Microalgen teelt en biomassa kwantificering in een Fotobioreactor met een tafel schaal met corrosieve rookgas
Summary
Bench-Scale, Axenische teelt vergemakkelijkt microalgal karakterisering en productiviteit optimalisatie voor verdere proces scale-up. Photobioreactoren zorgen voor de nodige controle voor betrouwbare en reproduceerbaar microalgal experimenten en kunnen worden aangepast om microalgen veilig te cultiveren met de corrosieve gassen (CO2, dus2, No2) van gemeentelijke of industriële verbrandingsemissies.
Abstract
Photobioreactoren zijn verlichte teeltsystemen voor experimenten op fototrofische micro-organismen. Deze systemen bieden een steriele omgeving voor de microalgal teelt met temperatuur, pH, en gassamenstelling en debietregeling. Op tafel schaal zijn fotobioreactoren voordelig voor onderzoekers die microalgal-eigenschappen, productiviteit en groei-optimalisatie bestuderen. Bij industriële weegschalen kunnen photobioreactoren de zuiverheid van het product handhaven en de productie-efficiëntie verbeteren. De video beschrijft de voorbereiding en het gebruik van een tafelweegschaal fotobioreactor voor de microalgen teelt, inclusief het veilige gebruik van corrosieve gasingangen, en Details van relevante biomassa metingen en biomassa productiviteits berekeningen. De video illustreert specifiek de opslag van microalgen cultuur en voorbereiding voor inoculatie, fotobioreactor assemblage en sterilisatie, biomassaconcentratie metingen en een logistiek model voor de biomassa-productiviteit van de microalgen met een snelheid berekeningen inclusief maximale en algemene biomassa productiviteiten. Aangezien er steeds meer belangstelling is voor experimenten om microalgen te cultiveren met behulp van gesimuleerde of echte afvalgas emissies, zal de video de aanpassingen van de bioreactor apparatuur omvatten die nodig zijn om met corrosieve gassen te werken en om veilige bemonstering te bespreken in dergelijke scenario’s.
Introduction
Photobioreactors zijn nuttig voor gecontroleerde experimenten en de teelt van zuiverder microalgal producten dan kan worden bereikt door open vijvers. Microalgal teelt in Bench-Scale photobioreactoren ondersteunt de ontwikkeling van fundamentele kennis die kan worden gebruikt voor het proces scale-up. Kleine veranderingen in de omgevingsomstandigheden kunnen microbiologische experimenten significant veranderen en de resultaten1verstellen. Een steriel proces met temperatuur-, pH-en gassparende controle is voordelig voor het bestuderen van microalgal eigenschappen en prestaties onder gevarieerde omstandigheden. Daarnaast kan de controle over de invoer gasconcentraties, temperatuur, Afschuifkracht van mengen en medium pH verschillende soorten ondersteunen die anders een uitdaging vormen om te cultiveren. Photobioreactors kunnen worden uitgevoerd als een batchproces met continue gastoevoer en sparen, of als een chemostat flow-through-systeem met continue gastoevoer en gefiltreerde plus influent en effluent afvalwater toevoer voedingsstoffen. Hier demonstreren we het batchproces met continue gastoevoer en sparen.
Het gebruik van fotobioreactoren behandelt verschillende microalgal teelt-en productie-uitdagingen. Het veld worstelt in het algemeen met bezorgdheid over verontreiniging door andere micro-organismen, efficiënt substraat gebruik (wat vooral belangrijk is in het geval van CO2 -mitigatie of afvalwaterzuivering)2, pH-controle, verlichtings variabiliteit en biomassa-productiviteit3. Fotobioreactoren stellen onderzoekers in staat om een breed scala aan fototroph’s te bestuderen in nauw gecontroleerde batch systemen, waarbij zelfs langzaam groeiende soorten worden beschermd tegen roofdieren of concurrerende micro-organismen4. Deze batch systemen zijn ook beter in het faciliteren van meer CO2 -bezettingsgraad en biomassa-productiviteit, omdat ze gesloten systemen zijn die waarschijnlijker zijn in evenwicht met geleverde gassen. Photobioreactor technologie biedt ook pH-controle, waarvan het gebrek de hoge biomassa-productiviteit in eerdere studies5heeft belemmerd. Op tafelweegschaal, het niveau van controle aangeboden door fotobioreactoren is voordelig voor onderzoekers. Bij grotere industriële weegschalen kunnen fotobioreactoren worden gebruikt om de zuiverheid van commerciële bioproduct te handhaven en de productie-efficiëntie voor nutraceutische, cosmetische, voedsel-of voeder toepassingen te verbeteren6.
Microalgen zijn van groot belang voor de biosequestration van CO2 omdat ze co2 snel kunnen repareren als biomassa-koolstof. De meeste antropogene bronnen van CO2 zijn echter verontreinigd met andere corrosieve en toxische gassen of verontreinigingen (geenx, dusx, Co, Hg), afhankelijk van de brandstofbron van het verbrandingsproces. Groeiende belangstelling voor duurzame co2 -vastlegging heeft de ontwikkeling van bioreactor-technologieën voor de behandeling van co2-rijke emissies, zoals die van kolen gestookte elektriciteitscentrales (tabel 1), veroorzaakt. Helaas bestaat er een inherent risico op blootstelling van mens en milieu aan de corrosieve en toxische verontreinigingen tijdens onderzoek en opschaling. Als zodanig is het beschrijven van de veilige assemblage en werking van bioreactoren met behulp van corrosieve gassen noodzakelijk en leerzaam.
Deze methode is voor het gebruik van een 2 L tafelweegschaal fotobioreactor voor de groei van microalgen onder zorgvuldig gecontroleerde experimentele omstandigheden. Het protocol beschrijft microalgal opslag, entmateriaal voorbereiding en fotobioreactor Setup en sterilisatie. Naast de basiswerking beschrijft dit werk de microalgen biomassa-metingen en de berekeningen van de biomassa-productiviteit, en de aanpassing van de apparatuur voor de microalgen teelt met corrosieve gassen. Het hieronder beschreven protocol is geschikt voor onderzoekers die meer experimentele controle willen uitoefenen, de groeiomstandigheden van microalgen moeten optimaliseren of een reeks fototrofische microben kunnen omkweken. Bij deze methode worden geen geschikte materialen beschreven voor de teelt van microben die ontvlambare gassen produceren of consumeren (bijvoorbeeld CH4, H2, enz.). 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Batch, Axenische bioreactor experimenten met gereguleerde pH, temperatuur, gasstroom en gasconcentratie bevorderen zinvolle resultaten door het elimineren van verontreiniging door niet-doelwit algen stammen en variabiliteit in cultuuromstandigheden. Nauwkeurige pure cultuur groei kinetiek kan ook worden verkregen in de aanwezigheid van corrosieve gassen (CO2, dus2, No2), die als voedingsstoffen dienen, waardoor afvalgassen worden omgezet in een waardevol product zoals diervoeders.
<p …Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit materiaal is gebaseerd op het werk ondersteund door de National Science Foundation Graduate Research Fellowship onder Grant No. 1546595. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van de National Science Foundation. Het werk werd ook gesteund door een universiteit van Iowa Graduate and Professional Student Government Research Grant, en de University of Iowa Foundation, allen S. Henry Endowment. Onderzoek werd uitgevoerd in het W. M. Keck Phytotechnologies Laboratory. De auteurs willen de medewerkers van de University of Iowa Power plant bedanken, met name Mark Maxwell, voor expertise en financiële ondersteuning voor de gesimuleerde rookgas gassen. De auteurs willen Emily Moore ook graag erkennen voor haar hulp bij sampling en analyse en Emily Greene voor haar hulp en deelname aan de protocol video.
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 |
References
- 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).
