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