Korozif Baca Gazlı Tezgah Ölçekli Fotobiyoreaktörde Mikroalg Ekimi ve Biyokütle Kantifikasyonu
December 19th, 2019
Bench-scale, axenic ekimi sonraki proses ölçeklendirme önce mikroalgal karakterizasyonu ve verimlilik optimizasyonu kolaylaştırır. Fotobiyoreaktörler güvenilir ve tekrarlanabilir mikroalgal deneyler için gerekli kontrolü sağlamak ve güvenli bir şekilde aşındırıcı gazlar ile mikroalg yetiştirmek için adapte edilebilir (CO2, SO2, NO2) belediye veya endüstriyel yanma emisyonları.
Bu protokol, korozif gazlarla mikroalg yetiştirmek için gerekli olan fotobiyoreaktör ekipman uyarlamalarını ayrıntılarıyla anlatır ve fotobiyoreaktörün güvenli çalışması ve örneklemesini tartışır. Fotobiyoreaktörler güvenilir ve tekrarlanabilir mikroalgal deneyler için gerekli kontrolü sağlar. Bu tezgah ölçekli sistem simüle yanma emisyonları ile yetiştirilen mikroalg özellikleri ve verimlilik çalışması için kullanılabilir.
Bu yöntem diğer dikkatle uyarlanmış biyoreaktörler ile veya diğer fotoototrofik mikroorganizmalar yetiştirmek için kullanılabilir. Mikroalg yetiştiriciliği için kullanılan toksik simüle yanma emisyonlarına insan maruz ilerlemesini engelleyen karmaşık bir protokol olduğu için bu yöntemin görsel gösteri önemlidir. Başlamak için, duman kaputu başarısız olsaydı odada zehirli gazların olası birikmiş konsantrasyon model.
Her gaz için Amerikan Endüstriyel Hijyen Derneği matematiksel modelleme elektronik tablosu IH Mod kullanın. Bina HVAC bakım personeli veya HVAC teknisyeni itibaren, Q, oda kaynağı veya dakika metreküp egzoz hava oranı elde. Laboratuvarın hacmini, V'yi metreküp olarak hesaplayın.
Kirletici emisyon oranını hesaplayın, G, her bir toksik gaz türünün miligram cinsinden, P'nin bir ATM'de zehirli gaz tarafından uygulanan basınç fraksiyonu olduğu İdeal Gaz Yasası'ndan uyarlanan denklemi kullanarak, Q gazı nın litre cinsinden gazın dakikada akış hızı, R evrensel gaz sabiti, Kelvin'de sıcaklık T'dir , ve MW köstebek başına gram gaz'ın molekül ağırlığıdır. 24 saatlik bir simülasyon süresi boyunca her gaz için birikmiş oda gaz konsantrasyonlarını hesaplamak için IH Mod elektronik tablosunda üretimi ve model oda temizleme algoritmasını durdurma seçeneği ile iyi karışık oda modelindeki her gaz için V, Q ve G değerlerini kullanın. Bu değerleri pozlama sınırlarıyla karşılaştırın.
Kullanılan zehirli gazların her biri için sensörleriçeren zehirli gaz izleme sistemi kurun. Sensörleri üreticinin talimatlarına göre kalibre edin. Sık sık yumru testi.
Gaz monitörünü duman kaputunun hemen dışında bulun. Deneyden önce, tüm personelin zehirli gaz alarmıiçin uygun tepkiler hakkında bilgilendirilmesini sağlayın. Şimdi, her biri normal bir sodyum hidroksit ve iki 250 mililitre giriş çözeltisi şişelerinde bir normal hidroklorik asit 100 mililitre hazırlayın.
Daldırma tüpleri ve steril hat içi hava filtresine sahip havalandırma tüpü ile donatılmış otoklavlabilen kapaklı şişelerde ölçülü giriş çözümlerini saklayın. Otoklav boru kullanarak fotobiyoreaktörün dört giriş portundan ikisine daldırma tüplerini bağlayın. Fotobiyoreaktör kafa plakası üzerinde soğuk parmak ve egzoz kondansatörü kapatın ve takın.
Aşılama bağlantı noktasını takın ve yerine sıkıca vidala. Fotobiyoreaktör kafa plakası üzerinde aşılama portu bölümüne otoklavboru uzunluğu ekleyin. Biyoreaktörü otoklavlamadan önce, boruyu otoklavlanabilir bir ana kelepçe ile kapatın.
Kullanılmayan fotobiyoreaktör bağlantı noktalarına steril filtrelerle kaplı boruları takın. Kültür orta 1,5 litre ekleyin. Reaktörü ve ilgili giriş çözümlerini 121 santigrat derecede 30 ila 45 dakika otoklavlayın.
Giriş çözümleri ve limanları arasındaki 1,6 milimetrelik iç çap otoklavboruyu ayrı peristaltik pompalar aracılığıyla geçirin. Çark motorunu çark şaftına takın ve montajı sıkın. Aydınlatma gereksinimlerine göre biyoreaktör dışında simetrik LED ışık panelleri düzenleyin.
Gaz silindirlerine 20 PSI çıkış basıncı na sahip uygun regülatörleri takın. Regülatör çıkış hortumu barb altı milimetre iç çap basınca dayanıklı boru takın ve bir hortum kelepçe ile güvenli. Basınç geçirmez borunun diğer ucunu, hortum kelepçesi ile sabitlenmiş altı milimetrelik gövdeli hızlı bağlantı armatürüne hortum dikeni kullanarak gaz düzenleyici kule gaz girişine takın.
Altı milimetrehızlı bağlantı montaj kullanarak gaz düzenleyici kule gaz çıkışına 3,2 milimetre lik iç çap borubağlayın ve çıkış borusu diğer ucunu fotobiyoreaktör kafa plakası üzerinde seyrek halka bağlantı noktasına bağlayın. Çıkış basıncını her gaz regülatöründe 20 PSI'ye ayarlayın. Biyoreaktör arayüzünde, deneysel gaz akış hızlarını ayarlayın.
Stirr işlevini, kültür ortamının seyrek gaz kabarcıklarını asimile edilebilecek kadar hızlı bir çark dönüş hızı ayarlamak için kullanın. Otoklavlamadan sonra, fotobiyoreaktör ve gaz silindirlerini duman kaputunun içinde birleştirin. Fotobiyoreyi ikincil bir kap içinde bir masaya yerleştirin ve gaz silindirlerini bağımsız silindir kevgirlerine veya silindir rafına yerleştirin.
Gaz akışını başlattıktan sonra, gaz silindirleri ve biyoreaktör arasındaki bağlantıları küçük bir sabun çözeltisi akışı ile kapatmak için suya bulaşık sabunu 1:100 seyreltme ile dolu bir yıkama şişesi kullanın. Köpürme ile belirtilen gaz sızıntıları kontrol edin. Mikroalgal deneylerini başlatırken, gazın ayrıştırmaya başlamasıve aşılamadan önce pH'ı ayarlaması.
Hazırlanan mikroalgal inoculumu steril bir şırınga haline getirerek, şırıngayı aşılama noktasına bağlı boruya takarak, aşılama boru kelepçesini açarak ve şırıngayı bastırarak fotobiyoreaktörü aşıla. Gaz monitörünü, gaz silindir basınçlarını ve fotobiyoreaktörü günde iki kez yüksek toksik gaz seviyeleri veya sızıntı göstergesi için kontrol edin. Duman kaputu açıklığını biyoreaktör ve gaz silindir regülatörlerine ulaşılmasını sağlayan bir genişlikle sınırlandırın.
Numune alırken, gaz silindir regülatörlerini reaktöre gaz akışını durdurmak için kapalı konuma getirin. Duman kaputunu kapatın ve kaputun aşındırıcı gazları boşaltması için beş dakika bekleyin. Duman kaputu içinde, bir baş plaka portu açarak ve steril serolojik pipet kullanarak veya aşılama veya örnekleme portu aracılığıyla şırıngaya kültür çizerek örnek alın.
Bu çalışmada, üstel fazda hasat edilen yeşil mikroalg Scenedesmus obliquus için bir kalibrasyon eğrisi OD750 ölçümleri ve kurutulmuş biyokütle konsantrasyonları ile oluşturulmuştur. Biyokütle konsantrasyonları kalibrasyon eğrisinden hesaplanmış ve daha sonra L'nin maksimum biyokütle konsantrasyonu olduğu bir lojistik eğri ile modellenmiştir, k üstel fazın göreceli dikliğidir, x0 eğrinin orta noktasının zamanıdır ve x zamanıdır. Simüle edilmiş baca gazıyla gelecek vaat eden bir ön deneme, günde litre başına 690 miligram olan maksimal mikroalgal biyokütle verimlilik oranı elde etti ve bu oran günde litre başına 510 miligram olan karbondioksit ve ultra sıfır havadan daha fazlaydı.
Sistemin doğru montajı mikroalgal ekimi ve insan güvenliği için en önemli yöntemdir. Sistemin gaz sensörleri ile sürekli olarak izlenmesi gerekmektedir. Transfer hatlarının gaz geçirmez olması ve duman kaputunun uygun şekilde kullanılması gerekir.
Zehirli gazlar içeren basınçlı silindirler tehlikelidir. Her zaman silindirlerin sabitolduğundan ve zehirli gaz izleme sistemi kurduktan sonra sadece bir duman kaputunun içinde kullanıldığından emin olun.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu protokol, mikroalgleri aşındırıcı gazlar kullanarak güvenli bir şekilde yetiştirmek için fotobiyoreaktör ekipmanlarının gerekliliğini ortaya koymaktadır. Mikroalgal araştırmalarda güvenilir ve tekrarlanabilir deneylerin önemini vurgulamaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroalgal yetiştirme
- Fotobiyoreaktör teknolojisi
- Çevre biyoteknolojisi
Arka Plan
- Mikroalgler, yanma emisyonlarından gelen gazlar kullanılarak yetiştirilebilir.
- Fotobiyoreaktörler, kontrollü deneysel koşulların sağlanmasını mümkün kılar.
- İlgili gazların toksisitesi nedeniyle güvenli çalışma kritik öneme sahiptir.
- Bu yöntem diğer fotoototrofik mikroorganizmalar için uyarlanabilir.
Çalışmanın Amacı
- Mikroalgal verimliliği ve özelliklerini optimize etmek.
- Simüle edilen emisyonlar kullanılarak güvenli yetiştirme yöntemlerini göstermek.
- Mikroalgal uygulamalarda gelecekteki araştırmalar için bir çerçeve sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Fotobiyoreaktör ekipmanının aşındırıcı gaz kullanımına adaptasyonu.
- Tutucu başarısızlığı durumunda toksik gaz birikimi modellemesi.
- Karmaşık protokolleri açıklamak için görsel gösteriler.
- Deneyler sırasında güvenli çalışma için numune alma teknikleri.
Ana Sonuçlar
- Simüle edilmiş yanma emisyonları ile mikroalglerin başarılı bir şekilde yetiştirilmesi.
- Araştırmacılar için güvenli operasyonel protokollerin kurulması.
- Deneysel sonuçlarda tekrarlanabilirliğin gösterilmesi.
- Belirli koşullar altında mikroalglerin özellikleri hakkında içgörüler.
Sonuçlar
- Fotobiyoreaktörler, aşındırıcı gazlarla mikroalgal araştırmaları için etkilidir.
- Güvenlik önlemleri, yetiştirme sürecinde kullanılan toksik emisyonların ele alınması için esastır.
- Bu yöntem, biyoteknolojideki daha geniş uygulamalar için uyarlanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This protocol enables safe and reproducible cultivation of microalgae using corrosive flue gases, supporting early-stage target validation in environmental biotechnology and biofuel development. By integrating toxic gas monitoring, fume hood safety protocols, and biomass quantification via OD750 calibration, the method provides a controlled system for assessing photosynthetic productivity under industrial emission conditions. This approach de-risks downstream applications by establishing reliable growth metrics and safety benchmarks before scale-up.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of microalgal growth responses to simulated combustion emissions for pathway clarification and functional target validation.
- Operational Value: Supports biological de-risking through standardized biomass productivity measurements under controlled gas conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated microalgal cultures for downstream screening by establishing reproducible biomass concentration baselines via OD750 and dried weight calibration.
- Operational Value: Ensures assay readiness through gas-tight transfer lines, sterile filtration, and consistent sparging with corrosive gases.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Provides disease-relevant system continuity by modeling microalgal growth on waste gases, aligning with sustainability-focused preclinical models.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions through logistic modeling of biomass productivity and maximum yield predictions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing quantifiable biomass outputs that inform lead identification and preclinical progression, particularly for photoautotrophic chassis development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on gas utilization pathways and growth optimization under flue gas conditions.
- Screening: Delivers quantitative biomass productivity readouts (e.g., 690 mg/L/day) for comparing culture conditions and strain performance.
- Analytics: Enables data-driven comparisons through logistic modeling of biomass accumulation over time, facilitating kinetic parameter extraction.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by demonstrating scalable cultivation on simulated waste streams, supporting bio-based product pipelines.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for testing microalgal strains under variable gas compositions, reducing redundant setup efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in microalgal productivity under emission stress, reducing mechanistic ambiguity in strain selection.
- Operational Value: Standardization of gas exposure protocols, biomass quantification, and safety monitoring across teams.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions via reproducible productivity metrics, lowering late-stage biological risk in biofuel or nutraceutical development.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of strains based on maximal biomass productivity and safety compliance under corrosive gas exposure.
Implementation Considerations
- Required expertise in photobioreactor operation, gas handling, and toxicological safety protocols.
- Need for pressure-resistant tubing, gas regulators, fume hoods, and real-time toxic gas monitoring systems.
- Cross-team standardization of gas flow rates, pH adjustment timing, and sampling procedures to ensure reproducibility.
- Adaptation considerations for different microalgal strains and gas mixtures, including flow rate optimization and material compatibility.
- Practical limitations include the need for continuous gas leak verification and restricted access during sampling due to hood evacuation requirements.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:54
Safe Use of a Photobioreactor Sparged with Corrosive Gases
2:39
Setup and Operation of Photobioreactor
5:18
Adapting the Photobioreactor and Experimental Setup for Toxic Gas Use
7:03
Results: Calibration Curve and Modeled Biomass Productivity
8:00
Conclusion
