A Novel Bioreactor voor High Density Teelt van Diverse microbiële gemeenschappen

Summary

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.

Abstract

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD¹ and nitrogen species^2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH₄⁺ and NO₃^– concentrations in the feed did not have an effect on NH₄⁺ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH₄⁺ feed concentration was found to be negatively related with NO₃^– removal (n=44, p=0.000) and NO₃^– feed concentration was found to be positively correlated with NO₃^– removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH₄⁺, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH₄⁺ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.

Introduction

Afvalwater wordt gewoonlijk behandeld met actief slib processen om de gesuspendeerde stoffen (SS), biologisch zuurstofverbruik (BOD), organische en anorganische stikstof- en fosforgehalte ^5,6 te verlagen. De actiefslibproces een middel secundaire behandeling van afvalwater, houdt de oxidatie van organische koolstof in een beluchtingstank gevuld met een mengsel bevatten van inkomende afvalwater en gerecycleerd heterotrofe micro-organismen (gewoonlijk aangeduid als actief slib) ^5-7. De gemengde vloeistof gaat vervolgens een relatief grote nabezinker (bezinktank) waar het slib bezinkt voor eenvoudiger collectie, ofwel worden afgevoerd of teruggevoerd naar de beluchtingstank, terwijl de geklaarde, behandelde afvalwater kan blijven tertiaire behandeling of desinfecteren voordat ze vrijgelaten in ontvangende wateren ^5-7. Efficiënte scheiding van het gezuiverde afvalwater en vaste stoffen (slib) in de secundaire clarifier is essentieel voor de goede functie van een wastewater behandelingssysteem, als elk actief slib voortgezet na de zuiveraars wordt het effluent ^5-8 de BOD en SS verhogen.

Een aantal alternatieve biologische processen bestaan ​​voor de secundaire behandeling van afvalwater, die verminderen of elimineren de noodzaak voor grote verduidelijking van tanks, met inbegrip van verbonden-groei (biofilm) reactoren, membraanbioreactoren (MBR), en korrelslib reactoren. In biofilmreactoren de vorming van biofilms, waarbij micro-organismen van nature geaggregeerde en bevestig als laag op een vast oppervlak, maakt de retentie en de accumulatie van biomassa zonder dat een verduidelijking tank. Biofilmreactoren kunnen worden ingedeeld in drie soorten: gepakt bed reactoren, gefluïdiseerd bed reactoren en roterende biologische schakelaars. Gepakte bed reactors, zoals een oxidatiebedden en biologische torens, gebruiken een stationair vast groeioppervlak ^5,6. Wervelbedreactors (FBRs) afhankelijk van de aanhechting van microorganismen aan deeltjes,zoals zand, korrelvormige actieve kool (GAC) of glasparels, die in suspensie worden gehouden door een hoge opwaartse stroomsnelheid ^9,10. Roterende biologische reactoren afhankelijk biofilms gevormd op media bevestigd aan een roterende as waardoor de biofilm afwisselend blootgesteld aan lucht en de vloeistof wordt behandeld ^5,6. MBRs gebruiken membraanfiltratie-eenheden, hetzij binnen de bioreactor (ondergedompeld configuratie) of extern via recirculatie (configuratie side-stream) ^5,11. De membranen dienen om goede scheiding van biomassa en vaste deeltjes uit de behandelde vloeistof ^11,12 realiseren. Korrelslib reactoren opwaartse reactoren waarin de vorming van zeer dichte en goed afwikkeling granules van micro-organismen optreedt wanneer ze worden blootgesteld aan hoge werkzame air opwaartse snelheden ^13.

Als een ander alternatief voor het actiefslibproces een nieuw opwaartse reactorsysteem, nu een hoge dichtheid bioreactor (HDBR) was designed en gebouwd door Sales en Shieh (2006) naar COD verwijdering door actief slib uit synthetische stromen afval in lage F / M omstandigheden die bekend zijn bij de vorming van slechte bezinken slib veroorzaken (dat wil zeggen, bulking sludge) ^1,7,14 studeren. Het HDBR systeem gebruikte gemodificeerde gefluïdiseerd bed reactors die typisch bestaan ​​uit een upflow reactor en een extern recirculatietank. Wervelbedreactors worden typisch bediend recirculatiestroom stroomsnelheden hoog genoeg om de biofilmgroei ondergrond suspensie te houden, maar laag genoeg zodat de biofilm bedekte substraat wordt vastgehouden. Unlike gefluïdiseerd bed reactoren, de HDBR beschreven Verkoop Shieh (2006) gebruikt relatief lage recirculatiestroom stroomsnelheden die samen met uitwendige beluchting, verhinderde verstoring van de biomassa zone gevormd in de reactor ^1. Latere studies hebben het vermogen deze reactor ontwerp van een reeks van stikstof stromen succesvol te behandelen met behulp van nitrificerende / denitrificerende bacteriën ^3,4 aangetoond. In alle studies de vorming van een stabiele, dichte biomassa zone binnen de HDBR langer nodig externe flocculatie / sedimentatieproces ^1-4.

Als we hier melden, is het gebruik van de HDBR dichte culturen groeien ook getest in een fotobioreactor (PBR) configuratie voor het kweken van algen. We bespreken de voor- en nadelen van deze nieuwe reactor voor algen teelt en zijn potentieel voor het overwinnen van een grote hindernis in de commercialisering van algen biobrandstoffen in verband met het oogsten van biomassa (dat wil zeggen, goed vast-vloeistof scheiding ^15,16). Het volgende protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om te monteren, opstarten, monster uit, en een HDBR met algen als de microbiële gemeenschap van belang te behouden. Variaties in het opstarten en de werking van het protocol en heterotrofe nitrificatie / denitrificerende culturen zal ook worden vermeld. Ten slotte zal de algemene voordelen, nadelen en onbekenden van deze nieuwe reactor ontwerp worden gemarkeerd.

Protocol

1. Reactor Vergadering Rangschik de reactor componenten volgens het schema in figuur 1. Plaats de reactor (R) op een mengplaat, voeg een roerstaaf aan de reactor. Plaats de recirculatietank (RT) naast de roerplaat en de reactor zodat de effluent (top) van de cilinder, is gericht op de rand van de labtafel. Plaats de afvalcontainer (W) onder het effluent (top) poort van de recycle tank (RT). Plaats de toevoer tank (FT) naast de recycle tank (RT). Opmerking: Het voer t…

Representative Results

De HDBR werd algen kweken over verschillende verhoudingen van influent ammoniak en nitraatconcentratie, terwijl een totaal stikstofgehalte in de voeding bij 40 mg -NL -1. In- en uitloop van de monsters werden dagelijks genomen; biomassadensiteit monsters werden genomen aan het begin en einde van elke conditie. De reactor nam gemiddeld 3-5 dagen om steady state evenwicht te bereiken na de omstandigheden zijn gewijzigd. Over een groot aantal influent omstandigheden een afzonderlijke biomassa zone opgericht, zoa…

Discussion

Deze sectie zal beginnen met een bespreking van protocol variaties die nodig zijn om mogelijke operationele kwesties, evenals het gebruik van verschillende microbiële gemeenschappen aan te pakken. De sterke punten van dit reactorontwerp besproken, waaronder het vermogen om controle zuurstofflux en de vorming van hoge dichtheid vlokken in de reactor geregeld. De huidige uitdagingen en mogelijke wegen van het onderzoek zal ook worden vermeld.

Protocol nuances en variaties
De w…

Materials

Aeration stone	Alita	AS-3015C
Aerator	Top Fin	Air-1000
Ammonium chloride	Sigma Aldrich	A9434
Anion analysis column	Shodex	IC SI-52 4E
Beaker (600 mL)	Corning Pyrex	1000-600	Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 mL levels. Outside diameter of hose barbs 3/8".
Calcium chloride	Sigma Aldrich	C5670
Cation analysis column	Shodex	IC YS-50
Cobalt chloride hexahydrate	Sigma Aldrich	C8661
Copper chloride	Sigma Aldrich	222011
Ferric chloride	Sigma Aldrich	157740
Filter (vacuum)	Fisherbrand	09-719-2E	0.45 um membrane filter, MCE, 47 mm diameter
Graduated cylinder (1000 mL)	Corning Pyrex	3025-1L	Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 mL, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8".
HPLC/IC	Shimadzu	Prominence
Magnesium sulfate	Sigma Aldrich	M2643
Masterflex L/S variable speed drive	Masterflex	07553-50	Drive for recycle and feed pumps (2 needed)
Nickel chloride hexahydrate	Sigma Aldrich	N6136
Potassium nitrate	Sigma Aldrich	P8291
(Monobasic) Potassium phosphate	Sigma Aldrich	P5655
Pump head	Masterflex	07018-20	Recycle pump head
Pump head	Masterflex	07013-20	Feed pump head
Pump tubing	Masterflex	6404-18	Recycle pump tubing
Pump tubing	Masterflex	6404-13	Feed pump tubing
Sodium bicarbonate	Sigma Aldrich	S5761
Zinc sulfate heptahydrate	Sigma Aldrich	Z0251