Nowatorski bioreaktor do hodowli o dużej gęstości różnych zbiorowisk mikroorganizmów

Ogólnym celem konstrukcji tego bioreaktora i przeprowadzonego eksperymentu jest zademonstrowanie hodowli wysokogęstościowej, mieszanej społeczności fotosyntetycznej w nowatorskim bioreaktorze w celu skutecznego oczyszczania ścieków. Metoda ta może być wykorzystana do udzielenia odpowiedzi na kluczowe pytania, takie jak sposób projektowania i eksploatacji bioreaktorów algowych w celu remediacji strumieni odpadów, a także sposób hodowli biomasy algowej. Główną zaletą tej techniki jest możliwość hodowli wysokogęstościowej biomasy algowej bez konieczności stosowania zewnętrznych metod separacji.

Pomysł na tę aplikację pojawił się, gdy zauważyliśmy, że ten system bioreaktora o wysokiej gęstości odnosił sukcesy w hodowli bakterii heterotroficznych z osadu czynnego przy oczyszczaniu związków organicznych z wody ściekowej, a także autotroficznych bakterii nitryfikacyjnych i denitryfikacyjnych przy usuwaniu amoniaku jako zanieczyszczenia azotowego ze ścieków. Procedurę tę prezentuje Thomas Thompson, student A-B-S-M-S na Uniwersytecie Drexel, który jest również praktykantem i technikiem w moim laboratorium. Na początek należy umieścić reaktor na mieszalce i dodać do niego mieszadło magnetyczne.

Umieść zbiornik recyrkulacyjny obok mieszadła magnetycznego i reaktora w taki sposób, aby wylot zbiornika był skierowany w stronę krawędzi stołu laboratoryjnego. Pod wylotem zbiornika recyrkulacyjnego ustaw pojemnik na odpady. Następnie umieść zbiornik z pożywką obok zbiornika recyrkulacyjnego.

Zabeziecz reaktor przed przewróceniem, używając statywu i zacisku o odpowiednim rozmiarze. Włóż neoprenowe rurki pompy perystaltycznej do głowic pompy recyrkulacyjnej i pompy zasilającej. Zamontuj głowice pomp na napędach pomp za pomocą śrub dołączonych do napędów.

Następnie podłącz wężyki pompy A do portów reaktora i zbiornika recyrkulacyjnego. Włóż końce wężyków pompy B do zbiornika z pożywką oraz do zbiornika recyrkulacyjnego. Połącz górny port reaktora ze zbiornikiem recyrkulacyjnym za pomocą wężyka.

Na koniec załóż zaciski na rurki przy portach reaktora. Przygotuj pięć litrów pożywki dopływowej lub roztworu zasilającego do uruchomienia reaktora. Najpierw dodaj 0,5 mililitrów roztworu mineralnego na litr przygotowywanego roztworu.

Następnie rozcieńczyć 2 ml roztworu zapasu amoniaku oraz 2 ml roztworu zapasu azotanów do całkowitej objętości 1 l. Dodać 750 ml roztworu zasilającego do reaktora. Napełnić zbiornik recyrkulacyjny 500 ml roztworu zasilającego.

Za pomocą długiej pipety ostrożnie dodaj zawiesinę szczepionkową zawierającą 1,5 grama alg w pobliżu dna reaktora. Przed przejściem do następnego kroku odczekaj, aż szczepionka opadnie na dno reaktora, co należy potwierdzić poprzez obserwację wizualną. Umieść kamień napowietrzający w zbiorniku recyrkulacyjnym i włącz go.

Po osadzeniu się komórek należy zdjąć zaciski z rurek i włączyć pompę A, ustawiając małą prędkość przepływu. Korzystając z elementów sterujących jednostki napędowej pompy, należy stopniowo dodawać roztwór pożywki do zbiornika recyrkulacyjnego w miarę pompowania roztworu do reaktora. Dodawanie należy kontynuować do momentu, aż reaktor i zbiornik recyrkulacyjny zostaną całkowicie wypełnione i zacznie wypływać nadmiar cieczy.

Zacznij wyprowadzać ciecz z zasobnika recyrkulacyjnego przez górny port. Wlej pozostałą część roztworu zasilającego do zasobnika zasilającego. Następnie ustaw pompę a na 19 obrotów na minutę, ustanawiając szybkość przepływu recyrkulacyjnego na 72,5 ml/min.

Obserwuj moment, w którym glony zaczynają unosić się z dna reaktora, korzystając z podziałki na reaktorze. Określ wysokość strefy biomasy glonów. Upewnij się, że wysokość ta jest stała przed przejściem do następnego kroku.

Podczas ustawiania prędkości mieszadła na płycie mieszającej kluczowe jest monitorowanie wysokości i stabilności biomasy algowej, aby zapobiec jej utracie. Współczesne stopniowe zmiany prędkości obrotowej mieszadła pomagają zapobiec temu zjawisku. Włącz płytę mieszającą przy bardzo niskiej prędkości.

Na początek odpowiednie będzie ustawienie wartości jeden lub dwa. Mieszadło pomoże w dalszym unoszeniu biomasy, jednak zbyt intensywne mieszanie spowoduje rozwój glonów. Aby opuścić reaktor, należy przejść do zbiornika recyrkulacyjnego i pozostać w odpływie.

Uruchom pompę zasilającą. Po zaobserwowaniu wyraźnej granicy między czopem alg a płynem w reaktorze, ustaw pompę na 25 obrotów na minutę, ustalając natężenie przepływu na 1,5 milliliters per minute. Obserwuj płyn z reaktora wypływający przez port odpływowy pod wpływem grawitacji i wypierania przez nadchodzący strumień zasilający.

Przed przeprowadzeniem konserwacji systemu reaktora należy wykonać czynności związane z pobieraniem próbek. Codziennie pobieraj 20 mililitrów próbek dopływu i odpływu. Próbki odpływu pobieraj z wnętrza zbiornika recyrkulacyjnego.

Pobierać próbki dopływu bezpośrednio ze zbiornika zasilającego. Próbki należy przefiltrować w celu usunięcia zawiesiny przed przechowywaniem i analizą. Przechowywać próbki dopływu i odpływu w temperaturze -20 °C do czasu dalszej analizy.

Ogranicz liczbę cykli zamrażania i rozmrażania. Próbki zostają poddane końcowej analizie na obecność azotanów, azotynów i amoniaku przy użyciu standardowych technik. Usunięcie amoniaku zaobserwowano dla wszystkich zakresów składu ścieków, jednak skala usuwania amoniaku nie była znacząco wpływana przez skład amoniaku.

Podobnie zauważono, że usuwanie amoniaku nie było znacząco wpływane przez skład azotanowy, podczas gdy azotany gromadziły się w reaktorze przy większości składów dopływu. Usuwanie azotanów było ujemnie skorelowane ze składem dopływu amoniaku, podczas gdy usuwanie azotanów było dodatnio skorelowane ze składem dopływu azotanów. Usuwanie amoniaku zbiegające się z tworzeniem azotanów sugeruje, że w mieszanej społeczności obecne są bakterie utleniające amoniak oraz azotany i że organizmy te przyczyniają się do transformacji form azotu wewnątrz reaktora.

Tlen niezbędny dla bakterii utleniających amoniak i azotyny byłby dostarczany poprzez napowietrzanie w zbiorniku recyrkulacyjnym i transportowany przez strefę biomasy wewnątrz reaktora za pomocą pompy recyrkulacyjnej. Poza monitorowaniem składu chemicznego dopływu i odpływu, stwierdzono, że zawartość zawiesiny w reaktorze jest dobrym wskaźnikiem zapowiadającym gwałtowny spadek populacji. Duże i nagłe zmiany w składzie pożywki mogą mieć niekorzystny wpływ na społeczność drobnoustrojów i prowadzić do awarii reaktora.

W związku z tym należy starannie dobrać harmonogramy składu paszy, aby zapobiec takim gwałtownym spadkom. Choć ta metoda może dostarczyć wiedzy na temat glonalno-bakteryjnych systemów funkcjonujących w tym fotobioreaktorze, możemy w nim badać również bakterie heterotroficzne z osadów czynnych, a także organizmy nitryfikacyjne i denitryfikacyjne, bakterie utleniające oraz organizmy akumulujące fosforany. Po opanowaniu techniki, bioreaktor o wysokiej gęstości może zostać zmontowany i uruchomiony w czasie krótszym niż dwie godziny dziennie. Czynności takie jak pobieranie próbek i przygotowanie do elucji powinny zająć około godziny. Mamy nadzieję, że ta prezentacja zachęci innych badaczy do zastosowania tego reaktora w celu badania innych systemów mikrobiologicznych.

Dziękujemy za obejrzenie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.