Coltivazione di microalghe e quantificazione della biomassa in un fotoreattore in scala di panca con gas di scarico corrosivo

La coltivazione ascia su scala bench facilita la caratterizzazione delle microalghe e l'ottimizzazione della produttività prima della successiva scalabilità del processo. I fotobioreattori forniscono il controllo necessario per esperimenti di microalghe affidabili e riproducibili e possono essere adattati per coltivare in modo sicuro le microalghe con i gas corrosivi (CO₂, SO₂, NO₂) dalle emissioni di combustione municipale o industriale.

Questo protocollo descrive in dettaglio gli adattamenti delle apparecchiature fotobioreattori necessari per coltivare microalghe con gas corrosivi e discute il funzionamento sicuro e il campionamento del fotobioreattore. I fotobioreattori forniscono il controllo necessario per esperimenti microalgali affidabili e riproducibili. Questo sistema su scala da banco può essere utilizzato per studiare le caratteristiche e la produttività delle microalghe coltivate con emissioni di combustione simulate.

Questo metodo può essere utilizzato con altri bioreattori accuratamente adattati o per coltivare altri microrganismi fotoautotrofici. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché è un protocollo complesso che impedisce l'esposizione umana alle emissioni tossiche simulate di combustione utilizzate per la coltivazione di microalghe. Per iniziare, modellare la possibile concentrazione accumulata di gas tossici nella stanza se la cappa dei fumi dovesse fallire.

Utilizzare il foglio di calcolo di modellazione matematica IH Mod dell'American Industrial Hygiene Association per ogni gas. Dal personale di manutenzione HVAC dell'edificio o dal tecnico HVAC, ottenere Q, la fornitura della stanza o la velocità dell'aria di scarico in metri cubi al minuto. Calcolare il volume, V, del laboratorio in metri cubi.

Calcolare la velocità di emissione dei contaminanti, G, di ogni tipo di gas tossico in milligrammi al minuto utilizzando l'equazione adattata dalla legge sul gas ideale in cui P è la frazione di pressione esercitata dal gas tossico in un bancomat, Q gas è la portata del gas in litri al minuto, R è la costante universale del gas, T è la temperatura in Kelvin , e MW è il peso molecolare del gas in grammi per talpa. Utilizzare i valori per V, Q e G per ogni gas nel modello di stanza ben miscelato con opzione per interrompere la generazione e modellare l'algoritmo di spurgo della stanza nel foglio di calcolo IH Mod per calcolare le concentrazioni di gas ambiente accumulate per ogni gas in un periodo di simulazione di 24 ore. Confrontare questi valori con i limiti di esposizione.

Impostare un sistema di monitoraggio dei gas tossici con sensori per ciascuno dei gas tossici in uso. Calibrare i sensori secondo le istruzioni del produttore. Bump test frequentemente.

Individuare il monitor del gas appena fuori dalla cappa dei fumi. Prima dell'esperimento, assicurarsi che tutto il personale sia istruito sulle risposte appropriate ad un allarme gas tossici. Ora, preparare 100 millilitri ciascuno di un normale idrossido di sodio e un normale acido cloridrico in due bottiglie di soluzione di ingresso da 250 millilitri.

Conservare le soluzioni di ingresso a consumo in bottiglie con tappo autoclavebile dotate di tubi di immersione e un tubo di sfiato con filtro dell'aria sterile in linea. Collegare i tubi di immersione a due delle quattro porte di ingresso del fotobioreattore utilizzando tubi autoclavebili. Inserire e avvitare chiudere il dito freddo e il condensatore di scarico sulla piastra della testa del fotobioreattore.

Inserire la porta di inoculazione e avvitare saldamente in posizione. Aggiungere una lunghezza di tubi autoclavebili alla sezione della porta di inoculazione sopra la piastra della testa del fotobioreattore. Prima di autoclavare il bioreattore, bloccare il tubo chiuso con un morsetto host autoclaveable.

Collegare tubi con filtri sterili a tutte le porte fotobioreattori inutilizzate. Aggiungere 1,5 litri di mezzo di coltura. Autoclave del reattore e soluzioni di ingresso associate per 30-45 minuti a 121 gradi Celsius.

Passare i tubi autoclavezzabili di 1,6 millimetri di diametro interno tra le soluzioni di ingresso e le loro porte attraverso pompe peristaltiche separate. Attaccare il motore della girante all'albero della girante e stringere il raccordo. Disporre i pannelli luminosi a LED simmetricamente all'esterno del bioreattore in base alle esigenze di illuminazione.

Collegare i regolatori appropriati in grado di 20 pressioni di uscita PSI alle bombole di gas. Fissare sei millimetri all'interno di tubi resistenti alla pressione di diametro alla spina del tubo di uscita del regolatore e fissare con un morsetto del tubo. Attaccare l'altra estremità del tubo resistente alla pressione all'ingresso del gas della torre di regolazione del gas utilizzando una spina del tubo a un raccordo a collegamento rapido dello stelo di sei millimetri fissato con un morsetto del tubo.

Collegare tubi di diametro interno di 3,2 millimetri alla presa del gas della torre di regolazione del gas utilizzando un raccordo a collegamento rapido di sei millimetri e collegare l'altra estremità del tubo di uscita alla porta dell'anello di sparging alla piastra della testa del fotobioreattore. Impostare la pressione di uscita su 20 PSI su ciascun regolatore di gas. Sull'interfaccia del bioreattore, impostare le portate sperimentali del gas.

Utilizzare la funzione STIRR per impostare una velocità di rotazione della girante abbastanza rapida da far assimilare il mezzo di coltura alle bolle di gas risparmiate. Dopo l'autoclave, assemblare il fotobioreattore e le bombole di gas all'interno di una cappa aspirante walk-in. Posizionare il fotobioreattore su un tavolo all'interno di un contenitore secondario e posizionare bombole di gas in conduttori di cilindri indipendenti o in un portacilindrico.

Dopo aver avviato il flusso di gas, utilizzare una bottiglia di lavaggio riempita con una diluizione 1:100 di sapone per piatti all'acqua per coprire le connessioni tra le bombole di gas e il bioreattore con un piccolo flusso di soluzione di sapone. Verificare la presenza di perdite di gas indicate dal gorgogliamento. Quando si avviano gli esperimenti microalgali, iniziare a risparmiare il gas e quindi regolare il pH prima dell'inoculazione.

Inoculare il fotobioreattore aspirando l'inoculo microalgale preparato in una siringa sterile, montando la siringa al tubo attaccato alla porta di inoculazione, aprendo il morsetto del tubo di inoculazione e deprimendo la siringa. Controllare il monitor del gas, le pressioni delle bombole di gas e il fotobioreattore due volte al giorno per elevati livelli di gas tossici o indicazione di perdite. Limitare l'apertura della fascia del cofano dei fumi a una larghezza che consenta di raggiungere i regolatori del bioreattore e delle bombole di gas.

Durante il campionamento, ruotare i regolatori delle bombole di gas in posizione chiusa per interrompere il flusso di gas verso il reattore. Chiudere l'anta del cappuccio dei fumi e lasciare cinque minuti alla cappa per evacuare i gas corrosivi. Campionare all'interno della cappa dei fumi aprendo una porta della piastra di testa e utilizzando una pipetta sierologica sterile o traendo coltura in una siringa attraverso la porta di inoculazione o di campionamento.

In questo studio, è stata stabilita una curva di calibrazione per le microalghe verdi Scenedesmus obliquus raccolte in fase esponenziale con misurazioni OD750 e concentrazioni di biomassa essiccata. Le concentrazioni di biomassa sono state calcolate dalla curva di calibrazione e quindi modellate con una curva logistica in cui L è la concentrazione massima di biomassa, k è la pendenza relativa della fase esponenziale, x0 è il momento del punto medio della curva, e x è il tempo. Un promettente studio preliminare con un gas di canna fumaria simulato ha raggiunto un tasso massimo di produttività della biomassa microalgale a 690 milligrammi al litro al giorno che era superiore a quello del 12% di anidride carbonica e aria ultra zero a 510 milligrammi al litro al giorno.

Il corretto montaggio del sistema è molto importante per la procedura per la coltivazione microalgale e per la sicurezza umana. Il sistema deve essere costantemente monitorato con sensori di gas. Le linee di trasferimento devono essere a tenuta di gas e la cappa dei fumi deve essere utilizzata in modo appropriato.

I cilindri pressurizzati contenenti gas tossici sono pericolosi. Assicurarsi sempre che le bombole siano fissate e utilizzate solo all'interno di una cappa aspirante dopo aver stabilito un sistema di monitoraggio dei gas tossici.