A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.
A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD1 and nitrogen species2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH4+ and NO3– concentrations in the feed did not have an effect on NH4+ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH4+ feed concentration was found to be negatively related with NO3– removal (n=44, p=0.000) and NO3– feed concentration was found to be positively correlated with NO3– removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH4+, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH4+ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.
नगरपालिका अपशिष्ट जल सामान्यतः निलंबित ठोस (एसएस), जैविक ऑक्सीजन डिमांड (बीओडी), कार्बनिक और अकार्बनिक नाइट्रोजन, फॉस्फोरस और सामग्री को 5,6 कम करने के लिए सक्रिय कीचड़ प्रक्रियाओं के साथ व्यवहार किया जाता है। सक्रिय कीचड़ प्रक्रिया, माध्यमिक अपशिष्ट उपचार का एक साधन है, आने वाले गंदे पानी और साफ किया परपोषी सूक्ष्मजीव के एक मिश्रित शराब से भरा एक वातन टैंक में जैविक कार्बन का ऑक्सीकरण जरूरत पर जोर देता 5-7 (आमतौर पर सक्रिय कीचड़ के रूप में करने के लिए कहा गया है)। मिश्रित शराब तो कीचड़ के लिए, आसान संग्रह के लिए बैठती है, जहां एक अपेक्षाकृत बड़े विशुद्धक (निपटाने के टैंक) में प्रवेश करती निपटारा या स्पष्ट किया, इलाज अपशिष्ट जल तृतीयक उपचार या कीटाणुशोधन के लिए जारी रख सकते हैं, जबकि में जारी किए जाने से पहले, वापस वातन टैंक को साफ किया जा सकते हैं या तो पानी प्राप्त होने 5-7। माध्यमिक विशुद्धक में इलाज अपशिष्ट जल और ठोस (कीचड़) के कुशल जुदाई था एक के समुचित कार्य के लिए आवश्यक हैtewater उपचार प्रणाली, किसी भी सक्रिय कीचड़ प्रवाह 5-8 में बीओडी और एस एस में वृद्धि होगी एजीटेटर्स परे जारी रखने के रूप में।
वैकल्पिक जैविक प्रक्रियाओं की एक संख्या को कम या संलग्न-विकास (biofilm) रिएक्टरों, झिल्ली बायोरिएक्टर (MBRS), और बारीक कीचड़ रिएक्टरों सहित बड़े स्पष्ट टैंक, के लिए समाप्त करने की जरूरत है, जो गंदे पानी की माध्यमिक उपचार के लिए मौजूद हैं। Biofilm रिएक्टरों, स्वाभाविक रूप से कुल सूक्ष्मजीवों और एक ठोस सतह पर एक परत के रूप में देते हैं जिसमें biofilms के गठन में, एक स्पष्ट टैंक के लिए आवश्यकता के बिना बायोमास प्रतिधारण और संचय के लिए अनुमति देता है। Biofilm रिएक्टरों तीन प्रकार में वर्गीकृत किया जा सकता है: पैक बिस्तर रिएक्टरों, द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टर, और जैविक contactors घूर्णन। इस तरह के एक मिलने वाले फिल्टर और जैविक टावरों के रूप में पैक बिस्तर रिएक्टरों, एक स्थिर ठोस वृद्धि सतह 5,6 का उपयोग। द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टर (एफबीआर), कणों को सूक्ष्मजीवों के लगाव पर निर्भररेत जैसे, बारीक कार्बन (जीएसी), या एक उच्च ऊपर की ओर प्रवाह की दर 9,10 द्वारा निलंबन में रखा जाता है, जो कांच के मोती, सक्रिय। घूर्णन जैविक रिएक्टरों biofilm अनुमति के लिए एक घूर्णन शाफ्ट से जुड़ी मीडिया पर गठित biofilms बारी-बारी से हवा से अवगत कराया जाएगा और तरल 5,6 इलाज किया जा रहा है पर निर्भर करते हैं। MBRS बायोरिएक्टर (जलमग्न विन्यास) के भीतर या बाहर से recirculation (पक्ष-धारा विन्यास) 5,11 माध्यम से या तो, झिल्ली निस्पंदन इकाइयों का उपयोग करें। झिल्ली में इलाज तरल 11,12 से बायोमास और ठोस कणों का अच्छा जुदाई को प्राप्त करने के लिए काम करते हैं। बारीक कीचड़ रिएक्टरों में जो सूक्ष्मजीवों के बेहद घने और अच्छी तरह से निपटाने के कणिकाओं के गठन वे उच्च सतही हवा upflow के संपर्क में हैं तब होता है जब 13 वेग upflow रिएक्टरों हैं।
सक्रिय कीचड़ प्रक्रिया, एक उपन्यास upflow रिएक्टर प्रणाली के लिए एक और विकल्प के रूप में अब एक उच्च घनत्व बायोरिएक्टर (HDBR) कहा जाता है, तैयार बनाया गया थाडी और गरीब निपटाने कीचड़ के गठन के कारण जाना जाता है कि कम एफ / एम परिस्थितियों में सिंथेटिक अपशिष्ट धाराओं (यानी, bulking कीचड़) 1,7,14 से सक्रिय कीचड़ से कॉड हटाने का अध्ययन करने के लिए बिक्री और (2006) Shieh द्वारा बनाया गया। उपयोग किया HDBR प्रणाली आम तौर पर एक upflow रिएक्टर और एक बाहरी पुनरावृत्ति टैंक से मिलकर बनता है कि द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टरों को संशोधित किया। Biofilm से कवर किया सब्सट्रेट बनाए रखा जाता है, ताकि द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टरों आम तौर पर काफी निलंबित biofilm विकास बुनियाद रखने के लिए पर्याप्त उच्च लेकिन कम पुनरावृत्ति धारा प्रवाह दरों के साथ संचालित कर रहे हैं। द्रवीकृत बिस्तर रिएक्टरों के विपरीत, HDBR बिक्री में वर्णित है और (2006) Shieh बाहरी वातन के साथ-साथ, रिएक्टर 1 के भीतर का गठन बायोमास क्षेत्र के विघटन को रोका है, जो अपेक्षाकृत कम पुनरावृत्ति धारा प्रवाह दरों का इस्तेमाल किया। बाद के अध्ययन सफलतापूर्वक बैक्टीरिया 3,4 denitrifying / nitrifying का उपयोग कर नाइट्रोजन अपशिष्टों की एक श्रृंखला के इलाज के लिए इस रिएक्टर डिजाइन की क्षमता का प्रदर्शन किया है। सभी संवर्धन मेंHDBR के भीतर एक स्थिर, घने बायोमास क्षेत्र के गठन के लिए एक बाहरी flocculation / अवसादन प्रक्रिया 1-4 के लिए की आवश्यकता समाप्त एँ।
हम यहाँ रिपोर्ट के रूप में, घने संस्कृतियों विकसित करने के लिए HDBR का उपयोग भी शैवाल की खेती के लिए एक photobioreactor (PBR) विन्यास में परीक्षण किया गया है। हम लाभ और काई की खेती के लिए इस उपन्यास रिएक्टर व्यवस्था की खामियों और बायोमास कटाई (यानी, अच्छा ठोस तरल जुदाई 15,16) के साथ जुड़े काई जैव ईंधन के व्यावसायीकरण में एक बड़ी बाधा पर काबू पाने के लिए अपनी क्षमता पर चर्चा की। निम्नलिखित प्रोटोकॉल स्टार्टअप से नमूना, इकट्ठा, और ब्याज की माइक्रोबियल समुदाय के रूप में शैवाल के साथ एक HDBR बनाए रखने के लिए आवश्यक कदम की रूपरेखा। परपोषी और nitrifying / denitrifying संस्कृतियों के स्टार्टअप और ऑपरेशन प्रोटोकॉल में बदलाव भी उल्लेख किया जाएगा। अन्त में, सामान्य फायदे, नुकसान, और इस उपन्यास रिएक्टर डिजाइन के अज्ञात प्रकाश डाला जाएगा।
यह खंड संभव परिचालन के मुद्दों के साथ ही विभिन्न सूक्ष्म समुदायों का उपयोग कर संबोधित करने की जरूरत प्रोटोकॉल बदलाव की एक चर्चा के साथ शुरू होगा। इस रिएक्टर डिजाइन की ताकत ऑक्सीजन प्रवाह का नियंत्रण ?…
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.
Aeration stone | Alita | AS-3015C | |
Aerator | Top Fin | Air-1000 | |
Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | |
Anion analysis column | Shodex | IC SI-52 4E | |
Beaker (600 mL) | Corning Pyrex | 1000-600 | Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 mL levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
Calcium chloride | Sigma Aldrich | C5670 | |
Cation analysis column | Shodex | IC YS-50 | |
Cobalt chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | C8661 | |
Copper chloride | Sigma Aldrich | 222011 | |
Ferric chloride | Sigma Aldrich | 157740 | |
Filter (vacuum) | Fisherbrand | 09-719-2E | 0.45 um membrane filter, MCE, 47 mm diameter |
Graduated cylinder (1000 mL) | Corning Pyrex | 3025-1L | Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 mL, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
HPLC/IC | Shimadzu | Prominence | |
Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | M2643 | |
Masterflex L/S variable speed drive | Masterflex | 07553-50 | Drive for recycle and feed pumps (2 needed) |
Nickel chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | N6136 | |
Potassium nitrate | Sigma Aldrich | P8291 | |
(Monobasic) Potassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | |
Pump head | Masterflex | 07018-20 | Recycle pump head |
Pump head | Masterflex | 07013-20 | Feed pump head |
Pump tubing | Masterflex | 6404-18 | Recycle pump tubing |
Pump tubing | Masterflex | 6404-13 | Feed pump tubing |
Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
Zinc sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | Z0251 |