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Articolo metodologico

Un bioreattore Novel per l'alta densità di coltivazione diverse comunità microbiche

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DOI:

10.3791/53443

⸱

25 dicembre 2015

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

In questo articolo

Sommario

Viene presentato un nuovo progetto di reattore, denominato bioreattore ad alta densità (HDBR), per la coltivazione e lo studio di comunità microbiche ad alta densità. Qui, l'HDBR viene applicato con successo in una configurazione di fotobioreattore (PBR) per lo studio del metabolismo dell'azoto da parte di una comunità di alghe miste ad alta densità.

Abstract

Viene presentato un nuovo progetto di reattore, denominato bioreattore ad alta densità (HDBR), per la coltivazione e lo studio di comunità microbiche ad alta densità. Studi precedenti hanno valutato le prestazioni del reattore per la rimozione del COD1 e delle specie azotate2-4 da parte di batteri eterotrofi e chemioautotrofi, rispettivamente. Il design HDBR elimina la necessità di processi di flocculazione/sedimentazione esterna, pur continuando a produrre effluenti contenenti solidi sospesi bassi. In questo studio, l'HDBR viene applicato come fotobioreattore (PBR) al fine di caratterizzare le caratteristiche di rimozione dell'azoto di una comunità microbica fotosintetica a base di alghe. Come riportato in precedenza per questo progetto HDBR, è stata stabilita una zona di biomassa stabile con una chiara demarcazione tra la parte biologicamente attiva del reattore e il fluido del reattore di riciclaggio, che ha portato a un basso effluente solido sospeso. È stato osservato che la comunità algale nell'HDBR rimuove il 18,4% delle specie di azoto totale nell'affluente. La variazione delle concentrazioni di NH4+ e NO3- nel mangime non ha avuto un effetto sulla rimozione di NH4+ (n = 44, p = 0,993 e n = 44, p = 0,610 rispettivamente) mentre la concentrazione di NH4+ è risultata essere correlata negativamente con la rimozione di NO3- (n = 44, p = 0,000) e la concentrazione di NO3- nel mangime è risultata essere positivamente correlata con NO3- rimozione (n=44, p=0,000). La rimozione costante di NH4+, combinata con l'accumulo di specie azotate ossidate ad alti flussi di NH4+, indica la presenza di batteri ossidanti l'ammoniaca e i nitriti all'interno della comunità microbica.

Introduzione

Reflui urbani è comunemente trattati con processo a fanghi attivi per ridurre i solidi sospesi (SS), richiesta di ossigeno biologica (BOD), azoto organico e inorganico, e fosforo 5,6. Il processo a fanghi attivi, un mezzo di depurazione secondario, comporta l'ossidazione del carbonio organico in una vasca di aerazione riempito con un liquido misto di refluo e riciclati microrganismi eterotrofi (comunemente indicato come fanghi attivi) 5-7. Il liquido misto quindi entra in una relativamente grande chiarificatore (decantatore) dove il fango si deposita per facilitare la raccolta, sia di essere smaltiti o riciclati al serbatoio di aerazione, mentre, acque reflue trattate chiarificata può continuare a trattamento terziario o disinfezione prima di essere rilasciato in acque riceventi 5-7. Separazione efficiente di acque reflue trattate e solidi (fanghi) nel chiarificatore secondario è essenziale per il corretto funzionamento di un erasistema di trattamento tewater, come ogni fanghi attivi continuare al di là dei chiarificatori aumenterà la BOD e SS nell'effluente 5-8.

Un certo numero di processi biologici alternative esistono per trattamento secondario delle acque reflue, che riducono o eliminano la necessità di grandi serbatoi chiarificatori, compresi crescita divisoria (biofilm) reattori, bioreattori a membrana (MBR), e reattori fanghi granulari. Nei reattori biofilm, la formazione di biofilm, in cui i microrganismi naturalmente aggregato e collegare come uno strato su una superficie solida, permette di ritenzione biomassa e accumulo senza la necessità di un serbatoio chiarire. Reattori biofilm possono essere classificati in tre tipi: i reattori a letto ricco, reattori a letto fluido, e la rotazione contattori biologici. Reattori a letto pranzo, come un percolatori e torri biologiche, utilizzano un stazionario superficie solida crescita 5,6. Reattori a letto fluidizzato (FBRs) dipendono dalla attacco dei microrganismi di particelle,come sabbia, carbone attivo granulare (GAC), o di perle di vetro, che sono tenuti in sospensione da un alto tasso di flusso verso l'alto 9,10. Rotazione reattori biologici dipendono biofilm formati sulla media associati ad un albero rotante che consentono il biofilm essere alternativamente esposte all'aria e il liquido viene trattata 5,6. MBR utilizzano unità di filtrazione a membrana, sia all'interno del bioreattore (configurazione sommerso) o esternamente tramite ricircolo (configurazione side-stream) 5,11. Le membrane servono per ottenere una buona separazione della biomassa e particelle solide dal liquido trattato 11,12. Reattori fango granulare sono reattori flusso verso l'alto in cui la formazione di granuli estremamente densi e ben sedimentazione di microrganismi si verifica quando sono esposti a elevato flusso verso l'alto dell'aria superficiale velocità vettoriale 13.

Come ulteriore alternativa al processo a fanghi attivi, un reattore upflow romanzo, ora chiamato un bioreattore ad alta densità (HDBR), era designed e costruito da vendite e Shieh (2006) per studiare la rimozione COD da fanghi attivi dai flussi di rifiuti sintetici in condizioni di scarsa F / M che sono noti per causare la formazione di cattiva decantazione fanghi (cioè, carica fanghi) 1,7,14. Il sistema utilizzato HDBR modificato reattori a letto fluido che in genere consistono di un reattore flusso verso l'alto e un serbatoio di riciclo esterno. Reattori a letto fluido sono in genere azionati con corrente di riciclo Portate abbastanza alto per mantenere il substrato di crescita biofilm sospeso ma bassi abbastanza in modo che il substrato biofilm coperte viene mantenuta. A differenza di reattori a letto fluido, il HDBR descritto nelle vendite e Shieh (2006) ha usato le portate del flusso di riciclaggio relativamente bassi che, insieme con aerazione esterna, impedito interruzione della zona di biomassa formata all'interno del reattore 1. Studi successivi hanno dimostrato la capacità di questo progetto del reattore di trattare con successo una serie di flussi di azoto utilizzando nitrificanti / batteri denitrificanti 3,4. In tutto stalloneies la formazione di una stabile, zona biomassa densa all'interno HDBR eliminato la necessità di un processo di flocculazione / sedimentazione esterno 1-4.

Come riportiamo qui, l'uso del HDBR crescere culture dense è stato anche testato in una configurazione photobioreactor (PBR) alla coltura delle alghe. Discutiamo i vantaggi e gli svantaggi di questo sistema reattore romanzo per la coltivazione delle alghe e le sue potenzialità per superare un grande ostacolo nella commercializzazione di biocarburanti algali associati alla raccolta di biomassa (ad esempio, una buona separazione solido-liquido 15,16). Il protocollo che segue illustra i passaggi necessari per assemblare, avvio, campione, e mantenere un HDBR con alghe come la comunità microbica di interesse. Saranno inoltre menzionate variazioni del protocollo di avvio e il funzionamento delle culture eterotrofi e nitrificazione / denitrificanti. Infine, saranno evidenziati i vantaggi generali, gli svantaggi e le incognite di questo disegno romanzo reattore.

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Protocollo

1. Reattore Assemblea

  1. Disporre i componenti del reattore secondo lo schema di figura 1.
    1. Posizionare il reattore (R) su una piastra di miscelazione, aggiungere una ancoretta al reattore. Posizionare il serbatoio di riciclo (RT) accanto alla piastra di agitazione e reattore in modo che la porta effluente (superiore) del serbatoio è diretto verso il bordo del banco di laboratorio.
    2. Posizionare il contenitore degli scarti (W) sotto la porta di effluente (superiore) del serbatoio di riciclo (RT). Posizionare il serbatoio di alimentazione (FT) accanto al serbatoio di riciclo (RT).
      Nota: Il serbatoio di alimentazione ha una capacità totale di 5 L.
  2. Fissare il reattore (R) contro il ribaltamento con uno stand di dimensioni appropriate e morsetto. Allo stesso modo, fissare il serbatoio di riciclo (RT) per impedire il movimento.
  3. Inserire neoprene tubo della pompa peristaltica nel riciclo (Pompa A) e dei mangimi teste (pompa B) pompa. Fare riferimento alla tabella dei materiali per le specifiche tubi aggiuntivi. Installare le teste delle pompe sulle pompe con le viti Provided con gli accoppiatori.
  4. Collegare il tubo di pompa A per le porte sul reattore e la vasca di riciclo. Inserire l'estremità del tubo di pompa B nel serbatoio di alimentazione e il serbatoio di riciclo. Collegare la porta del reattore superiore al serbatoio di riciclo con la tubazione. Applicare fascette al tubo nei porti reattore.
    Nota: Le comunità fotosintetici possono beneficiare di illuminazione artificiale fornita da lampade.

2. Preparazione di soluzioni di riserva, Affluente / mangimi Solutions, e alghe Inoculant

  1. Preparare la soluzione minerale magazzino. Aggiungere quanto segue in un matraccio da 1 L con 500 ml di acqua deionizzata: 200 g di bicarbonato di sodio, 40 g di fosfato monobasico di potassio, 4 g di solfato di magnesio, 4 g di cloruro ferrico, 4 g di cloruro di calcio, 1 g di cloruro di rame, 1 g di cobalto cloruro esaidrato, 1 g di cloruro esaidrato di nichel, 1 g di solfato di zinco eptaidrato. Aggiungere ulteriori 400 ml di acqua deionizzata. Agitare con forza per favorire la dissoluzione dei sali. A seguito di dissoluzione di sali, aggiungere acqua deionizzata per portare il volume totale di soluzione per 1 L.
  2. Preparare la soluzione di ammoniaca magazzino. In un matraccio tarato da 1 L, sciogliere 38.214 grammi di cloruro di ammonio in circa 900 ml di acqua deionizzata. Dopo la dissoluzione, aggiungere acqua deionizzata per portare il volume totale a 1.000 ml.
    Nota: 1 ml di soluzione madre diluita a 1 L rendimenti a 10 mg L-1 NH 4 + -N soluzione.
  3. Preparare la soluzione di nitrato. In un matraccio tarato da 1 L, sciogliere 72,413 g di nitrato di potassio in circa 900 ml di acqua deionizzata. Dopo la dissoluzione, aggiungere acqua deionizzata per portare il volume totale a 1.000 ml.
    Nota: 1 ml di soluzione madre diluita a 1 L ottiene un 10 mg L-1 NO 3 - -N soluzione.
  4. Preparare alimentazione soluzione / influente. Per fare una soluzione di alimentazione contenente 20 mg L -1 NH 4 + -N e 20 mg L -1 NO 3 - -N, diluire 2 ml di unasoluzione stock mmonia e 2 ml di nitrato di soluzione madre al volume totale 1 L. Prima della diluizione, aggiungere 0,5 ml soluzione minerale / L di soluzione compiuti. Preparare 5 L di influente in totale per avviare il reattore.
  5. Preparare il inoculante alghe.
    1. Raccogliere un grande volume (almeno 10 L) di acqua da un corpo idrico alghe contenente come un ruscello o stagno. Lasciare che le alghe di stabilirsi lasciando i campioni di acqua indisturbato per 24 ore.
    2. Decantare e scartare chiaro (non contenente alghe) acqua in cima dei campioni, lasciando una sospensione concentrata di alghe all'interno dei contenitori. Unire la sospensione di alghe da tutti i campioni in un contenitore e ripetere la decantazione e gradini decantazione.
    3. Misurare la biomassa all'interno del campione concentrato.
      1. Essiccare un filtro di carta vuoto (0,45 micron MCE filtro a vuoto) e alluminio pesare barca O / N in un forno che è stato impostato a 103 ° C Dopo raffreddamento in essiccatore per 30 minuti a RT misurare la combined massa del filtro e pesare barca.
      2. Filtro a vuoto 20 ml di sospensione concentrata di alghe e restituire il filtro e pesare barca a forno ad asciugare O / N.
      3. Misurare la massa combinata del filtro e pesare barca. Calcolare la densità della biomassa nel campione concentrato.
        Nota: Il volume totale di campione che gli investigatori dovranno raccogliere dipenderà corpo acqua di fonte.

3. Semina e avvio il reattore

  1. Aggiungere 750 ml di soluzione di alimentazione al reattore. Riempire il serbatoio di riciclo con 500 ml di soluzione di alimentazione.
  2. Utilizzare una lunga pipetta per aggiungere delicatamente una sospensione inoculare contenente 1,5 g di alghe vicino al fondo del reattore. Consentire l'inoculo di depositarsi sul fondo del reattore, garantisce questo mediante osservazione visiva, prima di procedere alla fase successiva.
  3. Una volta che le cellule si sono stabiliti, rimuovere i fermagli del tubo e accendere Pompa A per una portata lenta (10 Revolutions min -1/38 ml min -1). Aria intrappolata nel tubo sarà espulso nel reattore.
    Nota: L'aggiunta di 750 ml al reattore impedirà qualsiasi biomassa disturbati dalla pompa in uscita dal reattore. Spremere il tubo per assicurare che tutta l'aria è stata espulsa.
  4. Aggiungere gradualmente soluzione di alimentazione al serbatoio di riciclo come la soluzione viene pompata nel reattore. Continuare l'aggiunta fino sia il reattore e il serbatoio di riciclo sono a capacità e inizia effluenti uscire serbatoio riciclo tramite la porta superiore.
    Nota: Il volume di soluzione di carica da aggiungere al serbatoio di riciclo varierà con il volume del inoculante aggiunta al reattore.
  5. Versare la soluzione di alimentazione rimanente nel serbatoio di alimentazione.
  6. Impostare la pompa di ricircolo (Pompa A) a 19 giri min -1, che stabilisce un flusso di riciclo del 72,5 ml min -1. Osservare le alghe cominciano a soppalco dal fondo del reattore. Utilizzando le gradazioni sul reattore, determinare il bi alghealtezza zona omass. Assicurarsi che l'altezza è costante prima di procedere alla fase successiva.
  7. Accendere la piastra di miscelazione a velocità molto bassa; un ambiente di 1 o 2 è opportuno iniziare. La barra di miscelazione aiuterà a loft ulteriore biomassa, ma miscelazione aggressivo causerà alghe per lasciare il reattore, inserire il serbatoio di riciclo, e lasciare in effluenti. Impostare miscelazione velocità ad un ambiente necessario per stabilire un confine netto alghe all'interno del reattore (Figura 2A); zona biomassa algale dovrebbe essere di circa 10-15 cm di altezza.
  8. Avviare la pompa di alimentazione dopo aver osservato un chiaro confine tra la spina algale e il fluido del reattore. Impostare la pompa 25 giri min -1, che stabilisce un flusso di 1,5 ml min -1. Osservare l'uscita del fluido del reattore porto effluente dovuta alla gravità e spostamento causato dal flusso entrante in entrata.

4. Raccolta e analisi

  1. Svolgere attività di raccolta dei campioni prio per eseguire la manutenzione del sistema reattore. Raccogliere 20 ml di campioni di effluenti e influenti quotidiano. Raccogliere campioni effluenti all'interno della vasca di riciclo. Raccogliere campioni influenti direttamente dal serbatoio di alimentazione.
  2. Campioni del filtro di vuoto per rimuovere i solidi prima di archiviazione e l'analisi sospesi.
  3. Conservare influente ed effluente campioni a -20 ° C fino ad ulteriore analisi. Limitare il numero di cicli di scongelamento congelare i campioni sono sottoposti. Se necessario, i campioni possono essere suddivisi in aliquote per mantenere l'integrità del campione.
  4. Effettuare analisi campione per nitrati, nitriti, ammoniaca e utilizzando tecniche standard 17.
    Nota: Gli autori hanno utilizzato cromatografia ionica (IC) per produrre i risultati presentati nel presente documento. Fare riferimento alla tabella dei materiali per la specifica.

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Risultati

Il HDBR stato usato per coltivare le alghe in diversi rapporti di concentrazione influente ammoniaca e nitrati, pur mantenendo un contenuto di azoto totale nel mangime a 40 mg -NL -1. Influente e campioni effluenti sono stati presi tutti i giorni; campioni di densità di biomassa sono stati prelevati all'inizio e alla fine di ogni condizione. Il reattore sono voluti in media 3-5 giorni per raggiungere l'equilibrio di stato stazionario dopo sono state modificate le condizioni. Su una vasta gamma di cond...

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Discussione

Questa sezione inizia con una discussione di variazioni di protocollo necessari per affrontare eventuali questioni operative, nonché utilizzando diverse comunità microbiche. La forza di questo disegno reattore saranno discussi, tra cui la possibilità di governare il controllo del flusso di ossigeno e la formazione di fiocchi alta densità all'interno del reattore. Saranno inoltre menzionate le sfide attuali e le possibili vie di studio.

Protocollo sfumature e variazioni
Il...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare e dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare Aspen Walker dell'Università della Pennsylvania per la sua assistenza nella manutenzione del reattore e nella raccolta dei campioni.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Pietra di aerazioneAlitaAS-3015C
AeratorePinna superioreAir-1000
Cloruro di ammonioSigma AldrichA9434
Colonna di analisi degli anioniShodexIC SI-52 4E
Becher (600 ml)Corning Pyrex1000-600Utilizzato come recipiente di miscelazione (MV). Aggiunta di portagomma nella parte inferiore e livelli da 500 ml. Diametro esterno dei portagomma 3/8".
Cloruro di calcioSigma AldrichC5670
Colonna di analisi cationicaShodexIC YS-50
Cloruro di cobalto esaidratoSigma AldrichC8661
Cloruro di rameSigma Aldrich222011
Cloruro ferricoSigma Aldrich157740
Filtro (vuoto)Fisherbrand09-719-2E0.45 μ m filtro a membrana, MCE, 47  mm di diametro
Cilindro graduato (1.000 ml)Corning Pyrex3025-1LUtilizzato come recipiente del reattore (R). Aggiunta di portagomma nella parte inferiore, livelli da 500 ml e 1 L. Diametro esterno dei portagomma 3/8".
HPLC/ICShimadzuProminence
Solfato di magnesioSigma AldrichM2643
Masterflex L/S variatore di velocitàMasterflex07553-50Azionamento per pompe di riciclo e alimentazione (2 necessari)
Cloruro di nichel esaidratoSigma AldrichN6136
Nitrato di potassioSigma AldrichP8291
(Monobasico) Fosfato di potassioSigma AldrichP5655
Testa della pompaMasterflex07018-20Riciclare la testa della pompa
Testa della pompaMasterflex07013-20Alimentare la testa della pompa
Tubo della pompaMasterflex6404-18Riciclare il tubo della pompa
Tubo della pompaMasterflex6404-13Tubo della pompa di alimentazione
Sodio bicarbonatoSigma AldrichS5761
Solfato di zinco eptaidratoSigma AldrichZ0251

Riferimenti

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