부식성 연도 가스가 있는 벤치 스케일 광생물반응기에서 미세조류 재배 및 바이오매스 정량화
Summary
벤치 스케일, 축 재배는 후속 공정 확장 전에 미세 조류 특성화 및 생산성 최적화를 용이하게 합니다. 광생물 반응기는 신뢰할 수 있고 재현 가능한 미세 조류 실험에 필요한 제어를 제공하며 도시 또는 산업 연소 배출에서 부식성 가스(CO2,SO2,NO2)로미세 조류를 안전하게 경작하도록 조정할 수 있습니다.
Abstract
광생물 반응기는 광영양 미생물에 대한 실험을 위한 조명 재배 시스템입니다. 이러한 시스템은 온도, pH 및 가스 조성 및 유량 제어를 통해 미세 조류 재배를 위한 멸균 환경을 제공합니다. 벤치 스케일에서 광생물 반응기는 미세 조류 특성, 생산성 및 성장 최적화를 연구하는 연구자에게 유리합니다. 산업용 스케일에서 광생물 반응기는 제품 순도를 유지하고 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 이 비디오는 부식성 가스 입력의 안전한 사용을 포함하여 미세 조류 재배를 위한 벤치 스케일 광생물반응기의 준비 및 사용과 관련 바이오매스 측정 및 바이오매스 생산성 계산에 대해 자세히 설명합니다. 구체적으로, 이 비디오는 접종, 광생물반응기 조립 및 멸균, 바이오매스 농도 측정 및 마이크로조류 바이오매스 생산성을 위한 물류 모델을 위한 미세조류 배양 저장 및 준비를 보여줍니다. 최대 및 전체 바이오 매스 생성성을 포함한 계산. 또한 시뮬레이션 또는 실제 폐가스 배출을 사용하여 미세 조류를 배양하는 실험에 대한 관심이 증가하고 있기 때문에 비디오는 부식성 가스로 작업하는 데 필요한 광생물 반응기 장비 적응을 다루고 안전한 샘플링에 대해 논의합니다. 이러한 시나리오를 참조하십시오.
Introduction
광생물 반응기는 열린 연못에 의해 달성 될 수있는 것보다 더 순수한 미세 조류 제품의 제어 실험 및 재배에 유용합니다. 벤치 규모의 광생물 반응기의 미세 조류 재배는 공정 확장에 사용될 수있는 기본 지식의 개발을 지원합니다. 환경 조건에 약간의 변화는 크게 미생물 실험을 변경하고 결과를 혼동 할 수 있습니다1. 온도, pH 및 가스 절약 제어가 있는 멸균 공정은 다양한 조건에서 미세 조류 특성 및 성능을 연구하는 데 유리합니다. 또한, 입력 가스 농도, 온도, 혼합에서 전단력 및 중간 pH에 대한 제어는 그렇지 않으면 재배하기 어려운 다양한 종을 지원할 수 있습니다. 광생물 반응기는 연속 가스 공급 및 스파징을 통한 배치 공정으로 실행되거나, 연속 가스 공급 및 스파링 플러스 유입 및 폐수 영양 입력이 있는 chemostat 흐름 통과 시스템으로 실행할 수 있습니다. 여기서, 우리는 연속 가스 공급 및 스파징과 배치 공정을 보여줍니다.
광생물 반응기의 사용은 여러 미세 조류 재배 및 생산 문제를 해결합니다. 이 분야는 일반적으로 다른 미생물에 의한 오염, 효율적인 기판 이용(CO2 완화 또는 폐수 처리의 경우 특히 중요합니다)2,pH 제어, 조명 가변성 및 바이오 매스 생산성3. Photobioreactors는 연구원이 느리게 성장하는 종조차도 포식자 또는 경쟁 미생물로부터 보호되는 밀접하게 통제 된 배치 시스템에서 광범위한 광스트로프를 연구 할 수 있게합니다4. 이러한 배치 시스템은 공급된 가스와 평형상태일 가능성이 높은 폐쇄형 시스템이므로CO2 가동률과 바이오매스 생산성을 높이는 데에도 더 좋습니다. 광생물 반응기 기술은 또한 pH 제어를 제공하며, 그 부족은 과거 연구에서 높은 바이오 매스 생산성을 저해하고있다5. 벤치 스케일에서 광생물 반응기에서 제공하는 제어 수준은 연구자에게 유리합니다. 더 큰 산업 규모에서, 광생물 반응기는 상업적인 생물 제품 순도를 유지하고 건강 기능 식품, 화장품, 식품, 또는 사료 응용 프로그램에 대한 생산 효율을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다6.
미세조류는CO2를 바이오매스 탄소로 빠르게 해결할 수 있기 때문에CO2의 바이오스퀘스트에 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나CO2의 대부분의 인위적 공급원은 연소 공정 연료 원에 따라 다른 부식성 및 독성 가스 또는 오염물질(NOx,SOx,CO, Hg)으로 오염됩니다. 지속 가능한CO2 격리에 대한 관심이 증가함에 따라 석탄 화력 발전소와 같은CO2배출을 처리하는 광생물 반응기 기술의 개발이 촉발되었습니다(표1). 안타깝게도 연구 및 스케일업 프로세스 중에 부식성 및 독성 오염 물질에 대한 인체 및 환경 노출위험이 내재되어 있습니다. 따라서 부식성 가스를 이용한 생물반응기의 안전한 조립 및 작동을 설명하는 것이 필요하고 유익합니다.
이 방법은 신중하게 제어된 실험 조건 하에서 미세조류의 성장을 위한 2L 벤치 스케일 광생물반응기를 사용하기 위한 것이다. 이 프로토콜은 미세 조류 저장, 접종 준비 및 광생물 반응기 설정 및 살균을 설명합니다. 이 작업은 기본 작동 외에도 미세 조류 바이오매스 측정 및 바이오매스 생산성 계산, 부식성 가스로 미세 조류 재배를 위한 장비의 적응에 대해 설명합니다. 아래에 설명된 프로토콜은 더 큰 실험 적 제어를 발휘하고자하는 연구자, 미세 조류 성장 조건을 최적화, 또는 광영양 미생물의 범위를 축하 배양하고자하는 연구자에게 적합합니다. 이 방법은 인화성 가스를 생산하거나 소비하는 미생물의 재배에 적합한 물질을 설명하지 않습니다 (예 : CH4,H2등) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
배치, 축사 광생물반응기 규제 pH, 온도, 가스 유량 및 가스 농도를 가진 실험은 비표적 조류 균주에 의한 오염과 배양 조건의 가변성을 제거하여 의미 있는 결과를 촉진합니다. 정확한 순수 배양 성장 역학은 영양분으로 작용하여 폐가스를 동물 사료와 같은 귀중한 제품으로 바꾸는 부식성 가스(CO2,SO2,NO2)가있는경우에도 얻을 수 있습니다.
어떤 미세 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 자료는 그랜트 번호 1546595에서 국립 과학 재단 대학원 연구 펠로우십에 의해 지원 되는 작업을 기반으로 합니다. 이 자료에 표현 된 의견, 결과 및 결론 이나 권고는 저자의 의견이며 반드시 국립 과학 재단의 견해를 반영하지 는 않습니다. 이 작품은 또한 아이오와 대학 대학원 및 전문 학생 정부 연구 보조금, 아이오와 재단, 앨런 S. 헨리 엔다우먼트의 대학에 의해 지원되었다. 연구는 W. M. Keck Phytotechnologies 실험실에서 실시되었습니다. 저자는 아이오와 대학 발전소 직원, 특히 마크 맥스웰(Mark Maxwell)에게 시뮬레이션된 연도 가스에 대한 전문 지식과 재정적 지원에 감사를 표하고 싶습니다. 저자는 또한 샘플링 및 분석에 대한 그녀의 도움에 대한 에밀리 무어와 그녀의 도움과 프로토콜 비디오에 참여 에밀리 그린을 인정하고 싶습니다.
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 |
Referências
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