Name: 排水の藻類の修復のための光合成反応器システムにおけるスケールの比較 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-06T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 40 s
Description: 学ぶ光合成反応器のスケール比較法。100L水槽と1,000Lレースウェイ池を用いて藻類による排水処理効率を評価し、窒素除去とバイオマス成長の最適条件を特定する手法を解説します。

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著者は、彼らの知識と浸出水を共有するためのフェルトン、DEにSandtown埋立地に感謝したいと思います。

1.システムのセットアップ注：「ペアリングシステムは、「1水槽と並行して実行1軌道池を指します。 <ol><li> 1対になったシステムでは、大規模な容器用のパドルホイールミキサーで、小規模な容器のためのオーバーヘッドミキサーで1 100 L水槽タンク（AT）、および1千L軌道池（RWP）を使用します。このシステムで使用される容器は、図1に描かれています。 </li><li>同じ藻類培養物を、すべての血管を接種します。一度タンクや池10でフルボリュームに希釈していない未満0.1グラム/ Lの最終濃度で、その結果、接種の高密度を使用してください。それは、このステップのための十分な藻類を成長させるために（数週間から数ヶ月）かなりの時間がかかる場合があります。 </li><li>栄養源として未処理の埋立地浸出水を使用してください。主に国内の廃棄物を受け入れ、毒素の低レベルを持っている埋立地から採取した浸出水を使用してください。浸出水のための組成分析は、埋立地から利用可能であるべきです。 T彼は、各タンクや池で使用される浸出水の量廃水の強さによって異なりますが、最終的なアンモニア濃度は5-75 mgのNH 3 -N / Lを測定する必要があります。 </li><li> 60 Lの作業量で100 L水槽タンクを起動し、600 Lの作業容量を持つ軌道池。この研究は、水槽タンク内の水の約1 L浸出液59でL、および軌道池の水の590 Lで10 L浸出液を始めています。この研究の過程で使用される浸出水の濃度を高めます。 </li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55256/55256fig1.jpg" /> 水槽と軌道池の1例を図。水槽（A）と軌道池（B）の例が示されています。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55256/55256fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <ol><li> 3週間の油圧保持時間半バッチ反応器のような水槽タンクと軌道池を操作します。各サンプリング期間は1週間に及びます。 </li><li>各容器から125 mLのサンプルを取ります。これは、週のサンプルの始まりです。セクション3.1-3.3 のサンプル分析プロトコルに従って試験サンプル。 </li><li>週の終わりには、分析のために各容器から125 mLのサンプルを取ります。終了の週のサンプルが採取された後、軌道池に水槽のボリューム全体を空にします。 <ol><li>週に一度、軌道池に水槽のボリューム全体をポンプ。 </li></ol></li><li>軌道池から（3週間の平均油圧保持時間のための）ボリュームの3分の1を削除します。水と未処理の浸出水で除去ボリュームを交換してください。 </li><li>バック水槽に軌道池から約60 Lを転送します。これは確実に水族館日焼けkおよび軌道池は毎週同じ栄養素および生物学的な条件で開始されています。 </li><li>来週の開始条件の分析のために全ての血管から125 mLのサンプルを取ります。 </li></ol> 3.サンプル分析<ol><li>テストのすべての-週初め-とアンモニア-N、硝酸塩-N、亜硝酸-N、およびバイオマス密度のエンド・オブ・週サンプル。 </li><li> 0.45μmのフィルターを使用して、標準的な総懸濁固形物（TSS）プロトコル、ASTM-D5907によってバイオマスを測定します。 <ol><li>最初のろ紙を秤量した後、真空濾過装置を用いて試料の20~40ミリリットルをフィルタ。 1時間、またはバイオマス/濾紙の重量が変化しなくなるまで105℃のオーブン中でバイオマス/ろ紙を乾燥させます。 </li><li>バイオマス/ろ紙を計量し、ろ紙の初期質量を引きます。バイオマス密度を計算するために濾過容積でこの塊を割ります。重複11で実行します。 </li></ol></li><li>アンモニアを測定し、硝酸塩、及び亜硝酸を分光光度法、分光光度計を使用して。 <ol><li>アンモニア濃度を決定するために、商用の方法キットにサンプルの100μLを使用してください。製造業者のプロトコルを参照してください。 </li><li>硝酸塩濃度を決定するために、商業法キットにサンプルの1ミリリットルを使用してください。製造業者のプロトコルを参照してください。 </li><li>亜硝酸塩濃度を決定するために、商業法キットにサンプルを10mLを使用してください。製造業者のプロトコルを参照してください。 </li></ol></li><li>商業プローブとデータロガーを使用して、環境条件（気温、日射量、風速）商業気象ステーションを使用してだけでなく、タンク/池条件（水温、pH、溶存酸素）を監視します。製造業者のプロトコルを参照してください。 </li></ol>結果の4.統計分析<ol><li>収集したデータは、統計的に正常であるかどうかを確認します。 QQプロット12を使用して、データセットの正常性を決定します</SUP&gt;。 </li><li>それぞれピアソンのRまたは正常と非正常なデータのためのスピアマンのp、13を使用してパラメータ間の相関を決定します。初期アンモニア濃度は、初期の総窒素濃度、初期バイオマス濃度、アンモニア除去率、全窒素除去率、バイオマス増殖速度、およびすべての環境条件：相関パラメータは、少なくとも以下のパラメータを含むべきです。 </li></ol>

<ol><li>Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enclosed+outdoor+photobioreactors%3A+light+regime%2C+photosynthetic+efficiency%2C+scale-up%2C+and+future+prospects%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects.</a> Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).</li>
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<li>Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+production+of+organic+acids%3A+expanding+the+markets%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Microbial production of organic acids: expanding the markets.</a> Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).</li>
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</ol>

著者らは、開示することは何もありません。

システムの性能： 8週間の試験の過程にわたって、システム内の小規模および大規模な容器の生産性を比較しました。この研究では、窒素とアンモニア除去速度及びバイオマスの成長速度は、処理システムの生産性の尺度として使用しました。システムは、毎週の個別の条件で運転した半バッチ式反応器として操作しました。代表的な結果は、システム動作の最初の8週間、しかし完全な研究は、環境条件の季節的変動を考慮するために、はるかに長い期間にわたって延長する占めます。 方法は、7日ごとに互いに対をなすシステム（小規模および大規模な容器）を混合するためのコール前述します。したがって、この期間における2つの尺度間の生産性の差は2サイズの容器内で異なる条件のみに依存します。例えば、原子炉の1で露光がsignifiある場合他に比べて少ないcantly、バイオマス成長率は大幅に異なるであろう。不完全な混合によるデッドゾーンは、2つのスケールとの間の任意の他の不一致条件と一緒に乏しい物質移動、変数CO 2またはpHは、ペアリングシステム内の血管の生産性...

より大規模なアプリケーションにベンチスケールデータの翻訳は、バイオプロセスの実用化における重要なステップです。小スケールの反応器システム、微生物の使用に焦点を当て、特にそれらの生産効率は、一貫してオーバー商業規模の装置1、2、3、4において発生効率を予測することが示されています。課題はまた、バイオ燃料の生産のために、例えば、化粧品、医薬品などの高付加価値製品を製造する目的のために、より大きなシステムに実験室規模から藻類およびシアノバクテリアの光合成培養のスケールアップに存在し、廃水処理のため。大規模な藻類バイオマス生産の需要はバイオ燃料、医薬品/栄養補助食品、および飼料5における藻類のための新興産業に成長しています。に記載の方法この原稿は、バイオマスの成長速度および栄養除去の光合成反応器システムの規模を増加させる影響を評価することを目的とします。ここで紹介するシステムは、埋立地浸出水の排水を修復するために藻類を使用しますが、様々な用途に適合させることができます。 大規模システムの生産効率は、多くの場合、小規模な実験を使用して予測されます。しかしながら、いくつかの要因は、スケールがバイオプロセスの性能に影響を与えることが示されているように、これらの予測の精度を決定するために考慮しなければなりません。例えば、ユンカー（2004）は30 Lからpilot-での実際の生産性や商業スケールがほとんど常に値が小さい用いて予測を下回ったことを示した19000 L、に至るまで、8つの異なるサイズの発酵リアクターの比較の結果を発表しました-scale研究4。電力、攪拌型、栄養品質、及びガス移送を混合容器次元の不等式は、であることが予測されました減少し、生産性4のための主要な原因。同様に、スケールが6増加すると、バイオマスの成長およびバイオマスに関連する製品は、ほぼ常に低減される藻類の成長炉に示されています。 生物学的、物理的、および化学的要因は異なる、より大きなスケール2、7よりも小さなスケールで微生物活性に影響を与えるこれらの要因の多くは、反応器の大きさに変化します。このような軌道池などの藻類のための最も本格的なシステムは、屋外で存在するので、考慮すべき一つの生物学的要因は、微生物種およびバクテリオファージが存在微生物種、したがっての微生物の機能を変更することができる周囲の環境から導入することができるということですシステム。微生物群集の活性はまた、光や温度などの環境要因に敏感になります。ガスと流体運動の大量転送があります微生物プロセスのスケールアップに影響される物理的な要因の例。小型炉の理想的な混合を達成することは簡単です。しかしながら、大規模化して、それは理想的な混合条件を設計することが課題となります。大きなスケールで、反応器は物質移動2にデッドゾーン、非理想的な混合、および還元効率を有する可能性が高いです。藻類は光合成生物であるため、ボリュームを増加させたときに、商業成長は、水の深さと表面積の変化に露光の変化を考慮しなければなりません。密度および/または低い物質移動速度を引き起こす可能性が高いバイオマスは、バイオマスの増殖の阻害8もたらし得るどちらのCO 2濃度の増大O 2濃度を減少させました。藻類の成長システムにおける化学的因子は、結果として、そのような溶解COなどのpH緩衝化合物の変化によって影響される水生環境2のpH動力によって駆動されます<sub&gt; 2と炭酸種。これらの要因は、多くの場合、予期しない形9に、生物学、物理的、および化学的要因の中の複雑な相互作用によって配合されます。 この研究は、調節し、二つの異なるスケールの血管の成長条件を比較するように設計された対の反応器システムを提供します。実験プロトコルは、浸出水処理や藻類の成長を定量化に焦点を当てて。しかし、そのような時間をかけて微生物群集の変化や藻類のCO 2隔離の可能性として他のメトリックを監視するように適合させることができます。ここに提示プロトコルは浸出水処理システムにおける藻類増殖および窒素除去にスケールの影響を評価するために設計されています。

<table><tbody><tr><td>水槽</td><td></td><td></td>タンク <td>光学的に透明なガラスを備えた任意の100+ L水槽を使用することができます</td></tr><tr><td>RW 3.5</td><td>MicroBio Engineering</td><td></td><td>Raceway Pond</td></tr><tr><td>Eurostar 100 デジタル</td><td>IKA</td><td>4238101</td><td>オーバーヘッドミキサー</td></tr><tr><td>浸出液</td><td>サンドタウン 埋め立て</td><td></td><td></td></tr><tr><td>サンプリングボトル</td><td>Nalgene</td><td></td><td>プラスチックまたはガラス、ラボグレード、125-200&nbsp;mL</td></tr><tr><td>トランスファーポンプ</td><td></td><td></td><td>飲料水質ホース付きのガーデンタイプポンプが適しています</td></tr><tr><td>AmVerサリチル酸試験 'Nチューブ</td><td>ハック</td><td>2606945</td><td>高範囲アンモニア試験</td></tr><tr><td>NitraVer X窒素 - 硝酸塩試薬セット&nbsp;</td><td>Hach</td><td>2605345</td><td>High Range Nitrate Tests</td></tr><tr><td>NitriVer 2 亜硝酸塩試薬粉末枕</td><td>Hach</td><td>2107569</td><td>High Range Nitfite Tests Hach</td></tr><tr><td>DR2400 Spectrophotmeter</td><td>Hach</td><td></td><td>DR2400は製造中止となりましたが、このアプリケーションでは任意のDRシリーズHach分光光度計を使用することができます。&nbsp;</td></tr><tr><td>EMD微生物学的分析メンブレン</td><td>フィルターMillipore</td><td>HAWG047S6</td><td>0.45 &micro;mフィルター</td></tr></tbody></table>

排水の藻類の修復のための光合成反応器システムにおけるスケールの比較

Comparison of Scale in a Photosynthetic Reactor System for Algal Remediation of Wastewater

実験方法は、廃水処理のために設計された2つの異なるサイズの反応器の性能を比較するために提示されています。本研究では、アンモニア除去、窒素除去および藻類の成長が埋め立て排水の藻類修復のために設計された小型（100 L）と大（千L）原子炉のペアのセットで8週間にわたって比較されます。小規模および大規模な反応器の内容物は、2つのスケールを横切る同等の初期条件を維持するために、それぞれの毎週の試験期間の開始前に混合しました。体積比、滞留時間、バイオマス密度、及び廃水供給濃度に対する表面積を含むシステム特性は、より良い両方のスケールで発生する条件を等しくするように調整することができます。ショート8週間代表期間中、開始アンモニア及び全窒素濃度は、それぞれ3.1から14 mgのNH 3 -N / L、及び8.1から20.1 mgのN / Lの範囲でした。処理システムの性能を評価しましたアンモニア及び全窒素を除去し、藻類バイオマスを生成する能力。 、アンモニア除去の平均値±標準偏差、全窒素の除去やバイオマス成長率は0.95±0.3 mgのNH 3 -N / L /日であった、0.89±0.3 mgのN / L /日、および0.02±0.03グラムのバイオマス/ L /日それぞれ。すべての船舶は、初期のアンモニア濃度とアンモニア除去率（R 2 = 0.76）との間に正の相関を示しました。実験室規模の実験データは、商業規模の生産値の予測に適している場合、異なるスケールの反応器で測定されたプロセス効率および生産値の比較が決定するのに有用であり得ます。

本研究の目的は、バイオマスの成長及び小規模および大規模な反応器内で成長した藻類培養物の栄​​養除去能力を比較することです。本研究では、その調査結果を複製するために、システム1とシステム2と呼ばれる、2対になったシステムを使用しています。これらの代表的な結果は、2016年最初の軌道の池はもともとフィラデルフィア、PA 14における屋外の池から供給藻類を接種し、4月まで8週間の期間、2月からのものです。この培養物を水槽中で高密度まで増殖させました。この接種は、RWP 0.12グラム/ Lのバイオマス密度をもたらしました。 2.5週間後、第二の軌道池や水槽タンクは約0.18グラム/ Lのバイオマス密度を開始し、その結果、接種しました。数週間後、すべてのATとRWPsは、すべての船舶の間で均一なバイオマス密度と微生物集団のために一緒に混合しました。上記で説明したように、通常の操作と監視が始まりましたプロトコル。 ...

実験方法は、（100 L）小規模および大規模（千L）の性能を比較埋立排水の藻類の修復のために設計された原子炉をスケールするために提示されています。体積比、滞留時間、バイオマス密度、及び廃水供給濃度に対する表面積を含むシステム特性は、用途に基づいて調整することができます。

An experimental methodology is presented to compare the performance of two different sized reactors designed for wastewater treatment. In this study, ...

この手順の全体的な目的は、浸出液処理システムにおける藻類の増殖および窒素除去に対するスケールの影響を評価することです。この手法により、システムのスケールアップが処理効率にどのような影響を与えるかを判断することができます。この技術の主な利点は、さまざまな微生物および廃水処理システムに適応させることが可能である点にあります。本プロトコルにおいて、ペアシステムとは、100リットルの水槽1基と1,000リットルのレースウェイ型池1基を並行して運用することを指します。まず、高密度の接種源から開始しますが、十分な量の藻類を増殖させるには数週間から数ヶ月かかる場合があります。すべての容器に同一の藻類培養液を接種し、水槽または池の全量まで希釈した後の最終密度が0.1 grams per literを下回らないようにしてください。未処理の埋立地浸出水を本システムの栄養源として使用します。主に家庭廃棄物を受け入れており、毒性物質のレベルが低い埋立地から採取した浸出水を使用してください。各タンクまたは池に使用する浸出水の量は、廃水の濃度によって異なります。水槽は、作動容量60 Lとするため、59 Lの水に1 Lの浸出液を加えて開始します。同様に、レースウェイ池は、作動容量600 Lとするため、590 Lの水に10 Lの浸出液を加えて開始します。水槽とレースウェイ池を、水力学的滞留時間を3週間としたセミバッチリアクターとして、週単位で運用します。市販の気象観測装置を用いて、気温や日射量などの環境条件をモニタリングします。また、市販のプローブとデータロガーを使用して、水温、pH、溶存酸素などのタンクまたは池の条件をモニタリングします。毎週の開始時に、各容器から125 milliliterのサンプルを採取し、バイオマス密度、ならびにアンモニア態窒素、硝酸態窒素、亜硝酸態窒素を測定します。0.45 µmフィルターを用い、標準的な全懸濁物質（TSS）測定プロトコルに従ってバイオマス量を測定します。フィルターペーパーの重量を測定した後、吸引ろ過システムを使用してサンプル20～40 mLをろ過します。バイオマスとフィルターペーパーをオーブンに入れ、105 °Cで1時間乾燥させます。乾燥後、バイオマス密度を算出します。次に、分光光度計と市販の測定キットを用い、製造元のプロトコルに従ってアンモニア、硝酸塩、および亜硝酸塩を測定します。1週間後、各容器から125 milliliterのサンプルを採取し、同様に分析を行います。これで1週目が終了です。次週のサイクルに備えて、アクアリウムタンクの全量をレースウェイポンドにポンプで移してください。その後、レースウェイポンドの容量の1/3を除去します。取り出した量と同量の水と未処理の浸出液で補充します。その後、レースウェイポンドから約60 litersをアクアリウムタンクに戻します。これにより、毎週アクアリウムタンクとレースウェイポンドが同一の栄養条件および生物学的条件で開始されるようになります。本研究では、結果の再現性を確認するため、システム1およびシステム2と呼ぶ2つのペアシステムを使用した。処理システムの評価指標として、アンモニア除去率、全窒素除去率、およびバイオマス増殖率を用いた。代表的な研究期間におけるシステム1およびシステム2の各速度を以下に示す。代表的な研究期間におけるすべての容器からのデータは、アンモニア除去率が初期アンモニア濃度の増加とともに正の傾向を示すことを明らかにしました。システムが稼働し始めた後は、バイオマス密度、攪拌の間隔、有効容量、滞留時間、および添加する廃水量などのリアクターパラメータを調整して、カスタマイズされたシステムをより適切に検証することが可能です。最終的に、本手順による結果は、フルスケールの処理プロセスの実現可能性調査に役立てることができます。例えば、増殖速度や栄養塩除去などの重要なリアクターパラメータに対するスケールの影響を用いて、フルスケールの生産プロセス、ライフサイクルアセスメント、および技術経済分析のシミュレーションに使用される入力データの正確性を検証することができます。これは、さまざまな廃水処理の研究に適応させることができる汎用性の高い手法です。

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Research

JoVE Journal

Environment

環境

発電所からの煙道ガスは、藻類の成長のための安価なCO 2源である。私たちは、システム「栽培藻類する煙道ガス」のプロトタイプを構築し、藻類培養工程をスケールアップする方法を説明してきました。我々は、Chlorella種の成長のための煙道ガスの最適な動作をシミュレートし、設計するために、物質移動のバイオ反応モデルの使用を実証した。藻類のフォトバイオリアクター中。...

計算機シミュレーションを通してフォトバイオリアクターで藻類の成長を促進するために排煙設定を最適化

&gt;jove_content&lt;微細藻類の培養と工業用煙道ガスの統合は、最終的に重金属と他の無機化合物を成長培地に導入します。この研究は、フォトバイオリアクターで成長したNannochloropsis...

重金属や微細藻類の生産性に関するその他の無機汚染物質の定量

高密度バイオリアクター(HDBR)と名付けられた新しいリアクターデザインが、高密度微生物群集の培養と研究のために提示されています。ここでは、HDBRをフォトバイオリアクター(PBR)構成で適用し、高密度の混合藻類群集による窒素代謝の研究に成功しています。...

多様な微生物群集の高密度栽培のための新しいバイオリアクター

本稿では、他の方法と組み合わせて、適切な動態パラメータを推定するために使用できるベンチスケールの光合成バイオリアクターの組み立てプロセスと操作について説明します。このシステムは、センサー、データ収集および制御ユニット、およびオープンソースのデータ収集ソフトウェアを使用してpH、光および温度を連続的に監視します。...

動力学的成長試験のための温度、光およびpHモニタリングを有するベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築およびセットアップ

中性脂質のバブル列フォトバイオリアクターとアッセイで緑の微細藻類の栽培

ベンチスケール、軸栽培は、その後のプロセススケールアップの前に、マイクロアルガル特性評価と生産性の最適化を容易にします。光バイオリアクターは、信頼性の高い再現性のある微細藻類実験に必要な制御を提供し、自治体や産業の燃焼放出から腐食性ガス(CO2、SO2、NO2)で微細藻類を安全に栽培できるように適応することができます。...

腐食性煙道ガスを用いたベンチスケール光バイオリアクターにおける微細藻類栽培とバイオマス定量

天然ガス発電所の煙道ガス中の二酸化炭素を利用して、オープンな軌道上の池で微細藻類を栽培するためのプロトコルが記載されている。煙道ガス注入はpHセンサーで制御され、微細藻類の成長は光学密度のリアルタイム測定で監視されます。...

発電所からの炭素回収と微細藻類栽培用の半自動オープンレースウェイ池の結合

この出版物は、カスタマイズ可能な光レジームを備えた実験室用フォトバイオリアクター(PBR)の設計について説明しています。シアノバクテリアまたは微細藻類の増殖は、炭酸水素塩を炭素源として使用し、体積酸素産生を測定することによって継続的に監視される。これらのPBRは、実験中のユーザーの介入をほとんど伴わずに、迅速で複製された実験室の成長比較を容易にします。...

オンライン成長測定とカスタマイズ可能な光レジームを備えた実験室用フォトバイオリアクターの操作

大気汚染は、すべての生物の生活の質に影響を与えます。ここでは、微細藻類バイオテクノロジーを用いたバイオガス処理(二酸化炭素と硫化水素の同時除去)と、半工業的な開放型高速藻類池によるバイオメタン生産、およびその後の処理効率、pH、溶存酸素、微細藻類の成長の分析について説明します。...

準工業用高速藻類池における微細藻類-バクテリアシステムを用いたバイオガス精製

バイオ炭は、持続可能な基板の品質と収着汚染物質を向上させる、炭素を隔離する能力を持つ土壌改良として使用される炭素が豊富な材料である。このプロトコルは、以前の環境ではこれらの改訂の大規模な実装に必要とされるバイオ炭の特徴付けに使用17分析方法について説明します。...

汚染サイトの修復のために製造シックスBiocharsの物理的、化学的および生物学的特性評価

学ぶ光合成反応器のスケール比較法。100L水槽と1,000Lレースウェイ池を用いて藻類による排水処理効率を評価し、窒素除去とバイオマス成長の最適条件を特定する手法を解説します。

排水の藻類の修復のための光合成反応器システムにおけるスケールの比較

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