen angesiedelt haben, entfernen Sie die Schlauchklemmen und schalten Sie Pumpe A zu einem langsamen Fließgeschwindigkeit (10 revolutions min -1 / 38 ml min -1). Luft in der Röhre eingefangen werden in den Reaktor ausgestoßen wird.
    Anmerkung: Die Zugabe von 750 ml in den Reaktor werden beliebige Biomasse von der Pumpe gestört ab dem Verlassen des Reaktors zu verhindern. Drücken Sie den Schlauch, um sicherzustellen, dass alle Luft entwichen ist.
  4. Speiselösung Fügen Sie stufenweise in den Papierbehälter, wenn die Lösung in den Reaktor gepumpt. Die Zugabe, bis sowohl dem Reaktor und dem Rückführungstank ausgelastet sind und Ablauf beginnt, den Rückführungstank über die obere Öffnung zu schließen.
    Hinweis: Das Volumen der Zulauflösung in den Papierbehälter zugesetzt werden, dass mit dem Volumen der Impfmittel in den Reaktor gegeben variieren.
  5. Gießen Sie die restliche Speiselösung in den Vorlagebehälter.
  6. Stellen Sie die Rückführungspumpe (Pumpe A) bis 19 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Recycling-Fließgeschwindigkeit von 72,5 ml min -1. Beachten Sie die Algen anfangen, aus dem Boden des Reaktors Dachboden. Mit den Abstufungen am Reaktor, bestimmen die Algen biomass Zonenhöhe. Sicherzustellen, dass die Höhe, bevor zum nächsten Schritt konstant ist.
  7. Schalten Sie die Mischplatte mit sehr geringer Geschwindigkeit; einer Einstellung von 1 oder 2 ist angebracht, um zu starten. Das Mischungs bar wird in lofting Biomasse weiter zu unterstützen, aber aggressive Misch verursacht Algen, um den Reaktor zu verlassen, geben Sie das Rückführungstank, und lassen Sie im Abwasser. Stellen Sie die Mischgeschwindigkeit bei einer Einstellung erforderlich, um eine klare Grenze Algen innerhalb des Reaktors (2A) zu schaffen; die Algenbiomasse Zone sollte ca. 10-15 cm hoch sein.
  8. Starten Sie die Förderpumpe nach Beobachtung eine klare Grenze zwischen der Algen Stecker und der Reaktorflüssigkeit. Die Pumpe auf 25 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Strömungsrate von 1,5 ml min -1. Beachten Sie die Reaktorfluidaustritts das Abwasser-Anschluss durch die Schwerkraft und die Verschiebung von der ankommenden Zulaufstrom verursacht.

4. Probengewinnung und Analyse

  1. Durchführung Probenerhebung prioder eine Wartung des Reaktorsystems. Sammeln Sie 20 ml des Abwassers und Zulauf Proben täglich. Sammeln Abwasserproben aus dem Rückführungstank. Sammeln Zulaufproben direkt aus dem Vorlagebehälter.
  2. Vakuumfilter Proben Schwebstoffe vor der Speicherung und Analyse entfernen.
  3. Lagern Sie den Zu- und Ablauf-Proben bei -20 ° C bis zur weiteren Analyse. Beschränken Sie die Anzahl der Frost-Tau-Zyklen Proben werden unterzogen. Bei Bedarf können Proben in Aliquots aufgeteilt, um Probenintegrität aufrechtzuerhalten.
  4. Führen Sie die Probenanalyse für Nitrat, Nitrit und Ammoniak unter Verwendung von Standardverfahren 17.
    Hinweis: Die verwendeten Ionenchromatographie (IC) Autoren, die Ergebnisse hier vorgestellt zu produzieren. Beziehen sich auf den Werkstofftabelle für die Spezifikation.

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Ergebnisse

Die HDBR wurde verwendet, um Algen über mehrere Verhältnisse von Zulauf Ammoniak und Nitrat-Konzentrationen zu kultivieren, während eine Gesamtstickstoffgehalt in der Beschickung bei 40 mg -NL -1. Zu- und Ablauf-Proben wurden täglich genommen; Biomassedichte Proben wurden zu Beginn und am Ende jeder Bedingung aufgenommen. Der Reaktor hat im Durchschnitt 3-5 Tage, um stationäre Gleichgewicht zu erreichen, nachdem Bedingungen geändert wurden. Über einen weiten Bereich der Zulaufbedingungen eine deutliche Biomas...

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Diskussion

Dieser Abschnitt wird mit einer Diskussion der Protokollvariationen benötigt, um mögliche Betriebsprobleme sowie unter Verwendung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften Adresse starten. Die Stärken dieser Reaktorkonstruktion diskutiert werden, einschließlich der Fähigkeit zur Steuerung der Sauerstofffluss und die Bildung von Flocken hoher Dichte in dem Reaktor zu regeln. Aktuelle Herausforderungen und mögliche Wege der Untersuchung wird ebenfalls erwähnt werden.

Protokoll Nuancen und ...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen und erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Die Autoren möchten Aspen Walker von der University of Pennsylvania für ihre Unterstützung bei der Wartung des Reaktors und der Probenentnahme danken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
BelüftungssteinAlitaAS-3015C
BelüfterTop FinAir-1000
AmmoniumchloridSigma AldrichA9434
AnionenanalysesäuleShodexIC SI-52 4E
Becher (600 ml)Corning Pyrex1000-600Wird als Mischbehälter (MV) verwendet. Hinzufügen von Schlauchtüllen an der Unterseite und 500 ml Fülle. Außendurchmesser der Schlauchtüllen 3/8".
CalciumchloridSigma AldrichC5670
KationenanalysesäuleShodexIC YS-50
Kobaltchlorid-HexahydratSigma AldrichC8661
KupferchloridSigma Aldrich222011
EisenchloridSigma Aldrich157740
Filter (Vakuum)Fisherbrand09-719-2E0.45 μ m Membranfilter, MCE, 47  Messzylinder mit mm Durchmesser
(1.000 ml)Corning Pyrex3025-1LWird als Reaktorbehälter (R) verwendet. Hinzufügen von Schlauchtüllen an den unteren Ebenen, 500 ml und 1 L. Außendurchmesser der Schlauchtüllen 3/8".
HPLC/ICShimadzuProminence
MagnesiumsulfatSigma AldrichM2643
Masterflex L/S FrequenzumrichterMasterflex07553-50Antrieb für Recycle- und Förderpumpen (2 erforderlich)
Nickelchlorid-HexahydratSigma AldrichN6136
KaliumnitratSigma AldrichP8291
(Monobasisch) KaliumphosphatSigma AldrichP5655
PumpenkopfMasterflex07018-20Umwälzpumpenkopf
PumpenkopfMasterflex07013-20Förderpumpenkopf
PumpenschlauchMasterflex6404-18Umwälzpumpenschlauch
PumpenschlauchMasterflex6404-13Förderpumpenschlauch
Natrium BikarbonatSigma AldrichS5761
Zinksulfat-HeptahydratSigma AldrichZ0251

Referenzen

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