Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen
Summary
Die axtische Kultivierung auf Der Bench-Skala erleichtert die Mikroalgencharakterisierung und Produktivitätsoptimierung vor dem anschließenden Prozessskalieren. Photobioreaktoren bieten die notwendige Kontrolle für zuverlässige und reproduzierbare Mikroalgenexperimente und können angepasst werden, um Mikroalgen mit den korrosiven Gasen(CO2, SO2, NO2) aus kommunalen oder industriellen Verbrennungsemissionen sicher zu kultivieren.
Abstract
Photobioreaktoren sind beleuchtete Kultivierungssysteme für Experimente an phototrophen Mikroorganismen. Diese Systeme bieten eine sterile Umgebung für den Mikroalgenanbau mit Temperatur-, pH-Wert- und Gaszusammensetzung und Durchflussregelung. Auf der Bank-Skala sind Photobioreaktoren von Vorteil für Forscher, die Mikroalgeneigenschaften, Produktivität und Wachstumsoptimierung untersuchen. In industriellen Maßstäben können Photobioreaktoren die Produktreinheit erhalten und die Produktionseffizienz verbessern. Das Video beschreibt die Vorbereitung und Verwendung eines Photobioreaktors im Bench-Skala für den Mikroalgenanbau, einschließlich der sicheren Verwendung von korrosiven Gaseinträgen, und beschreibt relevante Biomassemessungen und Biomasseproduktivitätsberechnungen. Das Video zeigt insbesondere die Lagerung und Vorbereitung der Mikroalgenkultur für die Impfung, photobioreaktormontage und -sterilisation, Messungen der Biomassekonzentration und ein logistisches Modell für die Produktivität von Mikroalgenbiomasse mit Berechnungen einschließlich maximaler und gesamter Biomasse-Produktivitäten. Da das Interesse an Experimenten zur Kultivierung von Mikroalgen mit simulierten oder realen Abgasemissionen wächst, wird das Video außerdem die Anpassungen der Photobioreaktor-Ausrüstung abdecken, die für die Arbeit mit korrosiven Gasen erforderlich sind, und die sichere Probenahme in solche Szenarien.
Introduction
Photobioreaktoren eignen sich für kontrollierte Experimente und den Anbau von reineren Mikroalgenprodukten, als dies durch offene Teiche erreicht werden kann. Der Mikroalgenanbau in Photobioreaktoren im Bankmaßstab unterstützt die Entwicklung von Grundkenntnissen, die für die Prozessskalierung verwendet werden können. Leichte Veränderungen der Umweltbedingungen können mikrobiologische Experimente erheblich verändern und die Ergebnisse verwirren1. Ein steriler Prozess mit Temperatur-, pH- und Gasspar-Kontrolle ist vorteilhaft für die Untersuchung von Mikroalgeneigenschaften und -leistung unter unterschiedlichen Bedingungen. Darüber hinaus kann die Kontrolle der Eingangsgaskonzentrationen, der Temperatur, der Scherkraft durch Mischen und des mittleren pH-Werts verschiedene Arten unterstützen, die ansonsten schwierig zu kultivieren sind. Photobioreaktoren können als Chargenprozess mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging oder als Chemostat-Durchflusssystem mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging sowie in- und abwasserbasierten Nährstoffeinträgen betrieben werden. Hier zeigen wir den Chargenprozess mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging.
Der Einsatz von Photobioreaktoren bewältigt mehrere Herausforderungen beim Anbau und der Produktion von Mikroalgen. Das Feld kämpft in der Regel mit Bedenken der Kontamination durch andere Mikroorganismen, einer effizienten Substratnutzung (die besonders bei DERCO2-Minderung oder Abwasserbehandlung wichtig ist)2, pH-Kontrolle, Beleuchtungsvariabilität und Biomasseproduktivität3. Photobioreaktoren ermöglichen es Forschern, eine breite Palette von Phototrophen in eng kontrollierten Batch-Systemen zu untersuchen, in denen selbst langsam wachsende Arten vor Raubtieren oder konkurrierenden Mikroorganismen geschützt sind4. Diese Chargensysteme sind auch besser geeignet, höhereCO2-Nutzungsraten und Biomasseproduktivität zu ermöglichen, da es sich um geschlossene Systeme handelt, die eher im Gleichgewicht mit den gelieferten Gasen stehen. Die Photobioreaktor-Technologie bietet auch eine pH-Kontrolle, deren Fehlen in früheren Studien eine hohe Biomasseproduktivität behindert hat5. Auf der Bankskala ist das Kontrollniveau der Photobioreaktoren für die Forscher von Vorteil. In größeren industriellen Maßstäben können Photobioreaktoren verwendet werden, um die Reinheit kommerzieller Bioprodukte aufrechtzuerhalten und die Produktionseffizienz für nutrazeutische, kosmetische, Lebens- oder Futtermittelanwendungen zu verbessern6.
Mikroalgen sind von großem Interesse für die Biosequestrierung vonCO2, da sieCO2 schnell als Biomassekohlenstoff fixieren können. Die meisten anthropogenenCO2-Quellen sind jedoch je nach Brennstoffquelle des Verbrennungsprozesses mit anderen korrosiven und toxischen Gasen oder Verunreinigungen (NOx, SOx, CO, Hg) kontaminiert. Das wachsende Interesse an einer nachhaltigen CO2-Sequestrierung hat die Entwicklung von Photobioreaktor-Technologien zur Behandlung vonCO2-reichenEmissionen, wie z. B. aus Kohlekraftwerken, ausgelöst (Tabelle 1). Leider besteht die Gefahr einer Exposition von Mensch und Umwelt gegenüber den korrosiven und toxischen Verunreinigungen während der Forschungs- und Scale-up-Prozesse. Daher ist die Beschreibung der sicheren Montage und des Betriebs von Bioreaktoren mit korrosiven Gasen notwendig und lehrreich.
Diese Methode dient für den Einsatz eines 2 L-Bench-Scale-Photobioreaktors für das Wachstum von Mikroalgen unter sorgfältig kontrollierten experimentellen Bedingungen. Das Protokoll beschreibt die Mikroalgenlagerung, inokulumische Vorbereitung und Photobioreaktor-Einrichtung und Sterilisation. Neben dem Grundbetrieb werden in dieser Arbeit Messungen der Mikroalgenbiomasse und Biomasseproduktivitätsberechnungen sowie die Anpassung der Anlagen für den Mikroalgenanbau mit korrosiven Gasen beschrieben. Das unten beschriebene Protokoll ist für Forscher geeignet, die eine größere experimentelle Kontrolle ausüben, die wachstumsbedingungen von Mikroalgen optimieren oder eine Reihe phototropher Mikroben axenisch kulturieren möchten. Dieses Verfahren beschreibt keine geeigneten Materialien für den Anbau von Mikroben, die brennbare Gase erzeugen oder verbrauchen (z. B. CH4, H2usw.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Batch-, axtische Photobioreaktorexperimente mit reguliertem pH-Wert, Temperatur, Gasdurchfluss und Gaskonzentration fördern aussagekräftige Ergebnisse, indem kontaminationsfreie Algenstämme und Variabilität unter Kulturbedingungen beseitigt werden. Genaue Reine Kulturwachstumskinetik kann auch in Gegenwart von korrosiven Gasen(CO2, SO2, NO2) gewonnen werden, die als Nährstoffe dienen und Abfallgase zu einem wertvollen Produkt wie Tierfutter machen.
Vor Beg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom National Science Foundation Graduate Research Fellowship unter dem Stipendium Nr. 1546595 unterstützt werden. Alle Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen, die in diesem Material zum Ausdruck kommen, sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider. Die Arbeit wurde auch von einem Forschungsstipendium der University of Iowa Graduate and Professional Student Government und der University of Iowa Foundation, Allen S. Henry Endowment, unterstützt. Die Forschung wurde im W. M. Keck Phytotechnologies Laboratory durchgeführt. Die Autoren danken den Mitarbeitern des Kraftwerks der University of Iowa, insbesondere Mark Maxwell, für ihre Expertise und finanzielle Unterstützung für die simulierten Rauchgase. Die Autoren möchten auch Emily Moore für ihre Unterstützung bei Sampling und Analyse und Emily Greene für ihre Unterstützung und Teilnahme am Protokollvideo würdigen.
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
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