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

L'obiettivo generale di questa progettazione del biorreattore e dell'esperimento è dimostrare la coltivazione di una comunità fotosintetica mista ad alta densità in un biorreattore innovativo per un efficace trattamento delle acque reflue. Questo metodo può essere utilizzato per rispondere a domande fondamentali, come progettare e gestire biorreattori algali al fine di bonificare correnti di rifiuto, nonché come coltivare biomassa algale. Il principale vantaggio di questa tecnica è la coltivazione di biomassa algale ad alta densità in assenza di metodi esterni di separazione.

L'idea per questa applicazione è nata quando abbiamo capito che questo sistema di biorreattore ad alta densità aveva avuto un notevole successo nella coltivazione di batteri eterotrofi provenienti dal fango attivo nel trattamento di composti organici delle acque reflue, così come di batteri autotrofi nitrificanti e denitrificanti nel trattamento dell'ammoniaca, inquinante azotato delle acque reflue. A dimostrare questa procedura è Thomas Thompson, studente A-B-S-M-S della Drexel University, che lavora anche come stagista e tecnico nel mio laboratorio. Per iniziare, posizionare il reattore su una piastra agitatrice e inserire un’asta magnetica all’interno del reattore.

Posizionare il serbatoio di ricircolo accanto alla piastra magnetica e al reattore in modo che la presa di effluente del serbatoio sia rivolta verso il bordo del banco del laboratorio. Posizionare il contenitore dei rifiuti sotto la presa di effluente del serbatoio di ricircolo. Successivamente, posizionare il serbatoio di alimentazione accanto al serbatoio di ricircolo.

Fissare il reattore a un supporto e una pinza di dimensioni adeguate per evitarne il ribaltamento. Inserire il tubo in neoprene della pompa peristaltica nelle testine della pompa di ricircolo e di alimentazione. Montare le testine sulle unità di pompaggio utilizzando le viti fornite insieme alle unità stesse.

Collegare successivamente il tubo della pompa A alle porte del reattore e del serbatoio di ricircolo. Inserire l'estremità del tubo della pompa B nel serbatoio di alimentazione e nel serbatoio di ricircolo. Collegare la porta superiore del reattore al serbatoio di ricircolo mediante tubo.

Infine, applicare morsetti ai tubi nei porti del reattore. Preparare cinque litri di soluzione in entrata o di alimentazione per avviare il reattore. Per prima cosa, aggiungere 0,5 millilitri di soluzione minerale per ogni litro di soluzione da preparare.

Quindi diluire due millilitri di soluzione madre di ammoniaca e due millilitri di soluzione madre di nitrato fino a un volume totale di un litro. Aggiungere 750 millilitri della soluzione nutritiva al reattore. Riempire il serbatoio di ricircolo con 500 millilitri di soluzione nutritiva.

Utilizzare una pipetta lunga per aggiungere delicatamente una sospensione inoculo contenente 1,5 grammi di alghe vicino al fondo del reattore. Lasciare che l'inoculo si depositi sul fondo del reattore, verificandone visivamente l'insediamento, prima di passare al passo successivo. Posizionare la pietra aerante nel serbatoio di ricircolo e accenderla.

Una volta che le cellule si sono depositate, rimuovere le fascette dai tubi e accendere la pompa A impostandola su un flusso lento. Utilizzando i comandi sull'unità di comando della pompa, aggiungere gradualmente la soluzione di alimentazione al serbatoio di ricircolo mentre la soluzione viene pompata nel reattore. Continuare l'aggiunta fino a quando sia il reattore che il serbatoio di ricircolo raggiungono la capacità massima e iniziano a produrre effluente.

Inizia a uscire dal serbatoio di ricircolo attraverso il collegamento superiore. Versare la soluzione rimanente nel serbatoio di alimentazione. Impostare quindi la pompa a su 19 giri al minuto, stabilendo una portata di ricircolo di 72,5 millilitri al minuto.

Osservare l'insorgenza del sollevamento delle alghe dal fondo del reattore utilizzando le graduazioni presenti sul reattore. Determinare l'altezza della zona di biomassa algale. Assicurarsi che l'altezza sia costante prima di procedere al passaggio successivo.

Quando si imposta la velocità della piastra di miscelazione, è fondamentale monitorare l'altezza e la stabilità della biomassa algale per evitare la perdita di biomassa. Moderni aggiustamenti graduali della velocità della barretta di miscelazione aiutano a prevenire questo inconveniente. Accendere la piastra di miscelazione a velocità molto bassa.

Un'impostazione pari a uno o due è appropriata per iniziare. La barra di miscelazione aiuterà a sollevare ulteriormente la biomassa, ma una miscelazione troppo intensa provocherà la formazione di alghe. Per uscire dal reattore, entrare nel serbatoio di ricircolo e uscire con il refluo.

Avviare la pompa di alimentazione. Dopo aver osservato un confine netto tra il tappo algale e il fluido del reattore, impostare la pompa a 25 giri al minuto, stabilendo una portata di 1,5 millilitri al minuto. Osservare il fluido del reattore uscire dal porto di effluente a causa della gravità e dello spostamento provocato dal flusso in ingresso.

Eseguire le attività di campionamento prima di effettuare la manutenzione sul sistema del reattore. Raccogliere giornalmente 20 millilitri di campioni di effluente e di influente. Prelevare i campioni di effluente all'interno del serbatoio di ricircolo.

Prelevare i campioni di influente direttamente dal serbatoio di alimentazione. Filtrare i campioni sotto vuoto per rimuovere i solidi sospesi prima dell'immagazzinamento e dell'analisi. Conservare i campioni di influente ed effluente a meno 20 gradi Celsius fino all'analisi successiva.

Limitare il numero di cicli di congelamento e scongelamento. I campioni vengono sottoposti ad analisi finale per nitrate, nitriti e ammoniaca utilizzando tecniche standard. È stata osservata una rimozione dell'ammoniaca in tutti i range di composizione del letto, ma l'entità della rimozione dell'ammoniaca non è stata significativamente influenzata dalla composizione dell'ammoniaca.

In modo analogo, la rimozione dell'ammoniaca non è risultata significativamente influenzata dalla composizione del nitrato, sebbene si sia osservata l'accumulazione di nitrato all'interno del reattore nella maggior parte delle composizioni in ingresso. La rimozion del nitrato era correlata negativamente alla composizione in ingresso di ammoniaca, mentre la rimozione del nitrato era correlata positivamente alla composizione in ingresso di nitrato. La contemporanea rimozione dell'ammoniaca e la formazione di nitrato suggeriscono la presenza, all'interno della comunità mista, di batteri ossidanti l'ammoniaca e il nitrato, i quali contribuiscono alla trasformazione delle specie azotate all'interno del reattore.

L'ossigeno richiesto dai batteri ossidanti l'ammoniaca e i batteri ossidanti il nitrito verrebbe fornito mediante aerazione all'interno del serbatoio di ricircolo e trasportato attraverso la zona di biomassa all'interno del reattore tramite la pompa di ricircolo. Oltre al monitoraggio della composizione chimica dell'affluente e dell'effluente, si è scoperto che il contenuto di solidi sospesi all'interno del reattore è un buon indicatore di crolli della popolazione microbica. Variazioni ampie e improvvise nella composizione del substrato possono avere effetti negativi sulla comunità microbica e possono causare il malfunzionamento del reattore.

Di conseguenza, gli schemi di composizione dell'alimentazione dovrebbero essere attentamente selezionati per prevenire tali arresti, anche se. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sui sistemi algali batterici che funzionano in questo foto bioreattore, possiamo anche studiare batteri eterotrofi provenienti da fanghi attivi nel sistema, nonché batteri nitrificanti e denitrificanti, batteri ossidanti e organismi capaci di accumulare fosfato. Una volta acquisita padronanza, un bioreattore ad alta densità può essere assemblato e avviato in meno di due ore al giorno. Attività come il prelievo dei campioni e la preparazione dell'ilu richiedono circa un'ora. Speriamo che questa dimostrazione incoraggi altri ricercatori ad adottare questo reattore per studiare altri sistemi microbici.

Grazie per aver guardato e buona fortuna con i vostri esperimenti.