Teelt van groene microalgen in Bubble kolom Photobioreactors en een kwantitatieve analyse voor neutrale lipiden

De toepassing van microalgen in engineering en biotechnologie heeft aangetrokken veel belangstelling in de afgelopen jaren. Microalgen worden bestudeerd voor gebruik in afvalwater behandeling,^1,2,3,4, biobrandstof productie^5,6,7,8, en de productie van nutraceuticals en andere hoogwaardige producten^9,10. Algen zijn ook wordt genetisch gemodificeerde tegen grotere prijzen in een poging om hun geschiktheid voor specifieke technische toepassingen^11,12te verbeteren. Er is dus grote belangstelling voor experimenten met industrieel relevante organismen in gecontroleerde instellingen. Het doel van deze methode is een doeltreffende benadering van cultuur microalgen in een gecontroleerde laboratoriumomgeving communiceren en voor het meten van de groei en de neutrale vetgehalte van die algen. Verbetering van groei tarieven en neutrale vetgehalte van microalgen zijn geïdentificeerd als twee grote knelpunten richting van commercialisering van algen biobrandstoffen¹³.

Een breed scala van benaderingen zijn gebruikt om cultuur algen voor experimentele doeleinden. In het algemeen, kunnen deze benaderingen worden verdeeld tussen grootschalige outdoor teelt en kleinschalige binnen kweek. Outdoor teelt in photobioreactors en open vijvers is geschikt voor experimenten gericht op schaalvergroting van processen die reeds hebben bewezen op laboratoriumschaal (bijvoorbeeld voor het testen van schaal-up van een nieuwe hoge-lipide-stam van algen)¹⁴. Echter binnen kleinschalige teelt geschikt bij het ontwikkelen van nieuwe of verbeterde algen stammen is of het uitvoeren van experimenten gericht op het begrip biologische mechanismen. In deze laatste gevallen moet een hoge mate van experimentele controle plagen uit subtiele veranderingen in de biologische werking. Te dien einde zijn een culturen vaak nodig om te minimaliseren van de complexe biotische factoren die samenhangen met andere organismen (bijvoorbeeld bacteriën, en andere algen) die onvermijdelijk in grootschalige outdoor systemen groeien. Zelfs bij de studie van interacties tussen algen en andere organismen, die we hebben gevonden dat gebruik van hoogst-gecontroleerde experimentele omstandigheden nuttig is bij de behandeling van moleculaire uitwisseling tussen organismen^15,16,17.

Binnen de categorie van kleinschalige indoor algen teelt en een aantal benaderingen zijn gebruikt. Misschien is de meest voorkomende benadering groeien algen in conische kolven op een shaker tafel onder een lichte bank^18,19. Uitwisseling van zuurstof en CO₂ vindt plaats door passieve diffusie door middel van een stekker schuim in de top van de kolf. Sommige onderzoekers hebben deze set-up via actieve beluchting van de kolven²⁰verbeterd. Een andere aanpak is het kweken van algen in flessen, gemixt door roer bar en actieve beluchting. Ondanks hun eenvoud, hebben we vonden dat het gebruik van flacons en flessen vaak tot een inconsistente resultaten van biologische replicaat-organismen leidt. Vermoedelijk is dit te wijten aan de positie effecten – verschillende posities krijgen verschillende hoeveelheden van het licht, die ook van invloed op interne reactor temperaturen. Dagelijkse rotatie van reactoren naar nieuwe posities kan helpen, maar is niet het probleem verlichten omdat bepaalde fases van de groei van algen (bijvoorbeeld vroeg exponentiële) zijn gevoeliger voor positionele effecten dan anderen (bijvoorbeeld log fase).

Aan de andere kant van het spectrum van technologische geavanceerdheid zijn volledig gecontroleerde commerciële photobioreactors. Deze systemen voortdurend controleren en aanpassen van de omstandigheden in de reactor voor het optimaliseren van de groei van algen. Ze hebben programmeerbare verlichting, real-time temperatuurregeling en pH-control. Helaas, ze zijn duur en typisch kosten duizenden dollars per reactor. Meest wetenschappelijke en technische tijdschriften vereisen biologische replicatie van resultaten, waardoor de aankoop van meerdere bioreactoren. Wij presenteren hier een zeepbel kolom reactor systeem dat de kloof tussen de eenvoudige (kolf) en geavanceerde (volledig gecontroleerde bioreactor) benaderingen voor lab-schaal algen teelt bruggen. Bubble kolommen kunnen stijgende gasbellen gas uitwisseling en meng de reactor. Deze aanpak biedt een zekere mate van controle over de verlichting en de temperatuur, maar doet dit op een manier die rendabel. Bovendien hebben we gevonden dit systeem zeer consistente resultaten van biologische replicaat-organismen, vermindering van het vereiste aantal biologische replicatieonderzoeken noodzakelijk zijn voor het verkrijgen van statistisch significante resultaten in vergelijking met de kolf of fles aanpak. Ook hebben we dit systeem gebruikt te kweken mengsels van algen en bacteriën²¹. Naast de teelt van algen schetsen we een procedure voor het meten van de neutrale vetgehalte in de gekweekte algen. De laatste methode is gepubliceerd elders²², maar ook hier de procedure om te bieden stapsgewijze instructies voor het met succes gebruiken.