다양한 미생물 커뮤니티의 고밀도 배양위한 새로운 생물 반응기

1Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Drexel University, 2Chemical and Biomolecular Engineering, University of Pennsylvania
Published 12/25/2015
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Bioengineering

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Price, J. R., Shieh, W. K., Sales, C. M. A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities. J. Vis. Exp. (106), e53443, doi:10.3791/53443 (2015).

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Abstract

Introduction

하수는 일반적 부유 고형물 (SS), 생물학적 산소 요구량 (BOD), 유기 및 무기 질소 및 인의 함유량 5,6-을 줄이기 위해 활성 슬러지 공정으로 처리한다. 활성 오니 법, 이차 폐수 처리의 수단은, 수신 된 폐수와 미생물 재순환 영양 혼합액 가득 폭기조 내의 유기 탄소의 산화를 수반 5-7 (통상적으로 활성 슬러지로 언급). 혼합액은 슬러지가 쉽게 수집 침전 비교적 큰 정화기 (침전조)에 입사 배치 또는 정화, 폐수 처리가 급 치료 또는 소독을 계속할 수있는 반면에 방출되기 전에, 다시 폭기조로 재순환 될 어느 수신 물 5-7. 차 침전지에서 처리 된 폐수와 고형물 (슬러지)의 효율적인 분리했다의 적절한 기능을 위해 필수적이다tewater 처리 시스템, 어떤 활성 슬러지가 유출 5-8에서 BOD와 SS를 증가 정화기를 넘어 계속있다.

다른 생물학적 과정의 수를 감소 시키거나 부착 성장 (생물막) 반응기의 멤브레인 생물 반응기 (MBR에) 및 입상 슬러지 반응기 명확히 포함 큰 탱크의 필요성을 제거하는 폐수 처리의 보조를 위해 존재한다. 생물막 반응기, 천연 골재 및 미생물 고체 표면 상에 층으로서 부착 된 바이오 필름의 형성에서, 명확히 탱크를 필요로하지 않고 바이오 매스 보유 및 축적을 허용한다. 생물막 반응기는 세 가지 유형으로 분류 될 수있다 : 충전 층 반응기, 유동층 반응기, 및 생물학적 접촉자를 회전. 이러한 살수 필터 및 생물학적 타워로 충전 층 반응기는, 고정 견고한 성장 표면 5,6를 사용한다. 유동층 반응기 (FBRs)는 입자 미생물의 부착에 따라 달라집니다모래와 같은 입상 탄소 (GAC), 또는 높은 상향 유량 9,10 의해 현탁액에 유지되는 유리 비드를 활성화. 회전 생물 반응기는 생물막 있도록 회전축에 부착 된 용지 상에 형성된 바이오 필름을 교대로 공기에 노출되도록 상기 액체 5,6 치료할에 의존한다. MBR에는 생물 반응기 (잠수 구성) 내부 또는 외부 재순환 (측면 스트림 구성) 5,11를 통해 중, 막 여과 장치를 사용합니다. 멤브레인 (11, 12)에서 처리 된 액체 매스와 고체 입자의 양호한 분리를 달성하는 역할을한다. 입상 슬러지 반응기는 미생물이 매우 치밀하고 잘 정착 과립의 형성은 이들이 높은 표면 상향 공기에 노출 될 때 발생한다 (13)를 상향 유동 반응기의 속도이다.

활성 오니 법, 신규 상향 유동 반응기 시스템에 대한 또 다른 대안으로서, 현재 고밀도 생물 반응기 (HDBR)라고 고안했다D와 가난한 침전 슬러지의 형성을 일으키는 것으로 알려져 있습니다 낮은 F / M 조건에서 합성 폐기물 (즉, 벌킹 슬러지) 1,7,14에서 활성 슬러지에 의한 COD 제거를 공부 판매 (2006) Shieh에 의해 만들어진. 이용 HDBR 시스템은 일반적으로 상향 유동 반응기 외부의 재순환 탱크로 구성 유동층 반응기를 변형. 생물막 덮인 기판이 유지되도록 유동층 반응기는 일반적으로 충분한 정지 생물막 성장 하층을 유지하기에 충분히 높지만 낮은 재순환 스트림 흐름 속도로 동작한다. 유동층 반응기와 달리 HDBR 매출액 및 설명 (2006)은 외부 Shieh 통기와 함께, 반응기 (1)의 내부에 형성된 매스 존의 중단을 방지, 비교적 낮은 재순환 스트림의 유속을 사용 하였다. 후속 연구는 성공적 박테리아 3,4- 탈질 / 질산화 된 질소를 이용하여 플럭스의 범위를 치료하는 반응기 설계의 능력을 증명 하였다. 모든 스터드에서HDBR 내의 안정한 고밀도 매스 존의 형성은 외부 응집 / 침전 공정 1-4에 대한 필요성을 제거 이거 야.

우리가 여기 보고서로, 고밀도 문화를 성장 HDBR의​​ 사용은 또한 조류의 배양을위한 광 생물 반응기 (PBR) 구성에서 테스트되었습니다. 우리는 혜택과 조류 재배에이 소설 반응기 시스템의 단점과 바이오 매스 수확 (즉, 좋은 고체 - 액체 분리 15, 16)과 관련된 조류 바이오 연료의 상용화에 큰 장애물을 극복하기위한 가능성을 논의한다. 다음 프로토콜은 시작부터 샘플, 조립, 관심있는 미생물 군집으로 조류와 HDBR을 유지하는 데 필요한 단계를 설명합니다. 종속 영양 및 질산화 / 탈질 문화의 시작 및 동작 프로토콜의 변화도 언급 될 것입니다. 마지막으로, 일반적인 장점, 단점,이 새로운 원자로 설계의 미지수가 강조 표시됩니다.

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Protocol

1. 원자로 조립

  1. 도 1의 개략도에 따른 반응기 구성 요소를 정렬.
    1. , 혼합 접시에 반응기 (R)을 배치 반응기에 교반 막대를 추가합니다. 탱크의 유출 (위) 포트가 실험실 벤치의 가장자리쪽으로 향하도록 교반 판과 원자로 옆에있는 재활용 탱크 (RT)을 놓습니다.
    2. 재활용 탱크 (RT)의 유출 (위) 포트 아래에있는 폐기물 용기 (W)를 놓습니다. 재활용 탱크 (RT) 옆에 공급 탱크 (FT)를 놓습니다.
      주 : 저류조 5 L.의 총 용량을 갖는
  2. 적절한 크기의 스탠드와 클램프와 팁에 대한 반응 (R)을 고정합니다. 마찬가지로, 이동을 방지하기 위해 재순환 탱크 (RT)를 고정.
  3. 재활용 (펌프)에 네오프렌 연동 펌프 튜브를 삽입하고 (펌프 B) 펌프 헤드를 공급. 추가 배관 사양 재료 표를 참조하십시오. 나사 있습니다 provi와 펌프 드라이브에 펌프 헤드를 설치펌프 드라이브 공격 한.
  4. 원자로 및 재활용 탱크의 포트에 펌프의 튜브를 연결합니다. 공급 탱크 및 재활용 탱크에 펌프 B의 튜브의 끝을 삽입합니다. 튜브와 재활용 탱크에 상부 원자로 포트를 연결합니다. 원자로 포트에서 튜브에 클램프를 적용합니다.
    참고 : 광합성 지역 사회가 램프에 의해 제공되는 인공 조명 혜택을 누릴 수 있습니다.

주식 솔루션, 유입수 / 피드 솔루션 및 조류 접종 2. 준비

  1. 미네랄 스톡 용액을 제조 하였다. 200g의 탄산 수​​소 나트륨, 40g 염기성 인산 칼륨, 4g 마그네슘, 황산 4g 염화철, 4g 염화칼슘, 1g의 염화 구리, 1g 코발트 : 탈 이온수 500 mL를 1 L 부피 플라스크에 다음을 추가 클로라이드 수화물, 1g, 염화 니켈 육수화물, 1g 황산 아연 수화물. 탈 이온수 추가 400 ML을 추가합니다. 소금의 용해를 촉진하기 위해 강제로 소용돌이. 다음 DISS염의 olution, 1 L.를 용액의 총 부피를 가지고 탈 이온수를 추가
  2. 암모니아 스톡 용액을 제조 하였다. 1 L 용량 플라스크에서, 탈 이온수 900 ml의 염화 암모늄 38.214 g을 용해. 용해 후, 1000 ml의 총 볼륨을 가져 탈 이온수를 추가합니다.
    주 : 1 L로 희석 스톡 용액 1 ㎖를 10 mg을 L을 산출 -1 NH 4 + -N 용액.
  3. 질산 스톡 용액을 제조 하였다. 1 L 용량 플라스크에서, 탈 이온수 900 ㎖ 중의 질산 칼륨 72.413 g을 용해. 용해 후, 1000 ml의 총 볼륨을 가져 탈 이온수를 추가합니다.
    참고 : - -N 솔루션 1 L로 희석 원액 1 ml를 -1에서 3 10 밀리그램 (L)를 산출한다.
  4. 공급 / 유입수 솔루션을 준비합니다. 2 ㎖를 희석, -N - 20 mg을 L를 포함하는 공급 용액 -1 NH 4 + -N 및 20 mg을 L -1 (3)을 만들려면mmonia 스톡 용액을 1 L의 총 용적에 질산 스톡 용액 2 ㎖. 전 희석, 0.5 ml의 미네랄 솔루션 / 솔루션의 L 만들어지고를 추가합니다. 원자로를 시작하는 데 총 유입수의 5 L를 준비합니다.
  5. 조류 접종을 준비합니다.
    1. 이러한 스트림이나 연못 같이 조류 함유 수역에서 많은 양의 물 (적어도 10 L)를 수집한다. 조류는 24 시간 동안 방해받지 물 샘플을 남겨 정착하도록 허용합니다.
    2. 샘플 병 내에 농축 조류 현탁액을 떠나는 따르다 및 샘플의 맨 클리어 (비 함유 조류) 물을 버린다. 하나의 컨테이너에 모든 샘플에서 조류 서스펜션을 결합하고 정착과 경사 단계를 반복합니다.
    3. 농축 된 시료 내에서 바이오 매스를 측정한다.
      1. 공동을 측정 실온에서 30 분 동안 데시 케이 터에서 냉각 한 후 103 ℃로 설정 한 오븐에서 보트 O / N 무게 종이 진공 필터 (0.45 μm의 MCE 진공 필터) 및 알루미늄을 건조필터의 질량을 mbined와 보트의 무게.
      2. 진공 농축 조류 현탁액 20 ㎖ 필터와 필터를 반환 / N을 O를 건조 오븐 보트의 무게.
      3. 필터의 결합 된 질량을 측정하고, 보트를 단다. 농축 된 시료 내에서 바이오 매스 밀도를 계산합니다.
        참고 : 수사 소스 수역에 의존 할 것이다 수집해야 할 물 시료의 전량.

3. 시드 반응기 시작

  1. 반응기에 공급 용액의 750 ML을 추가합니다. 공급 용액 500 mL를 재활용 탱크를 채우십시오.
  2. 부드럽게 반응기의 하단 조류 1.5 g을 함유하는 접종 현탁액을 추가 긴 피펫을 사용한다. 접종원은 다음 단계로 진행하기 전에, 반응기의 바닥으로 침전 육안으로이를 보장 할 수있다.
  3. 세포가 정착되면, (10 revolutio을 튜브 클램프를 제거하고 느린 유속으로 펌프를 켜십시오NS 최소 -1 / 38 ml의 분 -1). 튜브에 갇힌 공기는 반응기로 추방 될 것입니다.
    주 : 750 ml의 반응기에의 첨가는 반응기로부터 방출로부터 펌프에 의해 방해되지 않도록 어떤 매스 것이다. 모든 공기가 배출되었는지 확인하기 위해 튜브를 짠다.
  4. 용액을 반응기로 펌핑으로 점차적으로 재활용 탱크에 공급 용액을 추가합니다. 원자로 및 재활용 탱크 모두 용량과 상단 포트를 통해 재활용 탱크를 종료 유출 시작에 때까지 추가를 계속합니다.
    주 : 공급 용액의 부피는 반응기에 첨가 접종의 부피에 따라 달라질 재순환 탱크에 첨가한다.
  5. 공급 탱크에 남아있는 공급 용액을 붓는다.
  6. 72.5 ml의 분의 재순환 유량을 설정, -1 인 min 19 회전에 재순환 펌프 (펌프)를 설정 -1. 조류는 반응기의 바닥에서 시작 로프트 관찰한다. 원자로에 그라데이션을 사용하면, 조류 BI를 결정omass 영역의 높이입니다. 높이가 다음 단계로 진행하기 전에 일정 있는지 확인합니다.
  7. 매우 낮은 속도로 혼합 판을 켭니다; 1 또는 2의 설정을 시작하는 것이 적절하다. 혼합 바는 더 바이오 매스 로프트에 도움이 될 것입니다,하지만 공격적인 혼합, 반응을 남겨 재활용 탱크를 입력하고 유출에두고 조류가 발생합니다. 반응기 (도 2A) 내에 맑은 조류 경계를 설정하기 위해 필요한 설정에 속도 설정을 혼합; 조류 바이오 매스 구역은 높이 약 10~15cm해야한다.
  8. 조류 플러그와 원자로 유체 사이에 명확한 경계를 관찰 한 후 공급 펌프를 시작합니다. 1.5 ml의 분의 유속을 확립, -1 인 min으로 25 회전 펌프를 설정 -1. 때문에 들어오는 유입 스트림에 의해 발생하는 중력과 변위 반응기 유체 출구에게 유출 포트를 관찰한다.

4. 샘플 수집 및 분석

  1. 시료 채취 활동 PRI을 수행또는 반응기 시스템 유지 보수를 수행한다. 매일 유출과 유입 시료 20 ㎖를 수집합니다. 재활용 탱크 내에서 폐수 샘플을 수집합니다. 공급 탱크로부터 직접 유입수 샘플을 수집한다.
  2. 진공 필터 샘플을 저장 및 분석에 앞서 부유 물질 제거합니다.
  3. 추가 분석 할 때까지 -20 ° C에서 유입 및 유출 물 샘플을 저장합니다. 샘플을 실시 동결 해동 사이클의 수를 제한한다. 필요한 경우, 샘플은 샘플의 무결성을 유지하기 위해 분취 량으로 분할 될 수있다.
  4. 표준 기술 (17)를 사용하여 질산염, 아질산염, 암모니아에 대한 시료 분석을 수행하십시오.
    주 : 이온 크로마토 그래피 (IC) 제작자들이 이용 본원에 제시된 결과를 생성한다. 사양에 대한 자료 표를 참조하십시오.

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Representative Results

40 mg의 -nl -1 피드 총 질소 함량을 유지하면서 HDBR는 유입 암모니아와 질산의 농도의 비율을 통해 여러 조류를 배양하기 위해 사용되었다. 유입 및 유출 물 샘플을 매일 찍은; 생물량 밀도 샘플은 각 조건의 시작과 끝에서 촬영 하였다. 반응기 조건을 변경 한 후 정상 상태 평형에 도달하기 위해 평균 3~5일 취했다. 유입수 조건의 넓은 범위에 걸쳐 뚜렷한 매스 영역은 이전 연구를 (도 2)로 관찰, 설립되었다. HDBR에서 조류 배양 피드 (N = 44)의 총 질소 화합물의 18.4 %의 평균을 제거하는 것으로 확인되었다. 바이오 매스 지역 내 총 조류 바이오 매스 및 바이오 매스 밀도는이 연구의 과정을 통해 일치했다.

NH 4 +와 NO 3의 제거는 - NH 4 +와 NO 3에 대해 그려 - 에드 조성물 3. 단순 회귀 분석 모델은 N 종의 제거 및 사료 조성물 18-20 사이의 관계의 중요성을 평가하는데 사용 하였다. 조성물 (도 3a 및도 3b 각각) - 암모니아를 제거하여 NH 4 + 및 NO 3의 모든 범위에 존재 하였다. 둘 NH 4 + 나 NO 3 - 사료 조성물 (각각 N = 44, p = 0.993 및 n = 44, p = 0.610) 실험 조건 이상의 NH 4 +의 영향을 제거하지 않는다. 한편, NO 3의 제거 - 음 NH 4 + 사료 조성물과 관련이있는 것으로 밝혀졌다 (N = 44, p = 0.000) (도 3c) 및 NO 3 긍정적 변화 - 사료 조성물 (N = 44, P = 0.000) (그림 3D).

NO 3 - (negat 축적이 관찰되지 않았다유입 조성물의 대부분 원자로 내에서 필자 제거) (34 44 중 샘플). NO 3 - NH 4 + 공급 농도가 10 mg을 -nl -1 NO 3 이하 일 때 제거은 관찰되지 않았다 - 공급 농도가 15 mg을 -nl 이상이었다 -1. 외부 재활용 탱크와 조류에 의해 폭기를 통해 반응기에 첨가되는 산소, 암모니아 및 아질산 산화 세균 (각각 AOB와 NOB,)에 대한 전자 수용체 역할을 할 수 있습니다. 호기성 조건 높은 재순환 유량 통해 반응기 내의 지배 경우 dissimilatory (종속) 탈질을 수행 할 수있다 박테리아는 전자 수용체로서 산소 (4)를 이용하는 것을 선호합니다. NO 3의 비율 경우 - 공급에서 생산 및 입력 NO 3의 동화 변환 초과 - 유기 질소 또는 dissimilatory 탈질에를, NO 3 - 석유 수집 할 수 있습니다반응기에서 테. NO 3의 NH 4 +의 제거 및 축적 - 조류는 NO 3 NH 4 +의 전환을 촉진하는 것으로 알려져하지 않는 한 AOB와 NOB이 지역 사회 내에 존재하고 활성화되어 있음을 시사한다 -. 이러한 결과는 혼합 조류 박테리아 사회에서 질소 유량 역학 및 동역학을 연구하기 위해,이 반응기 시스템을 사용할 수있는 능력을 입증한다.

저자는 성공적 년 이상이 HDBRs 건강 조류 지역 사회를 유지하고있다. 두 원자로 충돌은, 그러나, 유입 조성에 심각한 변화의 결과로 모두,이 프로젝트의 처음부터 발생했다. 총 질소 유량이 일정하게 유지되면서 제 질소 종 비율의 변화의 결과이다; NH 4 +는 공급에서 제거하고, NO 3 - 농도는 보상 증가 하였다. 두 번째 충돌이 해부 할의 결과로 발생G 40 mg을 -nl -1에서 10 mg을 -nl-1 (그림 4)에 75 %로 총 질소 플럭스. 두 경우 모두 별개 매스 존 경계는 유출 물에 부유 물질의 급격한 증가 (도 4)과 일치하는 2 ~ 3 일에 걸쳐 악화가 관찰되었다. 폐수 부유 물질은 원자로 손실 바이오 매스 공급의 변화 (그림 4) 이후 최대 육일 증가했다. 충돌 현탁 후 유출 고형분이 높은 (약 0.22 g SS의 L-1)에 남아있어 새 매스는 실험의 지속을 방지 반응기 내에 축적이 관찰되지 않았다. 현재 디자인들은 잘 응집 남아 있지 않은 경우 배양을 유지하는 안전 메커니즘이 부족하다.

그림 1
고밀도 생물 반응기의 그림 1. 도식 (HDBR) (t 없습니다O 규모). 반응기 (R)은 1,000 ml의로 구성되어 100 ㎖에 설치된 포트 (호스 미늘, 외경 3/8 ") 및 1,000 ml의 농도로 실린더를 졸업했다. 원자로 유체가 연동 펌프를 사용하여 반응기를 통해 순환 (PA), 반응기의 하단에 들어가고 상부 포트쪽으로 매스 존 (BZ)를 통해 위쪽으로 흐르는. 유체 출구를 반응기 상부 포트 중력 하에서 재순환 탱크 (RT)에 관한 것이다. RT 600 ㎖의 유리 비이커로 구성된다.이 두 포트가 설치되어, 비커의 바닥과 500㎖의 마크 반응기 유체에서 다른에 위치한 하나는 하부 포트 (및 PA)를 통해 반응기로 복귀되는 유출 물 잎. 상단 RT의 포트를 통해 반응기 (W). 확산 폭기는 폭기 (A)를 사용하여 RT에서 제공되는 폐기 용기에 수집된다. 폭기 처리는 또한 MV. 연동 펌프 B 내에 혼합 구동 (PB)는 RT에 탱크 함유 공급 / 유입수 (FT)에서 유입를 제공합니다.

그림 2
그림 고밀도 생물 반응기 (HDBR) 내에서 바이오 매스 / 원자로 유체 분리 2. 예. 패널은 고밀도 조류 커뮤니티 (2.83 G SS의 L-1)이 HDBR 내에서 배양 보여줍니다. 광합성 미생물 군집의 침강 속도는 반응기 유체의 초과하면 뚜렷한 경계가 발생한다. 패널 B는 판매 및 Shieh (2006) 1에 기술 된 재활용 조건에서 활성 슬러지에 의해 형성된 미생물 행렬을 표시합니다. 패널 C는 효모 발효를 통해 에탄올 생산을위한 포도당으로 구성 유입에 배양 쇼 (결과는 공개하지 않음). 이러한 반응기 구성의 세에 신규 반응기 디자인을 갖는다 eliminatED는 반응기 시스템에서 별도 명확히 또는 정착 프로세스에 대한 필요가있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
.. NH 4 +와 NO 3의 그림 3 그림 - 유입 구성 대 제거율은 총 유입 N 농도가 40 mg을 -nl 유지 하였다 -1 연구의 지속 시간 동안. (A) + NH 4 공급 농도가 NH 4 +의 제거에 대해 도시되고; 유의 한 효과가 없었다 (N = 44, p = 0.993). (B) NO 3 - 공급 농도가 NH 4 +의 제거에 대해 도시되고; 유의 한 효과가 없었다 (N = 44, p = 0.610).(C) NO 3 - 제거는 상당히 부정적인 NH 4에 관련된 것으로 밝혀졌다 + 공급 농도 (N = 44, p = 0.000). (D) NO 3 - 공급 농도 (N = 44, P = 0.000) -. 제거는 상당히 긍정적 NO 3 관련이 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 그림.

그림 4
응답하여도 4 증가 유출 부유 고형물 크게 반응기를 통해 질소 흐름을 감소한다. 유입수 질소 함량은 40 mg을 -nl에서 감소 하였다 -1 . 별개의 바이오 매스 영역의 10 mg의 -nl -1 (이 그림 시간 0에서, 또한 수직 선으로 표시) 열화 2 일 후 관찰되었다; 삼일 후 바이오 매스 손실은 쉽게 관찰 할 수 있었다. 변경이 제정 최대 유출 SS 6 일 이후에 발생 된 후 유출 SS의 상당한 증가가 일 후에 관찰되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
5. 현미경 사진 다공성 플록 구조를 강조하고 사상 박테리아를 연동 그림. 종속 영양 세균 (활성 슬러지)에 의해 형성된 다공성 구조를 나타내는 두 현미경을. 사상 박테리아는 안정화 된 바이오 매스 영역에 플록 연동, 플록 사이의 공간을 연결.= "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg"대상 = "_ 빈"HREF>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

이 섹션에서는 가능한 운영 문제뿐만 아니라 다른 미생물 군집을 사용하여 해결하는 데 필요한 프로토콜의 변화에​​ 대한 논의와 함께 시작됩니다. 이 반응기 설계의 장점은 산소 유량의 제어 및 반응기 내의 고밀도 플록의 형성을 제어하는​​ 기능을 포함하여, 설명한다. 현재 도전과 조사 가능한 도로도 언급됩니다.

프로토콜 뉘앙스의 변화
문화의 다른 유형의 재배 HDBRs의 동작을 조사중인 종에 따라 운영 프로토콜에 약간의 변화를 필요로한다. 충분히 혼합 및 조류 바이오 매스 존의 확장 빛과 광합성 있도록 모든 플록의 노출을 증가시킬 필요가있다. 원자로 내에서 조류 바이오 매스의 정지는 원자로 재활용 율의 조합 및 믹싱 바 속도에 의해 구동된다. 케어 동작 특성을 선택하는데주의해야둘 중에서, 반응 용기는 재순환 탱크의 상부 포트를 통해 유출 물에 손실 될 수 잎 어떤 매스로서 생물학적 활성 조류 바이오 매스 영역과 반응기 상부에서 포트 사이의 적절한 거리가 존재하도록. 바이오 매스 폐기물에두고 관찰되는 경우, 필터는 재순환 탱크의 상부 포트에 끼울 수있다. 유리솜 플러그의 필터로서 사용될 수있다. 바이오 필터는 축적로 변경해야한다. 필터가 사용되는 경우, 부유 고체 시료는 정확한 질량 균형을 얻기 위해 재순환 탱크 반응기 내의 유체 이외에 필터의 하류에서 취해 져야한다; 필터에 축적 된 바이오 매스는 차지해야합니다. 효모 및 조류 일부 동작 조건에서 바이오 매스 존은 항상 커뮤니티 건강한 때에도 정화 액으로 이어지지 않는다. 이러한 경우에는 매스 영역 및 상기 재순환 탱크 내의 띄는 셀 묽은 현탁액이있다. 우리는 hypothesiz종속 영양 및 질산화 / 탈질 세균 배양 (그림 5)에서 볼 수 있듯이 HDBR에서 재배 된 조류와 효모 지역 사회에서 지금까지 안정적으로 연동 바이오 매스 존에 사상 박테리아를 포함하지 않는 전자. 목표는 효모 및 조류의 경우와 같은 유출 물로부터 세포 탈출을 방지하는 경우, 따라서, 이는 유출 포트 또는 막 여과 장치를 사용하는 것이 필요할 수있다.

부정적인 HDBR의​​ 고액 분리에 영향을 미칠 수있는 매스 방해 예기치 소스는, 재순환 펌프 라인 내에 기포가 축적된다. 이 거품은 재활용 탱크에서 폭기의 제품입니다. 관리는 정기적으로 배관 내 가스의 축적을 제거하기 위해주의해야한다. 이 프로세스를 촉진한다 유체 흐름 방향으로 튜브를 조이고하면 튜브의 내부에 고정되고있다 어떤 미생물을 제거하는 역할. 이러한 배양에서 세포로 플록 응집하는 경향을 준수하고 HDBR의​​ 벽에 정착하는 매스 구역으로부터 방출 될 때, 그들은 또한 경향이있다. 연구자들은 반응기 재순환 탱크의 내벽에 바이오 매스의 밀착성이있을 때는 따라서, 그들은 방해하고 반응기의 벽에 과도한 생물막의 성장을 방지하기 위해 살균 유리 피펫 또는 브러쉬를 사용한다.

종속 영양 미생물 또는 질화 / 탈질 세균이 관심있는 사회 때 위에서 설명한 프로토콜은 수정해야합니다. 판매 Shieh 1 기재된 바와 같이 예를 들면, 종속 영양 미생물 4g는 (VSS로 측정), 반응기를 시드하기 위해 사용되었다. 암모니아 공부 및 아질산 산화 균 때 원고 (21)에 따라 부록 Nootong 및 Shieh 2 Ramanathan 외. 4에 기재된, 및 확장과 같은 농후 AOB / NOB 2g을 사용 하였다. 균액의 정확한 양은진정으로 변할 수 반응기를 시작하는 데 사용되는 소스 사용할 접종 및 반응기 체적의 실제의 양에 의존한다. 이러한 매트 형성 문화를 사용할 때 바이오 매스의 교란을 방지하기 위해, 교반 막대의 사용은 권장하지 않습니다.

유압 특성의 조작
HDBR 설계의 주요 장점은 서로 독립적으로 공급 및 재순환 흐름 속도를 제어 할 수있는 능력이다. 연구자들은 특정 로딩 속도를 대상으로 요금을 재활용, 또는 비율을 재활용 할 수 있습니다. 공부 반응기 성능이 합성 폐수로부터 COD를 제거하는 활성 오니를 이용하면서, 예를 들어, 재순환 비는 3.5-21.5 1까지 변화. 독립 영양 질화를 이용하는 반응기의 초기 연구 / 탈질 균은 안정 매스 존 3 2.5에서 24.3 사이의 재순환 비율하에 유지 될 수있는 것으로 나타났다. 아무런 문제가 발생하지 않았습니다로 재활용 라 증가 할 때 증명이 추정치는 보수적최대 43에 tios 연구 (21)을 따릅니다. 높은 재활용 비율에서 작동 할 수있는 능력, 따라서 높은 재활용 율, 매스 존의 안정성과 특성에 유체 전단의 효과를 연구하는데 유용하다. 이러한 조류 재배, 설립과 바이오 매스 행렬의 유지 보수 등의 경우에서, 요구 사항과 높은 재활용 비율은 아니며 비율은 조류 컬럼의 서스펜션을 지원하기 위해 필요하다. 반응기 설계는 연구자가 반응기 내의 별개 매스 / 유출 인터페이스를 유지할 수 있다는 것을 제공 높은 재활용 율 (본 연구에서 49.3)에 의해 지원 현탁액을 촉진 할 수있다. 재순 환율이 높은 경우에, 전체 HDBR 시스템의 반응기 유압 특성은 완전히 플러그 유동 반응기 (PFR)보다 혼합 반응기 (CMFR)는, 따라서 허용 조사자 유압의 스펙트럼에 걸쳐 배양을 조사하는 것이 더 비슷하게 동작 단일 시스템의 재순환 유량 특성에 믹싱후술하는 바와 같이 LSO은 반응기에 걸쳐 플럭스, 물질 전달 및 용존 기체 종의 분배하는 역할을한다.

재활용 탱크에서 O 2 플럭스의 제어 및 가스 제거
결합 질산화 / 탈질 공정을 연구하는 동안 질화가 2-4 행했다 같이, 용존 산소 농도는 이전 COD 제거 연구 한 평행 빠르게 활성 매스 영역의 가장 낮은 부분에 고갈 것으로 관찰되었다; 이것은 매스 플로우 내의 유동 정권 PFR 1과 유사한 것을 제안 할 수있다. 상부 미생물이 무산소 영역으로되고, 탈질 화 반응기 유출 물로부터 용해 된 2,3- 질소의 제거의 결과로 수행 하였다. 이러한 관찰은 그 증명을 재활용 조작을 통한 상향 탱크에 산소의 유량을 제어 할 수있는 능력과 함께 재순환 탱크에서 외부 폭기의 조합,속도는, 하나의 탱크 내에 발생하는 호기성, 혐기성 및 무산소 반응을 허용하고 플록 내에 매스 영역의 길이를 따라 개발 산소 구배 허용한다. 생물 처리를위한 다수의 반응에 좌우 또는 산소에 의해 억제되기 때문에,이 반응기는 생물 반응기 내로 산소 질량 속도를 제어하기 쉬운 방법을 가능하게; 가능성이 더 효율적 포기 사례를 가능하게한다. 폭기는 폐수 처리에서 가장 높은 에너지 비용 중 하나이기 때문에, 이것은 자치 22,23위한 운영 비용을 낮추는 역할을 할 수있다.

반응기를 통해 산소 유량의 제어뿐만 아니라 영양과 chemoautotrophic 박테리아에 대한 우려이다. 과량의 여기 에너지 (EEE)이 세포에 노출되는 잉여 광 에너지 조류이고, 산소의 결과 (O 2) 슈퍼 옥사이드로 감소되고 (O 2 -) 광계의 I 또는 II (PSI와 PSII) (24)로부터 분로 과잉 전자와. 활성 산소 음이온은 significan 될 수 있습니다조류 시스템의 생리 학적 손상을 t. 손상은 세포 성분에 발생할 수 있지만, 높은 응력 세포에서 반응성 산소 종 (ROS)은 여전히 24-28을 형성하기 전에 - 셀룰러 틀 감지 O 2를 중화하기 위해 존재한다. 재활용 율 및 재순환 탱크에서 폭기를 제어함으로써, 연구자들은 과잉 산소가 조류 배양에 유도 할 독성으로부터 발생하는 문제를 해결할 수 있고, 상기 경우에 특히, 고밀도 배양에 조류의 성장을 향상시킬 수있다 여기서 기업 광은 램프의 사용을 통해 제공되고있다.

플록 및 / 또는 바이오 매스 영역의 형성은 다양한 거시 및 미세 환경에 이르게
이 반응기 설계의 가장 독특한 특징 중 하나는 명확히 탱크의 제거이다. 우리 HDBRs 달성된다 좋은 고액 분리가 고밀도 플록의 형성 (하나에 기인 할 수 있다는 가설 즉,조류의 경우), 또는) 1-4,7,16 (그림 5) 문화를 탈질 / 종속 영양과 질화와 연동 플록과 긴 필라멘트 미생물 (안정적, 다공성 매트릭스의 형성. 플록의 형성과 안정성은 물리, 화학 물질의 수와 생물학적 요인 7,13,29-31에 따라 달라집니다. 사실, 플록의 형성이 시작의 주된 목적이며, 현탁 접종 13,30 사이뿐만 아니라 화합물 (응집제를 제조 잘 응집 미생물의 존재에 충돌을 증가시키기 위해 충분히 혼합 (전단력 구배)에 의존 ) 세포 (31, 32)를 집계 할 수있다. 이러한 실험실 규모의 반응기에서는 그러한 반응기의 하단에 교반 막대로 응집 충분한 혼합이 어느 상향 유동 속도 프로파일 또는 혼합 장치에 의해 달성 될 수 있음을 발견 하였다. 산소를 필요로 문화를 들면, 외부 재활용 탱크 수 b외부 가스 이송 탱크로 사용 E (어느 통기 나 광합성 반응에 의해 생성 된 산소를 제거하기위한 예를 들면, 가스의 제거를위한). 외부 폭기의 장점은 기포가 플록에 접촉 및 이격 그들을 파괴뿐만 아니라 과도한 혼합을 방지한다. 기포들이 매트릭스의 일부를 부술 발견 또는 그들을 일으키는 행렬 섹션 내에 혼입 될 수있는 반응기를 입력하는 것으로했을 때, 안정한 다공성 매트릭스를 형성 종속 영양 및 질산화 / 탈질 문화와 몇몇 예에서, 반응기의 상단에 떠. 따라서, 외부 가스 이송 탱크의 동작은 기포가 재순환 라인을 통해 반응기에 진입 방지 시스템의 좋은 고액 분리를 유지하기에 중요하다.

잠재적 HDBR 방향
벤치 탑 반응기 연구, PBRS 집중 특히 종종 특정 마이크로위한 운동 데이터를 수집 향해 집중되고BIAL 종 또는 지역 사회 1,3,4,33,34. 역사적으로 많은 연구가 조류와 박테리아 사회 35, 36 사이의 종간 상호 작용의 중요성을 장착 증거에도 불구하고 무균 또는 항균 처리 된 조류 배양에 수행됩니다. 혼합 문화의 연구는 이러한 종간 관계가 35-38를 작동하는 방법에 대한 새로운 통찰력 결론을 얻을 것을 약속드립니다. 혼합 문화의 최근 연구는 조류와 박테리아의 성장 속도 33, 34을 정량화하는 정량적 중합 효소 연쇄 반응 (qPCR에) 분자 생물학 도구 샘플 분석을 포함하도록 확장했다. Metagenomic 및 metatranscriptomic 분석 조류와 박테리아가 모두 설계와 자연 생태계 (39, 40)에 상호 작용하는 방법에 대한 자세한 내용을 명료하게하는 데 사용되었습니다. HDBRs에 미생물 배양 물 분자의 조사 이외에, 현미경 연구 크기, 구조 및 응집물의 조직과의 생체 다공성 매트릭스 검사매스 영역 좋은 고액 분리를 촉진 HDBRs 능력에 중요한 정보를 제공 할 것이다.

지금까지, 반응기 부피 및 재순환 비의 단지 작은 범위 HDBR 설계를 사용하여 조사되었다. 따라서, 스케일 업 애플리케이션에서 반응기의 성능은 현재 알려져 있지 않다. 시험 반응기 시스템 각각은 2보다 부피 L 및 유리로 구성된다. 이 원자로는 선반의 구성 요소를 해제하지 않으며 시작 조각을 조심스럽게 적절한 두께 (개인 통신 : 케이 카라로 2014 년)을 선택해야합니다으로 유리 반응기의 크기가 어려울 수 증가 실험실 유리 전문가로 구성해야합니다으로. 큰 유리는 플라스틱, 콘크리트 또는 반응기와 비교하여 파손 또는 손상의 높은 위험이있다. 벤치 탑 실험 금속 또는 플라스틱으로 더 큰 원자로를 건설하는 것은 아직 조사하는 옵션이 있지만,이 옵션의 생존 할 수있다. 또한 T그 조사 중에 반응기의 육안 관찰을 방해 할 수있다, 불투명 또는 반투명의 재료로 사용하고 PBR 구성에서 이러한 반응기의 조작을 복잡하게한다.

이 원고는 고밀도 생물 반응기 (HDBR)를 작동 조립, 시작 및 운영 절차를 설명하고있다. 이전 작업은 COD와 영양 및 chemoautotrophic 박테리아 1-4를 사용하여 질소 종을 모두 제거 HDBRs 용량을 설립했다. 여기에서 저자는 고밀도 조류 커뮤니티 배양 HDBRs의 능력과 합성 폐수에서 질소 화합물의 제거를 보여준다. 이전의 관찰 결과에 따라, 안정한 매스 존 전체에서 유입 된 질소 화합물의 18.4 %를 제거하는 동안 달성되었다 명확히 과정없이 조류 및 반응기의 성공적인 작동에 의해 형성되었다. 수 있도록 관찰, - 질소 종 사이의 변환 (3 NO로 NH 4 +)저자는 AOB와 NOB의 존재와 활동을 제안합니다. 환경과 산업 분야의 다양한 미생물의 고밀도 배양이 반응기 설계의 전류 조류 및 HDBR 시스템 지원 더 사용하여 종래 연구와 시연뿐만 아니라 연구 개발에서이 원고에 제시된 결과.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aeration stone Alita AS-3015C
Aerator Top Fin Air-1000
Ammonium chloride Sigma Aldrich A9434
Anion analysis column Shodex IC SI-52 4E
Beaker (600 ml) Corning Pyrex 1000-600 Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 ml levels. Outside diameter of hose barbs 3/8".
Calcium chloride Sigma Aldrich C5670
Cation analysis column Shodex IC YS-50
Cobalt chloride hexahydrate Sigma Aldrich C8661
Copper chloride Sigma Aldrich 222011
Ferric chloride Sigma Aldrich 157740
Filter (vacuum) Fisherbrand 09-719-2E 0.45 μm membrane filter, MCE, 47 mm diameter
Graduated cylinder (1,000 ml) Corning Pyrex 3025-1L Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 ml, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8".
HPLC/IC Shimadzu Prominence
Magnesium sulfate Sigma Aldrich M2643
Masterflex L/S variable speed drive Masterflex 07553-50 Drive for recycle and feed pumps (2 needed)
Nickel chloride hexahydrate Sigma Aldrich N6136
Potassium nitrate Sigma Aldrich P8291
(Monobasic) Potassium phosphate Sigma Aldrich P5655
Pump head Masterflex 07018-20 Recycle pump head
Pump head Masterflex 07013-20 Feed pump head
Pump tubing Masterflex 6404-18 Recycle pump tubing
Pump tubing Masterflex 6404-13 Feed pump tubing
Sodium bicarbonate Sigma Aldrich S5761
Zinc sulfate heptahydrate Sigma Aldrich Z0251

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References

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