A Novel Bioreactor voor High Density Teelt van Diverse microbiële gemeenschappen

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

Afvalwater wordt gewoonlijk behandeld met actief slib processen om de gesuspendeerde stoffen (SS), biologisch zuurstofverbruik (BOD), organische en anorganische stikstof- en fosforgehalte 5,6 te verlagen. De actiefslibproces een middel secundaire behandeling van afvalwater, houdt de oxidatie van organische koolstof in een beluchtingstank gevuld met een mengsel bevatten van inkomende afvalwater en gerecycleerd heterotrofe micro-organismen (gewoonlijk aangeduid als actief slib) 5-7. De gemengde vloeistof gaat vervolgens een relatief grote nabezinker (bezinktank) waar het slib bezinkt voor eenvoudiger collectie, ofwel worden afgevoerd of teruggevoerd naar de beluchtingstank, terwijl de geklaarde, behandelde afvalwater kan blijven tertiaire behandeling of desinfecteren voordat ze vrijgelaten in ontvangende wateren 5-7. Efficiënte scheiding van het gezuiverde afvalwater en vaste stoffen (slib) in de secundaire clarifier is essentieel voor de goede functie van een wastewater behandelingssysteem, als elk actief slib voortgezet na de zuiveraars wordt het effluent 5-8 de BOD en SS verhogen.

Een aantal alternatieve biologische processen bestaan ​​voor de secundaire behandeling van afvalwater, die verminderen of elimineren de noodzaak voor grote verduidelijking van tanks, met inbegrip van verbonden-groei (biofilm) reactoren, membraanbioreactoren (MBR), en korrelslib reactoren. In biofilmreactoren de vorming van biofilms, waarbij micro-organismen van nature geaggregeerde en bevestig als laag op een vast oppervlak, maakt de retentie en de accumulatie van biomassa zonder dat een verduidelijking tank. Biofilmreactoren kunnen worden ingedeeld in drie soorten: gepakt bed reactoren, gefluïdiseerd bed reactoren en roterende biologische schakelaars. Gepakte bed reactors, zoals een oxidatiebedden en biologische torens, gebruiken een stationair vast groeioppervlak 5,6. Wervelbedreactors (FBRs) afhankelijk van de aanhechting van microorganismen aan deeltjes,zoals zand, korrelvormige actieve kool (GAC) of glasparels, die in suspensie worden gehouden door een hoge opwaartse stroomsnelheid 9,10. Roterende biologische reactoren afhankelijk biofilms gevormd op media bevestigd aan een roterende as waardoor de biofilm afwisselend blootgesteld aan lucht en de vloeistof wordt behandeld 5,6. MBRs gebruiken membraanfiltratie-eenheden, hetzij binnen de bioreactor (ondergedompeld configuratie) of extern via recirculatie (configuratie side-stream) 5,11. De membranen dienen om goede scheiding van biomassa en vaste deeltjes uit de behandelde vloeistof 11,12 realiseren. Korrelslib reactoren opwaartse reactoren waarin de vorming van zeer dichte en goed afwikkeling granules van micro-organismen optreedt wanneer ze worden blootgesteld aan hoge werkzame air opwaartse snelheden 13.

Als een ander alternatief voor het actiefslibproces een nieuw opwaartse reactorsysteem, nu een hoge dichtheid bioreactor (HDBR) was designed en gebouwd door Sales en Shieh (2006) naar COD verwijdering door actief slib uit synthetische stromen afval in lage F / M omstandigheden die bekend zijn bij de vorming van slechte bezinken slib veroorzaken (dat wil zeggen, bulking sludge) 1,7,14 studeren. Het HDBR systeem gebruikte gemodificeerde gefluïdiseerd bed reactors die typisch bestaan ​​uit een upflow reactor en een extern recirculatietank. Wervelbedreactors worden typisch bediend recirculatiestroom stroomsnelheden hoog genoeg om de biofilmgroei ondergrond suspensie te houden, maar laag genoeg zodat de biofilm bedekte substraat wordt vastgehouden. Unlike gefluïdiseerd bed reactoren, de HDBR beschreven Verkoop Shieh (2006) gebruikt relatief lage recirculatiestroom stroomsnelheden die samen met uitwendige beluchting, verhinderde verstoring van de biomassa zone gevormd in de reactor 1. Latere studies hebben het vermogen deze reactor ontwerp van een reeks van stikstof stromen succesvol te behandelen met behulp van nitrificerende / denitrificerende bacteriën 3,4 aangetoond. In alle studies de vorming van een stabiele, dichte biomassa zone binnen de HDBR langer nodig externe flocculatie / sedimentatieproces 1-4.

Als we hier melden, is het gebruik van de HDBR dichte culturen groeien ook getest in een fotobioreactor (PBR) configuratie voor het kweken van algen. We bespreken de voor- en nadelen van deze nieuwe reactor voor algen teelt en zijn potentieel voor het overwinnen van een grote hindernis in de commercialisering van algen biobrandstoffen in verband met het oogsten van biomassa (dat wil zeggen, goed vast-vloeistof scheiding 15,16). Het volgende protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om te monteren, opstarten, monster uit, en een HDBR met algen als de microbiële gemeenschap van belang te behouden. Variaties in het opstarten en de werking van het protocol en heterotrofe nitrificatie / denitrificerende culturen zal ook worden vermeld. Ten slotte zal de algemene voordelen, nadelen en onbekenden van deze nieuwe reactor ontwerp worden gemarkeerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Reactor Vergadering

  1. Rangschik de reactor componenten volgens het schema in figuur 1.
    1. Plaats de reactor (R) op een mengplaat, voeg een roerstaaf aan de reactor. Plaats de recirculatietank (RT) naast de roerplaat en de reactor zodat de effluent (top) van de cilinder, is gericht op de rand van de labtafel.
    2. Plaats de afvalcontainer (W) onder het effluent (top) poort van de recycle tank (RT). Plaats de toevoer tank (FT) naast de recycle tank (RT).
      Opmerking: Het voer tank heeft een totale capaciteit van 5 L.
  2. Bevestig de reactor (R) tegen kantelen met een geschikt formaat staan ​​en klem. Ook zet de recycle tank (RT) om beweging te voorkomen.
  3. Plaats neopreen peristaltische pomp slang in de recycle (Pump A) en diervoeders (Pomp B) pompkoppen. Raadpleeg de tabel Materialen voor extra buizen specificaties. Installeer de pomp hoofden op de pomp drives met de schroeven provided met de pomp stations.
  4. Sluit Pomp A's slang aan op de poorten van de reactor en de recycle tank. Steek het uiteinde van de pomp B's slang in de toevoer tank en de recycle tank. Sluit de top reactor poort naar de recycle tank met slang. Breng klemmen om de slang in de reactor poorten.
    Opmerking: Photosynthetic gemeenschappen kunnen profiteren van kunstmatige verlichting door lampen.

2. Voorbereiding van de Stock Solutions, Influent / Feed Solutions, en algen Inoculant

  1. Bereid de minerale voorraad oplossing. Voeg de volgende een 1 L maatkolf met 500 ml gedeïoniseerd water: 200 g natriumbicarbonaat, 40 g monobasisch kaliumfosfaat, 4 g magnesiumsulfaat, 4 g ferrichloride, 4 g calciumchloride, 1 g koperchloride, 1 g kobalt chloride hexahydraat, 1 g nikkel- chloride-hexahydraat, 1 g zinksulfaat heptahydraat. Voeg een extra 400 ml gedeïoniseerd water. Wervelen krachtig tot ontbinding van zouten aan te moedigen. Volgende DissPLOSSING van zouten, voeg gedeïoniseerd water om het totale volume van de oplossing tot 1 L. brengen
  2. Bereid de ammoniak voorraad oplossing. In een 1 L maatkolf 38,214 g ammonium- chloride in ongeveer 900 ml gedeïoniseerd water. Na oplossing voeg gedeïoniseerd water om het totale volume op 1000 ml te brengen.
    Opmerking: 1 ml van de oplossing verdund tot 1 liter levert een 10 mg L -1 NH4 + -N-oplossing.
  3. Bereid de nitraat voorraad oplossing. In een 1 L maatkolf 72,413 g kaliumnitraat in ongeveer 900 ml gedeïoniseerd water. Na oplossing voeg gedeïoniseerd water om het totale volume op 1000 ml te brengen.
    Opmerking: 1 ml van de oplossing verdund tot 1 liter levert een 10 mg L -1 NO 3 - N-oplossing.
  4. Bereid voer / influent oplossing. Aan een voedingsoplossing bevattende 20 mg L -1 NH 4 + N en 20 mg L -1 NO 3 - N Verdun 2 ml van eenmmonia voorraad-oplossing en 2 ml van nitraat voorraad oplossing voor 1 liter totaal volume. Voorafgaand aan verwatering, voeg 0,5 ml minerale oplossing / L van de oplossing wordt gemaakt. Bereid 5 liter influent in totaal om het opstarten van de reactor.
  5. Bereid de algen inoculant.
    1. Verzamel een groot volume (minimaal 10 L) van water uit een water-algen bevattend lichaam, zoals een beek of vijver. Laat de algen om zich te vestigen door het verlaten van de watermonsters ongestoord gedurende 24 uur.
    2. Decanteer de heldere (niet-algen bevattend) water aan de bovenkant van de monsters te verwijderen, waardoor een geconcentreerde algensuspensie binnen de monsterflessen. Combineer de algen opschorting van alle monsters in een container en herhaal het bezinken en decanteren stappen.
    3. Meet de biomassa binnen de geconcentreerde monster.
      1. Droog papier vacuüm filter (0,45 urn MCE vacuüm filter) en aluminium gewichtboot O / N in een oven die is ingesteld op 103 ° C Na afkoelen in een exsiccator gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur meet de combined massa van het filter en gewichtboot.
      2. Vacuümfilter 20 ml geconcentreerde algen schorsing en de terugkeer van de filter en weegt boot naar de oven te drogen O / N.
      3. Meet de totale massa van het filter en gewichtboot. Bereken de biomassadensiteit binnen het geconcentreerde monster.
        Opmerking: De totale hoeveelheid water sample onderzoekers moeten halen zal afhangen van de bron waterlichaam.

3. Zaaien en starten de Reactor

  1. Voeg 750 ml voedingsoplossing naar de reactor. Vul het recycle tank met 500 ml voedingsoplossing.
  2. Gebruik een lange pipet zachtjes voeg een inoculum suspensie die 1,5 g algen nabij de bodem van de reactor. Laat het inoculum bezinken naar de bodem van de reactor, zorgen deze door visuele waarneming, alvorens de volgende stap.
  3. Zodra de cellen hebben geregeld, verwijder de buis klemmen en zet pomp A naar een langzame stroomsnelheid (10 Revolutions min -1 / 38 ml min -1). Lucht in de buis wordt uitgestoten in de reactor.
    Opmerking: De toevoeging van 750 ml aan de reactor voorkomen biomassa verstoord door de pomp verlaat de reactor. Knijp de slang om te verzekeren dat alle lucht is verdreven.
  4. Voeg geleidelijk voedingsoplossing aan de recirculatietank de oplossing in de reactor gepompt. Vervolg de toevoeging tot zowel de reactor en de recycle tank zijn op capaciteit en effluent wordt gestart met de recycle tank via de top haven te verlaten.
    Opmerking: Het volume van de voedingsoplossing worden toegevoegd aan de recirculatietank zal variëren met het volume van het inoculum toegevoegd aan de reactor.
  5. Giet de resterende voedingsoplossing in de toevoer tank.
  6. Stel de recycle pomp (pomp A) tot 19 revoluties min -1, de oprichting van een recycle stroomsnelheid van 72,5 ml min -1. Observeer de algen beginnen loft van de bodem van de reactor. De gradaties aan de reactor, bepalen de algen biomass hoogte zone. Zorg ervoor dat de hoogte constant is voordat u doorgaat met de volgende stap.
  7. Zet het mengen plaat bij zeer lage snelheid; een instelling van 1 of 2 is wenselijk starten. Het mengen bar zal helpen bij lofting biomassa verder, maar agressief mengen zal algen veroorzaken aan de reactor verlaat, voert de recycle tank, en laat in het effluent. Stel mengsnelheid op een instelling tot een heldere algen begrenzing binnen de reactor (figuur 2A) vast te stellen; de algenbiomassa zone moet ongeveer 10-15 cm hoog zijn.
  8. Start de voedingspomp na het observeren een duidelijke grens tussen de algen stekker en de reactor vloeistof. Stel de pomp 25 omwentelingen min -1, vaststelling van een debiet van 1,5 ml min -1. Neem de afslag reactor vloeistof het effluent poort gevolg van de zwaartekracht en de verplaatsing veroorzaakt door de binnenkomende influentstroom.

4. Monsterneming en Analyse

  1. Het uitvoeren van monstername activiteiten priof onderhoud aan het reactorsysteem. Verzamel 20 ml van afvalwater en invloedrijke monsters dagelijks. Verzamelen effluent monsters uit binnen de recycle tank. Verzamel influent monsters rechtstreeks uit de voeding tank.
  2. Vacuümfilter monsters te verwijderen zwevende deeltjes voorafgaand aan opslag en analyse.
  3. Bewaar de influent en effluent monsters bij -20 ° C tot verdere analyse. Beperk het aantal vries dooi cycli monsters worden onderworpen aan. Indien nodig, kunnen monsters worden verdeeld in porties monster integriteit te behouden.
  4. Uit te voeren monsteranalyse voor nitraat, nitriet en ammoniak met behulp van standaard technieken 17.
    Opmerking: De auteurs gebruikte ionenchromatografie (IC) aan de hierin gepresenteerde resultaten. Raadpleeg de tabel Materialen voor specificatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De HDBR werd algen kweken over verschillende verhoudingen van influent ammoniak en nitraatconcentratie, terwijl een totaal stikstofgehalte in de voeding bij 40 mg -NL -1. In- en uitloop van de monsters werden dagelijks genomen; biomassadensiteit monsters werden genomen aan het begin en einde van elke conditie. De reactor nam gemiddeld 3-5 dagen om steady state evenwicht te bereiken na de omstandigheden zijn gewijzigd. Over een groot aantal influent omstandigheden een afzonderlijke biomassa zone opgericht, zoals waargenomen eerdere studies (figuur 2). De algen cultuur in de HDBR bleek gemiddeld 18,4% stikstof totaal deeltjes in de voeding (n = 44) te verwijderen. Binnen de biomassa zone totale algenbiomassa en biomassadensiteit was consistent tijdens de loop van deze studie.

De verwijdering van NH 4 + en NO 3 - worden uitgezet tegen de NH4 + en NO3 - feed preparaat in figuur 3. Een eenvoudige lineaire regressiemodel werd gebruikt om de betekenis van de relaties tussen de verwijdering van N soorten en de voedingssamenstelling 18-20 beoordelen. Verwijdering van ammoniak werd waargenomen bij alle reeksen van NH4 + en NO 3 - samenstelling (Figuur 3A en Figuur 3B, respectievelijk). Noch NH4 + noch NO 3 - voersamenstelling invloed op de verwijdering van NH 4 + over de geteste (n = 44, p = 0,993 en n = 44, p = 0,610 respectievelijk) omstandigheden. Anderzijds verwijdering van NO 3 - bleek negatief verband met NH 4 + voersamenstelling (n = 44, p = 0,000) (figuur 3C) en afwisselend positief met NO 3 - voersamenstelling (n = 44, p = 0,000) (Figuur 3D).

NO 3 - werd waargenomen (negat accumulerenive verwijdering) binnen de reactor voor de meeste samenstellingen influent (34 van 44 monsters). NO 3 - verwijdering werd alleen waargenomen wanneer NH4 + voeding concentraties waren lager dan 10 mg -NL -1 en NO 3 --feed concentraties van meer dan 15 mg -NL waren -1. Zuurstof, die wordt toegevoegd aan de reactor via beluchting in de externe kringloop tank en de algen, kan dienen als een elektronenacceptor voor ammoniak en nitriet-oxiderende bacteriën (respectievelijk AOB en NOB). Als aërobe omstandigheden domineren in de reactor via hoge recycle debieten, zal bacteriën die kunnen uitvoeren dissimilatorische (heterotrofe) denitrificatie voorkeur om zuurstof te gebruiken als een elektron acceptor 4. Als de snelheid van NO 3 - productie en input van de voeding hoger is dan de assimilatie omzetting van NO 3 - organische stikstof of dissimilatorische denitrificatie, NO 3 - kan opstapelingte in de reactor. De verwijdering van NH4 + en accumulatie van NO 3 - stelt AOB en NOB zijn aanwezig en actief in de gemeenschap als algen niet bekend zijn bij de omzetting van NH4 + katalyseren NO 3 -. Deze resultaten tonen het vermogen dit reactorsysteem om stikstofstroom dynamiek en kinetiek te bestuderen in een gemengde algen-bacteriële gemeenschappen.

De auteurs hebben met succes gehandhaafd gezonde algen gemeenschappen in deze HDBRs meer dan een jaar. Twee reactor crashes echter sedert de start van het project, zowel als gevolg van ernstige wijzigingen influent samenstelling. De eerste was het gevolg van een verandering van stikstofspecies verhoudingen de totale stikstofstroom constant wordt gehouden; NH 4 + werd verwijderd uit de voeding en NO 3 - concentraties werden verhoogd als compensatie. De tweede crash gebeurde als gevolg van cutting de totale stikstofstroom van 75 procent, van 40 mg -NL -1 tot 10 mg -NL -1 (figuur 4). In beide gevallen werd de afzonderlijke biomassa zonegrens waargenomen verslechteren in de loop van 2 tot 3 dagen samenvalt met een sterke stijging van zwevende stoffen in het effluent (figuur 4). Effluent zwevende stoffen verhoogd tot maximaal 6 dagen nadat de voeding veranderen als de reactor verloren biomassa (Figuur 4). Na de crash zwevende stoffen in het effluent hoog bleef (ongeveer 0,22 g SS L -1) en geen nieuwe biomassa werd waargenomen ophopen in de reactor, waardoor de voortzetting van het experiment. Het huidige ontwerp mist een veiligheidsmechanisme om culturen te behouden als ze niet blijven goed uitgevlokt.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische voorstelling van een High Density Bioreactor (HDBR) (niet to schaal). Het Reactor (R) bestaat uit een 1000 ml maatcilinder met poorten (slang weerhaken buitendiameter 3/8 ") geïnstalleerd in de 100 ml en 1000 ml levels. Reactor fluïdum doorlopen van de reactor via peristaltische pomp A (PA), ingevoerd tegen de bodem van de reactor en naar boven stroomt door de biomassa zone (BZ) naar de bovenste opening. Vloeistof verlaat de reactor aan de bovenste opening en wordt naar de recirculatietank (RT) doorlopen. De RT bestaat uit een 600 ml bekerglas,. het heeft twee poorten geïnstalleerd, één aan de onderkant van de beker en een aan de 500 ml-markering Reactor vloeistof via de onderste poort (en PA) teruggevoerd naar de reactor Effluent bladeren. de reactor via de bovenste opening van de RT en wordt opgevangen in een afvalcontainer (W). Diffusive beluchting wordt in de RT met behulp van een beluchter (A). De beluchting aandrijft ook mengen in de MV. Slangenpomp B (PB) levert influent van een tank met voer / influent (FT) in de RT.

Figuur 2
Figuur 2. Voorbeelden van biomassa / reactor vloeistof scheiding binnen een hoge dichtheid bioreactor (HDBR). Paneel A toont een hoge dichtheid algen gemeenschap (2,83 g SS L -1) wordt gekweekt in een HDBR. Een duidelijke begrenzing treedt op wanneer de bezinkingssnelheid van de fotosynthetische microbiële gemeenschap dat van de reactor fluïdum. Paneel B geeft de microbiële matrix gevormd door actief slib in de recycle voorwaarden besproken in Sales en Shieh (2006) 1. Paneel C toont gist wordt gekweekt op een influent bestaande uit glucose voor de productie van ethanol via fermentatie (niet gepubliceerde resultaten). In alle drie de reactorconfiguraties de nieuwe reactor ontwerp heeft eliminated de noodzaak voor een aparte verduidelijking of afwikkeling proces in de reactor systeem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
. Figuur 3 Illustratie van NH4 + en NO3 -. Verwijderingssnelheden versus influent samenstelling totale influent N-concentratie werd op 40 mg -NL -1 tijdens de duur van de studie. (A) NH 4 + voedingsconcentratie wordt tegen de verwijdering van NH4 + uitgezet; Er was geen significant effect (n = 44, p = 0,993). (B) NO 3 --feed concentratie wordt tegen de verwijdering van NH 4 + uitgezet; Er was geen significant effect (n = 44, p = 0,610).(C) NR 3 - verwijdering bleek significant en negatief gerelateerd aan NH 4 + voeding concentraties (n = 44, p = 0,000). (D) NO 3 - verwijdering was significant en positief gerelateerd aan NO 3 -. Voer concentraties (n = 44, p = 0,000). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken Klik hier om een grotere versie van deze foto figuur.

Figuur 4
Figuur 4. verdere effluent zwevende stoffen in reactie significant afneemt stikstofstroom door de reactor. Influent stikstofgehalte werd verlaagd van 40 mg -NL -1 tot . 10 mg -NL -1 (op tijdstip 0 in deze figuur eveneens aangegeven door de verticale lijn) Verslechtering van de afzonderlijke biomassa zone werd waargenomen na 2 dagen; na 3 dagen verlies van biomassa was gemakkelijk waarneembaar. Een significante toename in het effluent SS werd waargenomen na dagen nadat de wijziging werd vastgesteld en de maximale effluent SS voorgedaan na 6 dagen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5
Figuur 5. Microfoto benadrukken poreuze vlokken structuur en in elkaar grijpende draadvormige bacteriën. Twee microfoto exposeren de poreuze structuur gevormd door heterotrofe bacteriën (actief slib). Draadvormige bacteriën het overbruggen van de ruimte tussen de vlokken, in elkaar grijpende vlokken in om de gestabiliseerde zone biomassa.href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" target = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deze sectie zal beginnen met een bespreking van protocol variaties die nodig zijn om mogelijke operationele kwesties, evenals het gebruik van verschillende microbiële gemeenschappen aan te pakken. De sterke punten van dit reactorontwerp besproken, waaronder het vermogen om controle zuurstofflux en de vorming van hoge dichtheid vlokken in de reactor geregeld. De huidige uitdagingen en mogelijke wegen van het onderzoek zal ook worden vermeld.

Protocol nuances en variaties
De werking van HDBRs voor het kweken van verschillende culturen vereist lichte veranderingen in operationele protocol, naar gelang de onderzochte species. Voldoende menging en uitbreiding van de algenbiomassa zone nodig om blootstelling van vlokken verhogen licht en maken fotosynthese. Suspensie van algen biomassa in de reactor wordt aangedreven door een combinatie van de reactor recirculatiesnelheid en mixstaaf snelheid. Zorg moeten worden genomen bij het selecteren van de functionele eigenschappenvan beide, zodat er voldoende afstand tussen de biologisch actieve algenbiomassa zone en de poort aan de bovenzijde van de reactor, als alle biomassa verlaat het reactorvat kan in het effluent worden verloren door de bovenste opening van de recirculatietank. Als biomassa wordt waargenomen verlaten in het effluent, kan een filter worden gemonteerd op de bovenste poort van de recycle tank. Een prop glaswol kan worden gebruikt als een filter. Als het filter ophoopt biomassa zal moeten worden veranderd. Wanneer een filter wordt gebruikt, moet zwevende stoffen monsters genomen stroomafwaarts van de filter naast de reactor fluïdum binnen de recirculatietank om de juiste massabalans verkrijgen; opgebouwde biomassa in de filter moet ook rekening worden gehouden. Onder bepaalde bedrijfsomstandigheden met algen en gisten de biomassa zone niet altijd leidt tot geklaarde vloeistof, zelfs als de gemeenschap is gezond. In deze gevallen is een verdunde suspensie van cellen zichtbaar boven de biomassa zone binnen de recirculatietank. We hypothesize dat de algen en gist gemeenschappen die zijn gekweekt in de HDBR tot nu toe niet de filamenteuze bacteriën bevatten voor de stabiele, in elkaar grijpende biomassa zone gezien in heterotrofe en de nitrificatie / denitrificatie bacteriële kweken (figuur 5). Daarom, als het doel is om cellen kunnen ontsnappen in de afvoerstroom, zoals het geval is met algen en gisten kan het noodzakelijk zijn om een ​​membraan of filtratie-apparaat van het effluent haven.

Een onverwachte bron van biomassa verstoringen die kunnen schaden de vaste stof-vloeistofscheiding van de HDBR, is de ophoping van bellen binnen de terugvoerpomp lijnen. Deze belletjes zijn een product van de beluchting in de recycle tank. Men dient regelmatig ophoping van gassen zuiveren binnen de buis. Knijpen de buis in de richting van fluïdumstroming dit proces te versnellen en dient ook om eventuele biomassa die is gefixeerd raken aan het inwendige van de buis los. Omdat de cellen in deze kweken neiging te aggregeren tot vlokken, ze hebben ook de neiging bij het loslaten van de biomassa zone te hechten en te koloniseren de wanden van de HDBR. Dus als onderzoekers merkt de hechting van biomassa aan de binnenwanden van de reactor en recirculatietank, moeten zij een pipet of gezuiverd glaswerk borstel te verstoren en te voorkomen dat overmatige groei van biofilm op de wanden van de reactor.

De hierboven beschreven protocol moet worden aangepast wanneer heterotrofe micro-organismen of nitrificerende / denitrificerende bacteriën zijn de gemeenschap van belang. Bijvoorbeeld, 4 g heterotrofe micro-organismen (gemeten als VSS) werd gebruikt om de reactor te zaaien, zoals beschreven door Sales en Shieh 1. Bij het ​​bestuderen van ammoniak en nitriet oxiderende bacteriën, werd 2 g verrijkt AOB / NOB gebruikt zoals beschreven in Nootong en Shieh 2 en Ramanathan et al. 4, en verder uitgewerkt in de bijlage bij die manuscript 21. Het exacte bedrag van de entstofde reactor kan variëren starten en werkelijk afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare bron inoculum en het werkelijke volume van de reactor wordt gebruikt. Biomassa storingen te voorkomen, is het gebruik van een roerstaaf ontmoedigd bij gebruik van deze mat-vormende cultures.

Manipulatie van hydraulische eigenschappen
Een primair voordeel van de HDBR ontwerp is de mogelijkheid om het voer en recyclen stroomsnelheden onafhankelijk van elkaar regelen. Onderzoekers kunnen specifieke belasting tarieven richten, recyclen tarieven, of recyclen verhoudingen. Bijvoorbeeld, terwijl het bestuderen van de reactor prestaties gebruik te maken van actief slib naar COD uit synthetische afvalwater te verwijderen, de recycle verhouding varieerde 3,5-21,5 1. Aanvankelijke studies van de reactor gebruik autotrofe nitrificerende / denitrificerende bacteriën aangegeven dat stabiel biomassa zones onder recycle ratio van 2,5-24,3 3 kan worden gehandhaafd. Deze schattingen bleken conservatieve als er geen problemen zijn opgetreden bij het verhogen van recycle ratios tot 43 in een follow-up studie 21. Het vermogen om te werken bij hoge recycle ratio, en dus hoge prijzen recyclen, is nuttig voor het bestuderen van de effecten van vloeistofschuifspanning op de stabiliteit en eigenschappen van de biomassa zone. In sommige gevallen, zoals algenkweek, het opzetten en onderhouden van een biomassa-matrix is ​​geen vereiste en hoge recycle tarieven en verhoudingen zijn nodig om te helpen bij de schorsing van de kolom algen. Het reactorontwerp kan suspensie bijgestaan ​​door hoge recycle rates (49,3 in deze studie) te vergemakkelijken mits onderzoekers in staat is om een ​​andere biomassa / effluent-interface in de reactor. Wanneer de recycle verhouding hoog, de reactor hydraulische eigenschappen van het gehele HDBR systeem gedragen zich vergelijkbaar met volledig reactoren (CMFR) dan een propstroom reactor (PFR), waardoor aldus de onderzoeker aan kweken over een spectrum van hydraulische onderzocht mengen kenmerken in één systeem Het recycle debiet eenlso speelt een rol in de flux, massaoverdracht en verspreiding van opgeloste gasvormige gehele reactor, zoals hieronder beschreven.

Controle van O 2 flux van en ontgassen in de recycle tank
Tijdens zijn studie gecombineerd nitrificatie / denitrificatie processen, werden opgeloste zuurstof concentraties waargenomen snel worden uitgeput in de laagste delen van de actieve biomassa zone nitrificatie werd uitgevoerd 2-4, parallel vorige COD verwijdering studies 1; Dit kan erop wijzen dat het regime stroming binnen de biomassa stroming lijkt op die van een PFR 1. Met de hogere biomassa worden anoxische zone, denitrificatie werd uitgevoerd, resulterend in de verwijdering van opgeloste stikstof uit het reactoreffluent 2,3. Deze waarnemingen toonden aan dat de combinatie van externe beluchting in de recirculatietank, gecombineerd met de mogelijkheid om de flux van zuurstof naar de opwaartse tank besturen, via manipulatie van de recyclerate, maakt gradiënten zuurstof ontwikkelen in vlokken en langs de lengte van de biomassa zone, waardoor aërobe, anaërobe en anoxische reacties optreden in een tank. Zoals vele reacties voor biologische behandeling hangt af van of worden geremd door zuurstof, deze reactor zorgt voor een eenvoudiger manier om zuurstof massa tarieven in bioreactoren controleren; misschien waardoor efficiëntere beluchting praktijken. Zoals beluchting is één van de hoogste energie kosten afvalwaterbehandeling, kan dit dienen exploitatiekosten gemeenten 22,23 verlagen.

De besturing van zuurstofflux door een reactor niet alleen een zorg voor heterotrofe bacteriën en chemoautotrofe. Overtollige excitatie-energie (EEE) als het overschot lichtenergie algen cellen worden blootgesteld aan, en resulteert in zuurstof (O 2) is verminderd tot superoxide (O 2 -) met overmaat elektronen overbrugd van fotosysteem I of II (PSI en PSII) 24. Superoxide anionen kunnen veroorzaken significant fysiologische schade algen systemen. Een cellulaire kader bestaat om op te sporen en te neutraliseren O 2 - voordat er schade kan ontstaan ​​aan cellulaire componenten, maar in zwaar belaste cellen reactive oxygen species (ROS) kunnen vormen nog steeds 24-28. Door het beheersen van de recycle percentage en de beluchting in de recycle tank, kunnen de onderzoekers in staat zijn om problemen als gevolg van een overmaat aan zuurstof en de toxiciteit kan induceren in algenculturen te pakken, en kunnen verdere versterking van de groei van algen in zeer dichte culturen, met name in gevallen waarbij extra licht wordt verschaft door het gebruik van lampen.

Vorming van vlokken en / of biomassa zone leidt tot diverse macro- en micro-omgevingen
Een van de meest unieke kenmerken van deze reactor ontwerp is de eliminatie van een verduidelijking tank. We veronderstellen dat de goede vast-vloeistofscheiding die wordt bereikt HDBRs kan worden toegeschreven aan ofwel de vorming van zeer dichte vlokken (dwz degeval algen), of de vorming van een stabiele, poreuze matrix van in elkaar grijpende vlokken en lange draadvormige micro-organismen (dwz, de nitrificerende heterotrofe en / denitrificerende kweken) 1-4,7,16 (figuur 5). De vorming en de stabiliteit van de vlokken is afhankelijk van een aantal fysische, chemische en biologische factoren 7,13,29-31. In feite, de vorming van vlokken is het primaire doel van opstarten en afhankelijk voldoende menging (dwarskracht gradiënten) om botsingen te verhogen onder de zwevende entstof 13,30 maar ook op de aanwezigheid van goed uitvlokken micro-organismen die verbindingen (vlokmiddelen produceren ) waarmee cellen aggregeren 31,32. In deze laboratoriumschaal reactoren hebben wij gevonden dat voldoende menging van flocculatie kan worden uitgevoerd door de opwaartse snelheidsprofiel of een menginrichting, zoals een roerder, aan de onderkant van de reactor. Voor culturen die zuurstof nodig hebben, kan de externe recycle tank be als externe gas overdrachttank (hetzij voor beluchting of strippen van gassen, bijvoorbeeld voor het verwijderen van zuurstof door fotosynthese reacties). Het voordeel van uitwendige beluchting is het voorkomt overmatige menging en luchtbellen in contact komt met vlokken en breken uit elkaar. In sommige gevallen, met de heterotrofe en nitrificerende / denitrificerende culturen vormden een stabiele, poreuze matrix, wanneer gasbellen bleken de reactor voeren konden worden gevonden afbreken van delen van de matrix of worden meegevoerd in gedeelten van de matrix waardoor ze drijven naar de top van de reactor. Daarom is de werking van de externe gas overdrachttank voorkomen luchtbellen die in de reactor via de recirculatieleiding is essentieel voor het handhaven van goede vast-vloeistofscheiding van het systeem.

Potentiële HDBR richtingen
Benchtop reactor studies, met name gericht op PBRS, zijn vaak toegespitst op het verzamelen van kinetische gegevens voor een bepaalde micro-BIAL soorten of gemeenschap 1,3,4,33,34. Historisch gezien veel studies zijn gedaan op axenische of antibacterieel behandeld algenculturen ondanks groeiende bewijs van het belang van interspecies interacties tussen algen en bacteriële gemeenschappen 35,36. Studies van gemengde culturen beloven om nieuwe en inzichtelijke conclusies opleveren over hoe deze interspecies relaties werken 35-38. Recente studies van gemengde kweken is uitgegroeid tot monsteranalyse met moleculair biologische methoden zoals kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR) voor algen en bacteriële groei 33,34 kwantificeren omvatten. Metagenomic en metatranscriptomic analyse is gebruikt om nadere informatie over de manier waarop de algen en bacteriën interactie in zowel kunstmatige en natuurlijke ecosystemen 39,40 helderen. Naast moleculaire onderzoeken van de microbiële culturen HDBRs, microscopie studies naar de grootte, structuur en organisatie van vlokken en de poreuze matrix van de biologischebiomassa zone zou waardevolle informatie over het HDBRs vermogen om goede vast-vloeistofscheiding bevorderen verschaffen.

Tot nu toe hebben slechts een kleine reeks van reactor volumes en recycle ratio is onderzocht met behulp van de HDBR ontwerp. Als zodanig reactorprestaties in opgeschaalde toepassingen is momenteel niet bekend. Elk van de geteste reactorsystemen minder dan 2 L in volume en samengesteld uit glas. Aangezien deze reactoren zijn niet uit de kast componenten en mag worden gebouwd door een laboratorium glaswerk specialist verhogen van de grootte van glas reactoren kan moeilijk zijn als het uitgangsmateriaal stukken zorgvuldig worden geselecteerd voor een passende wanddikte (privé-correspondentie: K. Carraro, 2014). Grote glaswerk loopt ook een hoger risico te worden gebroken of beschadigd in vergelijking met een metaal, kunststof of beton reactor. Construeren grotere reactoren met metaal of kunststof voor stationaire experimenten kan een optie zijn, maar de levensvatbaarheid van deze mogelijkheid nog onderzocht worden. Daarnaast thij het gebruik van ondoorzichtige of doorzichtige materialen kan visuele waarneming van de reactoren in onderzoek belemmeren en zou de werking van deze reactoren compliceren in een PBR configuratie.

Dit manuscript heeft geschetst van de montage, inbedrijfstelling en operationele procedures om een ​​hoge dichtheid bioreactor (HDBR) bedienen. Vorige werk heeft HDBRs capaciteit opgericht om zowel de COD en stikstof soorten met heterotrofe en chemoautotrofe bacteriën 1-4 verwijderen. Hier tonen de auteurs aan het vermogen van HDBRs voor de cultuur van hoge dichtheid algen gemeenschappen en de verwijdering van stikstof soorten uit een synthetische stromen afval. Na eerdere waarnemingen, werd een stabiele biomassa zone gevormd door algen en succesvolle werking van de reactor zonder verduidelijking werkwijze werd bereikt tijdens het verwijderen 18,4% van totaal stikstof soorten uit het influent. Conversie tussen stikstof soorten (NH4 + NO 3 -) waargenomen, waardoorde auteurs om de aanwezigheid en activiteit van AOB en NOB stellen. De in dit manuscript uit de huidige demonstratie met algen en eerdere studies met het HDBR systeemondersteuning verder gebruik, alsook onderzoek en ontwikkeling van dit reactorontwerp voor hoge dichtheid kweken van micro-organismen voor verschillende milieu- en industriële toepassingen resultaten.

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