Uprawa mikroalg i kwantyfikacja biomasy w fotobioreaktorze laboratoryjnym z korozyjnymi gazami spalinowymi

Uprawa akseniczna na skalę laboratoryjną ułatwia charakterystykę mikroglonów i optymalizację produktywności przed kolejnym zwiększeniem skali procesu. Fotobioreaktory zapewniają niezbędną kontrolę dla wiarygodnych i powtarzalnych eksperymentów z mikroalgami i mogą być przystosowane do bezpiecznej hodowli mikroalg z gazami korozyjnymi (CO₂, SO₂, NO₂) z emisji ze spalania komunalnego lub przemysłowego.

Protokół ten szczegółowo opisuje adaptacje sprzętu fotobioreaktora niezbędne do hodowli mikroalg z gazami korozyjnymi oraz omawia bezpieczną eksploatację i pobieranie próbek z fotobioreaktora. Fotobioreaktory zapewniają niezbędną kontrolę dla wiarygodnych i powtarzalnych eksperymentów z mikroalgami. Ten system laboratoryjny może być używany do badania charakterystyki i produktywności mikroalg hodowanych z symulowanymi emisjami spalania.

Metoda ta może być stosowana z innymi starannie przystosowanymi bioreaktorami lub do hodowli innych mikroorganizmów fotoautotroficznych. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ jest to złożony protokół, który zapobiega narażeniu ludzi na toksyczne symulowane emisje spalania stosowane w hodowli mikroalg. Na początek należy zamodelować możliwe skumulowane stężenie toksycznych gazów w pomieszczeniu w przypadku awarii dygestoria.

Dla każdego gazu należy skorzystać z arkusza kalkulacyjnego modelowania matematycznego IH Mod Amerykańskiego Stowarzyszenia Higieny Przemysłowej. Od personelu zajmującego się konserwacją HVAC w budynku lub technika HVAC uzyskaj Q, szybkość nawiewu lub wywiewu powietrza w pomieszczeniu w metrach sześciennych na minutę. Oblicz objętość laboratorium (V) w metrach sześciennych.

Obliczyć wskaźnik emisji zanieczyszczeń, G, dla każdego rodzaju gazu toksycznego w miligramach na minutę, stosując równanie zaczerpnięte z prawa gazu doskonałego, gdzie P jest ułamkiem ciśnienia wywieranego przez gaz toksyczny przy jednym ATM, gaz Q jest natężeniem przepływu gazu w litrach na minutę, R jest stałą gazu uniwersalnego, T to temperatura w kelwinach, a MW to masa cząsteczkowa gazu w gramach na mol. Użyj wartości V, Q i G dla każdego gazu w dobrze wymieszanym modelu pomieszczenia z opcją zaprzestania generowania i modelowym algorytmem oczyszczania pomieszczenia w arkuszu kalkulacyjnym IH Mod, aby obliczyć skumulowane stężenia gazu w pomieszczeniu dla każdego gazu w ciągu 24-godzinnego okresu symulacji. Porównaj te wartości z limitami ekspozycji.

Skonfiguruj system monitorowania gazów toksycznych z czujnikami dla każdego z używanych gazów toksycznych. Skalibruj czujniki zgodnie z instrukcjami producenta. Często przeprowadzaj testy sprawności.

Umieść monitor gazu tuż za wyciągiem. Przed eksperymentem upewnij się, że cały personel został poinstruowany, jak odpowiednio reagować na alarm toksycznego gazu. Teraz przygotuj po 100 mililitrów po jednym normalnym wodorotlenku sodu i jednym normalnym kwasie solnym w dwóch butelkach z roztworem wejściowym o pojemności 250 mililitrów.

Odmierzone roztwory wejściowe należy przechowywać w butelkach z nakrętką do autoklawu wyposażonych w rurki zanurzeniowe i rurkę odpowietrzającą ze sterylnym filtrem powietrza w linii. Podłącz rurki zanurzeniowe do dwóch z czterech portów wejściowych fotobioreaktora za pomocą rurki do sterylizacji w autoklawie. Włóż i przykręć zimny palec i skraplacz spalin na płycie głowicy fotobioreaktora.

Włóż port zaszczepiania i mocno przykręć. Dodać odcinek rurki do autoklawu do sekcji portu inokulacji powyżej płyty głowicy fotobioreaktora. Przed autoklawowaniem bioreaktora należy zacisnąć rurkę zamkniętą autoklawowalnym zaciskiem gospodarza.

Podłącz rurki zakryte sterylnymi filtrami do wszystkich nieużywanych portów fotobioreaktora. Dodaj 1,5 litra pożywki hodowlanej. Autoklawować reaktor i związane z nim roztwory wejściowe przez 30 do 45 minut w temperaturze 121 stopni Celsjusza.

Przepuść rurkę autoklawowalną o średnicy wewnętrznej 1,6 milimetra między roztworami wejściowymi a ich portami przez oddzielne pompy perystaltyczne. Przymocuj silnik wirnika do wału wirnika i dokręć złączkę. Panele świetlne LED należy rozmieścić symetrycznie na zewnątrz bioreaktora zgodnie z wymaganiami dotyczącymi oświetlenia.

Podłącz do butli gazowych odpowiednie regulatory o ciśnieniu wylotowym 20 PSI. Przymocuj sześciomilimetrową rurkę odporną na ciśnienie o średnicy wewnętrznej do króćca węża wylotowego regulatora i zabezpiecz wężem clamp. Podłącz drugi koniec rurki odpornej na ciśnienie do wlotu gazu z wieży regulacyjnej za pomocą króćca węża do szybkozłączki z trzpieniem o średnicy sześciu milimetrów zabezpieczonej wężem clamp.

Podłącz rurkę o średnicy wewnętrznej 3.2 milimetra do wylotu gazu w wieży regulacyjnej za pomocą sześciomilimetrowej szybkozłączki, a drugi koniec rurki wylotowej podłącz do portu pierścienia iskrzącego na płycie głowicy fotobioreaktora. Ustaw ciśnienie wylotowe na 20 PSI na każdym regulatorze gazu. Na interfejsie bioreaktora ustaw eksperymentalne natężenia przepływu gazu.

Użyj funkcji STIRR, aby ustawić szybkość obrotową wirnika, która jest wystarczająco duża, aby pożywka hodowlana mogła zasymilować rozpryskiwane pęcherzyki gazu. Po autoklawowaniu zmontuj fotobioreaktor i butle z gazem w dygestoriach. Umieść fotobioreaktor na stole w pojemniku wtórnym, a butle z gazem umieść w wolnostojących durszlakach do butli lub stojaku na butle.

Po zainicjowaniu przepływu gazu należy użyć butelki do mycia wypełnionej płynem do naczyń do wody w stosunku 1:100, aby pokryć połączenia między butlami gazowymi a bioreaktorem niewielkim strumieniem roztworu mydła. Sprawdź, czy nie ma wycieków gazu wskazywanych przez bulgotanie. Rozpoczynając eksperymenty z mikroalgami, rozpocznij rozpryskiwanie gazu, a następnie dostosuj pH przed inokulacją.

Zaszczepić fotobioreaktor poprzez zasysanie przygotowanego inokulum mikroglonów do sterylnej strzykawki, dopasowanie strzykawki do rurki przymocowanej do portu inokulacji, otwarcie zacisku rurki do inokulacji i wciśnięcie strzykawki. Sprawdzaj monitor gazu, ciśnienie w butli z gazem i fotobioreaktor dwa razy dziennie pod kątem podwyższonego poziomu toksycznego gazu lub oznak wycieków. Ograniczyć otwór skrzydła dygestorium do szerokości umożliwiającej dostęp do bioreaktora i regulatorów butli gazowych.

Podczas pobierania próbek należy przekręcić regulatory butli gazowych do pozycji zamkniętej, aby zatrzymać przepływ gazu do reaktora. Zamknij skrzydło dygestorium i odczekaj pięć minut, aż okap odprowadzi gazy korozyjne. Pobrać próbkę z dygestorii przez otwarcie otworu na płytce głowicy i użycie sterylnej pipety serologicznej lub pobranie kultury do strzykawki przez otwór do zaszczepiania lub pobierania próbek.

W tym badaniu ustalono krzywą kalibracyjną dla zielonych mikroalg Scenedesmus obliquus zebranych w fazie wykładniczej na podstawie pomiarów OD750 i stężeń wysuszonej biomasy. Stężenia biomasy obliczono na podstawie krzywej kalibracyjnej, a następnie zamodelowano za pomocą krzywej logistycznej, gdzie L jest maksymalnym stężeniem biomasy, k jest względną stromością fazy wykładniczej, x0 jest czasem punktu środkowego krzywej, a x jest czasem. Obiecująca próba wstępna z użyciem symulowanych gazów spalinowych pozwoliła osiągnąć maksymalną wydajność biomasy mikroglonów na poziomie 690 miligramów na litr dziennie, która była większa niż w przypadku 12% dwutlenku węgla i ultrazerowego powietrza na poziomie 510 miligramów na litr dziennie.

Prawidłowy montaż systemu ma zasadnicze znaczenie dla procedury hodowli mikroglonów i dla bezpieczeństwa ludzi. System musi być stale monitorowany za pomocą czujników gazu. Przewody przesyłowe muszą być gazoszczelne, a wyciąg musi być odpowiednio używany.

Butle pod ciśnieniem zawierające toksyczne gazy są niebezpieczne. Zawsze upewnij się, że butle są zabezpieczone i używane tylko wewnątrz okapu wyciągowego po ustanowieniu systemu monitorowania gazów toksycznych.