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방법 논문

다양한 미생물 커뮤니티의 고밀도 배양위한 새로운 생물 반응기

17.1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/53443

⸱

2015년 12월 25일

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

이 논문에서

요약

고밀도 생물 반응기(HDBR)라는 새로운 반응기 설계가 고밀도 미생물 군집의 배양 및 연구를 위해 제시됩니다. 여기에서 HDBR은 혼합 고밀도 조류 군집에 의한 질소 대사 연구를 위한 광생물반응기(PBR) 구성에 성공적으로 적용됩니다.

초록

고밀도 생물 반응기(HDBR)라는 새로운 반응기 설계가 고밀도 미생물 군집의 배양 및 연구를 위해 제시됩니다. 과거 연구에서는 종속영양 및 화학독립영양 박테리아에 의한 COD1 및 질소 종2-4를 각각 제거하기 위한 반응기의 성능을 평가했습니다. HDBR 설계는 외부 응집/침전 공정에 대한 요구 사항을 제거하는 동시에 낮은 부유 물질을 포함하는 폐수를 생성합니다. 이 연구에서는 조류 기반 광합성 미생물 군집의 질소 제거 특성을 특성화하기 위해 HDBR을 광생물반응기(PBR)로 적용합니다. 이 HDBR 설계에 대해 이전에 보고된 바와 같이, 반응기의 생물학적 활성 부분과 재활용 반응기 유체 사이에 명확한 구분을 가진 안정적인 바이오매스 구역이 설정되었으며, 그 결과 부유 고체 폐수가 낮아졌습니다. HDBR의 조류 군집은 유입수에서 총 질소 종의 18.4%를 제거하는 것으로 관찰되었습니다. 사료 내 다양한 NH4+ 및 NO3- 농도는 NH4+ 제거에 영향을 미치지 않았으며(각각 n=44, p=0.993 및 n=44, p=0.610), NH4+ 사료 농도는 NO3- 제거(n=44, p=0.000)와 음의 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌으며 NO3- 사료 농도는 NO3- 농도와 양의 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 제거(n=44, p=0.000). 높은 NH4+ 플럭스에서 산화된 질소 종의 축적과 결합된 NH4+의 지속적인 제거는 미생물 군집 내에 암모니아 및 아질산염 산화 박테리아가 존재함을 나타냅니다.

서론

하수는 일반적 부유 고형물 (SS), 생물학적 산소 요구량 (BOD), 유기 및 무기 질소 및 인의 함유량 5,6-을 줄이기 위해 활성 슬러지 공정으로 처리한다. 활성 오니 법, 이차 폐수 처리의 수단은, 수신 된 폐수와 미생물 재순환 영양 혼합액 가득 폭기조 내의 유기 탄소의 산화를 수반 5-7 (통상적으로 활성 슬러지로 언급). 혼합액은 슬러지가 쉽게 수집 침전 비교적 큰 정화기 (침전조)에 입사 배치 또는 정화, 폐수 처리가 급 치료 또는 소독을 계속할 수있는 반면에 방출되기 전에, 다시 폭기조로 재순환 될 어느 수신 물 5-7. 차 침전지에서 처리 된 폐수와 고형물 (슬러지)의 효율적인 분리했다의 적절한 기능을 위해 필수적이다tewater 처리 시스템, 어떤 활성 슬러지가 유출 5-8에서 BOD와 SS를 증가 정화기를 넘어 계속있다.

다른 생물학적 과정의 수를 감소 시키거나 부착 성장 (생물막) 반응기의 멤브레인 생물 반응기 (MBR에) 및 입상 슬러지 반응기 명확히 포함 큰 탱크의 필요성을 제거하는 폐수 처리의 보조를 위해 존재한다. 생물막 반응기, 천연 골재 및 미생물 고체 표면 상에 층으로서 부착 된 바이오 필름의 형성에서, 명확히 탱크를 필요로하지 않고 바이오 매스 보유 및 축적을 허용한다. 생물막 반응기는 세 가지 유형으로 분류 될 수있다 : 충전 층 반응기, 유동층 반응기, 및 생물학적 접촉자를 회전. 이러한 살수 필터 및 생물학적 타워로 충전 층 반응기는, 고정 견고한 성장 표면 5,6를 사용한다. 유동층 반응기 (FBRs)는 입자 미생물의 부착에 따라 달라집니다모래와 같은 입상 탄소 (GAC), 또는 높은 상향 유량 9,10 의해 현탁액에 유지되는 유리 비드를 활성화. 회전 생물 반응기는 생물막 있도록 회전축에 부착 된 용지 상에 형성된 바이오 필름을 교대로 공기에 노출되도록 상기 액체 5,6 치료할에 의존한다. MBR에는 생물 반응기 (잠수 구성) 내부 또는 외부 재순환 (측면 스트림 구성) 5,11를 통해 중, 막 여과 장치를 사용합니다. 멤브레인 (11, 12)에서 처리 된 액체 매스와 고체 입자의 양호한 분리를 달성하는 역할을한다. 입상 슬러지 반응기는 미생물이 매우 치밀하고 잘 정착 과립의 형성은 이들이 높은 표면 상향 공기에 노출 될 때 발생한다 (13)를 상향 유동 반응기의 속도이다.

활성 오니 법, 신규 상향 유동 반응기 시스템에 대한 또 다른 대안으로서, 현재 고밀도 생물 반응기 (HDBR)라고 고안했다D와 가난한 침전 슬러지의 형성을 일으키는 것으로 알려져 있습니다 낮은 F / M 조건에서 합성 폐기물 (즉, 벌킹 슬러지) 1,7,14에서 활성 슬러지에 의한 COD 제거를 공부 판매 (2006) Shieh에 의해 만들어진. 이용 HDBR 시스템은 일반적으로 상향 유동 반응기 외부의 재순환 탱크로 구성 유동층 반응기를 변형. 생물막 덮인 기판이 유지되도록 유동층 반응기는 일반적으로 충분한 정지 생물막 성장 하층을 유지하기에 충분히 높지만 낮은 재순환 스트림 흐름 속도로 동작한다. 유동층 반응기와 달리 HDBR 매출액 및 설명 (2006)은 외부 Shieh 통기와 함께, 반응기 (1)의 내부에 형성된 매스 존의 중단을 방지, 비교적 낮은 재순환 스트림의 유속을 사용 하였다. 후속 연구는 성공적 박테리아 3,4- 탈질 / 질산화 된 질소를 이용하여 플럭스의 범위를 치료하는 반응기 설계의 능력을 증명 하였다. 모든 스터드에서HDBR 내의 안정한 고밀도 매스 존의 형성은 외부 응집 / 침전 공정 1-4에 대한 필요성을 제거 이거 야.

우리가 여기 보고서로, 고밀도 문화를 성장 HDBR의​​ 사용은 또한 조류의 배양을위한 광 생물 반응기 (PBR) 구성에서 테스트되었습니다. 우리는 혜택과 조류 재배에이 소설 반응기 시스템의 단점과 바이오 매스 수확 (즉, 좋은 고체 - 액체 분리 15, 16)과 관련된 조류 바이오 연료의 상용화에 큰 장애물을 극복하기위한 가능성을 논의한다. 다음 프로토콜은 시작부터 샘플, 조립, 관심있는 미생물 군집으로 조류와 HDBR을 유지하는 데 필요한 단계를 설명합니다. 종속 영양 및 질산화 / 탈질 문화의 시작 및 동작 프로토콜의 변화도 언급 될 것입니다. 마지막으로, 일반적인 장점, 단점,이 새로운 원자로 설계의 미지수가 강조 표시됩니다.

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프로토콜

1. 원자로 조립

  1. 도 1의 개략도에 따른 반응기 구성 요소를 정렬.
    1. , 혼합 접시에 반응기 (R)을 배치 반응기에 교반 막대를 추가합니다. 탱크의 유출 (위) 포트가 실험실 벤치의 가장자리쪽으로 향하도록 교반 판과 원자로 옆에있는 재활용 탱크 (RT)을 놓습니다.
    2. 재활용 탱크 (RT)의 유출 (위) 포트 아래에있는 폐기물 용기 (W)를 놓습니다. 재활용 탱크 (RT) 옆에 공급 탱크 (FT)를 놓습니다.
      주 : 저류조 5 L.의 총 용량을 갖는
  2. 적절한 크기의 스탠드와 클램프와 팁에 대한 반응 (R)을 고정합니다. 마찬가지로, 이동을 방지하기 위해 재순환 탱크 (RT)를 고정.
  3. 재활용 (펌프)에 네오프렌 연동 펌프 튜브를 삽입하고 (펌프 B) 펌프 헤드를 공급. 추가 배관 사양 재료 표를 참조하십시오. 나사 있습니다 provi와 펌프 드라이브에 펌프 헤드를 설치펌프 드라이브 공격 한.
  4. 원자로 및 재활용 탱크의 포트에 펌프의 튜브를 연결합니다. 공급 탱크 및 재활용 탱크에 펌프 B의 튜브의 끝을 삽입합니다. 튜브와 재활용 탱크에 상부 원자로 포트를 연결합니다. 원자로 포트에서 튜브에 클램프를 적용합니다.
    참고 : 광합성 지역 사회가 램프에 의해 제공되는 인공 조명 혜택을 누릴 수 있습니다.

주식 솔루션, 유입수 / 피드 솔루션 및 조류 접종 2. 준비

  1. 미네랄 스톡 용액을 제조 하였다. 200g의 탄산 수​​소 나트륨, 40g 염기성 인산 칼륨, 4g 마그네슘, 황산 4g 염화철, 4g 염화칼슘, 1g의 염화 구리, 1g 코발트 : 탈 이온수 500 mL를 1 L 부피 플라스크에 다음을 추가 클로라이드 수화물, 1g, 염화 니켈 육수화물, 1g 황산 아연 수화물. 탈 이온수 추가 400 ML을 추가합니다. 소금의 용해를 촉진하기 위해 강제로 소용돌이. 다음 DISS염의 olution, 1 L.를 용액의 총 부피를 가지고 탈 이온수를 추가
  2. 암모니아 스톡 용액을 제조 하였다. 1 L 용량 플라스크에서, 탈 이온수 900 ml의 염화 암모늄 38.214 g을 용해. 용해 후, 1000 ml의 총 볼륨을 가져 탈 이온수를 추가합니다.
    주 : 1 L로 희석 스톡 용액 1 ㎖를 10 mg을 L을 산출 -1 NH 4 + -N 용액.
  3. 질산 스톡 용액을 제조 하였다. 1 L 용량 플라스크에서, 탈 이온수 900 ㎖ 중의 질산 칼륨 72.413 g을 용해. 용해 후, 1000 ml의 총 볼륨을 가져 탈 이온수를 추가합니다.
    참고 : - -N 솔루션 1 L로 희석 원액 1 ml를 -1에서 3 10 밀리그램 (L)를 산출한다.
  4. 공급 / 유입수 솔루션을 준비합니다. 2 ㎖를 희석, -N - 20 mg을 L를 포함하는 공급 용액 -1 NH 4 + -N 및 20 mg을 L -1 (3)을 만들려면mmonia 스톡 용액을 1 L의 총 용적에 질산 스톡 용액 2 ㎖. 전 희석, 0.5 ml의 미네랄 솔루션 / 솔루션의 L 만들어지고를 추가합니다. 원자로를 시작하는 데 총 유입수의 5 L를 준비합니다.
  5. 조류 접종을 준비합니다.
    1. 이러한 스트림이나 연못 같이 조류 함유 수역에서 많은 양의 물 (적어도 10 L)를 수집한다. 조류는 24 시간 동안 방해받지 물 샘플을 남겨 정착하도록 허용합니다.
    2. 샘플 병 내에 농축 조류 현탁액을 떠나는 따르다 및 샘플의 맨 클리어 (비 함유 조류) 물을 버린다. 하나의 컨테이너에 모든 샘플에서 조류 서스펜션을 결합하고 정착과 경사 단계를 반복합니다.
    3. 농축 된 시료 내에서 바이오 매스를 측정한다.
      1. 공동을 측정 실온에서 30 분 동안 데시 케이 터에서 냉각 한 후 103 ℃로 설정 한 오븐에서 보트 O / N 무게 종이 진공 필터 (0.45 μm의 MCE 진공 필터) 및 알루미늄을 건조필터의 질량을 mbined와 보트의 무게.
      2. 진공 농축 조류 현탁액 20 ㎖ 필터와 필터를 반환 / N을 O를 건조 오븐 보트의 무게.
      3. 필터의 결합 된 질량을 측정하고, 보트를 단다. 농축 된 시료 내에서 바이오 매스 밀도를 계산합니다.
        참고 : 수사 소스 수역에 의존 할 것이다 수집해야 할 물 시료의 전량.

3. 시드 반응기 시작

  1. 반응기에 공급 용액의 750 ML을 추가합니다. 공급 용액 500 mL를 재활용 탱크를 채우십시오.
  2. 부드럽게 반응기의 하단 조류 1.5 g을 함유하는 접종 현탁액을 추가 긴 피펫을 사용한다. 접종원은 다음 단계로 진행하기 전에, 반응기의 바닥으로 침전 육안으로이를 보장 할 수있다.
  3. 세포가 정착되면, (10 revolutio을 튜브 클램프를 제거하고 느린 유속으로 펌프를 켜십시오NS 최소 -1 / 38 ml의 분 -1). 튜브에 갇힌 공기는 반응기로 추방 될 것입니다.
    주 : 750 ml의 반응기에의 첨가는 반응기로부터 방출로부터 펌프에 의해 방해되지 않도록 어떤 매스 것이다. 모든 공기가 배출되었는지 확인하기 위해 튜브를 짠다.
  4. 용액을 반응기로 펌핑으로 점차적으로 재활용 탱크에 공급 용액을 추가합니다. 원자로 및 재활용 탱크 모두 용량과 상단 포트를 통해 재활용 탱크를 종료 유출 시작에 때까지 추가를 계속합니다.
    주 : 공급 용액의 부피는 반응기에 첨가 접종의 부피에 따라 달라질 재순환 탱크에 첨가한다.
  5. 공급 탱크에 남아있는 공급 용액을 붓는다.
  6. 72.5 ml의 분의 재순환 유량을 설정, -1 인 min 19 회전에 재순환 펌프 (펌프)를 설정 -1. 조류는 반응기의 바닥에서 시작 로프트 관찰한다. 원자로에 그라데이션을 사용하면, 조류 BI를 결정omass 영역의 높이입니다. 높이가 다음 단계로 진행하기 전에 일정 있는지 확인합니다.
  7. 매우 낮은 속도로 혼합 판을 켭니다; 1 또는 2의 설정을 시작하는 것이 적절하다. 혼합 바는 더 바이오 매스 로프트에 도움이 될 것입니다,하지만 공격적인 혼합, 반응을 남겨 재활용 탱크를 입력하고 유출에두고 조류가 발생합니다. 반응기 (도 2A) 내에 맑은 조류 경계를 설정하기 위해 필요한 설정에 속도 설정을 혼합; 조류 바이오 매스 구역은 높이 약 10~15cm해야한다.
  8. 조류 플러그와 원자로 유체 사이에 명확한 경계를 관찰 한 후 공급 펌프를 시작합니다. 1.5 ml의 분의 유속을 확립, -1 인 min으로 25 회전 펌프를 설정 -1. 때문에 들어오는 유입 스트림에 의해 발생하는 중력과 변위 반응기 유체 출구에게 유출 포트를 관찰한다.

4. 샘플 수집 및 분석

  1. 시료 채취 활동 PRI을 수행또는 반응기 시스템 유지 보수를 수행한다. 매일 유출과 유입 시료 20 ㎖를 수집합니다. 재활용 탱크 내에서 폐수 샘플을 수집합니다. 공급 탱크로부터 직접 유입수 샘플을 수집한다.
  2. 진공 필터 샘플을 저장 및 분석에 앞서 부유 물질 제거합니다.
  3. 추가 분석 할 때까지 -20 ° C에서 유입 및 유출 물 샘플을 저장합니다. 샘플을 실시 동결 해동 사이클의 수를 제한한다. 필요한 경우, 샘플은 샘플의 무결성을 유지하기 위해 분취 량으로 분할 될 수있다.
  4. 표준 기술 (17)를 사용하여 질산염, 아질산염, 암모니아에 대한 시료 분석을 수행하십시오.
    주 : 이온 크로마토 그래피 (IC) 제작자들이 이용 본원에 제시된 결과를 생성한다. 사양에 대한 자료 표를 참조하십시오.

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결과

40 mg의 -nl -1 피드 총 질소 함량을 유지하면서 HDBR는 유입 암모니아와 질산의 농도의 비율을 통해 여러 조류를 배양하기 위해 사용되었다. 유입 및 유출 물 샘플을 매일 찍은; 생물량 밀도 샘플은 각 조건의 시작과 끝에서 촬영 하였다. 반응기 조건을 변경 한 후 정상 상태 평형에 도달하기 위해 평균 3~5일 취했다. 유입수 조건의 넓은 범위에 걸쳐 뚜렷한 매스 영역은 이전 연구를 (도 2)로 관찰, 설립되었다. HDBR에서 조류 배양 피드 (N = 44)의 총 질소 화합물의 18.4 %의 평균을 제거하는 것으로 확인되었다. 바이오 매스 지역 내 총 조류 바이오 매스 및 바이오 매스 밀도는이 연구의 과정을 통해 일치했다.

NH 4 +와 NO 3의 제거는 - NH 4 +와 NO 3에 ...

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토론

이 섹션에서는 가능한 운영 문제뿐만 아니라 다른 미생물 군집을 사용하여 해결하는 데 필요한 프로토콜의 변화에​​ 대한 논의와 함께 시작됩니다. 이 반응기 설계의 장점은 산소 유량의 제어 및 반응기 내의 고밀도 플록의 형성을 제어하는​​ 기능을 포함하여, 설명한다. 현재 도전과 조사 가능한 도로도 언급됩니다.

프로토콜 뉘앙스의 변화
문화의 다른 유형의 재배 HDBRs의 동작을 조사중인 종에 따라 운영 프로토콜에 약간의 변화를 필요로한다. 충분히 혼합 및 조류 바이오 매스 존의 확장 빛과 광합성 있도록 모든 플록의 노출을 증가시킬 필요가있다. 원자로 내에서 조류 바이오 매스의 정지는 원자로 재활용 율의 조합 및 믹싱 바 속도에 의해 구동된다. 케어 동작 특성을 선택하는데주의해야둘 중에서, 반응 용기는 재순환 탱크의 상부 포트를 통해 유출 물에 손실 될 수 잎 어떤 매스로서 생물학적 활성 조류 바이오 매스 영역과 반응기 상부에서 포트 사이의 적절한 거리...

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공개 사항

저자는 공개할 것이 없으며 경쟁하는 재정적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

저자는 반응기 유지 관리 및 샘플 수집에 도움을 준 펜실베니아 대학의 Aspen Walker에게 감사를 표합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
폭기 석재AlitaAS-3015C
통풍기상단 핀Air-1000
염화 암모늄시그마 AldrichA9434
음이온 분석 컬럼ShodexIC SI-52 4E
비커 (600 ml)코닝 파이렉스1000-600혼합 용기(MV)로 사용됩니다. 바닥에 호스 미늘과 500ml 수준 추가. 호스 미늘의 외경 3/8".
염화칼슘시그마 알드리치C5670
양이온 분석 컬럼ShodexIC YS-50
코발트 클로라이드 육수화물시그마 알드리치C8661
구리 클로라이드시그마 알드리치222011
염화철시그마 알드리치157740
필터 (진공)Fisherbrand09-719-2E0.45 μ m 멤브레인 필터, MCE, 47  mm 직경
눈금 실린더 (1,000 ml)Corning Pyrex3025-1L반응 용기 (R)로 사용. 바닥에 호스 미늘, 500ml 및 1L 수준 추가. 호스 미늘의 외경 3/8".
HPLC/ICShimadzuProminence
황산마그네슘Sigma AldrichM2643
Masterflex L/S 가변 속도 드라이브Masterflex07553-50재활용 및 공급 펌프용 드라이브(2개 필요)
염화니켈 육수화물Sigma AldrichN6136
질산칼Sigma AldrichP8291
(Monobasic) 인산칼시그마 AldrichP5655
펌프 헤드Masterflex07018-20재활용 펌프 헤드
헤드Masterflex07013-20피드 펌프 헤드
펌프 튜빙Masterflex6404-18재활용 펌프 튜빙
펌프 튜빙Masterflex6404-13피드 펌프 튜빙
나트륨 중탄산염시그마 AldrichS5761
황산 아연 헵타하이드레이트시그마 AldrichZ0251
륨 륨 펌프

참고문헌

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