Un biorreactor Novela de alta densidad de cultivo de diversas comunidades microbianas

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

Las aguas residuales municipales se trata comúnmente con los procesos de lodos activados con el fin de reducir los sólidos en suspensión (SS), demanda biológica de oxígeno (DBO), de nitrógeno orgánico e inorgánico, y contenido de fósforo 5,6. El proceso de lodos activados, un medio de tratamiento secundario de aguas residuales, implica la oxidación del carbono orgánico en un tanque de aireación lleno de un licor mixto de las aguas residuales de entrada y de microorganismos heterótrofos reciclado (comúnmente conocida como lodo activado) 5-7. El licor mixto entra entonces en un relativamente grande clarificador (tanque de sedimentación), donde el lodo se asienta para la recolección más fácil, ya sea ser eliminados o reciclados de nuevo al tanque de aireación, mientras que el, aguas residuales tratadas aclarado puede seguir un tratamiento terciario o desinfección antes de ser liberado en aguas receptoras 5-7. La separación eficiente de las aguas residuales tratadas y los sólidos (lodos) en el clarificador secundario es esencial para la función apropiada de una erasistema de tratamiento de tewater, como cualquier lodos activados continuar más allá de los clarificadores aumentará la DBO y SS en el efluente 5-8.

Un número de procesos biológicos alternativos existe para el tratamiento secundario de las aguas residuales, que reducen o eliminan la necesidad de grandes tanques de clarificación, incluyendo el crecimiento adjunto (biofilm) reactores, biorreactores de membrana (MBR), y los reactores de lodo granular. En los reactores de biopelículas, la formación de biopelículas, en el que los microorganismos de forma natural agregada y adjuntar como una capa sobre una superficie sólida, permite la retención de biomasa y acumulación sin la necesidad de un tanque de clarificación. Reactores de biopelícula se pueden clasificar en tres tipos: reactores de lecho empacado, reactores de lecho fluidizado, y contactores biológicos rotatorios. Los reactores de lecho Almuerzos, tales como un filtro de escurrimiento y torres biológicas, utilizan una superficie de un sólido crecimiento estacionario 5,6. Los reactores de lecho fluidizado (FBR) dependen de la fijación de los microorganismos a las partículas,tales como arena, carbón activado granular (GAC), o cuentas de vidrio, que se mantienen en suspensión por una alta tasa de flujo ascendente 9,10. Rotación de reactores biológicos dependen de biopelículas formadas en los medios de comunicación adjuntos a un eje de rotación que permiten la biopelícula para ser alternativamente expuestas al aire y el líquido se está tratando 5,6. MBR utilizan unidades de filtración de membrana, ya sea dentro del biorreactor (configuración sumergido) o externamente a través de recirculación (configuración corriente lateral) 5,11. Las membranas sirven para lograr una buena separación de la biomasa y las partículas sólidas del líquido tratado 11,12. Reactores de lodo granular son reactores de flujo ascendente en el que la formación de gránulos extremadamente densas y bien de sedimentación de los microorganismos se produce cuando están expuestos a alta flujo ascendente de aire superficial velocidades 13.

Como otra alternativa al proceso de lodos activados, un sistema de reactor de flujo ascendente novela, que ahora se llama un biorreactor de alta densidad (HDBR), fue designed y construido por Ventas y Shieh (2006) para estudiar la eliminación de DQO por lodos activados de las corrientes de residuos sintéticos en bajas condiciones de F / M que se sabe que causan la formación de lodos de decantación pobres (es decir, aumento de volumen de lodos) 1,7,14. El sistema utilizado HDBR modificado reactores de lecho fluidizado que normalmente consisten en un reactor de flujo ascendente y un depósito de reciclaje externo. Reactores de lecho fluidizado se suelen funcionar con velocidades de flujo corriente de reciclo suficientemente alta para mantener el sustrato de crecimiento de biopelículas en suspensión pero bajas lo suficiente para que se retiene el sustrato biofilm-cubierto. A diferencia de reactores de lecho fluidizado, el HDBR describe en Sales y Shieh (2006) utilizó relativamente bajas tasas de flujo corriente de reciclo que, junto con aireación externo, impedían la interrupción de la zona de biomasa formada dentro del reactor 1. Estudios posteriores han demostrado la capacidad de este diseño del reactor para tratar con éxito una serie de flujos de nitrógeno mediante nitrificación / bacterias desnitrificantes 3,4. En todo espárragoIES formación de una zona de biomasa densa estable dentro del HDBR eliminó la necesidad de un proceso / sedimentación floculación externa a 1-4.

Como se presenta aquí, el uso de la HDBR para crecer cultivos densos también se ha probado en un fotobiorreactor (PBR) de configuración para el cultivo de algas. Se discuten las ventajas e inconvenientes de este novedoso sistema de reactor para el cultivo de algas y su potencial para superar un gran obstáculo en la comercialización de biocombustibles de algas asociadas con la biomasa de cosecha (es decir, una buena separación sólido-líquido 15,16). El siguiente protocolo describe los pasos necesarios para montar, puesta en marcha, muestra a partir, y mantener un HDBR con algas como la comunidad microbiana de interés. También se mencionan las variaciones en el protocolo de puesta en marcha y funcionamiento de las culturas heterótrofos y nitrificantes / desnitrificantes. Por último, las ventajas generales, desventajas, y las incógnitas de esta novela diseño del reactor se resaltarán.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Asamblea Reactor

  1. Colocar los componentes del reactor de acuerdo con el esquema de la Figura 1.
    1. Coloque el reactor (R) en una placa de mezcla, añadir una barra de agitación en el reactor. Coloque el depósito de reciclado (RT) al lado de la placa de agitación y el reactor de manera que el puerto efluente (parte superior) del depósito se dirige hacia el borde de la mesa de laboratorio.
    2. Colocar el contenedor de residuos (W) por debajo del puerto efluente (parte superior) del depósito de reciclado (RT). Coloque el tanque de alimentación (FT) al lado del depósito de reciclado (RT).
      Nota: El tanque de alimentación tiene una capacidad total de 5 L.
  2. Asegure el reactor (R) en contra de inflexión con un stand de tamaño adecuado y la abrazadera. Del mismo modo, asegurar el depósito de reciclado (RT) para evitar el movimiento.
  3. Inserte neopreno tubo de la bomba peristáltica en el reciclaje (bomba A) y alimentar cabezas (bomba B) de la bomba. Consulte la tabla de Materiales para las especificaciones de tubos adicionales. Instale los cabezales de bomba en las unidades de bombeo con la provi tornillosded con las unidades de bombeo.
  4. Conectar la tubería de la bomba de A a los puertos en el reactor y el depósito de reciclado. Inserte el extremo de la tubería de la bomba B en el tanque de alimentación y el depósito de reciclado. Conecte el puerto del reactor superior al depósito de reciclaje con el tubo. Aplicar las abrazaderas a la tubería en los puertos del reactor.
    Nota: Las comunidades fotosintéticas pueden beneficiarse de la iluminación artificial proporcionada por lámparas.

2. Preparación de las soluciones de archivo, Soluciones influente / piensos y algas inoculante

  1. Preparar la solución mineral de valores. Añadir lo siguiente a un matraz aforado de 1 L con 500 ml de agua desionizada: 200 g de bicarbonato de sodio, 40 g de fosfato monobásico de potasio, 4 g de sulfato de magnesio, 4 g de cloruro férrico, 4 g de cloruro de calcio, 1 g de cloruro de cobre, 1 g de cobalto hexahidrato de cloruro, 1 g de hexahidrato de cloruro de níquel, 1 g de sulfato de zinc heptahidratado. Añadir un adicional de 400 ml de agua desionizada. Agitar enérgicamente para fomentar la disolución de sales. Siguiendo dissolución de sales, añadir agua desionizada para llevar el volumen total de solución a 1 L.
  2. Prepare la solución de amoníaco de valores. En un matraz aforado de 1 L, se disuelven 38.214 gramos de cloruro de amonio en aproximadamente 900 ml de agua desionizada. Después de la disolución, agregue agua desionizada para llevar el volumen total de hasta 1.000 ml.
    NOTA: 1 ml de solución madre diluidos a 1 L se obtiene un 10 mg L -1 NH 4 + -N solución.
  3. Preparar la solución de nitrato de valores. En un matraz aforado de 1 L, se disuelven 72,413 g de nitrato de potasio en aproximadamente 900 ml de agua desionizada. Después de la disolución, agregue agua desionizada para llevar el volumen total de hasta 1.000 ml.
    Nota: 1 ml de solución madre diluidos a 1 L se obtiene un 10 mg L -1 NO 3 - -N solución.
  4. Preparar la solución de alimentación / influente. Para hacer una solución de alimentación que contiene 20 mg L -1 NH 4 + N y 20 mg L -1 NO 3 - -N, diluir 2 ml de unammonia solución madre y 2 ml de solución de nitrato a volumen total de 1 litro. Antes de la dilución, añadir 0,5 ml de solución mineral / L de solución que está siendo hecho. Preparar 5 L de influente en total para poner en marcha el reactor.
  5. Preparar el inoculante algas.
    1. Reunir un gran volumen (al menos 10 L) de agua de un cuerpo de agua que contiene algas, tales como una corriente o estanque. Permita que las algas se asiente dejando las muestras de agua en reposo durante 24 horas.
    2. Decantar y desechar el claro (no-algas que contiene) de agua en la parte superior de las muestras, dejando una suspensión de algas concentrado dentro de las botellas de muestra. Combinar la suspensión de algas de todas las muestras en un recipiente y repetir el asentamiento y los pasos de decantación.
    3. Mida la biomasa dentro de la muestra concentrada.
      1. Secar un filtro de vacío de papel (filtro de vacío 0,45 micras MCE) y aluminio pesan barco O / N en un horno que ha sido ajustado a 103 ° C Después de enfriamiento en un desecador durante 30 min a TA medir la combined masa del filtro y pesar barco.
      2. Filtro de vacío de 20 ml de suspensión concentrada de algas y regresar el filtro y pesan barco al horno para secar O / N.
      3. Medir la masa combinada del filtro y pesar barco. Calcular la densidad de la biomasa dentro de la muestra concentrada.
        Nota: El volumen total de la muestra de agua que necesitan los investigadores para recolectar dependerá de la masa de agua de origen.

3. Siembra e inicio del Reactor

  1. Añadir 750 ml de solución de alimentación al reactor. Llenar el depósito de reciclaje con 500 ml de solución de alimentación.
  2. Utilice una pipeta larga para agregar suavemente una suspensión inóculo que contiene 1,5 g de algas cerca de la parte inferior del reactor. Permitir que el inóculo a asentarse en el fondo del reactor, a asegurar esto por observación visual, antes de proceder al siguiente paso.
  3. Una vez que las células se han asentado, retire las abrazaderas del tubo y encienda la bomba A a una velocidad de flujo lento (10 revolutions min -1 / 38 ml min -1). El aire atrapado en el tubo será expulsado en el reactor.
    Nota: La adición de 750 ml al reactor evitará que cualquier biomasa perturbado por la bomba de salir del reactor. Apriete el tubo para asegurar que todo el aire ha sido expulsado.
  4. Gradualmente añadir solución de alimentación al tanque de reciclaje como la solución se bombea en el reactor. Continuar la adición hasta que tanto el reactor y el depósito de reciclado están en capacidad y se inicia de efluentes para salir del depósito de reciclado a través del puerto superior.
    Nota: El volumen de la solución de alimentación que se añaden al tanque de reciclaje variará con el volumen de la inoculante añadido al reactor.
  5. Verter la solución de alimentación restante en el tanque de alimentación.
  6. Ajuste la bomba de reciclaje (bomba A) a 19 revoluciones min -1, estableciendo un caudal de reciclaje de 72,5 ml min -1. Tenga en cuenta las algas comienzan a desván de la parte inferior del reactor. Utilizando las gradaciones en el reactor, determine la bi algasaltura de la zona omass. Asegúrese de que la altura es constante antes de proceder al siguiente paso.
  7. Encienda la placa mezcladora a velocidad muy baja; un valor de 1 o 2 es apropiado para comenzar. La barra de mezcla ayudará a lofting biomasa más lejos, pero mezclado agresivo hará que las algas que abandonar el reactor, introduzca el depósito de reciclado, y dejar en el efluente. Ajuste de mezcla de velocidad en un entorno necesario para establecer una frontera clara algas dentro del reactor (Figura 2); la zona de la biomasa de algas debe ser de aproximadamente 10-15 cm de altura.
  8. Inicie la bomba de alimentación después de observar un límite claro entre el enchufe de algas y el líquido del reactor. Ajuste la bomba a 25 revoluciones min -1, estableciendo un caudal de 1,5 ml min -1. Observe la salida de fluido del reactor el puerto de efluentes debido a la gravedad y el desplazamiento causado por la corriente influente entrante.

4. Recolección y Análisis

  1. Llevar a cabo actividades de recogida de muestras prio para realizar tareas de mantenimiento en el sistema de reactor. Recoger 20 ml de muestras de efluentes y afluentes diaria. Recoger muestras de efluentes desde dentro del depósito de reciclado. Recoger muestras del influente directamente desde el tanque de alimentación.
  2. Muestras de filtros de vacío para eliminar los sólidos antes de su almacenamiento y análisis suspendidos.
  3. Guarde el afluente y efluente muestras a -20 ° C hasta su posterior análisis. Limite el número de ciclos de congelación y descongelación muestras son sometidos. Si es necesario, las muestras se pueden dividir en alícuotas para mantener la integridad de la muestra.
  4. Llevar a cabo análisis de muestras para el nitrato, nitrito y amoníaco utilizando técnicas estándar 17.
    Nota: Los autores utilizaron la cromatografía iónica (IC) para producir los resultados que se presentan en este documento. Consulte la tabla de Materiales para la especificación.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

El HDBR se utilizó para cultivar algas lo largo de varias proporciones de las concentraciones de amoníaco y nitrato influente, mientras se mantiene un contenido de nitrógeno total en la alimentación a 40 mg -NL -1. Afluente y efluente muestras fueron tomadas a diario; muestras de densidad de biomasa fueron tomadas al principio y al final de cada condición. El reactor tuvo un promedio de 3-5 días para alcanzar el equilibrio de estado estacionario después se cambiaron las condiciones. Más de una amplia gama de condiciones del afluente se estableció una zona distinta de la biomasa, como se observa estudios anteriores (Figura 2). El cultivo de algas en el HDBR se encontró para eliminar un promedio de 18,4% del total de especies de nitrógeno en la alimentación (n = 44). Dentro de la zona de la biomasa, el total de densidad de la biomasa y la biomasa de algas fueron consistentes en el transcurso de este estudio.

La eliminación de NH 4 + y NO 3 - se representa frente al NH 4 + y NO 3 - Fecomposición ed en la figura 3. Se utilizó un modelo de regresión lineal simple para evaluar la importancia de las relaciones entre la eliminación de especies de N y la composición de la alimentación 18-20. Se observó eliminación de amoníaco en todos los rangos de NH 4 + y NO 3 - composición (Figura 3A y la Figura 3B, respectivamente). Ni NH 4 + ni NO 3 - composición de la alimentación afectó a la eliminación de NH 4 + sobre las condiciones ensayadas (n = 44, p = 0,993 y n = 44, p = 0,610, respectivamente). Por otra parte, la eliminación de NO 3 - fue encontrado estar relacionado negativamente con NH 4 + composición de la alimentación (n = 44, p = 0,000) (Figura 3C) y variado positivamente con NO 3 - composición de la alimentación (n = 44, p = 0,000) (Figura 3D).

NO 3 - se observó a acumular (negateliminación IVE) dentro del reactor para la mayoría de las composiciones de afluente (34 de cada 44 muestras). NO 3 - eliminación sólo se observó cuando las concentraciones de NH 4 + alimentación estaba por debajo de 10 mg -NL -1 y NO 3 - concentraciones de alimentación estaban por encima de 15 mg -NL -1. El oxígeno, que se está añadiendo al reactor a través de la aireación en el tanque de reciclaje externa y por las algas, puede servir como un aceptor de electrones para las bacterias y nitrito amoniaco-oxidante (AOB y Nob, respectivamente). Si las condiciones aeróbicas predominan dentro del reactor a través de las tasas de flujo alto de reciclaje, las bacterias que pueden realizar dissimilatory (heterótrofos) desnitrificación preferirán utilizar el oxígeno como aceptor de electrones 4. Si la tasa de NO 3 - La producción y la entrada de la alimentación es superior a la conversión de asimilación de NO 3 - a nitrógeno orgánico o desnitrificación dissimilatory, NO 3 - puede acumute en el reactor. La eliminación de NH 4 + y la acumulación de NO 3 - sugiere que AOB y NOB están presentes y activos dentro de la comunidad que no se conocen las algas para catalizar la conversión de NH4 + en NO 3 -. Estos resultados demuestran la capacidad de utilizar este sistema de reactor para estudiar la dinámica y la cinética de flujo de nitrógeno en una comunidad de algas-bacteriano mixto.

Los autores han mantenido con éxito las comunidades de algas saludables en estas HDBRs durante más de un año. Dos accidentes de reactores, sin embargo, se han producido desde el inicio de este proyecto, tanto como resultado de fuertes cambios en la composición del afluente. El primero fue el resultado de un cambio de las relaciones de las especies de nitrógeno con el flujo total de nitrógeno se mantiene constante; NH 4 + fue eliminado de la alimentación y NO 3 - concentraciones se incrementaron para compensar. El segundo accidente ocurrió como resultado de cutting el flujo de nitrógeno total por 75 por ciento, de 40 mg -NL -1 a 10 mg -NL -1 (Figura 4). En ambos casos se observó la clara límite de la zona de biomasa a deteriorarse en el transcurso de dos a tres días coincidiendo con un fuerte aumento de los sólidos en suspensión en el efluente (Figura 4). Efluentes sólidos suspendidos aumentaron a un máximo de 6 días después del cambio de alimentación como la biomasa del reactor perdido (Figura 4). Después de la caída de sólidos en suspensión en el efluente se mantuvo alta (alrededor de 0,22 g SS L -1) y no se observó nueva biomasa a acumularse dentro del reactor, lo que impide la continuación del experimento. El diseño actual carece de un mecanismo de seguridad para conservar las culturas si no se mantienen muy por floculan.

Figura 1
Figura 1. Esquema de un biorreactor de alta densidad (HDBR) (no tescala o). El reactor (R) se compone de un cilindro graduado de 1000 ml con puertos (púas de manguera, diámetro exterior de 3/8 ") instaladas en los 100 ml y 1.000 ml niveles. Reactor de fluido se realiza un ciclo a través del reactor usando una bomba peristáltica A (PA), entrando en la parte inferior del reactor y que fluye hacia arriba a través de la zona de la biomasa (BZ) hacia el puerto superior. fluido sale del reactor en el puerto superior y se dirige al depósito de reciclado (RT) por gravedad. El RT se compone de un vaso de precipitados de vidrio de 600 ml;. Tiene dos puertos instalado, uno situado en la parte inferior del vaso de precipitados y el otro en el fluido de 500 ml marca Reactor se devuelve al reactor a través del puerto inferior (y PA) hojas efluente. el reactor a través del puerto superior de la RT y se recoge en un contenedor de residuos (W). aireación difusivo se proporciona en la RT con el uso de un aireador (A). El proceso de aireación también impulsa la mezcla dentro de la MV. peristáltica Bomba B (PB) saca influente desde un tanque de alimentación que contiene / influente (FT) en la RT.

Figura 2
Figura 2. Ejemplos de separación de líquidos de biomasa / reactor dentro de un biorreactor de alta densidad (HDBR). El panel A muestra una comunidad de algas de alta densidad (2,83 g SS L -1) se cultivó en un HDBR. Un límite distinta se produce cuando la velocidad de sedimentación de la comunidad microbiana fotosintética excede la del fluido reactor. El panel B muestra la matriz microbiana formada por lodo activado en las condiciones de reciclaje discutidos en Ventas y Shieh (2006) 1. El panel C muestra la levadura de ser cultivadas en un influente compuesto de glucosa para la producción de etanol por fermentación (resultados no publicados). En estas tres configuraciones de reactor el novedoso diseño del reactor tiene Eliminated la necesidad de una clarificación por separado o proceso de instalarse en el sistema del reactor. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
. Figura 3 Ilustración de NH 4 + y NO 3 -. Tasas de eliminación frente a la composición influente concentración total influente N se mantuvo a 40 mg -NL -1 largo de la duración del estudio. (A) NH 4 + concentración de la alimentación se representa frente a la eliminación de NH 4 +; no hubo ningún efecto significativo (n = 44, p = 0,993). (B) NO 3 - concentración de la alimentación se representa frente a la eliminación de NH 4 +; no hubo ningún efecto significativo (n = 44, p = 0,610).(C) NO 3 - eliminación resultó ser significativa y negativamente relacionado con NH 4 + concentraciones de alimentación (n = 44, p = 0,000). (D) NO 3 - extirpación fue significativa y positivamente relacionada con NO 3 -. Concentraciones de alimentación (n = 44, p = 0,000). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.

Figura 4
Figura 4. El aumento de los sólidos en suspensión en el efluente respuesta a la disminución significativamente flujo de nitrógeno a través del reactor. Influente contenido de nitrógeno se redujo de 40 mg a -1 -NL Se observó 10 mg -NL -1 (en el momento 0 en esta figura, también denotada por la línea vertical) Deterioro de la zona de biomasa distinta después de 2 días.; después de 3 días de pérdida de biomasa era fácilmente observable. Se observó un aumento significativo de los efluentes de las SS después de días después se promulgó el cambio y la máxima SS efluentes se produjo después de 6 días. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. Micrografías destacando estructura flóculo poroso y entrelazados bacterias filamentosas. Dos micrografías que muestran la estructura porosa formada por bacterias heterotróficas (lodos activados). Bacterias filamentosas puente el espacio entre flóculos, enclavamiento flóculos en la zona de la biomasa estabilizada.href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En esta sección se iniciará con una discusión de las variaciones de protocolo necesarios para hacer frente a posibles problemas operativos, así como el uso de diferentes comunidades microbianas. Se discutirán los puntos fuertes de este diseño del reactor, incluyendo la capacidad para gobernar el control de flujo de oxígeno y la formación de flóculos de alta densidad dentro del reactor. También se mencionan los desafíos actuales y las posibles vías de investigación.

Protocolo de matices y variaciones
El funcionamiento de HDBRs para el cultivo de diferentes tipos de cultivos requiere ligeros cambios en el protocolo operativo, dependiendo de la especie objeto de la investigación. Se necesita una mezcla suficiente y la expansión de la zona de la biomasa de algas para aumentar la exposición de todos los flóculos a la luz y permitir la fotosíntesis. La suspensión de la biomasa de algas dentro del reactor es impulsada por una combinación de la tasa de reciclado del reactor y la velocidad de mezcla bar. Se debe tener cuidado en la selección de las características de operaciónde ambos, de tal manera que haya una distancia adecuada entre la zona biológicamente activa biomasa de algas y el puerto en la parte superior del reactor, ya que cualquier biomasa que sale de la vasija del reactor se puede perder en el efluente a través del puerto superior del depósito de reciclado. Si se observa la biomasa dejando en el efluente, un filtro puede ser instalado en el puerto superior del depósito de reciclado. Un tapón de lana de vidrio puede ser utilizado como un filtro. A medida que el filtro se acumula biomasa tendrá que ser cambiado. Si se utiliza un filtro, las muestras de sólidos suspendidos deben ser tomadas de aguas abajo del filtro, además de que el fluido dentro del reactor depósito de reciclado con el fin de obtener el balance de masa correcta; biomasa acumulada en el filtro también debe tenerse en cuenta. Bajo ciertas condiciones de funcionamiento con algas y levaduras de la zona de la biomasa no siempre conduce al líquido clarificado, incluso cuando la comunidad es saludable. En estos casos hay una suspensión diluida de células notables encima de la zona de biomasa y dentro del depósito de reciclado. Nos hypothesize que en las comunidades de algas y levaduras que han sido cultivadas en el HDBR hasta ahora no contienen las bacterias filamentosas que para el, enclavamiento zona biomasa estable como se ve en heterótrofos y la nitrificación / desnitrificación cultivos bacterianos (Figura 5). Por lo tanto, si el objetivo es evitar que las células se escape en el efluente, tal como es el caso de algas y levaduras, puede ser necesario el uso de un dispositivo de membrana o filtración en el puerto efluente.

Una fuente inesperada de perturbación de la biomasa, lo que podría afectar negativamente a la separación sólido-líquido del HDBR, es la acumulación de burbujas dentro de las líneas de la bomba de reciclaje. Estas burbujas son un producto de la aireación en el tanque de reciclaje. Se debe tener cuidado para purgar periódicamente cualquier acumulación de gases dentro de la tubería. Exprimir el tubo en la dirección del flujo de fluido acelerará este proceso y también sirve para desalojar cualquier tipo de biomasa que se ha convertido fijado al interior de la tubería. Como las células en estos cultivos tienden a agregarse en flóculos, también tienen una tendencia cuando se libera de la zona de biomasa para adherirse y colonizar las paredes de la HDBR. Por lo tanto, si los investigadores notan la adherencia de la biomasa a las paredes interiores del tanque del reactor y reciclar, deben utilizar una pipeta o un cepillo cristalería desinfectado para perturbar y prevenir el crecimiento de biopelículas excesiva sobre las paredes del reactor.

El protocolo descrito anteriormente se debe modificar cuando los microorganismos heterótrofos o nitrificantes / bacterias desnitrificantes son la comunidad de intereses. Por ejemplo, se usó 4 g de microorganismos heterótrofos (medido como VSS) para sembrar el reactor, como se describe por Ventas y Shieh 1. Cuando se estudia el amoníaco y bacterias oxidantes de nitrito, se utilizó 2 g de enriquecida AOB / NOB como se describe en Nootong y Shieh 2 y Ramanathan et al. 4, y ampliado en el apéndice de ese manuscrito 21. La cantidad exacta de inóculopara iniciar el reactor puede variar y realmente depende de la cantidad de inóculo disponible fuente y el volumen real del reactor que se utilice. Para evitar la perturbación de la biomasa, el uso de una barra de agitación se desalienta cuando se utilizan estas culturas de formación de esteras.

La manipulación de características hidráulicas
Una ventaja principal del diseño HDBR es la capacidad de controlar las velocidades de alimentación y de flujo de reciclaje independientemente uno de otro. Los investigadores pueden dirigirse a las tasas de carga específicos, reciclar las tasas, o reciclar ratios. Por ejemplo, mientras que el estudio de la utilización de los lodos de rendimiento del reactor para eliminar DQO de las aguas residuales sintéticas activa, la relación de reciclaje varió 3,5-21,5 1. Los estudios iniciales del reactor utilizando nitrificantes autótrofos / bacterias desnitrificantes indicaron que las zonas de biomasa estables podrían mantenerse bajo ratios de reciclaje de 2,5-24,3 3. Estas estimaciones resultaron ser conservador como no ha habido problemas al aumentar ra reciclajetios hasta 43 en un estudio de seguimiento 21. La capacidad de operar a altas tasas de reciclaje, y por lo tanto las altas tasas de reciclaje, es útil para el estudio de los efectos de la cizalladura del fluido en la estabilidad y características de la zona de la biomasa. En algunos casos, tales como el cultivo de algas, el establecimiento y mantenimiento de una matriz de biomasa no es un requisito y las altas tasas de reciclaje y se necesitan proporciones para ayudar en la suspensión de la columna de algas. Este diseño del reactor es capaz de facilitar la suspensión de la asistencia de altas tasas de reciclado (49.3 en este estudio), a condición de que los investigadores son capaces de mantener una interfaz de biomasa / efluentes distintos dentro del reactor. En los casos en que la relación de reciclado es alta, el reactor características hidráulicas de todo el sistema HDBR se comportan más similar a completamente reactores de mezcla (CMFR) que un reactor de flujo pistón (PFR), y por lo tanto permite al investigador para examinar las culturas más de un espectro de hidráulica características de mezclado en un único sistema de reciclaje La velocidad de flujo de unalso juega un papel en el flujo, transferencia de masa, y la distribución de especies gaseosas disueltas en todo el reactor, como se describe a continuación.

El control de flujo de O 2 y la desgasificación en el depósito de reciclado
Si bien el estudio de procesos de nitrificación / desnitrificación combinados, se observaron concentraciones de oxígeno disuelto a agotarse rápidamente en las partes más bajas de la zona de la biomasa activa como la nitrificación se llevó a cabo 2-4, en paralelo con los estudios de eliminación de DQO anteriores 1; esto puede sugerir que el régimen de flujo en el flujo de biomasa se ​​asemeja a la de un PFR 1. Con la zona de biomasa superior convertirse anóxica, la desnitrificación se llevó a cabo, lo que resulta en la eliminación de nitrógeno disuelto desde el 2,3 efluente del reactor. Estas observaciones demostraron que la combinación de la aireación externa en el depósito de reciclado, combinado con la capacidad de controlar el flujo de oxígeno hacia el tanque de flujo ascendente, a través de la manipulación del reciclajetasa, permite gradientes de oxígeno a desarrollar dentro de flóculos y lo largo de la longitud de la zona de la biomasa, lo que permite aerobios, anaerobios y anóxicos reacciones que se producen en un solo tanque. Como muchas reacciones de tratamiento biológico dependen o son inhibidas por el oxígeno, este reactor permite una manera más fácil de controlar las tasas de masa de oxígeno en biorreactores; posiblemente permitiendo prácticas de aireación más eficientes. Como la aireación es uno de los costos más altos de energía en el tratamiento de aguas residuales, esto puede servir para reducir los costos de operación para los municipios 22,23.

El control de flujo de oxígeno a través de un reactor no es sólo una preocupación para las bacterias heterótrofas y quimioautotróficas. Exceso de energía de excitación (AEE) es la de algas energía luminosa superávit células están expuestos, y los resultados en el oxígeno (O 2) se reduce a superóxido (O 2 -) con exceso de electrones desvía de fotosistema I o II (PSI y PSII) 24. Aniones superóxido pueden causar significativos llevadost daño fisiológico en los sistemas de algas. Existe un marco celular para detectar y neutralizar O 2 - antes de que ocurra el daño a los componentes celulares, pero en las células sometidas a grandes esfuerzos especies reactivas de oxígeno (ROS) todavía puede formar 24-28 de. Mediante el control de la tasa de reciclaje y la aireación en el tanque de reciclaje, los investigadores pueden ser capaces de abordar los problemas derivados de un exceso de oxígeno y la toxicidad que puede inducir en cultivos de algas, y pueden mejorar aún más el crecimiento de algas en cultivos de alta densidad, en particular en los casos donde se está proporcionando luz suplementaria mediante el uso de lámparas.

La formación de flóculos y / o zona de biomasa conduce a microambientes diversa macro y
Una de las características más singulares de este diseño del reactor es la eliminación de un tanque clarificador. Se postula que la buena separación sólido-líquido que se logra en HDBRs se puede atribuir a cualquiera de la formación de flóculos de alta densidad (es decir, elcaso con las algas), o la formación de una matriz estable, porosa de flóculos de enclavamiento y microorganismos filamentosos largo (es decir, con el heterótrofa y nitrificante / desnitrificantes culturas) 1-4,7,16 (Figura 5). La formación y la estabilidad de los flóculos depende de un número de características físicas, químicas y biológicas 7,13,29-31 factores. De hecho, la formación de flóculos es el objetivo principal de puesta en marcha y depende de una mezcla suficiente (gradientes de fuerza de corte) para aumentar las colisiones entre los suspendido inoculante 13,30 sino también de la presencia de microorganismos bien floculantes que producen compuestos (floculantes ) que permiten que las células se agreguen 31,32. En estos reactores a escala de laboratorio, se ha encontrado que una mezcla suficiente para la floculación se puede lograr ya sea por el perfil de velocidad de flujo ascendente o un dispositivo de mezcla, tal como una barra de agitación, que se encuentra en la parte inferior del reactor. Para los cultivos que requieren oxígeno, el tanque de reciclaje externo puede be utilizado como un tanque de transferencia de gas externa (ya sea para la aireación o de separación de gases, por ejemplo para la eliminación de oxígeno producido por las reacciones de fotosíntesis). El beneficio de aireación externa es que evita el exceso de mezcla, así como burbujas de aire entren en contacto con los flóculos y romper aparte. En algunos casos, con los cultivos heterotróficos y nitrificante / desnitrificantes que formaban una matriz estable, porosa, cuando se encontraron burbujas de gas para entrar en el reactor que se podrían encontrar romperse partes de la matriz o ser arrastrado dentro de las secciones de la matriz haciendo que se flotar a la parte superior del reactor. Por lo tanto, el funcionamiento del tanque de transferencia externa de gas para evitar las burbujas de entrar en el reactor a través de la línea de reciclaje es clave para mantener una buena separación sólido-líquido del sistema.

Direcciones HDBR potenciales
Estudios de reactores de sobremesa, especialmente las centradas en los derechos de obtentor, se centran a menudo hacia la recopilación de datos cinéticos para un micro especialespecies bial o 1,3,4,33,34 comunidad. Históricamente muchos estudios se realizan en cultivos de algas tratadas axénicos o antibacterianos a pesar de la creciente evidencia de la importancia de las interacciones entre interespecies algas y comunidades bacterianas 35,36. Los estudios de cultivos mixtos prometen producir conclusiones nuevas y interesantes acerca de cómo estas relaciones interespecies trabajan 35-38. Estudios recientes de cultivos mixtos se ha ampliado para incluir el análisis de muestras con las herramientas de biología molecular como la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR) para cuantificar las algas y el crecimiento bacteriano tasas de 33,34. Análisis Metagenomic y metatranscriptomic se ha utilizado para aclarar aún más información acerca de cómo algas y bacterias interactúan tanto en los ecosistemas naturales y modificados 39,40. Además de las investigaciones moleculares de los cultivos microbianos en HDBRs, estudios de microscopía examinar el tamaño, la estructura y organización de los flóculos y la matriz biológica porosa de lazona de la biomasa podría proporcionar información valiosa sobre la capacidad HDBRs para promover la buena separación sólido-líquido.

Hasta el momento, sólo una pequeña gama de volúmenes de reactor y ratios de reciclaje se han investigado usando el diseño HDBR. Como tal, el rendimiento del reactor en aplicaciones ampliadas es actualmente desconocido. Cada uno de los sistemas de reactores probados están a menos de 2 L en volumen y compuesto de vidrio. Como estos reactores no están fuera de los componentes de la plataforma y deben ser construidos por un especialista vidrio de laboratorio aumentando el tamaño de los reactores de vidrio puede ser difícil, ya que las piezas de partida deben ser cuidadosamente seleccionados para el espesor apropiado de la pared (correspondencia privada: K. Carraro, 2014). Gran cristalería también tiene un mayor riesgo de ser roto o dañado en comparación con un metal, plástico o reactor de hormigón. La construcción de los reactores más grandes con metal o plástico para experimentos de sobremesa puede ser una opción, pero la viabilidad de esta opción aún no se ha investigado. Adicionalmente tl uso de materiales opacos o translúcidos pueden dificultar la observación visual de los reactores bajo investigación y complicaría el funcionamiento de estos reactores en una configuración de PBR.

Este manuscrito ha esbozado los de montaje, puesta en marcha, y los procedimientos operativos para operar un biorreactor de alta densidad (HDBR). Trabajos anteriores han establecido la capacidad HDBRs para eliminar tanto la DQO y especies de nitrógeno utilizando bacterias heterótrofas y quimioautotróficas 1-4. Aquí los autores demuestran la capacidad de HDBRs para la cultura de las comunidades de algas de alta densidad y la eliminación de especies de nitrógeno desde unos flujos de residuos sintéticos. Siguiendo las observaciones anteriores, una zona de biomasa estable fue formada por las algas, y el funcionamiento con éxito del reactor sin un proceso de clarificación se consiguió mientras se quita 18,4% del total de especies de nitrógeno desde el influente. La conversión entre especies de nitrógeno (NH 4 + 3 NO -) se observó, lo que permitelos autores sugieren que la presencia y la actividad de AOB y NOB. Los resultados presentados en este manuscrito de la manifestación actual con las algas y los estudios anteriores utilizando el apoyo del sistema de uso más HDBR, así como investigación y desarrollo, de este diseño del reactor para el cultivo de alta densidad de microorganismos para una variedad de aplicaciones medioambientales e industriales.

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