Mikroalger dyrkning og biomasse kvantificering i en bænk skala Fotobioreaktor med ætsende røggasser
Summary
Bænk-skala, axeniske dyrkning letter microalgal karakterisering og produktivitets optimering før efterfølgende proces opskalering. Fotobioreaktorer giver den nødvendige kontrol til pålidelige og reproducerbare mikroalger eksperimenter og kan tilpasses til sikker dyrkning af mikroorganismer med de ætsende gasser (CO2, so2, No2) fra kommunale eller industrielle forbrændingsemissioner.
Abstract
Fotobioreaktorer er belyste dyrkningssystemer til eksperimenter på fototrofiske mikroorganismer. Disse systemer giver et sterilt miljø for mikroalger dyrkning med temperatur, pH, og gas sammensætning og flowhastighed kontrol. På Bench-Scale, fotobioreaktorer er fordelagtige for forskere, der studerer microalgal egenskaber, produktivitet, og vækst optimering. På industrivægte kan fotobioreaktorer opretholde produktets renhed og forbedre produktionseffektiviteten. Videoen beskriver forberedelsen og brugen af en foto bioreaktor i bænk skala til dyrkning af mikroalger, herunder sikker brug af korrosive gasindgange, og detaljer om relevante biomasse målinger og beregninger af biomasse produktivitet. Specifikt videoen illustrerer microalgal kultur opbevaring og forberedelse til inokulation, photobioreactor samling og sterilisering, biomasse koncentration målinger, og en logistisk model for microalgal biomasse produktivitet med sats beregninger, herunder maksimale og samlede biomasse produktiviteter. Da der desuden er stigende interesse for eksperimenter med at dyrke mikroalger ved hjælp af simulerede eller reelle røggas emissioner, vil videoen dække de tilpasninger af fotokbioreaktor udstyr, som er nødvendige for at arbejde med ætsende gasser og diskutere sikker prøvetagning i sådanne scenarier.
Introduction
Photobioreaktorer er nyttige for kontrollerede eksperimenter og dyrkning af renere microalgal produkter, end der kan opnås ved åbne damme. Mikroalge dyrkning i bænk-skala fotobioreaktorer støtter udviklingen af grundlæggende viden, der kan anvendes til proces opskalering. Små ændringer i miljøforholdene kan i væsentlig grad ændre mikrobiologiske eksperimenter og gøre resultaterne1. En steril proces med temperatur, ph, og gas gydning kontrol er fordelagtigt for at studere microalgal egenskaber og ydeevne under varierede forhold. Derudover, kontrol over input gas koncentrationer, temperatur, forskydningskraft fra blanding, og medium pH kan støtte forskellige arter, der ellers udfordrende at dyrke. Fotobioreaktorer kan drives som en batchproces med kontinuerlig gastilførsel og gydning, eller som et chemostat gennemstrømningssystem med kontinuerlig gastilførsel og gydning plus indførings-og spildevands næringsstoftilførsel. Her demonstrerer vi batchprocessen med kontinuerlig gasforsyning og sparging.
Brugen af photobioreaktorer adresserer flere mikroalge dyrkning og produktions udfordringer. Feltet kæmper generelt med problemer med kontaminering med andre mikroorganismer, effektiv substrat udnyttelse (hvilket er særligt vigtigt i forbindelse med CO2 -afbødning eller spildevandsrensning)2, ph-kontrol, belysnings variation og biomasse produktivitet3. Fotobioreaktorer gør det muligt for forskerne at studere en bred vifte af foto Troffer i tæt kontrollerede batch systemer, hvor selv langsomt voksende arter er beskyttet mod rovdyr eller konkurrerende mikroorganismer4. Disse batch systemer er også bedre til at fremme større CO2 udnyttelsesgrader og biomasse produktivitet, fordi de er lukkede systemer, der er mere tilbøjelige til at være i ligevægt med leverede gasser. Photobioreactor teknologi tilbyder også pH kontrol, hvis manglende har hindret høj biomasse produktivitet i tidligere undersøgelser5. På bænk skala, det niveau af kontrol, der tilbydes af photobioreaktorer er fordelagtigt for forskerne. Ved større industri skalaer kan fotobioreaktorer anvendes til at opretholde kommerciel bioprodukt renhed og forbedre produktionseffektiviteten for nutraceutical, kosmetiske, fødevarer eller foder applikationer6.
Mikroalger er af stor interesse for biosequestration af CO2 , fordi de hurtigt kan fastsætte Co2 som biomassekulstof. Men de fleste antropogene kilder til CO2 er forurenet med andre ætsende og giftige gasser eller forurenende stoffer (Nox, sox, Co, HG), afhængigt af forbrændingsprocessen brændstof kilde. Den stigende interesse for bæredygtig CO2 -binding har foranlediget udviklingen af fotobioreaktor teknologier til at behandle Co2-rige emissioner, såsom dem fra kulfyrede kraftværker (tabel 1). Desværre er der iboende risiko for menneskelig og miljømæssig udsættelse for ætsende og giftige forurenende stoffer under forskning og opskalering processer. Som sådan er det nødvendigt og lærerigt at beskrive sikker montering og drift af bioreaktorer, der anvender ætsende gasser.
Denne metode er til brug af en 2 L bænk skala fotobioreactor for væksten af mikroalger under omhyggeligt kontrollerede eksperimentelle betingelser. Protokollen beskriver microalgal opbevaring, inokulum forberedelse, og photobioreactor opsætning og sterilisering. Ud over grundlæggende drift beskriver dette arbejde mikroalge biomasse målinger og biomasse produktivitets beregninger og tilpasning af udstyr til mikroalge dyrkning med ætsende gasser. Den nedenfor beskrevne protokol er hensigtsmæssig for forskere, der søger at udøve større eksperimentel kontrol, optimere mikroalgal vækstbetingelser eller axenisk kultur en række fototrofiske mikrober. Denne metode beskriver ikke egnede materialer til dyrkning af mikrober, der producerer eller forbruger brændbare gasser (f. eks. kap.4, H2osv.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Batch, axeniske photobioreactor eksperimenter med reguleret pH, temperatur, gas strømningshastighed, og gas koncentration fremme meningsfulde resultater ved at eliminere kontaminering af ikke-målaralgal stammer og variabilitet i kulturforhold. Nøjagtig ren kultur vækst kinetik kan opnås selv ved tilstedeværelse af ætsende gasser (CO2, so2, No2), som tjener som næringsstoffer, omdanne spildgasser til et værdifuldt produkt, såsom foder.
Før et mikroalg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation Graduate Research Fellowship i henhold til Grant No. 1546595. Enhver udtalelse, resultater, og konklusioner eller anbefalinger i dette materiale er dem af forfatterne og ikke nødvendigvis afspejler de synspunkter, som National Science Foundation. Arbejdet blev også støttet af et universitet i Iowa Graduate og professionel studerende regeringens forskning Grant, og University of Iowa Foundation, Allen S. Henry begavelse. Forskning blev udført i W. M. Keck Phytotechnologies laboratorium. Forfatterne vil gerne takke University of Iowa kraftværk personale, især Mark Maxwell, for ekspertise og økonomisk støtte til de simulerede røggasser. Forfatterne vil også gerne anerkende Emily Moore for hendes hjælp med prøvetagning og analyse og Emily Greene for hendes assistance og deltagelse i protokollen video.
Materials
| Biostat A bioreactor | Sartorius Stedim | 2-liter bioreactor for microbial fermentation; designed to be autoclaved; pH, temperature, gas flow rate control | |
| Bump test NO2 gas | Grainger | GAS34L-112-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test O2, CO, LEL gas | Grainger | GAS44ES-301A | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test SO2 gas | Grainger | GAS34L-175-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Corrosion resistant tubing for NO2 gas | Swagelok | SS-XT4TA4TA4-6 | PTFE Core Hose Smooth Bore X Series—Fiber Braid and 304 SS Braid Reinforcement |
| Corrosion resistant tubing for SO2 gas | QC Supply | 120325 | Reinforced Braided Natural EVA Tubing – 1/4" ID |
| cozIR 100% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0121 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 100% |
| cozIR 20% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0123 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 20% |
| Durapore Membrane Filter, 0.45 μm | Millipore Sigma | HVLP04700 | Hydrophilic, plain white, 47 mm diameter, 0.45 μm pore size, PVFD membrane filters |
| Gas cylinder regulators | Praxair | PRS 40221331-660 | Single-stage stainless steel regulator configured for 0-15 psi outlet assembly diaphragm valve with 1/4" MNPT threads, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| Gas cylinders | Praxair | Ulta-zero air, high purity CO2, or custom gas composition | Dependent on study objectives |
| Gas monitoring and leak detection system | RAE Systems by Honeywell | MAB3000235E020 | Pumped model that detects O2, SO2, NO2, CO, and LEL |
| GasLab software | GasLab | v2.0.8.14 | Software for CO2 meter measurements and data logging |
| Hose barb | Grainger | Item # 3DTN3 | Used to adapt regulators to tubing, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| K30 1% CO2 meter | Senseair | CM-0024 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations less than 1% |
| LED grow panels | Roleadro | HY-MD-D169-S | Red & blue LED light panels |
| Memosens dissolved oxygen probe | Endress+ Hauser | COS22D-19M6/0 | Autoclavable (with precautions) dissolved oxygen probe for bioreactor |
| Memosens pH probe | Endress+ Hauser | CPS71D-7TB41 | Autoclavable (with precautions) pH probe for bioreactor |
| Oven, Isotemp 500 Series | Fisher Scientific | 13246516GAQ | Small oven for drying |
| Prism GraphPad software | GraphPad Software | Version 7.03 or 8.0.1 | Graphing software for data organization, data analysis, and publication-quality graphs |
| Stem to hose barb fitting | Swagelok | SS-4-HC-A-6MTA | Stainless Steel Hose Connector, 6 mm Tube Adapter, 1/4 in. Hose ID |
| Tubing, dilute acid/base transfer | Allied Electronics and Automation | 6678441 | Silicone TP Process Tubing; 1.6mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
| Tubing, gas transfer | Allied Electronics and Automation | 6678444 | Silicone TP Process Tubing; 3.2mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
References
- Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a Benchtop Bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
- Cheah, W. Y., Pau Loke, S., Chang, J. -. S., Ling, T., Juan, J. C. Biosequestration of atmospheric CO2 and flue gas-containing CO2 by microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
- Xu, L., Weathers, P. J., Xiong, X. -. R., Liu, C. -. Z. Microalgal bioreactors: Challenges and opportunities. Engineering in Life Sciences. 9 (3), 178-189 (2009).
- Tsang, Y. F. . Photobioreactors: Advancements, Applications and Research. , (2017).
- Molitor, H. R., Moore, E. J., Schnoor, J. L. Maximum CO2 Utilization by Nutritious Microalgae. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (10), 9474-9479 (2019).
- Khan, M. I., Shin, J. H., Kim, J. D. The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products. Microbial Cell Factories. 17 (1), 36 (2018).
- Benemann, J. R. Hydrogen production by microalgae. Journal of Applied Phycology. 12 (3), 291-300 (2000).
- . IH MOD Available from: https://aiha.org/public-resources/consumer-resources/topics-of-interest/ih-apps-tools (2019)
- Centers for Disease Control and Prevention, Immediately Dangerous To Life or Health (IDLH) Values. The National Institute for Occupational Safety and Health Available from: https://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html (2019)
- Nakanishi, K., Deuchi, K., Kuwano, K. Cryopreservation of four valuable strains of microalgae, including viability and characteristics during 15 of cryostorage. Journal of Applied Phycology. 24 (6), 1381-1385 (2012).
- Bischoff, H. W., Bold, H. C. . Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. , (1963).
- Mata, T. M., Martins, A. A., Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
- Wood, A. M., Everroad, R. C., Wingard, L. M., Andersen, R. A. Measuring growth rates in microalgal cultures. Algal Culturing Techniques. , 270-272 (2005).
