多様な微生物群集の高密度栽培のための新しいバイオリアクター

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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Summary

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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

地方自治体の廃水は、一般的に浮遊物質(SS)、生物学的酸素要求量(BOD)、有機および無機窒素、及びリン含量5,6を低減するために、活性汚泥プロセスで処理されます。活性汚泥法、二次廃水処理の手段は、入ってくる廃水リサイクル従属栄養微生物の混合液を充填した曝気槽中の有機炭素の酸化を伴う5-7(一般的に、活性汚泥と呼ばれます)。混合液は、その後明らかにし、下水処理水が中に放出される前に、三次処理や消毒に続けることができますが、汚泥は、曝気槽に配置されたか、再循環することのいずれかに、より簡単に収集するために落ち着く比較的大きな清澄(沈殿槽)に入り、受信水域5-7。二次清澄における下水処理水と固形物(汚泥)の効率的な分離があったの適切な機能のために不可欠ですtewater処理システム、任意の活性汚泥が排出物5-8の BODとSSを増加させる清澄を超えて継続しました。

代替生物学的プロセスの数が減少または(バイオフィルム)成長添付リアクター、メンブレンバイオリアクター(MBRの)、および粒状汚泥リアクターを含む大規模な明確タンクの必要性を排除する、廃水の二次処理のために存在します。バイオフィルムリアクターでは、骨材自然微生物および固体表面上の層として添付しているバイオフィルムの形成は、明確にタンクを必要とせずに、バイオマスの保存・蓄積することができます。バイオリアクターは、3種類に分類することができる:充填床反応器、流動床反応器、および生物接触器を回転させます。このようしたたるフィルタおよび生物学的塔として充填床反応器は、固定固体成長表面5,6を利用します。流動床反応器(高速炉)は、粒子への微生物の付着に依存しますこのような高い上昇流速度9,10によって懸濁液中に保持される砂、粒状活性炭(GAC)、またはガラスビーズ、など。回転の生物学的反応器は、バイオフィルムが交互に空気と5,6を治療されている液体にさらされることを可能にする回転軸に取り付けられたメディア上に形成されたバイオフィルムによって異なります。 MBRのは、バイオリアクター(水没設定)内または外部再循環(サイドストリーム構成)5,11のいずれかを介して、膜ろ過ユニットを使用しています。膜は、処理液11,12からバイオマスおよび固体粒子の良好な分離を達成するのに役立ちます。グラニュール汚泥反応器は、それらが高い空塔上昇流速度13にさらされているときに、微生物の非常に緻密でよくセトリング顆粒の形成が発生する上昇流反応装置です。

活性汚泥プロセスの別の代替として、今高密度バイオリアクター(HDBR)と呼ばれる新規な上向流反応器システムは、designeましたDと貧しい沈降スラッジの発生を引き起こすことが知られている低F / Mの条件で合成廃棄物の流れ( すなわち 、増量汚泥)1,7,14から活性汚泥によりCOD除去を研究するために販売および(2006)Shiehによって建てられました。利用HDBRシステムは、典型的には、上向流反応器および外部循環タンクから成る流動床反応器を修正しました。バイオフィルムで覆われた基板が保持されるように、流動床反応器は、典型的には、十分に懸濁し、バイオフィルムの成長基体を維持するのに十分高いが、低再循環流の流量で作動されます。流動床反応器とは異なり、HDBRはセールスに記載されており、(2006)Shiehは、外部通気とともに、 反応器1内に形成されたバイオマスゾーンの破壊を防止し、比較的低い再循環流の流速を使用していました。その後の研究では、正常に硝化/脱窒細菌に3,4を用いて、窒素フラックスの範囲を治療するために、この反応器設計の能力を実証しています。すべてのスタッドでHDBR内で安定、高密度のバイオマスゾーンの形成が外部凝集/沈降プロセス1-4の必要性を排除IES。

私たちがここで報告したように、高密度の文化を成長させるHDBRの使用はまた、藻類の培養のための光バイオリアクター(PBR)の構成でテストされています。私たちは、藻類栽培とバイオマス収穫( すなわち 、良好な固液分離15,16)に関連した藻類バイオ燃料の実用化の大きなハードルを克服するために、その可能性のためにこの新規原子炉システムの利点と欠点について説明します。以下のプロトコルは、起動時からのサンプル、組み立て、および関心の微生物群集としての藻類とHDBRを維持するために必要な手順を説明します。従属と硝化/脱窒文化の起動と操作プロトコルの変化も言及されます。最後に、一般的な利点、欠点、およびこの新規原子炉の設計の未知数が強調表示されます。

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Protocol

1.原子炉アセンブリ

  1. 図1の概略図によれば、原子炉コンポーネントを配置します。
    1. ミキシングプレート上リアクター(R)を配置し、反応器に攪拌棒を追加します。タンクの廃液(上)ポートは実験台の端に向けられているように、撹拌プレート、反応器の横にリサイクルタンク(RT)を配置します。
    2. リサイクルタンク(RT)の流出流(上)ポートの下に廃棄物容器(W)を配置します。リサイクルタンク(RT)の隣に供給タンク(FT)を配置します。
      注:供給タンクは、5 Lの総容量があります
  2. 適切なサイズのスタンドとクランプで転倒に対してリアクター(R)を固定します。同様に、移動を防止するために、リサイクルタンク(RT)で固定します。
  3. リサイクル(ポンプA)にネオプレン蠕動ポンプチューブを挿入し、(ポンプB)ポンプヘッドを養います。追加のチューブ仕様のための材料の表を参照してください。ネジ専らとポンプドライブにポンプヘッドを取り付けますポンプドライブでDED。
  4. 原子炉のポートとリサイクルタンクにポンプAのチューブを接続します。供給タンクとリサイクルタンクにポンプBのチューブの端を挿入します。チューブとリサイクルタンクに上部原子炉ポートを接続します。原子炉ポートでチューブにクランプを適用します。
    注意:光合成コミュニティはランプによって提供人工照明から利益を得ることができます。

ストックソリューションの流入/供給溶液、および藻類接種の調製

  1. ミネラル原液を準備します。 500mlの脱イオン水で1Lのメスフラスコに以下を加える:200gの炭酸水素ナトリウム、40グラムの一塩基性リン酸カリウム、4グラムの硫酸マグネシウム、4 gで塩化第二鉄、4グラムの塩化カルシウム、1gの塩化銅、1gのコバルト六水和物、1gの塩化ニッケル六水和物、1gの硫酸亜鉛七水和物。追加の脱イオン水400ミリリットルを追加します。塩の溶解を促進するために強制的に渦巻。以下のディス塩のolution 1にL.を溶液の総体積を脱イオン水を加えます
  2. アンモニア原液を準備します。 1Lのメスフラスコに、約900 mlの脱イオン水の中での塩化アンモニウム38.214グラムを溶解します。溶解後、千ミリリットルの全容量のアップをもたらすために、脱イオン水を加えます。
    注:1 Lに希釈したストック溶液1mlは、10mgのL -1 NH 4 + -N溶液が得られます。
  3. 硝酸原液を準備します。 1Lのメスフラスコに、約900 mlの脱イオン水に硝酸カリウム72.413グラムを溶解します。溶解後、千ミリリットルの全容量のアップをもたらすために、脱イオン水を加えます。
    注: - -N溶液1Lに希釈したストック溶液1mlは、10mgのL -1 NO 3が得られます
  4. フィード/流入溶液を準備します。 2mlの希-N - 20 mgのLを含む供給溶液-1 NH 4 + -Nと20mgのL -1 NO 3を作成するにはmmoniaストック溶液と1 Lの総体積に対する硝酸ストック溶液2ml。希釈する前に、行われて溶液0.5mlミネラル溶液/ Lを追加します。原子炉を起動して、合計で流入の5リットルを準備します。
  5. 藻類の接種を準備します。
    1. このような流れや池などの藻類含有水本体から大量の水(少なくとも10 L)を収集します。藻類は24時間静かに水試料を残すことによって解決することができます。
    2. サンプル瓶内に集中藻類懸濁液を残して、デカントし、サンプルの上部にクリア(非含有藻類)の水を捨てます。一つの容器にサンプルの全てから藻類サスペンションを結合し、沈降およびデカンテーションの手順を繰り返します。
    3. 濃縮試料中のバイオマスを測定します。
      1. COを測定し、室温で30分間デシケーター中で冷却した後103℃に設定されたオーブンでボートO / Nを秤量紙の真空フィルター(0.45μmのMCEの真空フィルター)とアルミニウムを乾燥フィルタの質量をmbined、ボートの重量を量ります。
      2. 真空フィルタ20濃厚藻の懸濁液1ml及びフィルタを返すとO / Nを乾燥させるためにオーブンへのボートの重量を量ります。
      3. フィルタの合計質量を測定し、ボートの重量を量ります。濃縮試料中のバイオマス密度を計算します。
        注:研究者が収集する必要があることを水試料の総容量は、ソース水域に依存します。

3.シーディングと原子炉の起動

  1. 反応器に供給溶液の750ミリリットルを追加します。供給溶液500ミリリットルとリサイクルタンクを埋めます。
  2. 静かに反応器の底部近くに藻類の1.5グラムを含む接種サスペンションを追加するために、長いピペットを使用してください。次のステップに進む前に、目視でこれを確実に、接種材料は、反応器の底に沈殿することを許可します。
  3. 細胞が定着した後、(10 revolutioをチューブクランプを取り外し、ゆっくりと流量にポンプAをオンにしますNS分-1 / 38ミリリットル分-1)。チューブに閉じ込められた空気は、反応器内に放出されます。
    注:反応器への750ミリリットルの添加は、反応器を出るからポンプによって妨害任意のバイオマスを防ぐことができます。すべての空気が追い出されたことを確認するためにチューブを絞ります。
  4. この溶液を反応器に注入されると、徐々に再循環タンクに供給溶液を加えます。原子炉とリサイクルタンクの両方がトップポートを介して循環タンクを終了する能力と廃液が開始になるまで追加を続けます。
    注:供給溶液の体積は、反応器に添加し接種の量に応じて変化する再循環タンクへ添加します。
  5. 飼料タンクに残った供給溶液を注ぎます。
  6. 分72.5ミリリットルのリサイクル流量を確立し、-1分19回転に循環ポンプ(ポンプA)を設定-1。藻類を守って反応器の底部からロフトを開始します。原子炉のグラデーションを使用して、藻類の双方向を決定omassゾーンの高さ。高さは、次のステップに進む前に一定であることを確認してください。
  7. 非常に低速でミキシングプレートをオンにします。 1または2の設定が開始することが適切です。混合バーはさらに、バイオマスをロフティングを支援しますが、積極的な混合は、原子炉を残してリサイクルタンクを入力し、流​​出液中に残すために藻が発生します。原子炉( 図2A)内の明確な藻類の境界を確立するために必要な設定で混合速度設定します。藻類バイオマスゾーンは高さが約10〜15 cmである必要があります。
  8. 藻類プラグと原子炉流体との間の明確な境界を観察した後、供給ポンプを起動します。分1.5ミリリットルの流量を確立し、-1分25回転にポンプを設定-1。着信流入ストリームに起因する重力や位置ずれに原子炉流体出口に廃液ポートを確認します。

4.サンプルの収集と分析

  1. サンプル収集活動のPRIを実行しまたは反応器システムのメンテナンスを実行します。毎日の流出と流入サンプルの20ミリリットルを収集します。リサイクルタンク内からの流出物のサンプルを収集します。供給タンクから直接流入サンプルを収集します。
  2. 貯蔵前と分析に懸濁物質を除去するための真空フィルタサンプル。
  3. さらなる分析まで-20℃で流入、流出液のサンプルを保管してください。制限の凍結融解サイクルのサンプル数は、にさらされます。必要に応じて、サンプルは、サンプルの完全性を維持するためにアリコートに分割することができます。
  4. 標準的な技術17を用いて硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニアのサンプルの分析を行います。
    注意:イオンクロマトグラフィー(IC)を利用著者らは、本明細書に提示される結果を生成します。仕様のための材料の表を参照してください。

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Representative Results

40 mgの-NL -1で供給物中の全窒 ​​素含有量を維持しながらHDBRは、流入アンモニアと硝酸塩濃度のいくつかの比率の上に藻類を育成するために使用されました。流入、流出液のサンプルを毎日採取しました。バイオマス濃度試料を各条件の開始時と終了時に採取しました。反応器は、条件を変更した後に定常状態の平衡に到達するのに平均3-5日かかりました。流入条件の広い範囲にわたって異なるバイオマスゾーンは、以前の研究で観察された( 図2)のように、確立されました。 HDBRにおける藻類培養物は、飼料(N = 44)中の全窒素種の18.4%の平均値を除去することが見出されました。バイオマスゾーン内では、総藻類バイオマスとバイオマス密度は、この研究の過程で一致しました。

NH 4 +とNO 3の除去- NH 4 +およびNO 3に対してプロットされている- FE図3において、ED組成物は、単純な線形回帰モデルは、N種の除去および飼料組成物18〜20の間の関係の重要性を評価するために使用しました。組成物( 図3Aおよび 図3B、それぞれ) -アンモニアの除去は、NH 4 +及びNO 3のすべての範囲で観察されました。どちらも、NH 4 +でもNO 3 -飼料組成物は、(それぞれのn = 44、P = 0.993とn = 44、P = 0.610)は、試験条件の上に、NH 4 +の除去に影響を与えません。一方、NO 3の除去-負NH 4 +飼料組成物と関連することが見出された(N = 44、P = 0.000)( 図3C)および NO 3と正に様々 -飼料組成物(N = 44、P = 0.000)( 図3D)。

NO 3 - (negatを蓄積することが観察されました流入組成物のほとんどのための反応器内のIVE除去)(44サンプルのうち34)。 NO 3 - 、NH 4 +供給濃度が10mgの-NL -1とNO 3以下だったとき除去のみ観察されなかった-供給濃度が15ミリグラム-NL以上であった-1。外部循環タンク及び藻類によって通気を介して反応器に添加される酸素は、アンモニアと亜硝酸酸化細菌(AOBとNOB、それぞれ)のための電子受容体として働くことができます。好気的条件は、高い循環流速を介して反応器内に支配場合は、異化(従属)脱窒を行うようにしてもよい細菌は、電子受容体4として酸素を利用することを好むだろう。フィードからの生産と入力NO 3の同化変換超える- - NO 3の割合が場合は、有機窒素または異化脱窒にし、NO 3 - accumulaことができます反応器内のTE。 NO 3のNH 4 +の除去と蓄積は-藻類をNO 3に、NH 4 +の変換を触媒することが知られていないようAOBとNOBは、コミュニティ内に存在し、アクティブであることを示唆しています- 。これらの結果は、混合藻類、細菌群集に窒素フラックス動態および動力学を研究するために、この反応器システムを使用する能力を示します。

著者は、成功した年以上のためにこれらのHDBRsで健康的な藻類のコミュニティを維持しています。二つの原子炉のクラッシュは、しかし、両方の流入組成に重大な変化の結果として、このプロジェクトの開始以降に発生しました。全窒素フラックスを一定に維持されると、まず、窒素種の比率の変化の結果でした。 NH 4 +は、フィードから除去し、NO 3 -濃度が補償することに増加しました。第二のクラッシュがcuttinの結果として発生しました40mgの-NL -1の10mg -NL -1( 図4)から75パーセントによってグラム全窒素フラックス。両方の場合において、異なるバイオマスゾーン境界は、排水中の懸濁物質の急激な増加( 図4)と一致する2〜3日間にわたって劣化することが観察されました。排水懸濁物質は、原子炉失わバイオマスなどの供給の変化( 図4)の後に最大6日間に増加しました。クラッシュが一時停止した後の流出液中の固形分が高い(約0.22グラムのSS L -1)ままであり、新たなバイオマスは、実験の継続を防止する、原子炉内に蓄積することが観察されませんでした。現在のデザインは、彼らが十分に凝集残っていない場合の文化を保持する安全機構を欠いています。

図1
高密度バイオリアクター(HDBR)の図1の回路図(TませんOスケール)。反応器(R)は、1,000 mlのから構成され、100 mlの設置口(ホースバーブ、外径3/8 ")、1000 mlのレベルとメスシリンダーを反応器流体は、蠕動ポンプを用いて反応器を通って循環されます(PA)、反応器の底部に入り、上部ポートに向けてバイオマスゾーン(BZ)を介して上方に流れる流体は、上部ポートで反応器を出て、重力下でリサイクルタンク(RT)に向けられている。RT 600 mlのガラスビーカーで構成され、それは、2つのポート設置、500 mlのマークで、ビーカーおよび他の下部に配置された1つを持つ原子炉流体が底部ポート(およびPA)を介して反応器に戻される排水葉。トップRTのポートとを介して反応器(W)。拡散性通気がエアレーター(A)を用いてRTに設けられた廃棄物容器に回収される。曝気プロセスは、MV。蠕動ポンプB内の混合ドライブ(PB)は、RTにフィード/流入(FT)を含むタンクからの流入を提供しています。

図2
図高密度バイオリアクター(HDBR)内のバイオマス/原子炉流体分離の2例。パネルAは、高密度藻類コミュニティ(2.83グラムのSSのL -1)HDBR内で培養されているを示しています。光合成微生物群集の沈降速度は、原子炉流体のことを超えたときに明確な境界が発生します。パネルBは、売上高とShieh(2006)1で説明したリサイクルの条件で活性汚泥によって形成された微生物の行列が表示されます。パネルCは、酵母が発酵によってエタノールの生産のためのグルコースから成る流入上で培養さを示す(結果は公開されません)。これらの原子炉構成のすべての3つの新規な反応器の設計はeliminatを持っています反応器システム内の別の明確化や、沈降プロセスの必要性を編。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
。。NH 4 +とNO 3 図3 イラスト -流入組成に対する除去率は、総流入N濃度は、40mgの-NLに維持した-1研究の期間にわたって。 (A)、NH 4 +の供給濃度はNH 4 +の除去に対してプロットします。有意な効果はなかった(N = 44、P = 0.993)。 (B)NO 3 -供給濃度をNH 4 +の除去に対してプロットされています。有意な効果はなかった(N = 44、P = 0.610)。(C)NO 3 -除去が著しく負NH 4 +供給濃度に関連することが見出された(N = 44、P = 0.000)。 (D)NO 3 -供給濃度(N = 44、P = 0.000) - 。除去はかなり積極NO 3に関連していた。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。

図4
図4は、有意に反応器に窒素フラックスを減少させることに応答して廃液浮遊物質を増加させることができる。流入窒素含有量は、40mgの-NLから減少した-1に 10ミリグラム-NL -1(この図では時間0で、また縦線で示される)異なるバイオマスゾーンの劣化を2日後に観察されました 3日後のバイオマスの損失が容易に観察しました。変更が制定され、最大の流出SSは6日後に発生した後の流出液のSSの大幅な増加が日後に観察された。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5. 顕微鏡写真多孔フロック構造を強調表示し、糸状菌を連動。従属栄養細菌(活性汚泥)によって形成された多孔質構造を示す二つの顕微鏡写真。糸状菌が安定バイオマスゾーンにフロックを連動、フロックの間のスペースを埋めます。HREF = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg"ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

このセクションでは、可能な運用上の問題に対処するだけでなく、異なる微生物群集を使用するために必要なプロトコルの変化の議論で開始します。この反応器の設計の長所は、反応器内の酸素フラックス及び高密度フロックの形成制御を管理する能力を含めて、説明されます。現在の課題や調査の可能な手段も言及されます。

プロトコルニュアンスとバリエーション
文化の異なる種類の栽培のためのHDBRsの動作が調査中の種を依存し、運用プロトコルのわずかな変化を必要とします。十分な混合および藻類バイオマスゾーンの拡大が点灯し、光合成を可能にするために、すべてのフロックの露出を高めるために必要とされています。反応器内の藻類バイオマスの懸濁液は、反応器のリサイクル率の組み合わせと混合棒速度で駆動されます。ケア動作特性を選択する際に注意しなければなりません両方の、原子炉容器を離れる任意のバイオマスがリサイクルタンクの上部ポートを介して流出物中に失われることがありますように、生物学的に活性な藻類バイオマスゾーン、反応器の上部のポートとの間に適切な距離があるように。バイオマスは、廃液に残さが観察された場合、フィルタは、リサイクルタンクの頂部のポートに取り付けることができます。ガラスウールの栓をフィルタとして使用することができます。フィルタは、バイオマスを蓄積すると、それを変更する必要があります。フィルタが使用される場合、懸濁した固体サンプルを、正確な質量バランスを得るために、リサイクルタンク内の反応器の流体に加えて、フィルタの下流から取らなければなりません。フィルタ内に蓄積バイオマスも考慮されなければなりません。藻類および酵母でいくつかの操作条件下でバイオマスゾーンは常にコミュニティが健康であっても、清澄液にはつながりません。これらの場合、バイオマスゾーン上記リサイクルタンク内の顕著な細胞の希薄懸濁液があります。我々はhypothesiz従属栄養硝化/脱窒細菌培養物( 図5)に見られるようにHDBRで栽培されている藻類や酵母のコミュニティで、これまで安定した、連動バイオマスゾーン用に糸状菌が含まれていない電子。目標は、藻類および酵母の場合のような、流出液中に逃げるから細胞を防ぐことである場合、したがって、それは廃液ポートで膜又は濾過装置を使用する必要があるかもしれません。

負HDBRの固液分離に影響を与える可能性がバイオマス乱れ、予想外の源は、リサイクルポンプライン内の気泡の蓄積です。これらの気泡は、リサイクルタンク内の通気の産物です。ケアは定期的にチューブ内のガスのいずれかの蓄積をパージするために取られるべきです。流体の流れの方向にチューブを圧迫すると、このプロセスを促進し、また、チューブの内部に固定となっている任意のバイオマスを除去するのに役立つだろう。これらの培養物中の細胞をフロックに凝集する傾向があるように付着してHDBRの壁にコロニーを形成するためにバイオマスゾーンから放出されたとき、それらはまた傾向があります。研究者は、原子炉とリサイクルタンクの内壁にバイオマスの密着性に気付いた場合このように、彼らが邪魔と反応器の壁に過度のバイオフィルムの成長を防止するために、ピペットまたは消毒ガラス製品ブラシを使用する必要があります。

従属栄養微生物や硝化/脱窒菌が関心のあるコミュニティである場合、上記のプロトコルを変更する必要があります。例えば、従属栄養微生物(VSSとして測定される)の4 gの販売および1 Shiehによって記載されるように、原子炉をシードするために使用されました。アンモニアと亜硝酸酸化細菌を研究すると、濃縮AOB / NOB 2gをNootongとShieh 2に記載されており、ラマナサンとして4。使用され、その原稿21の付録にすると拡大しました。接種材料の正確な量本当に変えることができる原子炉を起動するために使用されているソースの利用可能な接種材料と反応器の実際の容量の大きさに依存します。これらのマット形成の文化を使用した場合のバイオマスの乱れを防止するために、撹拌棒の使用は推奨されません。

油圧特性の操作
HDBR設計の主な利点は、互いに独立して供給及び再循環流量を制御する能力です。研究者らは、特定の積載率の目標レートをリサイクル、または比率をリサイクルすることができます。例えば、合成廃水のCODを除去する活性汚泥を利用した原子炉性能を研究しつつ、リサイクル比は3.5から21.5まで1から変化しました。独立栄養硝化/脱窒菌を利用する反応器の初期の研究では、安定したバイオマスゾーンは2.5から24.3 3の再循環率の下で維持することができることを示しました。リサイクルRAを増やすときに問題が発生しなかったとして、これらの見積りは保守的であることが判明しましたフォローアップ研究21で43までTIOS。高いリサイクル比で動作する能力、従って、高リサイクル率、バイオマスゾーンの安定性や特性に流体せん断の影響を研究するために有用です。このような藻類の栽培など、いくつかのケースでは、バイオマス行列の確立と維持は必要条件では、高いリサイクル率および比は藻類列のサスペンションを支援するために必要とされているではありません。この反応器の設計は、高いリサイクル率(この研究では49.3)によって支援懸濁を促進することができ、研究者らは、反応器内の異なるバイオマス/流出インターフェイスを維持することができることを条件とします。リサイクル率が高い場合には、全体HDBRシステムのリアクタ油圧特性が完全にプラグ流反応器(PFR)よりも混合反応器(CMFR)は、したがって可能治験責任医師は、油圧のスペクトルにわたって培養物を検査するためにすることがより同様に振る舞います単一システムの再循環流量aの特性を混合以下に説明するようにLSOは、反応器内のフラックス、物質移動、および溶存ガス種の分布において役割を果たしています。

リサイクルタンク内のO 2からの磁束と脱ガスの制御
組み合わせ硝化/脱窒プロセスを研究しながら硝化は2-4を行ったとして、溶存酸素濃度は、前のCOD除去の研究1を並列に 、すぐにアクティブなバイオマスゾーンの最下部に枯渇することが観察されました。これは、バイオマスフロー内の流況がPFR 1のそれに似ていることを示唆している場合があります。上部バイオマスゾーンが無酸素になって、脱窒反応器流出物2,3から溶存窒素の除去をもたらす、実施しました。これらの観​​察は、再循環の操作を介して、上昇流タンクに酸素のフラックスを制御する能力と組み合わせてリサイクルタンク外部通気の組み合わせ、ということを実証しましたレートは、単一のタンクで発生する好気性、嫌気性および無酸素の反応を可能にする、フロック内およびバイオマスゾーンの長さに沿って開発するために、酸素の勾配を可能にします。生物学的処理のための多くの反応は、依存または酸素によって阻害されているように、この反応器は、バイオリアクターへの酸素の質量速度を制御する簡単な方法を可能にします。おそらく、より効率的な曝気の実践を可能にします。エアレーションは廃水処理において最も高いエネルギーコストの一つであるように、これは、自治体22,23のための運転コストを低減するのに役立ち得ます。

反応器を通る酸素フラックスの制御は、従属栄養と化学合成独立栄養細菌の懸念だけではありません。過剰な励起エネルギー(EEE)は、細胞がさらされている余剰光エネルギー藻類であり、かつ酸素の結果は(O 2)、スーパーオキシドに還元される(O 2 - )光化学系IまたはII(PSIおよびPSII)24からシャント過剰な電子を有します。スーパーオキシドアニオンはsignifican引き起こす可能性があります藻類システムにおける生理学的損傷をtは。セルラフレームワークはO 2を検出し、中和するために存在する-損傷が細胞成分に発生する前に、しかし、高度にストレスを受けた細胞における活性酸素種(ROS)まだ24-28を形成することができます 。リサイクル率、リサイクルタンク内の通気を制御することにより、研究者らは、過剰酸素、それが藻類の培養物中で誘導することができる毒性から生じる問題に対処することができる場合があり、さらに場合によって、特に、高密度培養における藻類の成長を促進することができます補助光は、ランプの使用を介して提供されている場所。

フロックおよび/ ​​またはバイオマスゾーンの形成は、多様なマクロとミクロ環境につながります
この反応器の設計の中で最もユニークな特徴の一つは、清澄槽の排除です。我々はHDBRsで達成される良好な固液分離が高密度フロック( すなわち、いずれかの形成に起因すると仮定藻類の場合)、または従属と硝化/脱窒培養でフロックと長い糸状菌( すなわち、インターロックの安定した、多孔質マトリックス)1-4,7,16( 図5)を形成します。フロックの形成および安定性は、物理的、化学的および生物学的因子7,13,29-31の数に依存します。実際には、フロックの形成は、スタートアップの第一の目標であり、中断接種13,30の間だけでなく、化合物(凝集剤を生産するだけでなく、凝集微生物の存在に衝突を高めるために十分な混合(せん断力勾配)に依存)細胞が31,32を集約することを可能にすること。これらの実験室規模の反応器では、凝集のために十分な混合は、反応器の底部に位置する攪拌棒などのいずれかの上昇流の速度プロファイルまたは混合装置によって達成することができることを見出しました。酸素を必要と文化のために、外部のリサイクルタンクは、bはでき外部ガス移送タンクとして使用される電子(またはいずれかの通気光合成反応によって生成した酸素を除去するために、例えば、ガスの除去のために)。外部通気の利点は、気泡がフロックと接触し、離れてそれらを破壊するだけでなく、過剰な混合を防止します。いくつかの例において、気泡はそれらを引き起こし、それらは、マトリックスの部分を離れて破壊見出さまたはマトリックスのセクション内に同伴さになることができ、反応器に入ることがわかったときに、安定した、多孔質マトリックスを形成従属し、硝化/脱窒文化と反応器の頂部に浮かんでいます。したがって、再循環ラインを介して反応器に入る気泡を防止するために外部ガス移送槽の操作は、システムの良好な固液分離を維持するための鍵です。

潜在HDBR方向
ベンチトップリアクターの研究、PBRSに焦点を当て、特にものは、多くの場合、特定のミクロのための運動データを収集に向けて集中していますBial社の種やコミュニティ1,3,4,33,34。歴史的に多くの研究は、藻類や細菌群集35,36間の種間相互作用の重要性の証拠にもかかわらず、純粋又は抗菌処理された藻類の培養に行われます。混合培養の研究は、これらの種間関係は35〜38をどのように機能するかについての新しい洞察力との結論を得することを約束します。混合培養物の最近の研究は、藻類や細菌の増殖速度33,34を定量化する定量的ポリメラーゼ連鎖反応(qPCR)のような分子生物学的ツールを使用してサンプル分析を含むように拡大しています。メタゲノムとmetatranscriptomic分析は、藻類や細菌が両方の設計と自然生態系39,40でどのように相互作用するかについての詳細を解明するために使用されています。 HDBRsにおける微生物培養の分子調査、サイズ、構造、およびフロックの組織との多孔質の生物学的マトリックスを調べる顕微鏡研究に加えて、バイオマスゾーンは、良好な固液分離を促進するHDBRs能力に関する貴重な情報を提供するであろう。

これまで、反応器容積と循環比のわずかな範囲はHDBR設計を使用して研究されてきました。このように、スケールアップされたアプリケーションで反応器の性能は現時点では不明です。試験した反応器システムのそれぞれは、2未満の量でLとガラスで構成されています。これらの反応器は、市販のコンポーネントからではなく、始動ピースは慎重に適切な壁の厚さ(私信:K.カラーロ、2014)のために選択されな​​ければならないように、ガラス炉のサイズは難しいかもしれ増加実験用ガラス製品の専門家によって構成されなければならないとして。大型ガラス製品はまた、金属、プラスチック、またはコンクリートの原子炉と比較して折れたり破損しているのリスクが高いが実行されます。ベンチトップ実験用の金属製またはプラスチック製で、より大きな原子炉を構築することはオプションであってもよいが、このオプションの実行可能性はまだ調査されるようにしています。さらに、T彼は調査中の原子炉の目視観察を妨げる可能性が不透明または半透明の材料の使用やPBRの設定でこれらの反応器の操作が複雑になります。

この原稿は、アセンブリ、起動、および高密度バイオリアクター(HDBR)を操作するための操作手順を概説しました。以前の研究は、代金引換と従属と化学合成独立栄養細菌1-4を用いて、窒素種の両方を削除するHDBRs能力を確立しています。ここで著者は、高密度藻類コミュニティの文化や合成の廃棄物の流れから窒素種を除去するためのHDBRsの能力を実証します。以前の観察の後、安定したバイオマスゾーンが流入からの全窒素種の18.4%を除去しながら達成された清澄化工程なし藻類、及び原子炉の正常動作することにより形成しました。窒素種(NO 3、NH 4 + - )間の変換ができるように、観察されました著者は、AOBとNOBの存在と活動を提案します。環境および産業用アプリケーションの様々な微生物の高密度培養のためのこの反応器の設計の現在の藻類やHDBRシステムサポート、さらに使用を用いた従来の研究とデモンストレーションのほか、研究開発、この原稿に提示された結果。

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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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