Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-12-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 学ぶ腐食性ガスを用いた光バイオリアクターでの微細藻類栽培法。安全な操作とサンプリング技術を含み、Scenedesmus obliquusのバイオマス生産性を評価する実験プロトコルを解説します。

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この資料は、助成金第1546595条に基づく国立科学財団大学院研究フェローシップの支援を受けた作品に基づいています。この資料に記載されている意見、調査結果、結論または勧告は著者のものであり、必ずしも国立科学財団の見解を反映しているわけではありません。この研究は、アイオワ大学大学院・専門学生政府の研究助成金と、アイオワ大学財団のアレン・S・ヘンリー寄付によっても支援されました。W.M.ケック・フィトテクノロジーズ研究所で研究を行いました。著者らは、アイオワ大学の発電所スタッフ、特にマーク・マクスウェルが、シミュレートされた煙道ガスの専門知識と財政的支援に感謝したいと思います。著者はまた、サンプリングと分析に関する彼女の支援と、プロトコルビデオへの彼女の支援と参加のためのエミリー・グリーンを認めたい。

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著者たちは何も開示する必要はない。

調整されたpH、温度、ガス流量、ガス濃度を用いたバッチ、軸光バイオリアクター実験は、非標的藻類株による汚染や培養条件の変動を排除することにより、有意義な結果を促進します。栄養として機能する腐食性ガス(CO2、SO2、NO2)が存在する場合でも、正確な純粋培養成長動態を得ることができ、廃ガスを動物飼料などの貴重な製品に変えることができます。
微細藻類の実験を開始する前に、選択された微細藻類培養物を貯蔵から採取し、液体培養に再適合させる必要があります。微細藻類を指数位相に成長させることで、実験が同等の初期条件を持ち、接種後に微細藻類が遅れ相に停滞しない確率が向上します。
バイオマス生産性の研究では、光学密度とバイオマス濃度に関する較正曲線が特に重要です。高い微細藻類バイオマス生産性は、ミクロアルガル産業の主要な目標の一つであり、そのように、しばしば研究の成功の指標である12。したがって、光学密度測定によるバイオマス濃度...

光バイオリアクターは、開放池では達成できないよりも純粋なマイクロアルガル製品の制御実験や栽培に役立ちます。ベンチスケールフォトバイオリアクターにおける微細藻類栽培は、プロセススケールアップに使用できる基礎知識の開発をサポートします。環境条件のわずかな変化は、微生物学的実験を著しく変化させ、結果1を混同する可能性がある。温度、pH、ガススパージング制御を備えた滅菌プロセスは、様々な条件下で微小藻特性と性能を研究する場合に有利です。さらに、入力ガス濃度、温度、混合によるせん断力、および中型pHの制御は、それ以外の方法で栽培が困難な多様な種をサポートすることができます。光バイオリアクターは、連続ガス供給とスパージングを備えたバッチプロセスとして、または連続ガス供給とスパージングプラス排水および排水排水栄養素入力を備えたケモスタットフロースルーシステムとして実行できます。ここでは、連続ガス供給とスパージングによるバッチ処理をデモンストレーションします。
光バイオリアクターの使用は、いくつかの微細藻類の栽培と生産上の課題に対処します。この分野は、一般に、他の微生物による汚染の懸念、効率的な基板利用(CO2緩和又は廃水処理の場合に特に重要である)2、pH制御、照明変動、及びバイオマス生産性3に苦しむ。光バイオリアクターは、研究者が密接に制御されたバッチシステムで広範囲の光栄養を研究することを可能にし、そこでは、成長の遅い種でさえ捕食者や競合する微生物4から保護されています。これらのバッチシステムは、供給されたガスと均衡する可能性が高い閉鎖システムであるため、CO2使用率とバイオマス生産性の向上にも優れています。光バイオリアクター技術はまた、pH制御を提供し、その欠如は、過去の研究で高いバイオマス生産性を妨げている5.ベンチスケールでは、光バイオリアクターが提供する制御レベルは研究者に有利です。より大きな産業規模では、光バイオリアクターは、商業的な生体製品の純度を維持し、栄養補助的、化粧品、食品、または飼料用途のための生産効率を向上させるために使用することができる 6.
微細藻類は、CO2をバイオマス炭素として迅速に固定できるため、CO2の生体術に大きな関心を寄せる。しかし、CO2のほとんどの人類起源源は、燃焼プロセス燃料源に応じて、他の腐食性および有毒ガスまたは汚染物質(NOx、SOx、CO、Hg)で汚染されています。持続可能なCO2隔離への関心の高まりは、石炭火力発電所などのCO2-リッチな排出量を処理する光バイオリアクター技術の開発を促している(表1)。残念ながら、研究およびスケールアッププロセス中に腐食性および有毒な汚染物質に人的および環境的暴露の固有のリスクがあります。そのため、腐食性ガスを用いたバイオリアクターの安全な組み立てと操作を記述することは必要であり、有益である。
この方法は、慎重に制御された実験条件下で微細藻類の成長のための2Lベンチスケールの光バイオリアクターを使用するためのものである。このプロトコルは、マイクロアルガル貯蔵、接種体調製、および光バイオリアクターのセットアップと滅菌を記述します。本作業では、基本的な運用にとどまって、マイクロアルガルバイオマスの測定やバイオマス生産性の計算、腐食性ガスによる微細藻類栽培装置の適応について説明します。以下に説明するプロトコルは、より大きな実験制御を行い、微小藻の増殖条件を最適化し、または光栄養性微生物の範囲を異性培養しようとする研究者に適しています。この方法は、可燃性ガスを生成または消費する微生物(例えばCH 4、H2など)の栽培に適した材料を記載していない。7.

<table><tbody><tr><td>バイオスタット A バイオリアクター</td><td>ザルトリウス・ステディム</td><td></td><td>微生物発酵用2リットルバイオリアクター オートクレーブ対応設計 pH・温度・ガス流量制御</td></tr><tr><td>バンプ試験 NO2ガス</td><td>グレインジャー</td><td>GAS34L-112-5</td><td>マルチRAEガス検出器用校正ガス</td></tr><tr><td>バンプ試験 O2、CO、LELガス</td><td>グレインジャー</td><td>GAS44ES-301A</td><td>校正用ガスMultiRAEガス検出器</td></tr><tr><td>バンプ試験 SO2ガス</td><td>グレインジャー</td><td>GAS34L-175-5</td><td>MultiRAEガス検知器用校正ガス</td></tr><tr><td>NO2ガス用耐腐食性チューブ</td><td>Swagelok</td><td>SS-XT4TA4TA4-6</td><td>PTFEコアホース スムースボアXシリーズ。繊維編組および304 SS編組補強</td></tr><tr><td>SO2ガス用耐腐食性チューブ</td><td>QC供給</td><td>120325</td><td>強化編組天然EVAチューブ - 1/4" ID</td></tr><tr><td>cozIR 100% CO2メーター</td><td>Gas Sensing Solutions Ltd.</td><td>CM-0121 CO2meter.com</td><td>CO2 メーターで 100%</td></tr> <tr><td>cozIR 20% CO<2>2 メーター</td>まで濃度 <td>Gas Sensing Solutions Ltd.</td><td>CM-0123 CO2meter.com</td><td>CO2 メーターで 20% までの濃度</td></tr> デュ<tr><td>ラポア メンブレン フィルター、0.45 &mu;m</td><td>ミリポアシグマ</td><td>HVLP04700</td><td>親水性、プレーンホワイト、直径 47 mm、0.45 &mu;m細孔サイズ、PVFD膜フィルター</td></tr><tr><td>ガスシリンダーレギュレーター</td><td>Praxair</td><td>PRS 40221331-660</td><td>0-15 psi出口アセンブリダイヤフラムバルブ用に構成された単段ステンレス鋼レギュレーター 1/4インチ MNPTスレッド、NOxおよびSOxガスボンベからの腐食に耐えるステンレス鋼</td></tr><tr><td></td><td>Praxair</td><td>Ulta-ゼロ空気、高純度CO2、またはカスタムガス組成</td><td>研究目的</td></tr><tr><td>に依存</td><td>ハネウェル社製</td><td>MAB3000235E020ガス</td>監視・漏れ検出システム <td>RAEシステム O2、SO2、NO2、CO、LELを検出するポンプモデル</td></tr><tr><td>GasLabソフトウェア GasLab</td><td></td><td>v2.0.8.14</td><td>CO2メーター測定およびデータロギング用ソフトウェア</td></tr><tr><td>ホースバーブ</td><td>グレインジャー</td><td>アイテム# 3DTN3</td><td>レギュレーターをチューブに適合させるために使用される NOxおよびSOx</td></tr><tr><td>K30 1% CO2メーター</td><td>Senseair</td><td>CM-0024 CO2メーター CO2meter.com</td><td>1%未満の濃度</td></tr>用 <tr><td>LED成長パネル</td><td>ロレアドロ</td><td>HY-MD-D169-S</td><td>赤と青のLEDライトパネル</td></tr><tr><td>Memosens 溶存酸素プローブ</td><td>Endress+ Hauser</td><td>COS22D-19M6/0</td><td>バイオリアクター用オートクレーブ可能(予防措置付き)溶存酸素プローブ</td></tr><tr><td>Memosens pHプローブ</td><td>Endress+ Hauser</td><td>CPS71D-7TB41</td><td>オートクレーブ可能(注意事項付き) バイオリアクター用pHプローブ</td></tr><tr><td>オーブン、Isotemp 500シリーズ</td><td>フィッシャー・サイエンティフィック</td><td>13246516GAQ</td><td>乾燥用小型オーブン</td></tr><tr><td>プリズム GraphPadソフトウェア</td><td>GraphPadソフトウェア</td><td>バージョン7.03または8.0.1</td><td>データ整理、データ分析、出版品質のグラフ作成用グラフ作成ソフトウェア</td></tr><tr><td>ステム・ツー・ホース・バーブ・フィッティング</td><td>スウェージロック</td><td>SS-4-HC-A-6MTA</td><td>ステンレス製ホースコネクタ、6 mmチューブアダプタ、1/4インチホースID</td></tr><tr><td>チューブ、希酸/塩基移送</td><td>Allied Electronics and Automation</td><td>6678441</td><td>Silicone TPプロセスチューブ; 1.6mmボアサイズ; 3000mm長;食品グレードの</td></tr><tr><td>チューブ、ガス移送</td><td>、アライドエレクトロニクスおよびオートメーション</td><td>6678444</td><td>シリコーンTPプロセスチューブ、ボアサイズ3.2mm、長さ3000mm。食品グレード</td></tr></tbody></table>

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

Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases

光バイオリアクターは、光栄養微生物の実験のための照明栽培システムです。これらのシステムは温度、pHおよびガス組成および流量制御が付いた微細なアルガル栽培のための無菌環境を提供する。ベンチスケールでは、光バイオリアクターは、微小藻系の特性、生産性、および成長の最適化を研究する研究者に有利です。工業規模では、光バイオリアクターは製品の純度を維持し、生産効率を向上させることができます。このビデオでは、腐食性ガス入力の安全な使用を含む、マイクロアルガル栽培のためのベンチスケールの光バイオリアクターの調製と使用について説明し、関連するバイオマス測定とバイオマス生産性の計算について詳しく説明します。具体的には、マイクロアルガル培養貯蔵と接種のための調製、光バイオリアクターの組み立てと滅菌、バイオマス濃度測定、およびマイクロアルガルバイオマス生産性のロジスティックモデルを、速度で示しています。最大および全体的なバイオマス製品を含む計算。さらに、シミュレートされたまたは実際の廃棄物ガスの放出を使用して微細藻類を栽培する実験への関心が高まっているため、ビデオは腐食性ガスを扱うために必要な光バイオリアクター機器の適応をカバーし、安全なサンプリングについて議論します。このようなシナリオ。

指数相で収穫された緑色微細藻類S.obliquusの較正曲線を、OD750と乾燥バイオマス濃度で確立した(図2)。線形回帰の R2値は 0.9996 です。
冷蔵寒天板に保存された培養物から250mLエルレンマイヤーフラスコでS.オブリクース培養が始まりました。微細藻類を10 mM HEPESバッファで3N-BBMに接種し、1.5L作動量(0.07 vvm)の2Lフォトバイオリアクターに2.2%CO2を散らしました(図1)。バッチは OD750を介して追跡されました。バイオマス濃度を較正曲線から算出し、次いで物流曲線でモデル化した(図3)。このフォトバイオリアクターは、pH 6.8、100cm3分-1全ガス流量、連続280μmol...

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。

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for ...

このプロトコルは、腐食性ガスで微細藻類を栽培するために必要な光バイオリアクター装置の適応を詳述し、光バイオリアクターの安全な動作とサンプリングについて議論する。フォトバイオリアクターは、信頼性が高く、再現性のあるマイクロアルガル実験に必要な制御を提供します。このベンチスケールシステムは、模擬燃焼放出で培われた微細藻類の特性と生産性を研究するために使用できます。この方法は、他の慎重に適合したバイオリアクターと共に用いてもよいし、他のフォトオートトロフ性微生物を培養する。この方法の視覚的なデモンストレーションは、微細藻類栽培に使用される有毒な模擬燃焼放出への人間の暴露を防ぐ複雑なプロトコルであるため、非常に重要です。まず、煙のフードが故障した場合、部屋に有毒ガスの可能な蓄積濃度をモデル化します。各ガスに対して、米国産業衛生協会の数学モデリングスプレッドシートIH Modを使用してください。HVAC保守担当者またはHVAC技術者を構築するから、Q、部屋の供給または排気空気率を1分あたりの立方メートルで入手してください。立方メートルでの実験室の容積、Vを計算する。Pは1つのATMで有毒ガスによって加えられる圧力の割合である理想的なガス法から適応した方程式を使用して、各タイプの有毒ガスの各タイプの汚染物質放出率、Gを1分あたりの1分あたりの有毒ガスで計算し、Qガスは1分あたりのリットル単位のガスの流量であり、Rは普遍的なガス定数であり、Tはケルビンの温度である、MW は、1 モルあたりのグラムのガスの分子量です。IH Mod スプレッドシートで生成を中止し、モデルルームのパージ アルゴリズムをモデル化するオプションを使用して、ウェルミックス ルーム モデルの各ガスの V、Q、G の値を使用して、24 時間のシミュレーション期間における各ガスの累積室ガス濃度を計算します。これらの値を露出制限と比較します。使用中の各有毒ガス用のセンサーを備えた有毒ガス監視システムを設置します。メーカーの指示に従ってセンサーを調整します。バンプテスト頻繁に行われます。ガスモニターは、煙のフードのすぐ外側に位置します。実験の前に、すべての人員が有毒ガス警報に対する適切な対応について指示されていることを確認してください。次に、2本の250ミリリットルの入力溶液ボトルに、通常の水酸化ナトリウム1個と通常塩酸1個ずつ100ミリリットルを調製します。計量入力ソリューションは、ディップチューブと無菌インラインエアフィルター付きのベントチューブを備えたオートクレーブ可能なキャップボトルに保管してください。オートクレーブ可能なチューブを使用して、ディップチューブをフォトバイオリアクターの4つの入力ポートの2つに接続します。フォトビリアクターヘッドプレートに冷たい指と排気コンデンサーを挿入し、ねじ込みます。接種口を差し込み、しっかりと所定の位置にねじ込みます。フォトバイオリアクターヘッドプレートの上の接種口のセクションにオートクレーブ可能なチューブの長さを追加します。バイオリアクターをオートクレーブする前に、オートクレーブ可能なホストクランプでチューブを締め付けます。無菌フィルターでキャップされたチューブを未使用のフォトバイオリアクターポートに取り付けます。1.5リットルの培養培地を加えます。原子炉と関連する入力溶液を摂氏121度で30~45分間オートクレーブします。入力溶液とポート間の直径1.6ミリメートルのオートクレーブチューブを、別々のペリスタルポンプで通します。インペラモーターをインペラシャフトに取り付け、フィッティングを締めます。照明要件に従って、バイオリアクターの外側にLEDライトパネルを対称に配置します。20 PSI出口圧力が可能な適切なレギュレータをガスボンベに取り付けます。レギュレータの出口ホースバーブに直径6ミリメートルの内圧抵抗チューブを取り付け、ホースクランプで固定します。ホースバーブを使用してガス規制タワーガス入口に耐圧チューブのもう一方の端を、ホースクランプで固定された6ミリメートルステムクイック接続フィッティングに取り付けます。6ミリメートルのクイック接続フィッティングを使用してガス調整塔ガス出口に3.2ミリメートルの内径チューブを接続し、出口チューブのもう一方の端をフォトバイオリアクターヘッドプレートのスパーリングリングポートに接続します。各ガスレギュレータのコンセント圧力を20 PSIに設定します。バイオリアクターインターフェースで、実験ガスの流量を設定します。STIRR 関数を使用して、培養媒体がスパージされた気泡を同化するのに十分な速さであるインペラ回転速度を設定します。オートクレーブ処理後、フォトビオリアクターとガスボンベをウォークインフュームフード内に組み立てます。フォトビオリアクターを二次容器の中のテーブルの上に置き、独立したシリンダー・コルダーまたはシリンダー・ラックにガスボンベを置きます。ガスの流れを始めた後、1:100希釈の食器用石鹸で満たされた洗浄ボトルを水に入れ、ガスボンベとバイオリアクターの間の接続を少量の石鹸溶液で覆います。バブリングで示されたガス漏れを確認します。マイクロアルガル実験を開始する場合は、ガスのスペアリングを開始し、接種前にpHを調整します。調製した微小藻菌を滅菌シリンジに吸引し、注射器を接種口に取り付けたチューブに取り付け、接種チューブクランプを開き、注射器を押し下げ、注射器を落とすことによってフォトビオリアクターを接種する。ガスモニター、ガスボンベ圧力、フォトバイオリアクターを1日2回確認し、有毒ガスのレベルが上昇したり、漏れが発生したりしていないか確認してください。ヒュームフードサッシ開口部を、バイオリアクターとガスボンベレギュレータに到達できる幅に制限します。サンプリングするときは、ガスボンベレギュレータを閉じた位置に回して、原子炉へのガス流を止めます。ヒュームフードサッシを閉じ、フードが腐食性ガスを避難させるのに5分かかります。ヘッドプレートポートを開き、滅菌血清ピペットを使用するか、接種またはサンプリングポートを介して注射器に培養液を引き出すことによって、ヒュームフード内のサンプル。本研究では、指数相で収穫された緑色の微細藻類Scenedesmusべくのべの較正曲線をOD750測定と乾燥バイオマス濃度で確立した。バイオマス濃度は、較正曲線から計算し、Lが最大バイオマス濃度、kは指数相の相対的な急峻性、x0は曲線の中間点の時間、xは時間であるロジスティック曲線でモデル化した。模擬排煙ガスを用いた有望な予備試験では、1日当たり690ミリグラムで最大のマイクロガルバイオマス生産性率を達成し、1日当たり12%の二酸化炭素と超ゼロ空気を1日当たり510ミリグラムで上回った。システムの正しいアセンブリは、マイクロアルガル栽培と人間の安全のための手順に最も重要です。システムはガスセンサーによって絶えず監視される必要がある。移送ラインはガスが密である必要があり、ヒュームフードは適切に使用する必要があります。有毒ガスを含む加圧シリンダーは危険です。有毒ガス監視システムを確立した後、常にシリンダーが固定され、ヒュームフードの内部でのみ使用されていることを確認してください。

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