Роман биореактор для высокой плотности Выращивание разнородных микробных сообществ

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

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Городские сточные воды обычно обрабатывают процессов с активным илом с целью снижения взвешенные твердые частицы (SS), биологическое потребление кислорода (БПК), органические и неорганические азотные и содержанием фосфора 5,6. Активированный процесс осадка, средство вторичной очистки сточных вод, влечет за собой окисление органического углерода в аэротенка, наполненной смешанной жидкости из поступающих сточных вод и вторичного гетеротрофных микроорганизмов (как правило, называют активного ила) 5-7. Смешанный раствор затем поступает относительно большое осветлитель (отстойник), где шлам оседает для облегчения сбора, либо утилизировать или возвращается в аэротенк, а осветленный, очищенные сточные воды могут продолжать доочистки или обеззараживания до выпуска в получающие воды 5-7. Эффективное разделение очищенных сточных вод и твердых (шлама) на вторичном отстойнике имеет важное значение для нормального функционирования А былСистема обработки tewater, как и любой активный ил продолжает за осветлителей увеличится БПК и SS в сточных 5-8.

Ряд альтернативных биологических процессов существуют для вторичной очистки сточных вод позволяют сократить или устранить необходимость в больших резервуарах, разъясняющие, в том числе прикрепленного роста (биопленки) реакторов, мембранных биореакторов (МБР), и сыпучих шламовых реакторов. В биопленки реакторов, формирование биопленок, в котором микроорганизмов, естественно совокупности и приложить в виде слоя на твердой поверхности, позволяет удержания биомассы и накопления без необходимости осветл бака. Биопленки реакторы могут быть классифицированы на три типа: реакторов с уплотненным слоем, реакторы с псевдоожиженным слоем, и вращение биологических контакторов. Упакованные реакторы слоем, такие как капельных фильтрах и биологических башен, используют стационарную твердую поверхность роста 5,6. Реакторы с кипящим слоем (FBRs) зависит от приложения микроорганизмов к частицам,таких как песок, гранулированный активированный уголь (GAC), или стеклянные бусы, которые хранятся в суспензии с высокой скоростью восходящего потока 9,10. Вращающиеся биологических реакторов зависит от биопленок, образованных на носителе, прикрепленных на вращающемся валу, позволяющих биопленки быть попеременно экспонированных на воздухе и жидкость проходят лечение 5,6. МУРЗ использовать единицы мембранной фильтрации, либо в биореакторе (погруженной конфигурации) или внешне через рециркуляции (конфигурации сторона-поток) 5,11. Мембраны служат для достижения хорошего разделения биомассы и твердых частиц из обрабатываемого жидкого 11,12. Гранулированные шлама реакторов с восходящим потоком реактора, в котором формирование чрезвычайно плотных и хорошо оседающих гранул микроорганизмов происходит, когда они подвергаются воздействию высокой поверхностной воздуха восходящего потока скоростей 13.

В качестве другой альтернативы в активного ила, роман с восходящим потоком реактора системы, которая теперь называется высокой плотности биореактор (HDBR), был Дизайнд и построен по продажам и Shieh (2006) для изучения удаление ХПК активного ила из потоков отходов синтетических в условиях низких F / M, что, как известно, приводит к образованию осадка плохой осаждения (т.е., наполнители шлама) 1,7,14. Система HDBR использованы модифицированные реакторы с псевдоожиженным слоем, который, как правило, состоят из реактора с восходящим потоком и внешней рециркуляции резервуара. Реакторы с кипящим слоем, как правило, работает с частотой поток рециркуляции потока, достаточно высоких, чтобы субстрат роста биопленки приостановлено, но достаточно низких, так что биопленки покрытые подложки сохраняется. В отличие от реакторов с кипящим слоем, то HDBR описано в продаже и Shieh (2006), используемый относительно низкие цены рециркуляционный поток потока, который, наряду с внешним аэрации, предотвратить нарушение зоны биомассы, образованной в реакторе 1. Последующие исследования показали, способность этого реактора конструкции как успешно лечить целый ряд потоков азота с помощью нитрификации / денитрификации бактерий 3,4. Во всех шпильких годов формирование стабильной, плотной зоне биомассы в рамках HDBR отпала необходимость во внешнем флокуляции процесса / оседания 1-4.

Как мы сообщаем, использование HDBR расти густые культуры был также протестирован в фотобиореактор (PBR) конфигурации для выращивания водорослей. Мы обсудим преимущества и недостатки этой новой системы реактора для выращивания водорослей и потенциал для преодоления большой барьер в коммерциализации водорослей биотоплива, связанных с уборки биомассы (т.е. хорошо твердой и жидкой фаз 15,16). Следующий протокол описывает шаги, необходимые для сборки, запуска, образец из, и поддерживать HDBR с водорослями, как микробного сообщества интерес. Изменения в запуске и эксплуатации протокола гетеротрофных и нитрифицирующих / Денитрифицирующие культур также будут упомянуты. Наконец, будут выделены общие преимущества, недостатки, и неизвестные этой новой конструкции реактора.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Реактор Ассамблея

  1. Упорядочить компоненты реактора в соответствии с схеме на рисунке 1.
    1. Поместите реактор (R) на смесительной пластине, добавить мешалкой в ​​реактор. Поместите рецикла бак (RT) рядом с пластиной и мешалкой реакторе таким образом, чтобы сточные воды (вверху) отверстие резервуара направляется к краю лабораторном столе.
    2. Поместите контейнер для отходов (W) под стоков (верхняя) порт рециркуляции бака (RT). Поместите подачи бак (FT) рядом с рециркуляции бака (RT).
      Примечание: Бак подачи имеет общую емкость 5 л
  2. Безопасный реактор (R) против опрокидывания с соответствующим размером стенда и зажима. Точно так же, обеспечить рециркуляции танк (RT) для предотвращения движения.
  3. Вставьте неопрена перистальтический насос в рециркуляции (насос A) и кормить головы (Насос B) насоса. Обратитесь к таблице материалов для дополнительных спецификаций труб. Установите головки насоса на насос дисков с винтами ProViДед с приводами насосов.
  4. Подключите шланг накачки, чтобы порты на реакторе и рециркуляции бака. Вставьте конец трубки Pump Б в бак подачи и рециркуляции бака. Подключите верхний порт реактора в мусорную бака с трубкой. Применение зажимы трубки в портах реактора.
    Примечание: Фотосинтетические общины могут извлечь выгоду из искусственном освещении лампами предоставленной.

2. Подготовка исходных растворов, влиятельных / корм Solutions, и водорослей модификатора

  1. Подготовка минерального сырья решение. Добавьте следующее в 1-литровую мерную колбу на 500 мл деионизированной воды: 200 г бикарбоната натрия, 40 г одноосновного фосфата калия, 4 г сульфата магния, 4 г хлорида железа, 4 г хлорида кальция, 1 г хлорида меди, 1 г кобальта гексагидрата хлорида, 1 г гексагидрата хлорида никеля, 1 г гептагидрата сульфата цинка. Добавить еще 400 мл деионизированной воды. Вихревой силой поощрять растворение солей. После диссспособность по солей, добавить деионизированную воду, чтобы довести общий объем раствора до 1 л
  2. Подготовка исходного раствора аммиака. В 1 л мерной колбе, растворяют 38.214 г хлорида аммония в примерно 900 мл деионизированной воды. После растворения, добавить деионизированной водой до довести общий объем до 1000 мл.
    Примечание: 1 мл исходного раствора, разбавленного до объема 1 л дает 10 мг L -1 NH + 4 -N решение.
  3. Подготовка исходного раствора нитрата. В 1 л мерной колбе, растворяют 72.413 г нитрата калия в примерно 900 мл деионизированной воды. После растворения, добавить деионизированной водой до довести общий объем до 1000 мл.
    Примечание: 1 мл раствора разбавленные до 1 л дает 10 мг L-1 NO 3 - -N решение.
  4. Подготовка кормов / втекающего раствора. Чтобы сделать подачи раствора, содержащего 20 мг · л -1 NH 4 + -N и 20 мг L -1 NO 3 - -N, разбавленные 2 млmmonia раствор и 2 мл нитрата маточного раствора до 1 л общего объема. До разбавления, добавить 0,5 мл минерального раствора / л раствора, достигнутый. Подготовьте 5 л сточной в общей сложности для запуска реактора.
  5. Подготовка водорослей модификатора.
    1. Накопление большого объема (по крайней мере, 10 л) воды из водного водорослей, содержащих такие как поток или водоем. Разрешить водоросли урегулировать оставив пробы воды в покое на 24 ч.
    2. Декантировать и отбросить ясно (нон-водоросли, содержащий воду) в верхней части образцов, оставляя концентрированной суспензии водорослей в образце бутылок. Смешайте водоросли суспензии из всех образцов в один контейнер и повторить оседание и декантации шаги.
    3. Измерьте биомассы в течение концентрированного образца.
      1. Высушите бумажный фильтр вакуумный (0,45 мкм MCE вакуум-фильтра) и алюминия весит лодка O / N в печи, которая была установлена ​​до 103 ° C После остывания в эксикаторе в течение 30 мин при комнатной температуре измерения СОmbined массу фильтра и весят лодку.
      2. Вакуумный фильтр 20 мл концентрированной суспензии водорослей и вернуть фильтр и весят лодке печь для сушки O / N.
      3. Измерьте общую массу фильтра и весят лодку. Рассчитайте плотность биомассы в течение концентрированного образца.
        Примечание: общий объем пробы воды, что следователи необходимо собрать, будет зависеть от тела источник воды.

3. Посев и запуск реактора

  1. Добавить 750 мл исходного раствора в реактор. Заполните рециркулирующего бак 500 мл исходного раствора.
  2. Использование длинный пипетку осторожно добавить инокуляции суспензии, содержащей 1,5 г водорослей в нижней части реактора. Разрешить посевной оседают на дно реактора, обеспечить это путем визуального наблюдения, прежде чем перейти к следующему шагу.
  3. Как только клетки осели, удалить зажимы трубок и включите насос А на медленной скорости потока (10 revolutioнс мин -1 / 38 мл мин -1). Воздух в ловушке в трубке будет исключен в реактор.
    Примечание: Добавление 750 мл в реактор предотвратит биомассы нарушается с помощью насоса из выходящий из реактора. Сожмите трубку, чтобы убедиться, что весь воздух был исключен.
  4. Постепенно добавить исходный раствор в резервуаре рецикла как раствор перекачивают в реактор. Продолжить добавление пока оба реактора и рециркулирующий бак не на полную мощность и сточных начинается, чтобы выйти из рецикла резервуара через верхний порт.
    Примечание: объем исходного раствора, чтобы быть добавлены в резервуар рециркулирующего будет варьировать в зависимости от объема затравки в реактор.
  5. Налейте оставшееся подачи раствора в баке подачи.
  6. Установите циркуляционного насоса (насос A) до 19 оборотов мин -1, установление скорости рециркуляции потока 72,5 мл мин -1. Заметим, водоросли начинают чердак из нижней части реактора. Используя градацию на реакторе, определить водоросли биomass Высота зоны. Убедитесь, что высота является постоянным, прежде чем приступить к следующему шагу.
  7. Включите смешивания пластины при очень низкой скорости; значение 1 или 2 целесообразно начинать. Смешивания бар будет оказывать помощь в лофтинг биомассы дальше, но агрессивный смешивания вызовет водоросли, чтобы оставить реактор, введите рециркуляции танк, и оставить в стоке. Установите скорость перемешивания при настройке, необходимой для установления четкой границы водорослей внутри реактора (рис 2А); зона биомассы водорослей должна быть примерно 10-15 см в высоту.
  8. Начните подачи насоса после наблюдения четкую границу между водорослей вилки и жидкости реактора. Установите насос 25 оборотов мин -1, установление скорости потока 1,5 мл мин -1. Соблюдайте выходе из реактора жидкости отходящего порт из-за тяжести и перемещения, вызванные входящего потока влиятельных.

4. Отбор проб и анализ

  1. Осуществлять сбор образец деятельность PRIили выполнении технического обслуживания системы реактора. Соберите 20 мл сточных и влиятельных образцов в день. Сбор образцов сточных вод из рецикла в баке. Собирают образцы втекающих непосредственно из резервуара подачи.
  2. Образцы Вакуумный фильтр для удаления взвешенных веществ до хранения и анализа.
  3. Хранить втекающий и стоков образцов при -20 ° C до дальнейшего анализа. Ограничьте число циклов замораживания-оттаивания образцов, подвергнутых. При необходимости образцы могут быть разделены на аликвоты для поддержания целостности образца.
  4. Провести анализ проб на нитраты, нитриты, аммиак и, используя стандартные методы 17.
    Примечание: авторы используемые ионной хроматографии (IC) для получения результатов, представленных в данном документе. Обратитесь к таблице материалов для уточнения.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

HDBR был использован для выращивания водорослей в течение нескольких соотношениях втекающий аммиака и нитрата концентрации, при сохранении общего содержания азота в сырье на уровне 40 мг -NL -1. Влиятельных и стоков были взяты образцы в день; Образцы плотность биомассы были приняты в начале и в конце каждого состояния. Реактор взял в среднем 3-5 дней, чтобы достичь стационарного равновесия после условия были изменены. В широком диапазоне условий влиятельных был создан особым зона биомассы, как это наблюдается в предыдущих исследованиях (рисунок 2). Культура водорослей в HDBR было найдено, чтобы удалить в среднем 18,4% от общего числа видов азота в сырье (N = 44). В зоне биомассы, общая биомассы водорослей и плотность биомассы были совместимы в течение этого исследования.

Удаление NH 4 + и NO 3 - нанесены против NH 4 + и NO 3 - Feред композиция в рисунке 3. Простой модель линейной регрессии был использован для оценки значимости отношений между удалением N видов и состава корма 18-20. Удаление аммиака наблюдается на всех диапазонах NH 4 + и NO 3 - состав (рис 3А и 3В, соответственно). Ни NH + 4, ни нет 3 - состав корма не влияет на удаление NH 4 + над тестируемых условиях (п = 44, р = 0,993 и п = 44, р = 0,610 соответственно). С другой стороны, удаление NO 3 - было обнаружено, что отрицательно связаны с NH 4 + сырьевой композиции (п = 44, р = 0,000) (фиг.3С) и положительно изменяется с NO 3 - подачи состава (п = 44, стр = 0,000) (рис 3D).

НЕТ 3 - наблюдалось накопление (negatудаление ив) в реакторе для большинства влиятельных композиций (34 из 44 образцов). НЕТ 3 - удаление не наблюдалось только при концентрации NH 4 + корма были ниже 10 мг -NL -1 и NO 3 - концентрация корма были выше 15 мг -NL -1. Кислород, который добавляется в реактор через аэрации в резервуаре внешней рециркуляции и водорослей, может служить в качестве акцептора электронов для аммиака и нитрита и окисляющих бактерий (АОБ и Nob, соответственно). Если аэробных условиях доминируют в реактор через скорости потока рецикла высокого, бактерии, которые могут осуществлять dissimilatory (гетеротрофных) денитрификации предпочитают использовать кислород в качестве акцептора электронов 4. Если скорость NO 3 - производство и ввод от корма превышает ассимиляционные преобразование NO 3 - в органический азот или dissimilatory денитрификации, NO 3 - может сбора нефтите в реакторе. Удаление NH 4 + и накопление NO 3 - предполагает, что АОВ и Номву присутствуют и активны в сообществе, как водоросли не известны катализировать превращение NH 4 + NO 3 с -. Эти результаты демонстрируют способность использовать эту систему реактора для изучения динамики потока азота и кинетики в смешанном водорослей-бактериальная сообщества.

Авторы успешно эксплуатируется здоровые водорослей общин в этих HDBRs в течение года. Два реактора аварии, однако, произошли с момента создания этого проекта, и в результате тяжелых изменений в влиятельных композиции. Первым был результатом изменения соотношений азотных с общий поток азота, остается постоянным; NH + 4 выбыл из корма и NO 3 - концентрации были увеличены, чтобы компенсировать. Второй сбой, в результате разрезалг общий поток азота на 75 процентов, с 40 мг -NL -1 до 10 мг -NL -1 (рис 4). В обоих случаях четкая граница зоны биомасса наблюдается ухудшаться в течение двух-трех дней, совпадающих с резким увеличением в взвешенных веществ в сточных водах (рис 4). Сбросов взвешенных веществ возрастает до максимальной 6 дней после смены корма в качестве биомассы реактора потеряли (рисунок 4). После аварии взвешенных твердых частиц в сточных водах остается высоким (около 0,22 г L-1 СС) и никаких новых биомассы не наблюдалось, чтобы накопить в реакторе, недопущения продолжения эксперимента. Текущий дизайн отсутствует механизм безопасности, чтобы сохранить культуру, если они не остаются хорошо флокулируют.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема высокой плотности биореактора (HDBR) (не тО шкала). Реактор (К) состоит из 1000 мл градуированного цилиндра с портами (шланг бородки, внешний диаметр 3/8 "), установленных на 100 мл и 1000 мл уровней. Реактор жидкость циркулирует через реактор с помощью перистальтического насоса А (ПА), ввод в нижней части реактора и течет вверх через зону биомассы (BZ) к верхнему порту. раствор выходит из реактора в верхней порт и направляется в циркуляционный бак (RT) под действием силы тяжести. РТ состоит из стеклянном стакане 600 мл;. он установлен два порта, один из которых расположен в нижней части стакана, а другой на 500 мл марка реактора жидкости возвращают в реактор через нижнее отверстие (и PA) эффлюента листьев. реактор через верхний порт РТ и собирают в контейнер для отходов (W). Диффузионная аэрации обеспечивается в РТ с использованием аэратора (А). Процесс аэрации также приводит смешивание в мВ. Перистальтический насос B (ПБ) подает втекающий из бака, содержащего сырье / сточной (FT) в РТ.

фигура 2
Рисунок 2. Примеры разделения биомассы / реактора жидкости в высокой плотности биореактора (HDBR). Панель А показывает водорослей сообщество высокой плотности (2,83 г L -1 СС), которые культивировали в рамках HDBR. Резкой границы происходит, когда скорость осаждения фотосинтетического микробного сообщества превышает жидкости реактора. Панель B отображает микробной матрицу, сформированную активного ила в условиях рециркуляции, обсуждаемых в продаже и Shieh (2006) 1. Панель С показывает дрожжи культивируются на втекающий, состоящей из глюкозы для производства этанола через ферментации (результаты не опубликованы). Во всех трех этих конфигураций реактора роман конструкции реактора имеет eliminatред потребность в отдельном процессе осветления или осаждения в системе реактора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
. Рисунок 3 Иллюстрация NH 4 + и NO 3 -. Скорость удаления в сравнении с составом влиятельных Общая концентрация влиятельных N выдерживали при 40 мг -NL -1 за время исследования. (А) NH + 4 Концентрация подачи на график против удаления NH 4 +; не было никакого существенного влияния (п = 44, р = 0,993). (Б) NO 3 - концентрация корма в виде зависимости от удаления NH 4 +; не было никакого существенного влияния (п = 44, р = 0,610).(С) NO 3 - удаление оказалось значительно и отрицательно с NH 4 + концентрации корма (п = 44, р = 0,000). (D), NO 3 - удаление было значимо и положительно связаны с NO 3 -. Концентрации кормовых (п = 44, р = 0,000). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры, пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этого фигура.

Рисунок 4
Рисунок 4. Повышение стоков взвешенных твердых частиц в ответ на значительное уменьшение потока азота через реактор. Содержание азота втекающий была снижена с 40 мг -NL -1 . 10 мг -NL -1 (в момент времени 0 на этом рисунке, также обозначается вертикальной линией) Ухудшение отдельной зоне биомассы наблюдалось через 2 дня; после 3 дней потеря биомассы был легко наблюдаемым. Значительное увеличение стоков СС наблюдалось после нескольких дней после того, как был принят изменение и максимальная стоков СС произошло через 6 дней. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Микрофотографии подчеркнув пористую структуру хлопьев и блокировки нитевидные бактерии. Два микрофотографии, проявляющие пористую структуру, образованную гетеротрофных бактерий (активного ила). Нитчатые бактерии преодолеть пространство между хлопьев, централизации хлопья и стабилизированной зоны биомассы.HREF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" целевых = "_blank"> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этом разделе будет начать с обсуждения изменений протокола, необходимых для решения возможных оперативных вопросов, а также с использованием различных микробных сообществ. Будут обсуждаться сильные данной конструкции реактора, в том числе способность управлять контроль потока кислорода и образование больших хлопьев плотности внутри реактора. Текущие проблемы и возможные пути исследования также будут упомянуты.

Протокол нюансы и вариации
Работа HDBRs для выращивания различных типов культур требует незначительные изменения в рабочий протокол, в зависимости от вида исследуемых. Достаточное смешение и расширение зоны водорослей биомассы необходимо увеличить экспозицию всех хлопьев на свет и включить фотосинтез. Подвеска биомассы водорослей в реакторе приводится в комбинации скорости рецикла реактора и смешивания скорость бар. Уход должны быть приняты в выборе эксплуатационных характеристики другого, таким образом, что имеется достаточно расстояние между биологически активной зоны биомассы водорослей и порта в верхней части реактора, как и любой биомассы, которая оставляет реактора могут быть потеряны в сточных водах через верхний порт рециркулирующего бака. Если биомасса наблюдается оставляя в сточных водах, фильтр может быть установлен на верхнем порту рециркулирующего бака. Вилка стекловаты можно использовать в качестве фильтра. В качестве фильтра накапливается биомасса он должен быть изменен. Если используется фильтр, образцы взвешенные твердые частицы должны быть взяты из после фильтра в дополнение к реакторной жидкости в резервуаре рециркулирующей в целях получения правильного баланса масс; накопленный биомассы в фильтре также должны быть учтены. В некоторых условиях эксплуатации с водорослями и дрожжей зона биомасса не всегда приводит к очищенной жидкости, даже когда община здорова. В этих случаях существует разбавленной суспензии клеток заметных выше зоны биомассы и в рециркуляции бака. Мы hypothesizе, что в водорослевых и дрожжевых сообществ, которые были выращены в HDBR сих пор не содержат нитевидные бактерии для стабильного, блокировки зоны биомассы, как видно на гетеротрофные и нитрификации / денитрификации бактериальных культур (рисунок 5). Таким образом, если цель состоит в предотвращении клетки от побега в сточных водах, например, как в случае с водорослями и дрожжей, это может быть необходимо использовать мембранную фильтрацию или устройство на сточных порта.

Неожиданным источником беспокойства биомассы, которые могут отрицательно воздействовать на твердой и жидкой фаз в HDBR, является накопление пузырьков в пределах линий циркуляционного насоса. Эти пузырьки являются продуктом аэрации в резервуаре рециркулирующей. Уход должны быть приняты регулярно очищать любые накопления газов в трубы. Сжатие трубки в направлении потока жидкости будет ускорить этот процесс, а также служит, чтобы сместить какие-либо биомассу, что стало прикрепленный к внутренней части трубки, Как клетки в этих культурах, как правило, объединять в хлопья, они также имеют тенденцию, когда выпустили из зоны биомассы придерживаться и колонизировать стены HDBR. Таким образом, если исследователи заметить адгезию биомассы внутренних стенках бака реактора и рециркулировать, они должны использовать пипетку или продезинфицировать стеклотары щетку мешать и предотвратить чрезмерный рост биопленки на стенках реактора.

Протокол, описанный выше, должны быть изменены, когда гетеротрофные микроорганизмы или нитрифицирующих / денитрифицирующих бактерии являются общность интересов. Например, 4 г гетеротрофных микроорганизмов (в расчете на VSS) был использован, чтобы отобрать из реактора, как описано продаж и Shieh 1. При изучении аммиака и нитрита бактерии, окисляющие, 2 г обогащенного AOB / NOB был использован, как описано в Nootong и Shieh 2 и Раманатану др. 4, и расширены в приложении к этой рукописи 21. Точное количество посевного материалачтобы начать реактор может изменяться и действительно зависит от количества исходного посевного материала в наличии и фактического объема реактора используется. Чтобы предотвратить нарушение биомассы, использование мешалкой не рекомендуется при использовании этих мат-формирования культуры.

Манипуляция гидравлических характеристик
Основное преимущество конструкции HDBR является способность контролировать канал и утилизация дебита независимо друг от друга. Следователи могут ориентироваться на конкретные ставки загрузки, утилизация ставки, или переработать отношения. Например, при изучении производительности реактора с использованием объявленных активного ила для удаления ХПК сточных вод из синтетического, коэффициент рециркуляции варьировали от 1 3.5-21.5. Первоначальные исследования реактора, использующего автотрофной нитрификации / денитрифицирующих бактерии показал, что стабильные зоны биомасса может быть сохранена под рециркуляции отношений 2.5-24.3 3. Эти оценки оказались консервативны, как не возникало никаких проблем при увеличении рециркуляции раTiOS до 43 в последующие исследования 21. Возможность работать при высоких соотношениях рециркуляции, и таким образом высокие темпы утилизация, полезно для изучения эффектов сдвига жидкости на стабильность и характеристик зоны биомассы. В некоторых случаях, например, выращивания водорослей, установления и поддержания матрицы биомассы не является обязательным требованием и высокие темпы Переработка и отношения необходимы, чтобы помочь в суспензии колонны водорослей. Эта конструкция реактора может способствовать приостановление содействии высоких темпов рециркуляции (49,3 в данном исследовании), при условии, что следователи могут поддерживать отличную интерфейс биомассы / стоков в реакторе. В случаях, когда коэффициент рециркуляции является высокой, реакторные гидравлические характеристики всей системы HDBR себя более аналогично полностью смешанные реакторы (CMFR), чем реактор с поршневым потоком (РПП), и таким образом позволяет исследователю изучить культур в течение спектра гидравлических смешивания характеристики в одной системе Рециркулирующий расход вLSO играет важную роль в потоке, массопереноса и распределения растворенных газообразных веществ по всему реактору, как описано ниже.

Контроль O 2 потока от и дегазации в резервуаре корзины
Во время учебы в сочетании процессов нитрификации / денитрификации, растворенного кислорода наблюдались быстро истощаются в низших частях активной зоны биомассы, как нитрификация была проведена 2-4, параллельно предыдущие исследования удаления ХПК 1; это может означать, что режим течения в потоке биомассы внешнему виду похож на PFR 1. С зоной верхней биомассы становится бескислородных, денитрификации проводили, в результате чего удаления растворенного азота из реактора потока 2,3. Эти наблюдения показали, что сочетание внешнего аэрации в резервуаре рециркулирующей в сочетании с возможностью управления поток кислорода к восходящим потоком резервуара, с помощью манипуляций с рециркуляциейСкорость, позволяет градиентов кислорода развиваться в хлопьев и по длине зоны биомассы, что позволяет аэробные, анаэробные и бескислородных реакций происходит в одном резервуаре. Как и многие реакции биологической очистки зависит от или подавляется кислородом, этот реактор позволяет более простой способ, чтобы контролировать цены массовые кислорода в биореакторах; возможно, позволяет более эффективных методов аэрации. Как аэрации один из самых высоких цен на энергоносители в очистке сточных вод, это может служить снижению эксплуатационных расходов для муниципалитетов 22,23.

Контроль потока кислорода через реактор не только забота о гетеротрофных бактерий и хемоавтотрофными. Избыток энергии возбуждения (EEE) является избыток световой энергии водорослей клетки подвергаются воздействию, и результаты в кислороде (O 2), сводится к супероксид (O 2 -) с избытком электронов шунтированных от фотосистемы I или II (PSI и ФС) 24. Супероксиданионов может вызвать significanт физиологический ущерб в водорослевых систем. Сотовый база существует, чтобы обнаружить и нейтрализовать O 2 - до повреждения могут произойти с клеточными компонентами, но в сильно нагруженных клеток активные формы кислорода (АФК) могут по-прежнему образуют 24-28. По регулирования скорости рециркуляции и аэрации в рециркуляции танк, следователи смогут решать вопросы, возникающие от избытка кислорода и токсичности может вызвать в водорослевых культур, и может дополнительно увеличить рост водорослей в очень плотных культур, особенно в тех случаях, где дополнительный свет предоставляются за счет использования ламп.

Формирование хлопьев и / или зоны биомассы приводит к разнообразным макро- и микро-средах
Один из самых уникальных особенностей этой конструкции реактора является устранение отстойник. Мы предполагаем, что хорошее разделение твердой и жидкой, что достигается в HDBRs можно отнести к любому образованию плотных хлопьев высокой (т.е.в случае с водорослями), или формирование стабильной, пористой матрицы взаимосвязанных хлопьев и долгосрочной нитевидных микроорганизмов (т.е., с гетеротрофных и нитрифицирующих / денитрифицирующих культур) 1-4,7,16 (Рисунок 5). Формирование и устойчивость хлопьев зависит от ряда физических, химических и биологических факторов 7,13,29-31. На самом деле, формирование хлопьев является основной задачей пуска и зависит от достаточного перемешивания (сила сдвига градиентов), чтобы увеличить столкновений между подвесным модификатора 13,30, но также от наличия хорошо флокулирующих микроорганизмов, которые производят соединений (флокулянтов ), которые позволяют клетки агрегировать 31,32. В этих лабораторных масштабах реакторов, мы обнаружили, что достаточное перемешивание для флокуляции может быть выполнена либо в профиле скорости восходящего потока или смесительного устройства, такого как мешалки, расположенной в нижней части реактора. Для культур, которые требуют кислорода, внешний утилизация танк может бе использоваться в качестве внешнего передачи газа бака (либо для аэрации или зачистки газов, например, для удаления кислорода произведенный реакций фотосинтеза). Преимущество внешней аэрации предотвращает избыточное перемешивание, а также пузырьки воздуха входит в контакт с хлопьев и нарушение их друг от друга. В некоторых случаях, при гетеротрофных и нитрифицирующих / денитрификации культур, которые сформировали стабильную пористую матрицу, когда пузырьки газа были найдены, чтобы войти в реактор они могут быть найдены разваливается части матрицы или захваченным секций матрицы, заставляя их всплывают на верхней части реактора. Таким образом, работа внешнего газообмена бака для предотвращения пузырьков, поступающего в реактор через линию рецикла играет ключевую роль в поддержании хорошего твердой и жидкой фаз в системе.

Потенциальные направления HDBR
Стационарные реактора исследования, особенно те, которые сосредоточены на НРБ, часто сосредоточены в направлении сбора кинетических данных для конкретного микровиды Bial или сообщество 1,3,4,33,34. Исторически многие исследования проводятся на аксенными или антибактериальных обработанных водорослей культур, несмотря на все больше свидетельств важности межвидовых взаимодействий между водорослями и бактериальных сообществ 35,36. Исследования смешанных культур обещают дать новые и проницательные выводы о том, как эти отношения межвидовые работать 35-38. Последние исследования смешанных культур расширилась и теперь включает образец анализа молекулярных инструментов с биологии, таких как количественного полимеразной цепной реакции (КПЦР) для количественного водорослей и бактерий цены 33,34. Метагеномных и metatranscriptomic анализ был использован для выяснения дополнительной информации о том, как водоросли и бактерии взаимодействуют в обоих инженерных и естественных экосистем 39,40. В дополнение к молекулярной исследований микробных культур в HDBRs, микроскопические исследования изучения размер, структуру и организацию хлопьев и пористую матрицу биологическую изЗона биомассы позволит получить ценную информацию о способности HDBRs содействия хорошее разделение твердой и жидкой.

До сих пор, только маленький диапазон объемов реакторов и соотношениях рециркуляции были исследованы с помощью дизайна HDBR. Таким образом, производительность реактора в масштабных приложений до в настоящее время неизвестно. Каждый из тестируемых систем реакторов меньше 2 л в объеме и состоять из стекла. Поскольку эти реакторы не самые обычные компоненты и должен быть построен специалистом лабораторной посуды увеличение размера стеклянных реакторов может быть сложно, как исходные части должны быть тщательно отобраны для соответствующей толщины стенки (частная переписка: К. Carraro 2014). Большая посуда также работает высокий риск повредить и не сломать по сравнению с металлом, пластиком, или конкретного реактора. Построение больших реакторов с металла или пластика для настольных экспериментах может быть вариант, но жизнеспособность этой опции еще предстоит изучить. Кроме того тон использует непрозрачных или полупрозрачных материалов может помешать визуального наблюдения реакторов, находящихся под следствием и усложнит работу этих реакторов в конфигурации PBR.

Эта рукопись наметил монтажа, наладки и эксплуатационных процедур для работы с высокой плотностью биореактор (HDBR). Предыдущая работа установила HDBRs способность удалить как ХПК и азотных используя гетеротрофные бактерии и хемоавтотрофными 1-4. Здесь авторы демонстрируют способность HDBRs к культуре высокой плотности водорослевых сообществ и удаление азотных из синтетической отходов. После предыдущих наблюдений, стабильная зона биомассы образуется водорослями и успешной эксплуатации реактора без процесса осветления было достигнуто при удалении 18,4% от общего объема азотных из сточной. Преобразование между азотных (NH 4 +, чтобы NO 3 -) наблюдалось, что позволяетавторам предположить наличие и деятельность АОБ и NOB. Результаты, представленные в этой рукописи из текущего демонстрации с водорослями и предыдущих исследований с использованием системы поддержки дальнейшего использования HDBR, а также исследования и разработки, в этой конструкции реактора для высокой плотности выращивания микроорганизмов для различных экологических и промышленных приложений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sales, C. M., Shieh, W. K. Performance of an aerobic/anaerobic hybrid bioreactor under the nitrogen deficient and low F/M conditions. Water Res. 40, (7), 1442-1448 (2006).
  2. Nootong, K. Performance and kinetic evaluations of a novel bioreactor system in the low-oxygen/low-fluid shear reaction environments. University of Pennsylvania. 3225514 (2006).
  3. Nootong, K., Shieh, W. K. Analysis of an upflow bioreactor system for nitrogen removal via autotrophic nitrification and denitrification. Bioresour Technol. 99, (14), 6292-6298 (2008).
  4. Ramanathan, G., Sales, C. M., Shieh, W. K. Simultaneous autotrophic denitrification and nitrification in a low-oxygen reaction environment. Water Sci Technol. 70, (4), 729-735 (2014).
  5. Rittmann, B. E., McCarty, P. L. Environmental Biotechnology: Principles and Applications. McGraw-Hill Higher Education. (2001).
  6. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. 4th edn, McGraw-Hill Science/Engineering/Math. (2002).
  7. Palm, J. C., Jenkins, D., Parker, D. S. Relationship between Organic Loading, Dissolved-Oxygen Concentration and Sludge Settleability in the Completely-Mixed Activated-Sludge Process. Journal Water Pollution Control Federation. 52, (10), 2484-2506 (1980).
  8. Jenkins, D. Towards a Comprehensive Model of Activated-Sludge Bulking and Foaming. Water Science and Technology. 25, (6), 215-230 (1992).
  9. Shieh, W., Keenan, J. Ch. 5 Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Bioproducts. 33, Springer. Berlin Heidelberg. 131-169 (1986).
  10. Shieh, W. K., Li, C. T. Performance and Kinetics of Aerated Fluidized-Bed Biofilm Reactor. Journal of Environmental Engineering-Asce. 115, (1), 65-79 (1989).
  11. Alvarez-Vazquez, H., Jefferson, B., Judd, S. J. Membrane bioreactors vs conventional biological treatment of landfill leachate: a brief review. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 79, (10), 1043-1049 (2004).
  12. Fenu, A., et al. Activated sludge model (ASM) based modelling of membrane bioreactor (MBR) processes: a critical review with special regard to MBR specificities. Water Res. 44, (15), 4272-4294 (2010).
  13. Liu, Y., Tay, J. H. The essential role of hydrodynamic shear force in the formation of biofilm and granular sludge. Water Res. 36, (7), 1653-1665 (2002).
  14. Chudoba, J., Grau, P., Ottová, V. Control of activated-sludge filamentous bulking-II. Selection of microorganisms by means of a selector. Water Research. 7, (10), 1389-1406 (1973).
  15. Christenson, L., Sims, R. Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels, and bioproducts. Biotechnol Adv. 29, (6), 686-702 (2011).
  16. Henderson, R., Parsons, S. A., Jefferson, B. The impact of algal properties and pre-oxidation on solid-liquid separation of algae. Water Res. 42, (8-9), 8-9 (2008).
  17. Jackson, P. E. Encyclopedia of Analytical Chemistry. Meyers, R. A. John Wiley & Sons. Chichester UK. (2000).
  18. Wilkinson, G. N., Rogers, C. E. Symbolic descriptions of factorial models for analysis of variance. Applied Statistics. 22, 392-399 (1973).
  19. Chambers, J. M. Ch. 4. Statistical Models in S. Chambers, J. M., Hastie, T. J. Wadsworth & Brooks/Cole. (1992).
  20. R Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. (2015).
  21. Ramanathan, G., Sales, C. M., Shieh, W. K. Apendix:Simultaneous autotrophic denitrification and nitrification in a low-oxygen reaction environment. Water Science & Technology. 70, (4), 729-735 (2014).
  22. Wastewater Management Fact Sheet - Energy Conservation. 832F06024, Environmental Protection Agency. Washington, DC. 1-7 (2006).
  23. Curtis, T. P. Ch 13. Environmental Biotechnology. Mitchell, R., Gu, J. D. Wiley-Blackwell. (2010).
  24. Asada, K. THE WATER-WATER CYCLE IN CHLOROPLASTS: Scavenging of Active Oxygens and Dissipation of Excess Photons. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 50, 601-639 (1999).
  25. Mullineaux, P., Karpinski, S. Signal transduction in response to excess light: getting out of the chloroplast. Curr Opin Plant Biol. 5, (1), 43-48 (2002).
  26. Mallick, N., Mohn, F. H. Reactive oxygen species: response of algal cells. Journal of Plant Physiology. 157, (2), 183-193 (2000).
  27. Fridovich, I. Oxygen toxicity: a radical explanation. J Exp Biol. 201, ((Pt 8)), 1203-1209 (1998).
  28. Doyle, S. M., Diamond, M., McCabe, P. F. Chloroplast and reactive oxygen species involvement in apoptotic-like programmed cell death in Arabidopsis suspension cultures. J Exp Bot. 61, (2), 473-482 (2010).
  29. Eisma, D., et al. Suspended-matter particle size in some West-European estuaries; part II: A review on floc formation and break-up. Netherlands Journal of Sea Research. 28, (3), 215-220 (1991).
  30. Thomas, D. N., Judd, S. J., Fawcett, N. Flocculation modelling: A review. Water Research. 33, (7), 1579-1592 (1999).
  31. Harris, R. H., Mitchell, R. The role of polymers in microbial aggregation. Annu Rev Microbiol. 27, 27-50 (1973).
  32. Raszka, A., Chorvatova, M., Wanner, J. The role and significance of extracellular polymers in activated sludge. Part I: Literature review. Acta Hydrochimica Et Hydrobiologica. 34, (5), 411-424 (2006).
  33. Lakaniemi, A. M., Intihar, V. M., Tuovinen, O. H., Puhakka, J. A. Growth of Dunaliella tertiolecta and associated bacteria in photobioreactors. J Ind Microbiol Biotechnol. 39, (9), 1357-1365 (2012).
  34. Lakaniemi, A. M., Intihar, V. M., Tuovinen, O. H., Puhakka, J. A. Growth of Chlorella vulgaris and associated bacteria in photobioreactors. Microb Biotechnol. 5, (1), 69-78 (2012).
  35. Natrah, F. M. I., Bossier, P., Sorgeloos, P., Yusoff, F. M., Defoirdt, T. Significance of microalgal-bacterial interactions for aquaculture. Reviews in Aquaculture. 6, (1), 48-61 (2014).
  36. Dittami, S. M., Eveillard, D., Tonon, T. A metabolic approach to study algal-bacterial interactions in changing environments. Mol Ecol. 23, (7), 1656-1660 (2014).
  37. Watanabe, K., et al. Symbiotic association in Chlorella culture. FEMS Microbiol Ecol. 51, (2), 187-196 (2005).
  38. Burke, C., Thomas, T., Lewis, M., Steinberg, P., Kjelleberg, S. Composition, uniqueness and variability of the epiphytic bacterial community of the green alga Ulva australis. ISME J. 5, (4), 590-600 (2011).
  39. Krohn-Molt, I., et al. Metagenome survey of a multispecies and alga-associated biofilm revealed key elements of bacterial-algal interactions in photobioreactors. Appl Environ Microbiol. 79, (20), 6196-6206 (2013).
  40. Cooper, E. D., Bentlage, B., Gibbons, T. R., Bachvaroff, T. R., Delwiche, C. F. Metatranscriptome profiling of a harmful algal bloom. Harmful Algae. 37, 75-83 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats