Cultivo de microalgas e quantificação de biomassa em um fotobiorreator em escala de banco com gases corrosivos de flue
Summary
O cultivo axenic da bancada-escala facilita a caracterização microalgal e a optimização da produtividade antes da escala subseqüente do processo-acima. Os fotobiorreatores fornecem o controle necessário para experimentos microais confiáveis e reprodutíveis e podem ser adaptados para cultivar microalgas com segurança com os gases corrosivos (CO2,SO2,NO2)das emissões de combustão municipal ou industrial.
Abstract
Fotobireatores são sistemas de cultivo iluminados para experimentos em microorganismos fototróficos. Esses sistemas fornecem um ambiente estéril para o cultivo de microalgas, com temperatura, pH e composição de gás e controle da taxa de fluxo. Em escala de bancada, os fotobireatores são vantajosos para pesquisadores que estudam propriedades microalgal, produtividade e otimização de crescimento. Em escalas industriais, fotobioreatores podem manter a pureza do produto e melhorar a eficiência da produção. O vídeo descreve a preparação e o uso de um fotobiorreator em escala de bancada para o cultivo de microalgas, incluindo o uso seguro de insumos corrosivos de gás, e detalha medições relevantes de biomassa e cálculos de produtividade de biomassa. Especificamente, o vídeo ilustra o armazenamento e a preparação da cultura microalgal para a inoculação, o conjunto e a esterilização do fotobiorreator, as medidas da concentração da biomassa, e um modelo logístico para a produtividade microalgal da biomassa com taxa cálculos, incluindo produtividademáxima e global de biomassa. Além disso, uma vez que há um interesse crescente em experimentos para cultivar microalgas usando emissões de gases de resíduos simulados ou reais, o vídeo cobrirá as adaptações de equipamentos fotobiorereatores necessárias para trabalhar com gases corrosivos e discutir amostragem segura em tais cenários.
Introduction
Fotobiorreatores são úteis para experimentos controlados e cultivo de produtos microalgal mais puros do que pode ser alcançado por lagoas abertas. O cultivo de microalgas em fotobiorreatores em escala de bancada suporta o desenvolvimento de conhecimentos fundamentais que podem ser usados para a ampliação do processo. Pequenas alterações nas condições ambientais podem alterar significativamente experimentos microbiológicos e confundir os resultados1. Um processo estéril com controle de temperatura, pH e gás sparging é vantajoso para estudar propriedades microalgas e desempenho em condições variadas. Além disso, o controle sobre as concentrações de gás de entrada, temperatura, força de cisalhamento da mistura e pH médio pode suportar diversas espécies que são de outra forma desafiadoras para cultivar. Fotobireatores podem ser executados como um processo de lote com alimentação contínua de gás e sparging, ou como um sistema de fluxo de chemostat-through com alimentação contínua de gás e sparging mais influentes e efluentes insumos de nutrientes de águas residuais. Aqui, demonstramos o processo de lote com alimentação contínua de gás e sparging.
O uso de fotobiorreatores aborda vários desafios de cultivo e produção de microalgas. O campo geralmente luta com preocupações de contaminação por outros microrganismos, utilização eficiente de substratos (o que é especialmente importante no caso de mitigação de CO2 ou tratamento de águas residuais)2,controle de pH, variabilidade de iluminação e produtividade de biomassa3. Fotobiorreatores permitem que os pesquisadores estudem uma ampla gama de fototrophs em sistemas de lote controlados de perto, onde até mesmo espécies de crescimento lento são protegidas de predadores ou microorganismos concorrentes4. Esses sistemas de lote também são melhores em facilitar maiores taxas de utilização de CO2 e produtividade de biomassa porque são sistemas fechados que são mais propensos a estar em equilíbrio com gases fornecidos. A tecnologia fotobiorreator também oferece controle de pH, a falta de que tem dificultado a alta produtividade da biomassa em estudos anteriores5. Na escala de bancada, o nível de controle oferecido pelos fotobiorreatores é vantajoso para os pesquisadores. Em escalas industriais maiores, fotobiorreatores podem ser usados para manter a pureza de bioproduto comercial e melhorar a eficiência de produção para aplicações nutracêuticos, cosméticos, alisônicos ou alimentares6.
Microalgas são de grande interesse para a biosequestration de CO2, porque eles podem corrigir rapidamente CO2 como carbono de biomassa. No entanto, a maioria das fontes antropogênicas de CO2 estão contaminadas com outros gases ou contaminantes corrosivos e tóxicos (NOx,SOx, CO, Hg), dependendo da fonte de combustível do processo de combustão. O crescente interesse no sequestro sustentável de CO2 levou ao desenvolvimento de tecnologias de fotobiorreatores para tratar as emissões ricas em CO2,como as de usinas a carvão(Tabela 1). Infelizmente, há um risco inerente de exposição humana e ambiental aos contaminantes corrosivos e tóxicos durante processos de pesquisa e ampliação. Como tal, descrever a montagem segura e operação de biorreatores usando gases corrosivos é necessário e instrutivo.
Este método é para o uso de um fotobioreator 2 L em escala de bancada para o crescimento de microalgas condições experimentais cuidadosamente controladas. O protocolo descreve o armazenamento microalgal, a preparação do inoculum, e a instalação e a esterilização do fotobiorreator. Além do funcionamento básico, este trabalho descreve medições de biomassa microalgal e cálculos de produtividade de biomassa, e adaptação do equipamento para cultivo de microalgas com gases corrosivos. O protocolo descrito abaixo é apropriado para pesquisadores que buscam exercer maior controle experimental, otimizar condições de crescimento microalgal, ou cultura axenicamente uma gama de micróbios fototróficos. Este método não descreve materiais apropriados para o cultivo de micróbios que produzem ou consomem gases inflamáveis (por exemplo, CH4,H2,etc.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentos de fotobiororreator axenic com pH regulamentado, temperatura, taxa de fluxo de gás e concentração de gás promovem resultados significativos, eliminando a contaminação por cepas de algas não-alvo e variabilidade nas condições culturais. A cinética precisa do crescimento da cultura pura pode ser obtida mesmo na presença de gases corrosivos (CO2,SO2,NO2),que servem como nutrientes, transformando gases residuais em um produto valioso, como ração animal.
<p class=…Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material é baseado no trabalho apoiado pela National Science Foundation Graduate Research Fellowship Grant No. 1546595. Qualquer opinião, conclusões e conclusões ou recomendações expressas neste material são os dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da National Science Foundation. O trabalho também foi apoiado por uma bolsa de pesquisa do Governo de Pós-Graduação e EstudanteS Profissionais da Universidade de Iowa, e pela Fundação Da Universidade de Iowa, doação de Allen S. Henry. A pesquisa foi realizada no Laboratório de Fitotecnologias W. M. Keck. Os autores gostariam de agradecer ao pessoal da usina da Universidade de Iowa, especialmente Mark Maxwell, pela experiência e apoio financeiro para os gases de conduto simulados. Os autores também gostariam de reconhecer Emily Moore por sua ajuda com amostragem e análise e Emily Greene por sua assistência e participação no vídeo do protocolo.
Materials
| Biostat A bioreactor | Sartorius Stedim | 2-liter bioreactor for microbial fermentation; designed to be autoclaved; pH, temperature, gas flow rate control | |
| Bump test NO2 gas | Grainger | GAS34L-112-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test O2, CO, LEL gas | Grainger | GAS44ES-301A | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Bump test SO2 gas | Grainger | GAS34L-175-5 | Calibration gas for MultiRAE gas detector |
| Corrosion resistant tubing for NO2 gas | Swagelok | SS-XT4TA4TA4-6 | PTFE Core Hose Smooth Bore X Series—Fiber Braid and 304 SS Braid Reinforcement |
| Corrosion resistant tubing for SO2 gas | QC Supply | 120325 | Reinforced Braided Natural EVA Tubing – 1/4" ID |
| cozIR 100% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0121 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 100% |
| cozIR 20% CO2 meter | Gas Sensing Solutions Ltd. | CM-0123 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations up to 20% |
| Durapore Membrane Filter, 0.45 μm | Millipore Sigma | HVLP04700 | Hydrophilic, plain white, 47 mm diameter, 0.45 μm pore size, PVFD membrane filters |
| Gas cylinder regulators | Praxair | PRS 40221331-660 | Single-stage stainless steel regulator configured for 0-15 psi outlet assembly diaphragm valve with 1/4" MNPT threads, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| Gas cylinders | Praxair | Ulta-zero air, high purity CO2, or custom gas composition | Dependent on study objectives |
| Gas monitoring and leak detection system | RAE Systems by Honeywell | MAB3000235E020 | Pumped model that detects O2, SO2, NO2, CO, and LEL |
| GasLab software | GasLab | v2.0.8.14 | Software for CO2 meter measurements and data logging |
| Hose barb | Grainger | Item # 3DTN3 | Used to adapt regulators to tubing, Stainless steel to resist corrosion from NOx and SOx |
| K30 1% CO2 meter | Senseair | CM-0024 at CO2meter.com | CO2 meter for concentrations less than 1% |
| LED grow panels | Roleadro | HY-MD-D169-S | Red & blue LED light panels |
| Memosens dissolved oxygen probe | Endress+ Hauser | COS22D-19M6/0 | Autoclavable (with precautions) dissolved oxygen probe for bioreactor |
| Memosens pH probe | Endress+ Hauser | CPS71D-7TB41 | Autoclavable (with precautions) pH probe for bioreactor |
| Oven, Isotemp 500 Series | Fisher Scientific | 13246516GAQ | Small oven for drying |
| Prism GraphPad software | GraphPad Software | Version 7.03 or 8.0.1 | Graphing software for data organization, data analysis, and publication-quality graphs |
| Stem to hose barb fitting | Swagelok | SS-4-HC-A-6MTA | Stainless Steel Hose Connector, 6 mm Tube Adapter, 1/4 in. Hose ID |
| Tubing, dilute acid/base transfer | Allied Electronics and Automation | 6678441 | Silicone TP Process Tubing; 1.6mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
| Tubing, gas transfer | Allied Electronics and Automation | 6678444 | Silicone TP Process Tubing; 3.2mm Bore Size; 3000mm Long; Food Grade |
Referências
- Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a Benchtop Bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
- Cheah, W. Y., Pau Loke, S., Chang, J. -. S., Ling, T., Juan, J. C. Biosequestration of atmospheric CO2 and flue gas-containing CO2 by microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
- Xu, L., Weathers, P. J., Xiong, X. -. R., Liu, C. -. Z. Microalgal bioreactors: Challenges and opportunities. Engineering in Life Sciences. 9 (3), 178-189 (2009).
- Tsang, Y. F. . Photobioreactors: Advancements, Applications and Research. , (2017).
- Molitor, H. R., Moore, E. J., Schnoor, J. L. Maximum CO2 Utilization by Nutritious Microalgae. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (10), 9474-9479 (2019).
- Khan, M. I., Shin, J. H., Kim, J. D. The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products. Microbial Cell Factories. 17 (1), 36 (2018).
- Benemann, J. R. Hydrogen production by microalgae. Journal of Applied Phycology. 12 (3), 291-300 (2000).
- . IH MOD Available from: https://aiha.org/public-resources/consumer-resources/topics-of-interest/ih-apps-tools (2019)
- Centers for Disease Control and Prevention, Immediately Dangerous To Life or Health (IDLH) Values. The National Institute for Occupational Safety and Health Available from: https://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html (2019)
- Nakanishi, K., Deuchi, K., Kuwano, K. Cryopreservation of four valuable strains of microalgae, including viability and characteristics during 15 of cryostorage. Journal of Applied Phycology. 24 (6), 1381-1385 (2012).
- Bischoff, H. W., Bold, H. C. . Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. , (1963).
- Mata, T. M., Martins, A. A., Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
- Wood, A. M., Everroad, R. C., Wingard, L. M., Andersen, R. A. Measuring growth rates in microalgal cultures. Algal Culturing Techniques. , 270-272 (2005).
