Cultivo de microalgas y cuantificación de biomasa en un fotobiorreactor a escala de banco con gases de combustión corrosivos
Summary
El cultivo axiónico a escala de banco facilita la caracterización microalgal y la optimización de la productividad antes del posterior escalado del proceso. Los fotobiorreactores proporcionan el control necesario para experimentos microalgas fiables y reproducibles y se pueden adaptar para cultivar de forma segura microalgas con los gases corrosivos (CO2, SO2,NO2) de las emisiones de combustión municipal o industrial.
Abstract
Los fotobiorreactores son sistemas de cultivo iluminados para experimentos con microorganismos fototróficos. Estos sistemas proporcionan un entorno estéril para el cultivo de microalgas con la composición de la temperatura, el pH y el gas y el control del caudal. A escala de banco, los fotobiorreactores son ventajosos para los investigadores que estudian las propiedades microalgas, la productividad y la optimización del crecimiento. A escala industrial, los fotobiorreactores pueden mantener la pureza del producto y mejorar la eficiencia de la producción. El video describe la preparación y el uso de un fotobiorreactor a escala de banco para el cultivo de microalgas, incluido el uso seguro de insumos de gas corrosivo, y detalla las mediciones de biomasa relevantes y los cálculos de productividad de biomasa. Específicamente, el video ilustra el almacenamiento de cultivo microalgal y la preparación para la inoculación, el montaje y esterilización del fotobiorreactor, las mediciones de concentración de biomasa y un modelo logístico para la productividad de la biomasa microalgal con tasa cálculos que incluyen productos máximos y globales de biomasa. Además, dado que hay un creciente interés en los experimentos para cultivar microalgas utilizando emisiones de gases de desecho simuladas o reales, el video cubrirá las adaptaciones de equipos fotobiorreactores necesarias para trabajar con gases corrosivos y discutir el muestreo seguro en tales escenarios.
Introduction
Los fotobiorreactores son útiles para experimentos controlados y el cultivo de productos microalgas más puros de lo que se puede lograr mediante estanques abiertos. El cultivo de microalgas en fotobiorreactores a escala de banco apoya el desarrollo de conocimientos fundamentales que pueden utilizarse para el escalado de procesos. Ligeros cambios en las condiciones ambientales pueden alterar significativamente los experimentos microbiológicos y confundir los resultados1. Un proceso estéril con control de sparging de temperatura, pH y gas es ventajoso para estudiar las propiedades y el rendimiento de los microalgas en condiciones variadas. Además, el control sobre las concentraciones de gas de entrada, la temperatura, la fuerza de cizallamiento de la mezcla y el pH medio pueden apoyar diversas especies que de otro modo son difíciles de cultivar. Los fotobiorreactores se pueden ejecutar como un proceso por lotes con alimentación y sparging continuos de gas, o como un sistema de flujo a través de chemostat con alimentación y sparging continuos de gas, además de insumos de nutrientes de aguas residuales de fluidez y efluentes. Aquí, demostramos el proceso por lotes con alimentación continua de gas y sparging.
El uso de fotobiorreactores aborda varios desafíos de cultivo y producción de microalgas. El campo generalmente lucha con las preocupaciones de contaminación por otros microorganismos, la utilización eficiente del sustrato (que es especialmente importante en el caso de la mitigación delCO2 o el tratamiento de aguas residuales)2, control de pH, variabilidad de iluminación y productividad de biomasa3. Los fotobiorreactores permiten a los investigadores estudiar una amplia gama de fototróteles en sistemas de lotes estrechamente controlados, donde incluso las especies de crecimiento lento están protegidas de depredadores o microorganismos competidores4. Estos sistemas de lotes también son mejores para facilitar mayores tasas de utilización de CO2 y productividad de biomasa porque son sistemas cerrados que son más propensos a estar en equilibrio con los gases suministrados. La tecnología fotobiorreactor también ofrece control de pH, la falta de la cual ha obstaculizado la alta productividad de la biomasa en estudios anteriores5. A escala de banco, el nivel de control ofrecido por los fotobiorreactores es ventajoso para los investigadores. A escalas industriales más grandes, los fotobiorreactores se pueden utilizar para mantener la pureza comercial de los bioproductos y mejorar la eficiencia de la producción para aplicaciones nutracéuticas, cosméticas, alimentarias o de piensos6.
Las microalgas son de gran interés para la biosecuestro de CO2 porque pueden fijar rápidamente elCO2 como carbono de biomasa. Sin embargo, la mayoría de las fuentes antropogénicas de CO2 están contaminadas con otros gases o contaminantes corrosivos y tóxicos (NOx, SOx, CO, Hg), dependiendo de la fuente de combustible del proceso de combustión. El creciente interés por el secuestro sostenible de CO2 ha impulsado el desarrollo de tecnologías fotobiorreactoras para tratar las emisiones ricas enCO2,como las de las centrales eléctricas de carbón(cuadro 1). Desafortunadamente, existe un riesgo inherente de exposición humana y ambiental a los contaminantes corrosivos y tóxicos durante los procesos de investigación y ampliación. Como tal, describir el montaje y funcionamiento seguro de los biorreactores utilizando gases corrosivos es necesario e instructivo.
Este método es para el uso de un fotobiorreactor a escala de banco de 2 L para el crecimiento de microalgas en condiciones experimentales cuidadosamente controladas. El protocolo describe el almacenamiento de microalgas, la preparación del inóculo y la configuración y esterilización del fotobiorreactor. Más allá de la operación básica, este trabajo describe las mediciones de biomasa microalgal y los cálculos de productividad de la biomasa, y la adaptación del equipo para el cultivo de microalgas con gases corrosivos. El protocolo descrito a continuación es adecuado para los investigadores que buscan ejercer un mayor control experimental, optimizar las condiciones de crecimiento microalgas o cultivar axenéticamente una gama de microbios fototróficos. Este método no describe los materiales adecuados para el cultivo de microbios que producen o consumen gases inflamables (por ejemplo, CH4, H2,etc.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los experimentos de fotobiorreactores por lotes y axensicos con pH regulado, temperatura, caudal de gas y concentración de gas promueven resultados significativos al eliminar la contaminación por cepas de algas no objetivo y variabilidad en condiciones de cultivo. La cinética precisa del crecimiento del cultivo puro se puede obtener incluso en presencia de gases corrosivos (CO2, SO2, NO2), que sirven como nutrientes, convirtiendo los gases de desecho en un producto valioso como la alim…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material se basa en el trabajo apoyado por la National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. 1546595. Cualquier opinión, hallazgo, y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las de los autores y no reflejan necesariamente las opiniones de la Fundación Nacional de Ciencia. El trabajo también fue apoyado por una beca de investigación de graduados y gobiernos estudiantiles profesionales de la Universidad de Iowa, y la fundación allen S. Henry de la Fundación de la Universidad de Iowa. La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Fitotecnologías W. M. Keck. Los autores desean agradecer al personal de la central eléctrica de la Universidad de Iowa, especialmente a Mark Maxwell, su experiencia y apoyo financiero para los gases de combustión simulados. Los autores también quieren reconocer a Emily Moore por su ayuda con el muestreo y el análisis y Emily Greene por su ayuda y participación en el video del 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 |
Referencias
- 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).
