Korozif Baca Gazlı Tezgah Ölçekli Fotobiyoreaktörde Mikroalg Ekimi ve Biyokütle Kantifikasyonu
Summary
Bench-scale, axenic ekimi sonraki proses ölçeklendirme önce mikroalgal karakterizasyonu ve verimlilik optimizasyonu kolaylaştırır. Fotobiyoreaktörler güvenilir ve tekrarlanabilir mikroalgal deneyler için gerekli kontrolü sağlamak ve güvenli bir şekilde aşındırıcı gazlar ile mikroalg yetiştirmek için adapte edilebilir (CO2, SO2, NO2) belediye veya endüstriyel yanma emisyonları.
Abstract
Fotobiyoreaktörler fototrofik mikroorganizmalar üzerinde deneyler için aydınlatılmış yetiştirme sistemleridir. Bu sistemler sıcaklık, pH ve gaz bileşimi ve akış hızı kontrolü ile mikroalgal ekimi için steril bir ortam sağlar. Tezgah ölçeğinde, fotobiyoreaktörler mikroalgal özellikleri, verimlilik ve büyüme optimizasyonu inceleyen araştırmacılar için avantajlıdır. Endüstriyel ölçeklerde, fotobiyoreaktörler ürün saflığını koruyabilir ve üretim verimliliğini artırabilir. Video hazırlanması ve mikroalgal ekimi için bir tezgah ölçekli fotobiyoreaktör kullanımı açıklar, aşındırıcı gaz girdileri güvenli kullanımı da dahil olmak üzere, ve ayrıntıları ilgili biyokütle ölçümleri ve biyokütle verimlilik hesaplamaları. Özellikle, video mikroalgal kültür depolama ve aşılama için hazırlık göstermektedir, fotobiyoreaktör montaj ve sterilizasyon, biyokütle konsantrasyon ölçümleri, ve oranı ile mikroalgal biyokütle verimliliği için lojistik bir model maksimum ve genel biyokütle verimliliklerini içeren hesaplamalar. Ayrıca, simüle veya gerçek atık gaz emisyonları kullanarak mikroalg yetiştirmek için deneylerde artan ilgi olduğundan, video aşındırıcı gazlar ile çalışmak ve güvenli örnekleme tartışmak için gerekli fotobiyoreaktör ekipman uyarlamaları kapsayacak bu tür senaryolar.
Introduction
Fotobiyoreaktörler kontrollü deneyler ve açık göletler tarafından elde edilebilir daha saf mikroalgal ürünlerin ekimi için yararlıdır. Tezgah ölçekli fotobiyoreaktörlerde mikroalgal ekimi, proses ölçeklendirmesi için kullanılabilecek temel bilginin gelişimini destekler. Çevre koşullarında ki küçük değişiklikler mikrobiyolojik deneyleri önemli ölçüde değiştirebilir vesonuçları1’i şaşırtmaz. Sıcaklık, pH ve gaz sparging kontrolü ile steril bir süreç çeşitli koşullar altında mikroalgal özellikleri ve performans incelenmesi için avantajlıdır. Ayrıca, giriş gazı konsantrasyonları, sıcaklık, karıştırma dan kesme kuvveti ve orta pH üzerinde kontrol aksi takdirde yetiştirmek için zor olan çeşitli türleri destekleyebilir. Fotobiyoreaktörler sürekli gaz beslemesi ve seyrekleme ile bir toplu işlem olarak çalıştırılabilir, ya da sürekli gaz beslemeve seyrek artı etkili ve atık atık su besin girdileri ile bir chemostat akış sistemi olarak. Burada, sürekli gaz beslemeve seyrekleme ile toplu iş sürecini gösteriyoruz.
Fotobiyoreaktörlerin kullanımı çeşitli mikroalgal ekimi ve üretim zorluklarını ele almıştır. Alan genellikle diğer mikroorganizmalar tarafından kontaminasyon endişeleri ile mücadele, verimli substrat kullanımı (özellikle CO2 azaltma veya atıksu arıtma durumunda önemlidir)2, pH kontrolü, aydınlatma değişkenliği, ve biyokütle verimliliği3. Fotobiyoreaktörler araştırmacıların yakın kontrollü toplu iş sistemlerinde çok çeşitli fototrofları incelemelerine olanak sağlar, burada yavaş büyüyen türler bile yırtıcılardan veya rakip mikroorganizmalardan korunur4. Bu toplu iş sistemleri, daha fazla CO2 kullanım oranları ve biyokütle verimliliğini kolaylaştırmakta daha iyidir, çünkü bunlar tedarik edilen gazlarla dengede olma olasılığı daha yüksek olan kapalı sistemlerdir. Fotobiyoreaktör teknolojisi de pH kontrolü sunuyor, hangi eksikliği geçmiş çalışmalarda yüksek biyokütle verimliliği engelledi5. Tezgah ölçeğinde, fotobiyoreaktörler tarafından sunulan kontrol düzeyi araştırmacılar için avantajlıdır. Daha büyük endüstriyel ölçeklerde, fotobiyoreaktörler ticari biyoürün saflığını korumak ve nutraceutical, kozmetik, gıda veya yem uygulamaları için üretim verimliliğini artırmak için kullanılabilir6.
Mikroalglar CO2’nin biyosequestrasyonu için büyük ilgi çekicidir çünkü CO2’yi biyokütle karbonu olarak hızla düzeltebilirler. Ancak, CO2 en antropojenik kaynakları diğer aşındırıcı ve toksik gazlar veya kirleticiler ile kontamine (NOx, SOx, CO, Hg), yanma işlemi yakıt kaynağına bağlı olarak. Sürdürülebilir CO2’ye olan ilginin artması, kömüryakıtlı enerji santrallerinden elde edilenler gibi CO2-zenginemisyonları tedavi etmek için fotobiyoreaktör teknolojilerinin geliştirilmesine yolaçmıştır (Tablo 1). Ne yazık ki, araştırma ve ölçeklendirme süreçleri sırasında aşındırıcı ve toksik kirleticilere insan ve çevresel maruz kalma doğal risk vardır. Bu nedenle, korozif gazlar kullanarak biyoreaktörlerin güvenli bir şekilde montajı ve işletilmesi nin tanımlanması gerekli ve öğreticidir.
Bu yöntem, dikkatle kontrol edilen deneysel koşullar altında mikroalgların büyümesi için 2 L tezgah ölçekli fotobiyoreaktör kullanımı içindir. Protokolde mikroalgal depolama, inokül hazırlama ve fotobiyoreaktör kurulumu ve sterilizasyonu açıklanmaktadır. Bu çalışma, temel çalışma dışında mikroalgal biyokütle ölçümlerini ve biyokütle verimlilik hesaplamalarını ve ekipmanın korozif gazlarla mikroalgal ekimi için uyarlanıncaya kadar açıklanmaktadır. Aşağıda açıklanan protokol, daha fazla deneysel kontrol uygulamak, mikroalgal büyüme koşullarını optimize etmek veya bir dizi fototrofik mikrop kültürünü eksenik olarak geliştirmek isteyen araştırmacılar için uygundur. Bu yöntem, yanıcı gazlar üreten veya tüketen mikropların yetiştirilmesi için uygun malzemeleri tanımlamaz (örneğin, CH4, H2,vb.) 7 .
Protocol
Representative Results
Discussion
Toplu, düzenlenmiş pH, sıcaklık, gaz akış hızı ve gaz konsantrasyonu ile axenic fotobiyoreaktör deneyleri, kültür koşullarında hedef olmayan alg suşları ve değişkenlik tarafından kontaminasyonu ortadan kaldırarak anlamlı sonuçlar doğurur. Doğru saf kültür büyüme kinetik aşındırıcı gazların varlığında bile elde edilebilir (CO2, SO2, NO2), hangi besin olarak hizmet, hayvan yemi gibi değerli bir ürün haline atık gazlar dönüm.
<p class="jove_conte…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu materyal, 1546595 sayılı Hibe kapsamında Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır. Bu materyalde ifade edilen herhangi bir görüş, bulgu ve sonuç veya öneri yazarların görüşleridir ve Ulusal Bilim Vakfı’nın görüşlerini yansıtmak zorunda değildir. Çalışma aynı zamanda Iowa Üniversitesi Lisansüstü ve Profesyonel Öğrenci Hükümeti araştırma hibe ve University of Iowa Vakfı, Allen S. Henry bağış tarafından desteklendi. Araştırma W. M. Keck Fitoteknolojiler Laboratuvarı’nda yapılmıştır. Yazarlar Iowa Üniversitesi enerji santrali personeli, özellikle Mark Maxwell, uzmanlık ve simüle baca gazları için mali destek için teşekkür etmek istiyorum. Yazarlar ayrıca emily Moore’u örnekleme ve analiz ve Emily Greene’e yardımları ve protokol videosuna katılımı için teşekkür etmek istiyor.
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).
