Summary
מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של קטן (100 ליטר) וגדול (1,000 ליטר) בהיקף כורה המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים על פי בקשה.
Abstract
מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של שני כורים בגדלים שונים המיועדים לטיפול בשפכים. במחקר זה, הסרת אמוניה, סילוק חנקן וצמיחת אצות מושוות במשך 8 שבועות בסטים לזווג של קטן (100 ליטר) וגדולים (1,000 ליטר) כורים המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. תוכן של כורים בקנה מידה קטן וגדול היו מעורבים לפני תחילת כל מרווח בדיקות שבועי כדי לשמור על תנאי התחלה שווה על פני שני סולמות. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים טוב יותר להשוואת תנאים המתרחשים בשני הסולמות. בתקופת 8 שבועות נציג זמן קצר, אמוניה החל וריכוזי חנקן הכולל נע בין 3.1-14 מ"ג NH 3 -N / L, ו 8.1-20.1 מ"ג N / L, בהתאמה. הביצועים של מערכת הטיפול העריכו התבססו עליכולתו כדי להסיר אמוניה חנקן כללי לייצר ביומסה של אצות. ממוצע ± סטיית תקן של הסרת אמוניה, סילוק חנקן כולל ושיעורי צמיחה ביומסה היה 0.95 ± 0.3 מ"ג NH 3 -N / L / יום, 0.89 ± 0.3 מ"ג N / L / יום, ו- 0.02 ± 0.03 גרם ביומסה / L / יום, בהתאמה. כל הכלי הראה כי קיים קשר חיובי בין שיעור הסרת ריכוז אמונית אמוניה הראשוני (R 2 = 0.76). השוואת יעילות תהליך ההפקה נמדדה בכורים לגודל שונה עשויה להיות שימושית בקביעה אם נתוני ניסוי בקנה מידת המעבדה מתאימים תחזית של ערכי הפקה בקנה מידה מסחרית.
Introduction
תרגום של נתוני ספסל בקנה מידה ליישומים בקנה מידה גדולים יותר הוא צעד מפתח המסחור של bioprocesses. יעילות הייצור במערכות הכור בקנה מידה קטן, במיוחד אלה התמקדות השימוש של מיקרואורגניזמים, הוכחו מעל בעקביות לנבא יעילות המתרחשים במערכות בקנה מידה מסחרי 1, 2, 3, 4. אתגרים קיימים גם בגמלון פוטוסינתטיים הטיפוח של אצות כחוליות מסולם במעבדה למערכות גדולות לצורך ייצור מוצרים בעלי ערך גבוה, כגון מוצרי קוסמטיקה ותרופות, לייצור דלק ביולוגי, וכן לטיפול בשפכים. הביקוש לייצור ביומסה אצות בקנה מידה גדול גדל עם תעשיית המתעוררים עבור אצות דלק ביולוגי, תרופות / נוטרה, ובעלי חיים להאכיל 5. המתודולוגיה המתוארתכתב היד הזה נועד להעריך את ההשפעה של הגדלת היקף של כור מערכת פוטוסינתזה על קצב הצמיחה ביומסה והסרה מזינה. המערכת המוצגת כאן משתמשת אץ שמטרתן לתקן התשטיפים שפכים הטמנה אבל יכול להיות מותאם עבור מגוון רחב של יישומים.
יעילות הייצור של מערכות בקנה מידה גדול הם חזו לעתים קרובות באמצעות ניסויים בקנה מידה קטן יותר; עם זאת, מספר גורמים יש לקחת בחשבון כדי לקבוע את רמת הדיוק של תחזיות אלו, כמו סולם הוכח להשפיע על הביצועים של bioprocesses. לדוגמה, יונקר (2004) הציגו תוצאות מהשוואה בין שמונה כורים תסיסה בגדלים שונים, הנעים בין 30 L 19,000 L, אשר הראו כי התפוקה בפועל-מאזני מסחר pilot- או היה כמעט תמיד נמוך יותר הערכים החזויים באמצעות קטנים מחקרים -scale 4. אי שוויון בממד כלי, ערבוב הספקת כוח, סוג התסיסה, איכות מזין, והעברת גז נחזה להיותגורמים עיקריים הפרודוקטיביות 4 הירד. בדומה לכך, הוכח בכורי גידול אצים כי צמיחה ביומסה ומוצרים נלווים ביומסה מופחתים כמעט תמיד כאשר קנו מידה היא גדלה 6.
גורמים ביולוגיים, פיזיים, כימיים לשנות עם בגודל של הכור, עם רבים של גורמים אלה משפיעים פעילות חיידקית בקני מידה קטנים באופן שונה מאשר בקני מידה גדול 2, 7. מאחר שמערכות בהיקף המלא ביותר עבור אצות, כגון ברכות מסילה, קיימים בחוץ, גורם ביולוגי אחד שיש לקחת בחשבון הוא כי מינים ופאג'ים חיידקים ניתן הציגו מהסביבה, אשר עשויים לשנות את המינים של החיידקים נוכחיים ובכך הפונקציה מיקרוביאלי של מערכת. הפעילות של קהילת החיידקים גם תהיה רגישה לגורמים סביבתיים, כגון אור וטמפרטורה. העברות המוניות של גזים ותנועה זורמת הםדוגמאות של גורמים פיזיים כי מושפעים למעלה בסולם של תהליכים מיקרוביאליים. השיג ערבוב אידיאלי בכורים קטנים הוא קל; עם זאת, עם היקף הולך וגדל, הוא הופך להיות אתגר להנדס תנאים אידיאליים ללישה. בקני מידה גדולים, כורים נוטים יותר יש אזורים מתים, ערבוב הלא אידיאלי, יעילות מופחתת ומסה 2. מאז אצות הן אורגניזמים פוטוסינתטיים, צמיחה מסחרית חייבת להביא בחשבון את שינויי חשיפה לאור עקב שינויים בעומק מים ושטח פנים כאשר הם מגבירים את עוצמת קול. צפיפות ביומסה גבוהה ו / או העברת שיעורי מסה נמוכה יכול לגרום לירידה CO 2 ריכוזים וריכוזי O 2 גדל, אשר שניהם עלולה לגרום לעיכוב הצמיחה ביומסה 8. גורמים כימיים במערכת גידול אצות מונעים על ידי הדינמיקה pH של הסביבה המימית 2, המושפע מכך משינויים תרכובות חציצה pH כגון CO מומס
מחקר זה מציג כור מערכת לזווג שנועדה להסדיר ולהשוות תנאי גידול כלי השיט של שני סולמות שונים. פרוטוקול הניסוי מתמקד לכימות טיפול תשטיפים גידול אץ; עם זאת, יכולים להיות מותאם אותו לעקוב אחר מדדים אחרים כגון שינויי קהילת החיידקים לאורך זמן או פוטנציאל קיבוע CO 2 של אצות. הפרוטוקול המובא כאן נועד להעריך את ההשפעה של סולם על צמיחת אצות סילוק חנקן במערכת טיפול תשטיפים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
להגדרת מערכת .1
הערה: א 'מערכת לזווג' מתייחסת טנק אקווריום אחד וברכת מסילה אחד, לרוץ במקביל.
- עבור מערכת אחת לזווג, להשתמש בטנקים באקווריומים אחד 100 L (AT), עם מערבל תקורה עבור כלי בקנה מידה קטן, בריכה המסילה אחד 1,000 L (RWP), עם מערבל גלגל ההנעה עבור כלי בקנה מידה גדול. כלי בשימוש במערכת זו הם בתמונה באיור 1.
- לחסן כל כלי עם התרבות אצות אותו. השתמש צפיפות גבוהה של החיסון, וכתוצאה מכך צפיפות סופית של לא פחות מ -0.1 גרם / L פעם בדילול אל פול הווליום במכל או הברכה 10. זה עלול לקחת כמות ניכרת של זמן (שבועות עד חודשים) לגדל אצות מספיק בשלב זה.
- השתמש התשטיפים הטמנה מטופל כמקור מזין. השתמש התשטיפים שנלקחו במזבלה שמקבלת פסולת ביתית בעיקר ויש לו רמות נמוכות של רעלים. ניתוח הרכב עבור התשטיפים צריך להיות זמין מהמזבלה. T הוא כמות התשטיפים להשתמש בכל מכל או ברכה יכול להשתנות תלוי בכוחו של השפכים, אבל ריכוזי אמוניה סופיים צריכים למדוד 5-75 מ"ג NH 3 -N / L.
- הפעל את הטנק באקווריומים 100 L עם נפח העבודה 60 L, ואת הבריכה המסילה עם נפח עבודה 600 L. מחקר זה התחיל עם התשטיפים 1 ליטר בערך 59 ליטר של מים במיכל אקווריומים, ו -10 התשטיפים L ב 590 ליטר מים בבריכה המסילה. להגדיל את הריכוז של התשטיפים בשימוש במהלך מחקר זה.
באיור 1. דוגמאות של טנק האקווריום ברכת מסילה. דוגמא טנק אקווריום (א) ו ברכת מסילה (B) מוצגת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
= "Jove_title"> 2. תפעול דגימה שבועי
- הפעל את הטנק באקווריומים וברכת מסילה כמו כורים תצוו למחצה עם פעמי שמירה הידראוליות של שלושה שבועות. כל תקופת דגימה משתרעת שבוע.
- קח מדגם 125 מ"ל מכל כלי. זוהי תחילתה של המדגם בשבוע. דגימות מבחן על פי פרוטוקול ניתוח לדוגמא בסעיפים 3.1-3.3.
- בסוף השבוע, לקחת 125 דגימות מ"ל מכל כלי לניתוח. לאחר דגימות סוף השבוע ננקטו, רוקן את כל הנפח של אקווריום לתוך ברכת המסילה.
- פעם בשבוע, לשאוב את כל הנפח של מיכל האקווריום לתוך הבריכה המסילה.
- סור שליש המנפח (עבור זמן שמירה הידראולי ממוצע של 3 שבועות) מתוך ברכת המסילה. חלף נפח סיר עם מים התשטיפים מטופל.
- העבר כ 60 L מן הבריכה המסילה בחזרה לתוך הטנק האקווריום. הדבר מבטיח כי האקווריום Tank ואת ברכת המסילה מתחילים עם אותם התנאים מזינים וביולוגיים בכל שבוע.
- קח 125 דגימות מ"ל מכל כלי לניתוח של תנאי הפתיחה בשבוע הבא.
ניתוח מדגם 3.
- בחן את כל תחילה-of-the-השבוע וסוף-of-the-השבוע דגימות עבור אמוניה-N, חנק-N, ניטריט-N, וצפיפות ביומסה.
- מדוד ביומסה ידי מוצקים מרחפים הכוללים תקן פרוטוקול (TSS),-D5907 ASTM, באמצעות 0.45 מיקרומטר מסננים.
- ראשית לשקול נייר סינון ולאחר מכן לסנן 20-40 מ"ל של המדגם באמצעות מערכת סינון ואקום. ייבש את הנייר ביומסה / מסנן בתנור על 105 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת, או עד המשקל של הנייר ביומסה / מסנן כבר לא שינויים.
- לשקול ביומסה / פילטר נייר, ולחסר המסה הראשונית של נייר הסינון. מחלקי מסה זו על ידי הנפח המסונן כדי לחשב את הצפיפות ביומסה. הפעל בשני עותקים 11.
- מדוד אמוניה,חנקתי, ו ניטריט spectrophotometrically באמצעות ספקטרופוטומטר.
- השתמש 100 μL של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז אמוניה. עיין הפרוטוקול של היצרן.
- השתמש 1 מיליליטר של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז החנקות. עיין הפרוטוקול של היצרן.
- השתמש 10 מיליליטר של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז ניטריט. עיין הפרוטוקול של היצרן.
- צג תנאים סביבתיים (טמפרטורת אוויר, קרינת שמש, מהירות רוח) באמצעות תחנת מזג אוויר מסחרית וכן טנק / תנאי ברכה (טמפרטורת מים, pH, חמצן מומס) באמצעות בדיקות מסחריות לוגר נתונים. עיין הפרוטוקול של היצרן.
4. ניתוח סטטיסטי של תוצאות
- לקבוע אם הנתונים שנאספו נורמלים סטטיסטי. לקבוע נורמליות של סט הנתונים באמצעות עלילת QQ 12
- לקבוע מתאמים בין הפרמטרים באמצעות r של פירסון או p של ספירמן עבור נתונים רגילים ולא נורמלי, בהתאמה 13. פרמטרי מתאם צריכים לכלול לפחות את הפרמטרים הבאים: ריכוז אמוניה ראשוני, ריכוז חנקן כללי ראשוני, צפיפות ביומסה ראשונית, שיעור הסרת אמוניה, שיעור סילוק חנקן כולל, שיעור צמיחה ביומסה, וכל תנאים הסביבתיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מטרת המחקר היא להשוות את הצמיחה ביומסה ויכולות הסרה תזונתיות של תרבויות אצות גדלו בכורים קטנים בקנה מידה גדולה. מחקר זה עושה שימוש בשני מערכות לזווג, המכונה מערכת 1 ומערכת 2, לשכפל את ממצאיה. תוצאות נציגים אלו הן מתקופת 8 שבועות, פברואר עד אפריל 2016. ברכת המסילה הראשונה הייתה מחוסנת עם אצות שמקורו במקור משמש כברכה חיצונית בפילדלפיה, 14 רשות. תרבות זו גדלה צפיפות גבוהה במיכל האקווריום. חיסון זה הביא צפיפות ביומסה של L / 0.12 גרם ב RWP. לאחר 2.5 שבועות, ברכת המסילה השנייה טנק אקווריום היו מחוסן, וכתוצאה מכך החל צפיפויות ביומסה של כ 0.18 g / L. אחרי כמה שבועות, כל ATS ו RWPs עורבבו יחד צפיפות ביומסה אחידה אוכלוסיית חיידקים בין כל הכלי; תפעול שוטף ובקרה החלו כמתואר לעילפרוטוקול.
התחלה וסיום פרמטרים נמדדו על בסיס שבועי כמתואר בסעיף הניתוח המדגם 15. תנאי התחלה עבור ביומסה, אמוניה בריכוזים מחנקן בכל הכלי נעים בין 0.2-1.0 גרם / L, 3.1-14 מ"ג NH 3 -N / L, ו 8.1-20.1 מ"ג N / L, בהתאמה. הממוצע וסטיית תקן של שיעורי הרחקת גידול שנרשמו מכל כלי מוצג בלוח 1. תנאים אלה הניבו שיעורי צמיחה ביומסה, ואמוניה ושיעורי סילוק חנקן כוללים החל -0.04-0.07 g / L / יום, 0.39-1.61 מ"ג N / L / יום, 0.26-1.47 מ"ג N / L / יום, בהתאמה מכל ארבעה כלי. שיעורי סילוק חנקן שבועי ושיעורי צמיחה ביומאסה מערכת 1 ומערכת 2 ניתן לראות באיור 2.
דמותסיכום של פרודוקטיביות 2. במהלך תקופת המחקר נציג. שיעורי הסרת אמוניה (א), שיעורי סילוק חנקן כוללים (B), ושיעורי צמיחה ביומסה (C) מוצגים בחלק עליון, לוחות ביניים ותחתונים, בהתאמה. תוצאות מהמערכת 1 מוצגים בצד שמאל, ומערכת 2 מימין. תוצאות מטנקים באקווריומים ובריכות המסילה מיוצגים על כל הגרפים על ידי X, ו Δ, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
מתאמים סטטיסטיים שמשו להשוות פרמטרים ולזהות מגמות אפשריות. פרמטרי קלט היו: ריכוז אמוניה ראשוני, ריכוז החנקות ראשוני, ריכוז ניטריט ראשוני, ריכוז חנקן כללי ראשוני, החל הריכוז ביומסה, rem האמוניה שיעור סגלגל, שיעור הסרה חנק, שיעור הסרת ניטריט, שיעור סילוק חנקן כולל, שיעור צמיחה ביומסה, טמפרטורת מים, pH. הנתונים הנאספים לא היה נורמלי סטטיסטית כך ספירמן של רו, המתאם פרמטרית, היה בשימוש. המתאם המשמעותי החזק ביותר היה בין שיעור הסרת ריכוז אמונית אמוניה הראשוני (ρ = 0.90). המגמה בין ריכוז אמוניה הראשוני ושיעור הסרת האמוניה ניתן לראות באיור 3.
איור 3: אמוניה remova FO: keep-together.within-page = "1" שיעור l כפונקציה של החל ריכוז אמוניה. נתונים מכל הכלי מעל 8 שבועות הנציג מוצגים. קו המגמה R 2 = 0.76. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| אמונית שיעור הסרה (MGN / L) | דרג הסרת חנקן (MGN / L) | הצמיחה ביומסה שיעור (g ביומסה / L) | |
| RWP 1 | 0.95 ± 0.36 | 0.79 ± 0.38 | 0.013 ± 0.029 |
| RWP 2 | 1.08 ± 0.30 | 1.01 ± 0.21 | 0.034 ± 0.036 |
| אקווריום טנק 1 | 0.87 ± 0.23 | 0.803 ± 0.30 | 0.005 ± 0.028 |
| אקווריום טנק 2 | 0.88 ± 0.33 | 0.94 ± 0.22 | 0.015 ± 0.019 |
טבלת 1. ממוצע ± סטיית התקן של שיעורי פריון הפרטכלי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ביצועי המערכת:
במהלך מחקר בן 8 שבועות, את הפרודוקטיביות של הכלים קטנה בקנה המידה גדולה במערכת הושוותה. בחנקן במחקר זה ושיעורי הסרת אמוניה ושיעורי הצמיחה ביומסה שימשו כמדדים של הפרודוקטיביות של מערכת הטיפול. המערכת הופעלה כמו כור חצי תצווה, כאשר כל שבוע נותח בתנאים בדידים. נציג תוצאות להסביר את פעולת 8 שבועות של המערכת הראשונה, אולם מחקר מלא יאריך לתקופות ממושכות פי כמה לתת דין וחשבון על השתנות עונתית בתנאים סביבתיים.
המתודולוגיה המתוארת לעיל קוראה ערבוב המערכת לזווג (קטנה וכלי בקנה מידה גדולה) יחד כל 7 ימים. לכן ההבדל בפריון בין שני הסולמות במהלך תקופת זמן זו תלויה באופן בלעדי על התנאים השונים בשני הכלים בגודל. לדוגמא, אם החשיפה לאור באחד הכורים היא מובהקתcantly פחות מאשר אחרים, שיעורי הצמיחה ביומסה יהיו שונים באופן משמעותי. אזורי מלח בשל ערבוב שלם, ומסה עניה, משתנית CO 2 או pH, יחד עם כל תנאים סותרים אחרים בין שני הסולמות עלולים לגרום לשוני בפריון של הכלי בתוך המערכות לזווג.
מצד השני, אם הערכים הפרודוקטיביות של הכלים הקטנים בקנה מידה גדולה בכל מערכת שווים, אז סביר להניח כי הכלי-המידה הקטנה יוצר תנאי גידול דומים לזו של הכלי בקנה המידה הגדולה או כל הבדלים בין שתיים כורים מדורגים שונים משפיעים הפרודוקטיביות negligibly. במצב זה, את הערכים מהמערכת בקנה המידה הקטנה יהיו מנבאי נציג סבירים פריון מערכת בקנה מידה מלאה.
קיבולת הטיפול של מערכת זו הוערכה על בסיס יכולתה להסיר חנקן. מתאמים סטטיסטיים בין כל הגורמים חשפו שיתוף חזק, חיוביrrelation (ρ = 0.90) בין ריכוז האמוניה החל ושיעור הסרת האמוניה. מתאם זה אותו חיובי נצפה במחקר קודם שנערך הטנקים באקווריומים 14. מגמה חיובית זו בין שיעור הסרת אמונית ריכוז האמוניה החל שניתן לראות באיור 3, הכולל נתונים שנאספו מכל RWPs ו ATS. שיעורי סילוק החנקן משני סוגי הכלי ניתן להשוות לזהות מגמות בקנה מידה ספציפית שוב נאספו נתונים.
פרמטרי כור משתנים:
משתנה כור עיקרי כולל את שטח פן יחס נפח וזמן מגורים. כורים הופעלו באופן חצי-תצווה, עם שילוב מלא של כלים קטנים וגדולים 1/3 החלפת נפח מערכת הכור סכה כל 7 ימים. בעוד תקופת הערבוב במחקר זה הייתה שבוע אחד, כאמור בסעיף 2.3, הפעם יכול להיות שונה בהתאם לצמיחה Nutrשיעורי צריכת ient של התרבויות פוטוסינתטיים, כמו גם את היישום האולטימטיבי של המערכת בקנה מידה מלאה. שטח הפנים יחס נפח, אשר ניתן לשנות על ידי שינוי עוצמת הקול, תשפיע על קצב העברת מסה של גזים כמו גם חשיפה לאור של אורגניזמים פוטוסינתטיים.
הכרכים מן ברכת המסילה וטנק אקווריום של כל מערכת עורבבו בתחילת כל שבוע על מנת להבטיח כי תנאי הפתיחה, במיוחד בתרבות הבידוד, בשני הסולמות היו שווים. משך הזמן בין ערבוב שני הכלי ניתן לשנות מבוסס על היישום. מאחר שרוב אץ יחסית הגדלים לאט מיקרואורגניזמים, שבוע מומלץ כסכום זמן הקצר שאמורים לשמש. תקופה ארוכה של זמן בין הערבוב עשויה לחשוף וריאציה כלשהי בפריון הנגרם על ידי הבדלים קטנים בתנאים סביבתיים בין שני הסולמות. יותר מדי זמן בין ערבוב המאזניים שתאפשר מיקרוביאליקהילות לסטות באופן משמעותי, אז ההשוואה בין סולמות כבר לא תהיה מדויקת של תנאי הכור. גם כאשר הארכת משך הזמן בין ערבוב שני הסולמות חשוב כדי להשלים כמה חזרות על מנת לוודא שכל פרש (או חוסר הבדלים) ב productivities הוא משמעותי.
שטח פן יחס נפח ניתן לשנות על ידי התאמת עוצמת קול העבודה. יחס זה משפיע על העברה ההמונית של גזים פנימה וחוצה של כלי השיט, כמו גם את כמות האור האצה חשוף. בהתאם לסוג של כלי השיט, את שטח הפנים יחס נפח (SA: V) ואת פני השטח חשופים לאור יחס נפח (LE-SA: V) עשוי להיות שונה. במחקר זה קירות טנקי באקווריומים הם שקופים, המאפשרים אור על כל הצדדים ואת דרך החלק העליון, ואילו העברת גז תתרחש רק דרך פני המים, כלומר SA: V ואת LE-SA: V הם לא שווים. עם זאת, ברכות המסילה בשימושיש במחקר זה קירות אטומים, כך SA: V ו- LE-SA: V שווים.
כאשר מתמקדים עד מידה, את פני השטח חשופים אור נפח (LE-SA: V) היחס הוא 1 חשוב, 7. תרבות אצות צפופה תגרום חדירת אור מינימאלית מעבר הסנטימטרים הראשונים של מים. ערבוב רציף של תרבות סבוכה ולעתים אף LE-SA גבוהה: יחס V יגדל חשיפה לאור כולל וצריך לגרום תשואות ייצור גבוהות יותר. ערבוב רציף יהיה גם עוזרו של העברת מסה של גזים. כדי לוודא כי הכלי-המידה הקטנה צופה במדויק פרודוקטיביות בקנה מידה גדולה מחקר השוואתי מלא היה צריך להיעשות.
אילוצים כור:
כאשר קמה והפעלה של מערכת זו בפעם הראשונה יש כמה דברים שעשויים לגרום לקשיים. ראשית, זה מאוד חשוב שיהיה לפחות 0.1 גרם / L של ביומסה אצות בכל כלי כאשר בגמלון. אםהצפיפות נמוכה מדי, סביר מאוד כי האצות המחוסנות תמותנה 10 במהירות. שנית, מערכת זו יכולה להתמודד עם ריכוזים גבוהים של אמוניה, מאידך, ריכוז אמונית הקלט צריך להיות מוגבר לאט ובמשך שבועות רבים 14, 16, 17. במחקר זה ריכוז אמונית הקלט הועלה בקצב מאוד שמרני, גידול של כ 10 MGN / L כל 3 שבועות. לבסוף, תוך מעקב אחר כל מיני החנקן המומסים חשוב כי ריכוזי ניטריט נשמרים נמוך. ניטריט יכול להיות רעיל אצות ואורגניזמים אחרים בריכוזים גבוהים 18. אם ריכוזי ניטריט להגדיל מעל 150 מ"ג N / L, אז נפח נוסף יש להסיר והחליפו עם מים כדי לדלל את ריכוזי ניטריט רעיל.
יישומים אפשריים:
ניתן ליישם מתודולוגיה זו כדי Verify הדיוק של נתוני קלט להשתמש כדי לדמות תהליכי ייצור בקנה מידה מלא בהערכות מחזור החיים (LCAs) וניתוחים כלכליים-טכנו (תה) של מערכות ייצור בקנה מידה מלא. לעתים קרובות, גידול ביומסה ושיעורי צריכה מזינים ממחקרים בקנה מידה קטנה להעריך את היכולות של מערכת מצומצמת עד. למרות זאת, הרוב המכריע של LCAs ותה להשתמש ערכי קלט ממחקרים בקנה מידה קטנה כדי לחזות ערכי ייצור בקנה מידה מלאה עבור להערכתם של טכנולוגיות בהיקף מלא 19, 20, 21, 22, 23. לפני שימוש התוצאות ממחקרים בקנה מידה קטנה בדרך זו, זה צריך להיות מאומת כי התוצאות הללו הן ייצוג טוב של מה אפשר לצפות ממערכת בקנה מידה מלאה. נכון לעכשיו, אין מתודולוגיה סטנדרטית עבור איסוף נתונים ללימודים חזוי של מערכות בקנה מידה גדולה. המתודולוגיה המוצגת כאןיכול להיות מיושם כמקרה אימות.
במחקר זה, סילוק חנקן וצמיחה ביומסה שימשו מדדים לקביעת יעילות הטיפול. מערכת זו יכולה בקלות להיות מותאמת עבור יישומים אחרים, לרבות זרמי פסולת אחרים (ממי שפכים ביתיים או חקלאות), פיקוח על פרמטרים אחרים (BOD, מתכות כבדות, הסרת הפתוגן), תצפיות על שינויים קהילת חיידקים, או שינתה מן כור תצווה למחצה למערכת כור מעורבת ברציפות. בכל היישומים הללו פרוטוקול המתואר כאן יכול לשמש כדי להעריך בקנה מידה מעבדה ומערכות בקנה מידה גדול יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מבקשים להודות מטמנת Sandtown ב פלטון, DE לשיתוף ידע התשטיפים שלהם.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aquarium Tank | Any 100+ L aquarium tank with optically clear glass can be used | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Overhead mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Plastic or glass, lab grade, 125-200 mL | |
| Transfer Pumps | Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45 µm filters |
References
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. dC., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , John Wiley & Sons. (2008).
- Clesceri, L. S., et al. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , American Public Health Association. (1998).
- Statistics for Macintosh v.23.0. , IBM Corp. Armonk, NY. (2015).
- Devore, J. L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , Cengage Learning. (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
