Comparaison de l'échelle dans un système de réacteur photosynthétique pour algales assainissement des eaux usées

Traduction des données de référence à l'échelle de grandes applications à grande échelle est une étape clé dans la commercialisation de bioprocédés. L' efficacité de la production dans les systèmes de réacteurs à petite échelle, en particulier ceux qui se concentrent sur l'utilisation de micro – organismes, ont été montrés pour prévoir de manière systématique sur l' efficacité qui se produisent dans les systèmes à l' échelle commerciale ^{1, 2, 3, 4.} Les défis existent également dans l'intensification de la culture photosynthétique des algues et des cyanobactéries de l'échelle du laboratoire à des systèmes plus importants dans le but de fabriquer des produits à haute valeur ajoutée, tels que les cosmétiques et les produits pharmaceutiques, pour la production de biocarburants, et pour le traitement des eaux usées. La demande pour la production d' algues biomasse à grande échelle est de plus en plus avec l'industrie émergente pour les algues en biocarburants, les produits pharmaceutiques / nutraceutiques et les aliments du bétail ^5. La méthodologie décrite dansce manuscrit vise à évaluer l'influence de l'augmentation échelle d'un système de réacteur photosynthétique sur le taux de croissance de la biomasse et de l'élimination des nutriments. Le système présenté ici utilise des algues pour assainir les lixiviats de décharge des eaux usées, mais peuvent être adaptés pour une variété d'applications.

l'efficacité de la production de systèmes à grande échelle sont souvent prédits en utilisant de plus petites expériences à l'échelle; Cependant, plusieurs facteurs doivent être pris en considération pour déterminer l'exactitude de ces prédictions, comme on l'a montré échelle pour affecter les performances des bioprocédés. Par exemple, Junker (2004) a présenté les résultats d'une comparaison des huit réacteurs de fermentation de différentes tailles, allant de 30 L à 19.000 L, qui a montré que la productivité réelle au-pilotes ou commerciales échelles était presque toujours inférieures aux valeurs prévues à l'aide petite études -Scale ^4. Inégalités dans la dimension de la cuve, la puissance de mélange, le type d'agitation, de la qualité des éléments nutritifs, et le transfert de gaz ont été prévus pour être leles principales causes de la diminution de la productivité ^4. De même, il a été montré dans les réacteurs de la croissance d'algues que la croissance de la biomasse et de produits apparentés sont presque toujours réduits lorsque l' échelle est augmentée ^6.

Les facteurs biologiques, physiques et chimiques changent avec la taille d'un réacteur, avec un grand nombre de ces facteurs qui influent sur l' activité microbienne à petite échelle différente de celle à plus grande échelle ^{2, 7.} Comme la plupart des systèmes à grande échelle pour les algues, tels que les étangs de chemin de roulement, existe à l'extérieur, un facteur biologique à considérer est que les espèces et les bactériophages microbiens peuvent être introduits dans le milieu environnant, ce qui peut modifier les espèces microbiennes présentes et donc la fonction microbienne du système. L'activité de la communauté microbienne sera également sensible à des facteurs environnementaux, tels que la lumière et la température. les transferts de masse des gaz et des mouvements fluides sontdes exemples de facteurs physiques qui sont influencés dans l'échelle jusqu'à des processus microbiens. La réalisation de mélange idéal dans les petits réacteurs est facile; cependant, avec une échelle de plus en plus, il devient un défi de concevoir des conditions idéales de mélange. A plus grande échelle, les réacteurs sont plus susceptibles d'avoir des zones mortes, mélange non-idéal, et une efficacité réduite dans le transfert de masse ^2. Depuis les algues sont des organismes photosynthétiques, la croissance commerciale doit tenir compte des changements dans l'exposition la lumière en raison de changements dans la profondeur de l'eau et de la surface lors de l'augmentation du volume. Haute densité de la biomasse et / ou des taux de transfert de masse faible peut entraîner une diminution des concentrations de CO ₂ et l' augmentation des concentrations de O _2, les deux qui peuvent résulter de l'inhibition de la croissance de la biomasse ^8. Les facteurs chimiques dans un système de croissance des algues sont entraînés par la dynamique du pH du milieu aquatique ^2, qui est par conséquent affectée par des changements dans les composés de tamponnement du pH , tels que du CO dissous <sub> 2 et de carbonate espèces. Ces facteurs sont aggravés par des interactions complexes entre les facteurs biologiques, physiques et chimiques, souvent de façon imprévisible ^9.

Cette étude présente un système de réacteur jumelé conçu pour réguler et comparer les conditions de croissance dans les vaisseaux de deux échelles différentes. Le protocole expérimental se concentre sur la quantification de traitement des lixiviats et la croissance des algues; cependant, il pourrait être adapté pour surveiller d' autres paramètres tels que les changements dans la communauté microbienne dans le temps ou le potentiel de séquestration du CO ₂ des algues. Le protocole présenté ici a été conçu pour évaluer l'effet de l'échelle sur la croissance des algues et élimination de l'azote dans un système de traitement des lixiviats.