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Bioengineering

A Novel Bioreaktor für High Density Anbau von Diverse mikrobiellen Gemeinschaften

Published: December 25, 2015
doi:
10.3791/53443
, ,
1Civil, Architectural, and Environmental Engineering,Drexel University, 2Chemical and Biomolecular Engineering,University of Pennsylvania

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 species2-4 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

Kommunales Abwasser ist häufig mit Belebtschlammverfahren, um die suspendierten Feststoffe (SS), biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), organische und anorganische Stickstoff und Phosphorgehalt 5,6 zu verringern behandelt. Das Belebtschlammverfahren, ein Mittel zur Abwasserbehandlung vor, beinhaltet die Oxidation von organischem Kohlenstoff in einem Belüftungstank mit einer Mischflüssigkeit von ankommenden Abwasser- und Recycling heterotrophen Mikroorganismen gefüllt 5-7 (üblicherweise als Belebtschlamm genannt). Der gemischten Flüssigkeit tritt dann in eine relativ große Absetzbecken (Absetzbecken), wo der Schlamm absetzt zur leichteren Erfassung, um entweder entsorgt oder recycelt zurück in den Belüftungstank, während das geklärte, behandeltes Abwasser zu tertiären Behandlung oder Desinfektion weiter, bevor es in freigesetzt werden Vorfluter 5-7. Effiziente Trennung des gereinigten Abwassers und Feststoffe (Schlamm) im Nachklärbecken ist für die ordnungsgemäße Funktion der a wartewater Behandlungssystem, wie jeder Belebungs weiterhin über die Klärbecken wird das BOD und SS im Abwasser 5-8 erhöhen.

Eine Anzahl von alternativen biologischen Verfahren zur Zweitbehandlung von Abwasser, die Verringerung oder Beseitigung der Notwendigkeit für große Klärung Tanks, einschließlich befestigt-Wachstum (Biofilm) Reaktoren, Membranbioreaktoren (MBR) und granulare Schlammreaktoren existieren. Biofilmreaktoren, die Bildung von Biofilmen, in dem Mikroorganismen natürlich aggregierten und befestigen sich als Schicht auf einer festen Oberfläche, ermöglicht eine Biomasserückhaltung und Akkumulation, ohne die Notwendigkeit für ein Klärbecken. Biofilmreaktoren können in drei Typen eingeteilt werden: Festbett-Reaktoren, Fließbettreaktoren und Scheibentauchkörper. Festbett-Reaktoren, wie ein Tropfkörper und biologische Türme, nutzen eine stationäre feste Wachstumsoberfläche 5,6. Wirbelschichtreaktoren (FBRS) hängen von der Befestigung von Mikroorganismen an Teilchen,wie Sand, Aktivkohlegranulat (GAC) oder Glasperlen, die in der Suspension durch einen hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit 9,10 gehalten werden. Rotierenden biologischen Reaktoren hängen von Biofilmen auf Medien zu einem rotierenden Welle befestigt ermöglicht den Biofilm gebildet, um abwechselnd Luft ausgesetzt werden, und der zu behandelnden Flüssigkeit 5,6. MBRs verwenden Membranfiltrationseinheiten, entweder innerhalb des Bioreaktors (untergetaucht Konfiguration) oder extern über Rückführung (Nebenstromkonfiguration) 5,11. Die Membranen dienen dazu, eine gute Trennung von Biomasse und Feststoffpartikeln aus der behandelten Flüssigkeit 11,12 zu erzielen. Granuläre Schlammreaktoren mit Aufwärtsströmung Reaktoren, in denen die Bildung von extrem dichte und gut Absetzen Granulat von Mikroorganismen auftritt, wenn sie hohen Oberflächenluftaufwärtsströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind 13.

Als weitere Alternative zu dem Belebtschlammverfahren, einem neuartigen Aufstromreaktor System, jetzt eine hohe Dichte Bioreaktor (HDBR) war designed und Vertrieb und Shieh (2006) gebaut, um CSB-Entfernung von Belebtschlamm aus synthetischen Abfallströmen in niedrigen F / M Bedingungen, die bekannt sind, um die Bildung von schlechten Vorklärschlamm verursachen (dh Blähschlamm) 1,7,14 studieren. Das verwendete HDBR System modifizierten Fließbett-Reaktoren, die typischerweise aus einem Aufstromreaktor und einer externen Rückführungstank. Wirbelschichtreaktoren werden typischerweise mit Rückführstrom Fließgeschwindigkeiten hoch genug ist, um die Biofilmwachstum Substrat in Suspension zu halten, jedoch niedrig genug betrieben, daß die Biofilm-bedeckten Substrats beibehalten wird. Anders als Wirbelbettreaktoren, in Verkaufs beschriebene HDBR und Shieh (2006) verwendet, relativ niedrigen Rückführstrom Flussraten, die zusammen mit externe Belüftung verhindert Störungen des Biomasse-Zone innerhalb des Reaktors 1 ausgebildet. Nachfolgende Studien haben dieses Reaktordesign Fähigkeit, erfolgreich zu behandeln eine Reihe von Stickstoffflüssen mit nitrifizierenden / denitrifizierenden Bakterien 3,4 demonstriert. In allen Studies die Bildung einer stabilen, dichten Biomasse Zone innerhalb des HDBR eliminiert die Notwendigkeit für eine externe Flockung / Sedimentationsverfahren 1-4.

Wie wir hier berichten, hat sich der Einsatz der HDBR dichte Kulturen wachsen auch in einem Photobioreaktor (PBR) Konfiguration für die Kultivierung von Algen getestet. Wir diskutieren die Vor-und Nachteile dieser neuen Reaktorsystem zur Algenanbau und sein Potenzial zur Überwindung eine große Hürde bei der Kommerzialisierung von Biokraftstoffen mit Algenbiomasseernte (dh gute Fest-Flüssigtrennung 15,16) verbunden sind. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte notwendig, um zusammenzubauen, Inbetriebnahme, Probe aus, und unterhält ein HDBR mit Algen als der mikrobiellen Gemeinschaft von Interesse. Variationen in der Start und Betrieb Protokoll heterotrophe Nitrifikanten und / denitrifizierenden Kulturen werden ebenfalls erwähnt werden. Schließlich werden allgemeine Vorteile, Nachteile und Unbekannten dieser neuartigen Reaktordesign hervorgehoben.

Protocol

1. Reaktoranordnung Ordnen die Reaktorkomponenten nach dem Schema in Figur 1. Setzen Sie den Reaktor (R) auf einer Mischplatte, fügen Sie einen Rührstab in den Reaktor. Platzieren der Rückführungstank (RT) neben der Rührplatte und eines Reaktors, so daß das Abwasser (oben) Anschluss der Flasche in Richtung auf den Rand der Laborbank gerichtet sind. Setzen Sie den Abfallbehälter (W) unterhalb des Abwassers (oben) Anschluss des Rückführungstank (RT). Transporteur-Tan…

Representative Results

Die HDBR wurde verwendet, um Algen über mehrere Verhältnisse von Zulauf Ammoniak und Nitrat-Konzentrationen zu kultivieren, während eine Gesamtstickstoffgehalt in der Beschickung bei 40 mg -NL -1. Zu- und Ablauf-Proben wurden täglich genommen; Biomassedichte Proben wurden zu Beginn und am Ende jeder Bedingung aufgenommen. Der Reaktor hat im Durchschnitt 3-5 Tage, um stationäre Gleichgewicht zu erreichen, nachdem Bedingungen geändert wurden. Über einen weiten Bereich der Zulaufbedingungen eine deutliche…

Discussion

Dieser Abschnitt wird mit einer Diskussion der Protokollvariationen benötigt, um mögliche Betriebsprobleme sowie unter Verwendung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften Adresse starten. Die Stärken dieser Reaktorkonstruktion diskutiert werden, einschließlich der Fähigkeit zur Steuerung der Sauerstofffluss und die Bildung von Flocken hoher Dichte in dem Reaktor zu regeln. Aktuelle Herausforderungen und mögliche Wege der Untersuchung wird ebenfalls erwähnt werden.

Protokoll Nuanc…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.

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
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References

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Price, J. R., Shieh, W. K., Sales, C. M. A Novel Bioreactor for High Density Cultivation of Diverse Microbial Communities. J. Vis. Exp. (106), e53443, doi:10.3791/53443 (2015).
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