Um biorreator Novel de Cultivo de Alta Densidade de diversas comunidades microbianas

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

Águas residuais municipais é comumente tratado com processos de lodos ativados, a fim de reduzir os sólidos em suspensão (SS), demanda biológica de oxigênio (DBO), nitrogênio orgânico e inorgânico, e teor de fósforo 5,6. O processo de lamas activadas, um meio de tratamento de águas residuais secundário, implica a oxidação do carbono orgânico num tanque de arejamento enchida com um líquido misturado e de águas residuais recebidas microorganismo heterotrófica reciclado (vulgarmente designado por lamas activadas) 5-7. A lixívia mista, em seguida, entra em uma relativamente grande clarificador (decantador) onde a lama liquida para facilitar a recolha, quer para ser descartado ou reciclado de volta para o tanque de arejamento, enquanto a clarificada, água residual tratada pode continuar a tratamento terciário ou desinfecção antes de ser libertado para águas receptoras 5-7. Separação eficiente do efluente tratado e sólidos (lodo) no clarificador secundário é essencial para o bom funcionamento de um estavatewater sistema de tratamento, como qualquer lama activada continuada para além dos clarificadores irá aumentar o BOD e SS no efluente 5-8.

Um número de processos biológicos alternativas existem para o tratamento secundário de águas residuais de, que reduzem ou eliminam a necessidade de grandes tanques de esclarecimento, incluindo o crescimento fixadas (biofilme) reactores, bioreactores de membrana (MBR), e reactores de lamas granulares. Em reactores de biofilme, a formação de biofilmes, no qual os microorganismos naturalmente agregado e anexar como uma camada sobre uma superfície sólida, permite a retenção e acumulação de biomassa, sem a necessidade de um tanque de clarificação. Biofilme reactores podem ser classificados em três tipos: reatores de leito fixo, reactores de leito fluidizado, e contactores biológicos rotativos. Reatores de leito fixo, como uma filtros biológicos e torres biológicas, utilizar uma superfície estacionária sólido crescimento 5,6. Os reactores de leito fluidizado (FBRs) dependem da fixação de microrganismos às partículas,tais como areia, carvão activado granular (GAC), ou esferas de vidro, que são mantidas em suspensão por uma alta taxa de fluxo ascendente 9,10. Rotação reactores biológicos dependem biofilmes formados em meios ligados a um eixo de rotação, permitindo o biofilme a ser alternadamente exposto ao ar e o líquido a ser tratado 5,6. MBRs usar unidades de filtração de membrana, quer dentro do biorreator (configuração submersa) ou externamente através de recirculação (configuração side-stream) 5,11. As membranas servem para conseguir uma boa separação entre a biomassa e as partículas sólidas a partir do líquido tratado 11,12. Reactores de lamas granulares são reactores de fluxo ascendente, em que a formação de grânulos extremamente densos e bem-sedimentação de microorganismos ocorre quando são expostos a altas velocidades de fluxo ascendente de ar superficial 13.

Como uma outra alternativa para o processo de lamas activadas, num sistema de fluxo ascendente reactor de novo, agora chamado bioreactor de alta densidade (HDBR), foi designed e construído por Vendas e Shieh (2006) para estudar remoção de DQO por lamas activadas a partir de fluxos de resíduos sintéticos em condições de baixa F / M que são conhecidos por causar a formação de lamas de decantação pobres (ou seja, de volume de lodo) 1,7,14. O sistema utilizado HDBR modificado reactores de leito fluidizado, que consistem tipicamente de um reactor de fluxo ascendente e um tanque de reciclagem externa. Reactores de leito fluidificado estão tipicamente operado com caudais de fluxo de recirculação de alta o suficiente para manter o substrato de crescimento de biofilme suspenso, mas baixa o suficiente para que o substrato coberto-biofilme é retida. Ao contrário dos reactores de leito fluidizado, o HDBR descrito em Vendas e Shieh (2006) utilizadas taxas de fluxo relativamente baixa corrente de reciclagem a qual, juntamente com arejamento externo, impediram ruptura da zona de biomassa formada no interior do reactor 1. Estudos posteriores demonstraram a capacidade deste projeto do reator de tratar com sucesso uma série de fluxos de nitrogênio usando nitrificantes / desnitrificadores 3,4. Ao todo parafuso prisioneiroies a formação de, uma zona densa de biomassa estável dentro do HDBR eliminou a necessidade de um processo de / sedimentação floculação externo 1-4.

À medida que relatamos aqui, a utilização da HDBR a crescer culturas densas também foi testado numa configuração fotobiorreactor (PBR) para o cultivo de algas. Discutimos as vantagens e desvantagens deste sistema reactor romance para o cultivo de algas e seu potencial para superar um grande obstáculo na comercialização de biocombustíveis de algas associadas a colheita de biomassa (ou seja, uma boa separação sólido-líquido 15,16). O protocolo a seguir descreve as etapas necessárias para a montagem, arranque, a partir de amostra, e manter uma HDBR com algas como a comunidade microbiana de interesse. As variações no protocolo de inicialização e operação de culturas heterotróficas e nitrificação / desnitr também será mencionado. Por último, vantagens, desvantagens, gerais e incógnitas deste projeto do reator novela será destacado.

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Protocol

1. Assembleia Reactor

  1. Dispor os componentes do reactor de acordo com o esquema na Figura 1.
    1. Coloque o reactor (R) em uma placa de mistura, adicionar uma barra de agitação para o reactor. Coloque o tanque de reciclagem (RT) ao lado da placa de agitação e o reactor de modo que a porta de efluente (topo) do reservatório é dirigida para a borda da bancada do laboratório.
    2. Coloque o recipiente de resíduos (W) por baixo da porta de efluente (topo) do tanque de reciclagem (RT). Coloque o tanque de alimentação (FT) ao lado do tanque de reciclagem (RT).
      Nota: O tanque de alimentação tem uma capacidade total de 5 L.
  2. Prenda o reactor (R) contra a inclinação com um stand de tamanho adequado e grampo. Da mesma forma, assegurar o tanque de reciclagem (RT) para impedir o movimento.
  3. Insira neoprene tubulação bomba peristáltica na reciclagem (Bomba A) e alimentá-cabeças (Bomba B) da bomba. Consulte a tabela de especificações de materiais para tubos adicionais. Instale as cabeças de bomba para as unidades de bomba com o provi parafusosded com as unidades de bomba.
  4. Conecte tubagem da bomba A para as portas no reactor e o tanque de reciclagem. Insira a extremidade do tubo de bomba B para o tanque de alimentação e o tanque de reciclagem. Ligue a porta reactor superior ao tanque de reciclagem com tubulação. Aplicar grampos para o tubo do reactor nos portos.
    Nota: comunidades fotossintéticas podem beneficiar de iluminação artificial fornecida por lâmpadas.

2. Preparação das soluções de reserva, Soluções Influente / alimentação, e Algas Inoculante

  1. Preparar a solução estoque mineral. Adicionar o seguinte a um balão volumétrico de 1 L com 500 ml de água desionizada: 200 g de bicarbonato de sódio, 40 g de fosfato monobásico de potássio, sulfato de magnésio 4 g, 4 g de cloreto férrico, cloreto de cálcio 4 g, 1 g de cloreto de cobre, 1 g de cobalto hexa-hidrato de cloreto de, 1 g de hexa-hidrato de cloreto de níquel, 1 g de sulfato de zinco hepta-hidratado. Adicionar um adicional de 400 ml de água deionizada. Agite vigorosamente para incentivar a dissolução de sais. Seguindo Dissolução de sais, adicionar água desionizada para levar o volume total da solução para 1 L.
  2. Prepare a solução de amônia. Em um balão volumétrico de 1 L, dissolve-se 38.214 g de cloreto de amónio em aproximadamente 900 ml de água desionizada. Após dissolução, adicionar água desionizada para levar o volume total até 1.000 ml.
    Nota: 1 ml de solução de estoque diluído para 1 L produz uma 10 mg L-1 NH4 + -N solução.
  3. Preparar a solução de nitrato. Em um balão volumétrico de 1 L, dissolve-se 72,413 g de nitrato de potássio em cerca de 900 ml de água desionizada. Após dissolução, adicionar água desionizada para levar o volume total até 1.000 ml.
    Nota: 1 ml de solução de estoque diluído para 1 L produz uma 10 mg L-1 NO 3 - -N solução.
  4. Prepare solução de alimentação / afluente. Para fazer uma solução de alimentação contendo 20 mg L-1 + -N NH 4 e 20 mg L-1 NO 3 - -N, dilui-se 2 ml de umasolução estoque mmonia e 2 ml de solução de nitrato ao volume total de 1 L. Antes da diluição, adicionar 0,5 ml de solução mineral / L de solução a ser feita. Prepare 5 L de influente no total para o arranque do reactor.
  5. Prepara-se o inoculante algas.
    1. Recolher um volume grande (pelo menos de 10 L) de água a partir de uma massa de água que contém algas, tais como uma corrente ou tanque. Permitir que as algas para resolver, deixando as amostras de água em repouso por 24 horas.
    2. Decantar e rejeitar o claro (não contendo algas) de água na parte superior das amostras, deixando uma suspensão de algas concentrada dentro dos frascos de amostras. Combinar a suspensão de algas a partir de todas as amostras em um recipiente e repetir a sedimentação e passos de decantação.
    3. Medir a biomassa no interior da amostra concentrada.
      1. Seca-se um filtro de papel sob vácuo (filtro de vácuo de 0,45 um MCE) de alumínio e pesar barco O / N em um forno que tenha sido definido a 103 ° C Depois de arrefecimento num exsicador durante 30 min à TA medir a combined massa do filtro e pesar barco.
      2. Filtro de vácuo 20 ml de suspensão concentrada de algas e devolver o filtro e pesar barco para forno para secar S / N.
      3. Medir a massa combinada do filtro e pesar barco. Calcula-se a densidade de biomassa no interior da amostra concentrada.
        Nota: O volume total da amostra de água que os investigadores terá de recolher dependerá da massa de água fonte.

3. Sementeira e iniciando o Reactor

  1. Adicionar 750 ml de solução de alimentação para o reactor. Encha o tanque de reciclagem com 500 ml de solução de alimentação.
  2. Usar uma pipeta longa para adicionar suavemente uma suspensão inoculante contendo 1,5 g de algas perto da parte inferior do reactor. Permitir que o inoculo para assentar no fundo do reactor, assegurar esta por observação visual, antes de prosseguir para o próximo passo.
  3. Uma vez que as células se instalaram, retire os grampos de tubo e ligue Bomba A a uma taxa de fluxo lento (10 revolutioNS min -1 / 38 mL min -1). Ar preso no tubo vai ser expelida para dentro do reactor.
    Nota: A adição de 750 ml para o reactor vai prevenir qualquer biomassa perturbado pela bomba de deixar o reactor. Espremer o tubo para assegurar que todo o ar foi expulso.
  4. Gradualmente adicionar solução de alimentação para o tanque de reciclagem, como a solução é bombeada para dentro do reactor. Continuar a adição até que tanto o reactor e o tanque de reciclagem são no capacidade de efluentes e começa a sair do tanque de reciclagem através do topo da porta.
    Nota: O volume da solução de alimentação para ser adicionado ao tanque de reciclagem irá variar com o volume de inoculante adicionado ao reactor.
  5. Verter a solução de alimentação remanescente no tanque de alimentação.
  6. Defina a bomba de reciclagem (Bomba A) a 19 rotações min -1, estabelecendo uma taxa de fluxo de reciclagem de 72,5 ml min -1. Observar as algas para loft começar a partir do fundo do reactor. Usando as gradações no reactor, determinar o bi algasaltura zona omass. Assegure-se que a altura é constante antes de prosseguir para o próximo passo.
  7. Ligue a placa de mistura a uma velocidade muito baixa; uma configuração de 1 ou 2 é apropriado para iniciar. O bar mistura irá ajudar na lofting biomassa mais longe, mas mistura agressiva fará com que as algas para deixar o reator, insira o tanque de reciclagem, e deixar no efluente. Ajuste a velocidade de mistura em uma configuração necessárias para estabelecer uma fronteira clara algas no interior do reactor (Figura 2A); a zona de biomassa de algas deve ser de aproximadamente de 10-15 cm de altura.
  8. Comece a bomba de alimentação depois de observar uma clara fronteira entre o plugue de algas e do fluido reactor. Definir a bomba a 25 rotações min -1, estabelecendo uma taxa de fluxo de 1,5 ml min -1. Observe a saída de fluido do reactor a porta de efluentes devido à gravidade e deslocamento causado pela corrente influente de entrada.

4. Colheita e Análise

  1. Realizar atividades de coleta de amostras priou para a manutenção do sistema de reactor. Coletar 20 ml de amostras de efluentes e influentes diária. Coletar amostras de efluentes de dentro do tanque de reciclagem. Coletar amostras influentes diretamente do tanque de alimentação.
  2. Amostras de filtro a vácuo para remover os sólidos antes do armazenamento e análise suspensa.
  3. Armazenar o influente e amostras de efluente à temperatura de -20 ° C até análise posterior. Limitar o número de ciclos de descongelamento congelamento as amostras são submetidas a. Se necessário, as amostras podem ser divididas em alíquotas para manter a integridade da amostra.
  4. Realizar a análise da amostra de nitrato, nitrito e amônia, utilizando técnicas convencionais 17.
    Nota: Os autores utilizaram Ion Chromatography (IC) para produzir os resultados aqui apresentados. Consulte a tabela de Materiais para a especificação.

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Representative Results

O HDBR foi usada para cultivar algas ao longo de várias proporções de concentrações de amônia e nitrato influente, mantendo um teor de nitrogênio total na ração a 40 mg -NL -1. Influente e amostras de efluentes foram tomados diariamente; amostras de densidade de biomassa foram tomadas no início e no final de cada condição. O reactor necessário em média 3-5 dias para atingir o equilíbrio de estado estacionário, após as condições foram alteradas. Ao longo de um vasto leque de condições influentes uma zona distinta biomassa foi estabelecido, como observado estudos anteriores (Figura 2). A cultura de algas na HDBR foi encontrada para remover uma média de 18,4% do total de espécies de azoto na alimentação (n = 44). Dentro da zona de biomassa, a biomassa e a biomassa de algas densidade total foram consistentes ao longo do curso deste estudo.

A remoção de NH 4 + e NO 3 - são plotados contra o NH 4 + e NO 3 - feEd composição na Figura 3. Um modelo de regressão linear simples foi usada para avaliar a importância das relações entre a remoção de espécies N e a composição de alimentação dos 18-20. A remoção de amónia foi observada em todas as gamas de NH 4 + e NO3 - composição (Figura 3A e Figura 3B, respectivamente). Nem NH4 + nem NO 3 - composição de alimentação dos afectados a remoção de NH 4 + sobre as condições testadas (n = 44, p = 0,993 e n = 44, p = 0,610, respectivamente). Por outro lado, a remoção de NO 3 - verificou-se ser negativamente relacionada com NH 4 + composição de alimentação (n = 44, p = 0,000) (Figura 3C) e variado de forma positiva com o NO 3 - composição de alimentação (n = 44, p = 0,000) (Figura 3D).

NO 3 -, observou-se a acumular-se (negatremoção Ive) no interior do reactor para a maioria das composições influentes (34 de 44 amostras). NO 3 - remoção só foi observada quando as concentrações de NH 4 + alimentação eram inferiores a 10 mg -NL -1 e NO 3 - concentrações de alimentação foram acima de 15 mg -NL -1. O oxigénio, que está a ser adicionado ao reactor por meio de arejamento no tanque de reciclagem externa e pelas algas, pode servir como um aceitador de electrões para as bactérias oxidantes de amoníaco e nitrito (AOB e NOB, respectivamente). Quando as condições aeróbicas dominar dentro do reactor através de taxas de fluxo elevado de reciclagem, as bactérias que podem realizar dissimilatory (heterotróficos) desnitrificação vão preferir utilizar o oxigênio como um receptor de elétrons 4. Se a taxa de NO 3 - produção e entrada a partir da alimentação excede a conversão assimilação de NO 3 - para nitrogênio orgânico ou desnitrificação dissimilatory, NO 3 - pode acumute no reactor. A remoção de NH 4 + e acúmulo de NO 3 - sugere que AOB e NOB estão presentes e ativos dentro da comunidade como algas não são conhecidos por catalisar a conversão de NH 4 + para NO 3 -. Estes resultados demonstram a capacidade de usar este sistema reactor para estudar a dinâmica de fluxo de nitrogênio e cinética em uma comunidade algal-bacteriana mista.

Os autores têm mantido com êxito comunidades de algas saudáveis ​​nessas HDBRs há mais de um ano. Dois acidentes de reatores, no entanto, têm ocorrido desde o início deste projecto, tanto como o resultado de alterações severas a composição afluente. O primeiro era o resultado de uma alteração dos rácios de espécies de azoto com o fluxo total de azoto sendo mantida constante; NH 4 + foi eliminado a partir da alimentação e NO 3 - concentrações foram aumentadas para compensar. O segundo acidente ocorreu como resultado de cutting o fluxo de azoto total de 75 por cento, a partir de 40 mg -NL -1 a 10 mg -NL -1 (Figura 4). Em ambos os casos, o limite da zona de biomassa distinta foi observada a deteriorar-se ao longo de dois a três dias, coincidindo com um aumento acentuado nos sólidos em suspensão no efluente (Figura 4). Efluentes sólidos suspensos aumentada até um máximo de 6 dias após a mudança de alimentação, como a biomassa do reactor perdido (Figura 4). Após a queda de sólidos em suspensão no efluente manteve-se elevado (cerca de 0,22 g L-1 SS) e não foi observada biomassa novo a acumular-se no interior do reactor, impedindo a continuação da experiência. O design atual carece de um mecanismo de segurança para manter as culturas se eles não permanecem bem-floculada.

figura 1
Figura 1. Esquema de um biorreator de Alta Densidade (HDBR) (não tO escala). O reactor (R) é composto por um cilindro graduado de 1.000 ml com portas (espigão, de diâmetro exterior 3/8 ") instalados para os 100 ml e 1000 ml níveis. Reactor de fluido circula através do reactor utilizando bomba peristáltica Um (PA), que entra na parte inferior do reactor e que flui para cima através da zona de biomassa (BZ) na direcção do topo da porta. fluido sai do reactor, na parte superior da porta e é dirigida para o tanque de reciclagem (RT), por gravidade. A RT é composto por um copo de 600 ml de vidro;. Tem duas portas instalado, um localizado na parte inferior do recipiente e a outra no fluido de 500 ml marca Reactor é retornada ao reactor através da passagem inferior (e DP) folhas de efluentes. o reactor através da parte superior da porta do RT e é recolhida num recipiente de lixo (W). arejamento difusivo é fornecida na temperatura ambiente com a utilização de um sifão (A). O processo de arejamento também dirige a mistura dentro do MV. peristáltica bomba B (PB) proporciona afluente a partir de um tanque de alimentação contendo / afluente (FT) em RT.

Figura 2
Figura 2. Exemplos de separação de fluidos de biomassa / reactor dentro de um bioreactor de alta densidade (HDBR). O painel A mostra uma comunidade de algas de alta densidade (2,83 g L-1 SS) ser cultivado num HDBR. Um limite distinto ocorre quando a velocidade de sedimentação da comunidade microbiana fotossintética excede a do fluido do reactor. O painel B mostra a matriz microbiana formada por lamas activadas nas condições de reciclagem discutidos em Vendas e Shieh (2006) 1. O painel C mostra de levedura a ser cultivada em um afluente composto de glicose para a produção de etanol por meio de fermentação (resultados não publicados). Em todos esses três configurações de reatores do projeto do reator romance tem eliminated a necessidade de uma clarificação separada ou processo de liquidação no sistema reactor. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
. Figura 3 Ilustração de NH4 + e NO3 -. Taxas de remoção contra composição afluente concentração total N afluente foi mantida a 40 mg -NL -1 ao longo da duração do estudo. (A) NH 4 + concentração de alimentação é representada graficamente contra a remoção de NH4 +; não houve efeito significativo (n = 44, p = 0,993). (B) NO3 - concentração de alimentação é representada graficamente contra a remoção de NH4 +; não houve efeito significativo (n = 44, p = 0,610).(C) NO 3 - remoção foi encontrado para ser significativa e negativamente relacionada com NH 4 + concentrações de alimentação (n = 44, p = 0,000). (D) NO 3 - remoção foi significativamente e positivamente relacionada com NO 3 -. Concentrações de alimentação (n = 44, p = 0,000). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. O aumento de efluentes sólidos suspensos em resposta a diminuir significativamente o fluxo de azoto através do reactor. Influente teor de azoto foi reduzida de 40 mg a -1 -NL . 10 mg -NL -1 (ao tempo 0 nesta figura, também indicada pela linha vertical) Deterioração da biomassa zona distinta foi observada depois de 2 dias; após 3 dias perda de biomassa foi facilmente observáveis. Foi observado um aumento significativo na SS efluente depois de dias após a mudança foi promulgada e SS máxima de efluentes ocorreu após 6 dias. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. Micrografias destacando estrutura porosa e flocos de bloqueio bactérias filamentosas. Duas micrografias que exibem a estrutura porosa formada por bactérias heterotróficas (lodo ativado). Bactérias filamentosas colmatar o espaço entre flocos, flocos de bloqueio para a zona de biomassa estabilizada.href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Esta secção irá começar com uma discussão sobre variações de protocolo necessárias para lidar com possíveis problemas operacionais, bem como a utilização de diferentes comunidades microbianas. Os pontos fortes deste projeto do reator será discutido, incluindo a capacidade de governar o controle de fluxo de oxigênio ea formação de flocos de alta densidade no interior do reactor. Os desafios actuais e possíveis vias de investigação também serão mencionados.

Protocolo de nuances e variações
A operação de HDBRs para o cultivo de diferentes tipos de culturas requer pequenas mudanças no protocolo operacional, dependendo da espécie sob investigação. Mistura suficiente e expansão da zona de biomassa de algas é necessária para aumentar a exposição de todos os flocos à luz e permitir a fotossíntese. Suspensão de biomassa de algas no interior do reactor é impulsionado por uma combinação da taxa de reciclagem do reactor de mistura e velocidade de barras. Cuidados devem ser tomados na escolha das características de funcionamentode ambos, de tal modo que há uma distância entre a zona de biomassa de algas biologicamente activo e a porta na parte superior do reactor, como qualquer biomassa que sai do recipiente de reactor pode ser perdido no efluente através da parte superior da porta do tanque de reciclagem. Se a biomassa for observada deixando no efluente, um filtro pode ser montado no topo da porta do tanque de reciclagem. De um rolhão de lã de vidro pode ser utilizado como um filtro. À medida que o filtro de biomassa acumula ele terá de ser alterado. Se for utilizado um filtro, amostras de sólidos em suspensão devem ser tomadas a partir de jusante do filtro para além do fluido dentro do reactor de tanque de reciclagem, de modo a obter o equilíbrio correcto de massa; biomassa acumulada no filtro também devem ser considerados. Sob algumas condições operacionais com algas e leveduras da zona de biomassa nem sempre leva ao líquido clarificado, mesmo quando a comunidade é saudável. Nestes casos, existe uma suspensão diluída de células visíveis acima da zona de biomassa e dentro do tanque de reciclagem. Nós hypothesize que nas algas e leveduras comunidades que foram cultivadas na HDBR até agora não contêm as bactérias filamentosas para para a, zona de encravamento biomassa estável como se vê na heterotróficas e a nitrificação / desnitrificação culturas bacterianas (Figura 5). Portanto, se o objectivo é o de evitar que as células se escape no efluente, tal como é o caso de algas e leveduras, pode ser necessário utilizar um dispositivo de filtração de membrana ou na porta de efluente.

Uma fonte de perturbação inesperada de biomassa, o que poderia afectar negativamente a separação sólido-líquido do HDBR, é a acumulação de bolhas dentro das linhas de bomba de reciclagem. Essas bolhas são um produto de aeração no tanque de reciclagem. Cuidados devem ser tomados para limpar regularmente qualquer acúmulo de gases dentro da tubulação. Apertando o tubo na direcção de fluxo de fluido irá acelerar este processo e também serve para desalojar qualquer biomassa que se fixou ao interior da tubagem. Como as células em culturas estes tendem a agregar-se em flocos, têm também uma tendência, quando libertado a partir da zona de biomassa para aderir e colonizar as paredes do HDBR. Assim, os investigadores se notar a adesão da biomassa para as paredes internas do tanque reactor e de reciclagem, devem usar uma pipeta ou higienizadas escova vidraria para perturbar e prevenir o crescimento excessivo de biofilmes sobre as paredes do reactor.

O protocolo descrito acima deve ser modificada quando os microorganismos heterotróficos ou nitrificantes / bactérias desnitrificantes são a comunidade de interesse. Por exemplo, 4 g de microrganismos heterotróficos (medido como VSS) foi usada para semear o reactor, tal como descrito por Shieh Vendas e 1. Ao estudar amônia e bactérias oxidantes de nitrito, 2 g de enriquecido AOB / NOB foi usado como descrito no Nootong e Shieh 2 e Ramanathan et al. 4, e expandiu no apêndice do que 21 manuscrito. A quantidade exata de inóculopara iniciar o reactor pode variar e verdadeiramente depende da quantidade de inoculo fonte disponível e o volume real do reactor a ser utilizado. Para evitar interferências biomassa, a utilização de uma barra de agitação é desencorajado pelo uso destas culturas de formação de esteira.

A manipulação das características hidráulicas
Uma vantagem primária do desenho HDBR é a capacidade de controlar as taxas de alimentação e fluxo de reciclagem, independentemente um do outro. Os investigadores podem atingir taxas de carregamento específicos, reciclar taxas, índices ou reciclar. Por exemplo, ao estudar o desempenho do reactor utilizando lamas para remover COD da água residual sintética activado, o ratio de recirculação variou 3,5-21,5 1. Estudos iniciais do reactor utilizando nitrificantes autotrophic / bactérias desnitrificantes indicou que as zonas de biomassa estáveis ​​poderiam ser mantidos sob índices de reciclagem de 2,5-24,3 3. Estas estimativas provaram ser conservador como nenhum problema foi encontrado quando se aumenta ra reciclagemtios até 43 em um estudo de seguimento 21. A capacidade de operar com altas taxas de reciclagem, e, assim, elevadas taxas de reciclagem, é útil para estudar os efeitos do corte de fluido na estabilidade e características da zona de biomassa. Em alguns casos, tais como o cultivo de algas, o estabelecimento e a manutenção de uma matriz de biomassa não é uma exigência e altas taxas de reciclagem e rácios são necessários para ajudar na suspensão da coluna de algas. Esta concepção do reactor é capaz de facilitar a suspensão assistida por as taxas de recirculação de alta (49,3 neste estudo), desde que os investigadores são capazes de manter uma interface de biomassa / efluente distinta no interior do reactor. Nos casos em que o ratio de recirculação é elevada, as características hidráulicas de reactores de todo o sistema HDBR comportar mais semelhante a completamente reactores mistos (CMFR) do que um reactor de fluxo em pistão (PFR), e, assim, permite que o investigador para examinar culturas ao longo de um espectro de hidráulica misturando características em um único sistema de reciclagem A taxa de fluxo de umlso desempenha um papel no fluxo, a transferência de massa, e a distribuição de espécies gasosos dissolvidos ao longo do reactor, tal como descrito abaixo.

Controlo de O 2 e de desgaseificação de fluxo no tanque de reciclagem
Ao estudar os processos de nitrificação / desnitrificação combinadas, concentrações de oxigênio dissolvido foram observadas a ser rapidamente esgotados nas mais baixas porções da zona de biomassa ativa como nitrificação foi realizada 2-4, em paralelo com estudos anteriores remoção de DQO 1; isto pode sugerir que o regime de escoamento no interior do fluxo de biomassa, que se assemelha de uma PFR 1. Com a zona de biomassa superior a tornar-se anóxica, a desnitrificação foi realizada, resultando na remoção do azoto dissolvido a partir do efluente do reactor 2,3. Estas observações demonstram que a combinação de arejamento externo no tanque de reciclagem, combinada com a capacidade para controlar o fluxo de oxigénio para o tanque de fluxo ascendente, através da manipulação de reciclagemtaxa, permite gradientes de oxigénio para se desenvolver dentro dos flocos e ao longo do comprimento da zona de biomassa, permitindo para aeróbios, anaeróbios e reacções anóxicas para ocorrer num único tanque. Como muitas reacções para o tratamento biológico dependerá ou são inibidas por oxigénio, este reactor permite uma maneira mais fácil de controlar as taxas de massa de oxigénio em biorreactores; possivelmente permitindo práticas de arejamento mais eficientes. Como aeração é um dos mais altos custos de energia no tratamento de águas residuais, este pode servir para diminuir os custos operacionais para os municípios 22,23.

O controle do fluxo de oxigênio através de um reator não é apenas uma preocupação para bactérias heterotróficas e quimioautotróficas. Excesso de energia de excitação (EEE) é o de algas excedente luz energia células são expostas a, e resulta em oxigênio (O 2) sendo reduzido a superóxido (O 2 -) com excesso de elétrons desviado fotossistema I ou II (PSI e PSII) 24. Superóxido pode causar significancamisa de danos fisiológicos, em sistemas de algas. A estrutura celular existe para detectar e neutralizar O 2 - antes que o dano pode ocorrer a componentes celulares, mas em células altamente estressado espécies reativas de oxigênio (ROS) ainda pode formar 24-28. Ao controlar a taxa de reciclagem e o arejamento no tanque de reciclagem, os investigadores podem ser capazes de resolver os problemas que surgem a partir de um excesso de oxigénio e a toxicidade pode induzir em culturas de algas, e pode aumentar ainda mais o crescimento de algas em culturas de elevada densidade, em particular em casos onde a luz suplementar está a ser fornecida através do uso de lâmpadas.

Formação de flocos e / ou zona de biomassa leva a macro- diversificada e micro-ambientes
Uma das características mais originais deste projeto do reator é a eliminação de um tanque de clarificação. Nós supomos que a boa separação sólido-líquido que é conseguida em HDBRs pode ser atribuída ou a formação de flocos de elevada densidade (ou seja, ocaso com algas), ou a formação de uma matriz estável, porosa de flocos de bloqueio e microrganismos filamentosos longo (isto é, com o heterotrófico e de nitrificação / desnitrif icadoras culturas) 1-4,7,16 (Figura 5). A formação e estabilidade dos flocos é dependente de uma série de parâmetros físicos, químicos e biológicos 7,13,29-31. De facto, a formação de flocos é o objectivo primário de arranque e depende de mistura suficiente (gradientes de força de cisalhamento) para aumentar a colisões entre o inoculante 13,30 suspenso, mas também na presença de microorganismos bem floculantes que produzem os compostos (floculantes ) que permitem que as células de agregar 31,32. Nestes reactores à escala laboratorial, verificou-se que uma mistura suficiente para floculação pode ser realizado tanto por o perfil de velocidade de fluxo ascendente ou de um dispositivo de mistura, tal como uma barra de agitação, localizado na parte inferior do reactor. Para culturas que necessitam de oxigênio, o tanque de reciclagem externa pode be usado como um tanque de transferência de gás externa (quer para o arejamento ou de extracção de gases, por exemplo para a remoção de oxigénio produzida por reacções fotossíntese). O benefício de arejamento externo é que impede o excesso de mistura, bem como bolhas de ar que entram em contacto com flocos e quebrando-os. Em alguns casos, com as culturas heterotróficas e de nitrificação / desnitrificantes que formaram uma matriz estável, porosa, quando as bolhas de gás foram encontrados para entrar no reactor que pode ser encontrado quebrando partes da matriz ou tornar-se arrastada entre as secções da matriz fazendo com que eles flutuar para o topo do reactor. Portanto, a operação de transferência do tanque de gás externa para evitar bolhas de entrarem no reactor através da linha de reciclo é a chave para a manutenção da boa separação sólido-líquido do sistema.

Direções potenciais HDBR
Estudos reator de bancada, especialmente aqueles focados em PBRs, são freqüentemente focadas em direção a coleta de dados cinéticos para um determinado microespécies Bial ou 1,3,4,33,34 comunidade. Historicamente muitos estudos são feitos em culturas de algas tratados axênicos ou antibacterianos, apesar das evidências de montagem da importância de interespécies interações entre algas e comunidades bacterianas 35,36. Estudos de culturas mistas prometem produzir conclusões novas e interessantes sobre como essas relações interespécies trabalhar 35-38. Recentes estudos de culturas mistas se expandiu para incluir a análise de amostras com ferramentas de biologia molecular, como a reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) para quantificar algas e crescimento bacteriano taxas de 33,34. Análise metagenomic metatranscriptomic e tem sido utilizado para elucidar ainda mais informações sobre como algas e bactérias interagir em ambos os ecossistemas naturais e modificadas 39,40. Para além da investigação moleculares das culturas microbianas em HDBRs, estudos de microscopia examinando o tamanho, estrutura e organização dos flocos e a matriz biológica porosa dozona de biomassa poderia fornecer informações valiosas sobre a capacidade HDBRs para promover a boa separação sólido-líquido.

Até agora, apenas uma pequena gama de volumes de reactor e rácios de reciclagem têm sido investigados usando o design HDBR. Como tal, o desempenho do reator em aplicações ampliados é actualmente desconhecida. Cada um dos sistemas de reactor são testados a menos de 2 L de volume e composto de vidro. À medida que estes reactores não são componentes da prateleira e devem ser construídos por um especialista vidro laboratorial aumentando o tamanho dos reactores de vidro pode ser difícil, pois as peças de partida têm de ser cuidadosamente seleccionados para a espessura de parede adequada (correspondência privada: Carraro K., 2014). Copos Grande também corre um risco maior de ser quebrado ou danificado em comparação com um metal, plástico ou reator concreto. Construção de reatores maiores com metal ou plástico para experimentos de bancada pode ser uma opção, mas a viabilidade desta opção ainda não foi investigado. Além disso tele usar de materiais opacos ou translúcidos pode dificultar a observação visual dos reatores sob investigação e iria complicar a operação desses reatores em uma configuração de PBR.

Este manuscrito delineou os de montagem, arranque, e procedimentos operacionais para operar um biorreator de alta densidade (HDBR). Trabalhos anteriores estabeleceu capacidade HDBRs para remover tanto COD e espécies de nitrogênio, utilizando bactérias heterotróficas e quimioautotróficas 1-4. Aqui, os autores demonstram a capacidade de HDBRs para a cultura de algas comunidades de alta densidade e a remoção de espécies de azoto a partir de um fluxo de resíduos sintéticos. Seguindo as observações anteriores, uma zona estável biomassa foi formada pelas algas, e o bom funcionamento do reactor sem um processo de clarificação foi conseguida durante a remoção de 18,4% de espécies totais de azoto do efluente. Conversão entre as espécies de nitrogênio (NH 4 + para NO 3 -) foi observada, permitindoos autores a sugerir a presença ea atividade de AOB e NOB. Os resultados apresentados neste manuscrito da demonstração de corrente com as algas e os estudos anteriores utilizando o sistema de suporte mais HDBR utilização, bem como a investigação e desenvolvimento, deste desenho do reactor para o cultivo de microrganismos alta densidade para uma variedade de aplicações industriais e ambientais.

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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

  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).

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