Summary

Coltivazione di microalghe e quantificazione della biomassa in un fotoreattore in scala di panca con gas di scarico corrosivo

Published: December 19, 2019
doi:

Summary

La coltivazione ascia su scala bench facilita la caratterizzazione delle microalghe e l’ottimizzazione della produttività prima della successiva scalabilità del processo. I fotobioreattori forniscono il controllo necessario per esperimenti di microalghe affidabili e riproducibili e possono essere adattati per coltivare in modo sicuro le microalghe con i gas corrosivi (CO2, SO2, NO2) dalle emissioni di combustione municipale o industriale.

Abstract

I fotobioreattori sono sistemi di coltivazione illuminati per esperimenti su microrganismi fototrofici. Questi sistemi forniscono un ambiente sterile per la coltivazione di microalghe con temperatura, pH, e la composizione del gas e il controllo della portata. Su banco, i fotobioreattori sono vantaggiosi per i ricercatori che studiano le proprietà microalghe, la produttività e l’ottimizzazione della crescita. Su scala industriale, i fotobioreattori possono mantenere la purezza del prodotto e migliorare l’efficienza produttiva. Il video descrive la preparazione e l’uso di un fotoreattore su scala da banco per la coltivazione di microalghe, compreso l’uso sicuro di input di gas corrosivi, e descrive le misurazioni rilevanti della biomassa e i calcoli della produttività della biomassa. In particolare, il video illustra lo stoccaggio e la preparazione della coltura microalgale per l’inoculazione, l’assemblaggio e la sterilizzazione del fotobioreattore, le misurazioni della concentrazione di biomassa e un modello logistico per la produttività della biomassa microalgale con tasso compresi i prodotti massimi e complessivi della biomassa. Inoltre, poiché vi è un crescente interesse per gli esperimenti per coltivare microalghe utilizzando emissioni di gas di scarico simulate o reali, il video riguarderà gli adattamenti delle apparecchiature fotobiochimico necessari per lavorare con gas corrosivi e discutere il campionamento sicuro in tali scenari.

Introduction

I fotobioreattori sono utili per esperimenti controllati e la coltivazione di prodotti microalgali più puri di quelli che possono essere raggiunti da stagni aperti. La coltivazione di microalghe in fotobioreattori su scala da banco supporta lo sviluppo di conoscenze fondamentali che possono essere utilizzate per la scalabilità dei processi. Piccoli cambiamenti alle condizioni ambientali possono alterare significativamente gli esperimenti microbiologici e confondere i risultati1. Un processo sterile con controllo della temperatura, del pH e del sparging di gas è vantaggioso per studiare le proprietà e le prestazioni delle microalghe in condizioni diverse. Inoltre, il controllo sulle concentrazioni di gas di input, la temperatura, la forza di taglio dalla miscelazione e il pH medio possono supportare diverse specie che altrimenti sono difficili da coltivare. I fotobioreattori possono essere eseguiti come un processo batch con alimentazione continua di gas e sparging, o come un sistema di flusso chemostat con alimentazione continua di gas e sparging oltre a input di nutrienti per acque reflue influenti ed effluenti. Qui, dimostriamo il processo batch con alimentazione continua di gas e sparging.

L’uso di fotobioreattori affronta diverse sfide legate alla coltivazione e produzione di microalghe. Il campo generalmente lotta con le preoccupazioni di contaminazione da altri microrganismi, l’utilizzo efficiente del substrato (che è particolarmente importante nel caso della mitigazione di CO2 o del trattamento delle acque reflue)2, il controllo del pH, la variabilità dell’illuminazione e la produttività della biomassa3. I fotobioreattori consentono ai ricercatori di studiare un’ampia gamma di fototrofi in sistemi a lotti strettamente controllati, dove anche le specie a crescita lenta sono protette da predatori o microrganismi concorrenti4. Questi sistemi batch sono anche migliori per facilitare maggiori tassi di utilizzo diCO2 e la produttività della biomassa perché sono sistemi chiusi che hanno maggiori probabilità di essere in equilibrio con i gas forniti. La tecnologia fotobioreattore offre anche il controllo del pH, la cui mancanza ha ostacolato l’elevata produttività della biomassa negli studi precedenti5. Su scala da banco, il livello di controllo offerto dai fotobioreattori è vantaggioso per i ricercatori. Su scale industriali più grandi, i fotobioreattori possono essere utilizzati per mantenere la purezza dei bioprodotti commerciali e migliorare l’efficienza produttiva per applicazioni nutraceutiche, cosmetiche, alimentari o di mangimi6.

Le microalghe sono di grande interesse per la biosequestro di CO2 perché possono risolvere rapidamenteco2 come carbonio biomassa. Tuttavia, la maggior parte delle fonti antropogeniche di CO2 sono contaminate da altri gas o contaminanti corrosivi e tossici (NOx, SOx, CO, Hg), a seconda della fonte di combustibile del processo di combustione. Il crescente interesse per il sequestro sostenibile di CO2 ha spinto lo sviluppo di tecnologie fotobioreattori per il trattamento delle emissioni ricche di CO2,come quelle delle centrali elettriche a carbone (tabella 1). Purtroppo, vi è un rischio intrinseco di esposizione umana e ambientale ai contaminanti corrosivi e tossici durante i processi di ricerca e scale-up. Di conseguenza, è necessario e istruttivo descrivere l’assemblaggio e il funzionamento sicuri dei bioreattori che utilizzano gas corrosivi.

Questo metodo è per l’uso di un fotobioreattore in scala da banco 2 L per la crescita di microalghe in condizioni sperimentali attentamente controllate. Il protocollo descrive lo stoccaggio microalghele, la preparazione dell’inoculo e l’impostazione e la sterilizzazione del fotobioreattore. Oltre al funzionamento di base, questo lavoro descrive le misurazioni della biomassa microalgale e i calcoli della produttività della biomassa, e l’adattamento delle attrezzature per la coltivazione di microalgali con gas corrosivi. Il protocollo descritto di seguito è appropriato per i ricercatori che cercano di esercitare un maggiore controllo sperimentale, ottimizzare le condizioni di crescita delle microalghe o produrre assianicamente una serie di microbi fototrofici. Questo metodo non descrive materiali appropriati per la coltivazione di microbi che producono o consumano gas infiammabili (ad esempio CH4, H2,ecc.) 7.

Protocol

1. Uso sicuro e campionamento di un fotobioreattore risparmiato con gas corrosivi NOTA: Questo metodo non descrive le procedure appropriate per il campionamento sicuro delle colture microalgali che producono o consumano gas altamente infiammabili. Gestire il gas tossico come un rischio per la salute umana.NOTA: Secondo il piano di igiene chimica dell’Università dell’Iowa, gli autori hanno lavorato con il coordinatore della sicurezza antincendio dell’Università e il responsabile…

Representative Results

Una curva di calibrazione per le microalghe verdi, S. obliquus, raccolta nella fase esponenziale, è stata stabilita con OD750 e concentrazioni di biomassa essiccata (Figura 2). La regressione lineare aveva un valore R2 di 0,9996. Una coltura S. obliquus è stata avviata in una fiaschetta Erlenmeyer da 250 mL da una coltura immagazzinata su un piatto di agar refrigerato. La microalga è stata inoculata in 3N-BBM con buffer H…

Discussion

Gli esperimenti di fotoreattore a lotti, fotoreattore axenico con pH regolamentato, temperatura, portata di gas e concentrazione di gas promuovono risultati significativi eliminando la contaminazione da ceppi algali non bersaglio e variabilità in condizioni di coltura. Una cinetica di crescita pura e pura può essere ottenuta anche in presenza di gas corrosivi (CO2, SO2, NO2), che fungono da nutrienti, trasformando i gas di scarto in un prodotto prezioso come l’alimentazione animale.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dalla National Science Foundation Graduate Research Fellowship sotto il n. 1546595. Qualsiasi opinione, risultati e conclusioni o raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation. Il lavoro è stato sostenuto anche da una borsa di ricerca del governo studentesco universitario e professionale dell’Università dell’Iowa, e dalla Fondazione dell’Università dell’Iowa, dalla Fondazione Allen S. Henry. La ricerca è stata condotta nel W. M. Keck Phytotechnologies Laboratory. Gli autori desiderano ringraziare il personale della centrale elettrica dell’Università dell’Iowa, in particolare Mark Maxwell, per l’esperienza e il sostegno finanziario per i gas di scarico simulati. Gli autori desiderano anche riconoscere Emily Moore per la sua assistenza con il campionamento e l’analisi e Emily Greene per la sua assistenza e la partecipazione al video del protocollo.

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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Cite This Article
Molitor, H. R., Williard, D. E., Schnoor, J. L. Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases. J. Vis. Exp. (154), e60566, doi:10.3791/60566 (2019).

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