A Novel bioreaktor for High Density Dyrking av Diverse mikrobielle samfunn

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

Kommunalt avløpsvann er vanligvis behandlet med aktiverte slamprosesser for å redusere de suspenderte faste stoffer (SS), biologisk oksygenforbruk (BOD), organisk og uorganisk nitrogen, og fosforinnhold ^5,6. Den aktiverte slamprosess, et middel for sekundær behandling av avløpsvann, innebærer oksydasjon av organisk karbon i en luftetank fylt med en blandet væske av innkommende avløpsvann og resirkulert heterotrof mikroorganisme (ofte referert til som aktivert slam) ^5-7. Den blandede væsken entrer så en relativt stor klaringsinnretning (settling tank) der slammet legger seg for lettere innsamling, enten kastes eller resirkuleres tilbake til luftetanken, mens den klarede, renset avløpsvann kan fortsette til tertiær behandling eller desinfisering før den blir sluppet inn i resipienten ^5-7. Effektiv separasjon av renset avløpsvann og faste stoffer (slam) i den sekundære klaringsinnretningen er viktig for riktig funksjon av en vartewater behandlingssystemet, som en hvilken som helst aktivert slam fortsetter utover klarings vil øke BOD og SS i avløpet ^5-8.

En rekke alternative biologiske prosesser eksisterer for sekundær behandling av avløpsvann, som reduserer eller eliminerer behovet for store klargjørende tanker, deriblant festet-vekst (biofilmreaktorer), membran bioreaktorer (MBRs), og granulerte slamreaktorer. I biofilmreaktorer, dannelse av biofilm, hvori mikroorganismer naturlig aggregat, og feste som et lag på en fast overflate, gjør det mulig for biomasse oppbevaring og oppsamling uten behov for et klaringstank. Biofilmreaktorer kan klassifiseres i tre typer: pakket bed reaktorer, hvirvelsjiktreaktorer, og roterende biologiske kontaktorer. Pakket bed reaktorer, som for eksempel en sildrende filtre og biologiske tårn, bruke en stasjonær solid vekst overflate ^5,6. Fluidisert sjiktreaktorer (FBRs) avhenger av festingen av mikroorganismer til partiklerslik som sand, granulert aktivert karbon (GAC), eller glasskuler, som holdes i suspensjon ved en høy oppoverrettede strømningshastighet ^9,10. Roterende biologiske reaktorer avhenge av biofilmer dannet på media festet til en roterende aksel slik at biofilmen til å bli vekselvis utsettes for luft, og væsken som blir behandlet ^5,6. MBRs bruke membranfiltreringsenheter, enten innenfor bioreaktor (nedsenket konfigurasjon) eller eksternt via resirkulasjon (side-stream konfigurasjon) ^5,11. Membranene som tjener til å oppnå god separasjon av biomassen og faste partikler fra den behandlede flytende ^11,12. Granulerte slamreaktorer er reaktorer med oppadgående strøm i hvilken dannelsen av ekstremt tette og godt avsetningsgranuler av mikroorganismer som forekommer når de utsettes for høye overflate luft oppstrømshastigheter ^13.

Som et annet alternativ til den aktiverte slamprosess, et nytt reaktorsystem med strømning oppover, nå kalt en høy tetthet bioreaktor (HDBR), ble designed og bygget av Salg og Shieh (2006) for å studere COD fjerning av slam fra syntetiske avfallsstrømmer i lave F / M forhold som er kjent for å forårsake dannelse av dårlig bosetting slam (dvs. bulking slam) ^1,7,14. Den HDBR system benyttes modifisert hvirvelsjiktreaktorer som vanligvis består av en oppstrømsreaktor og en ytre resirkuleringstank. Hvirvelsjiktreaktorer blir som regel drevet med resirkuleringsstrømmen strømningshastigheter som er høye nok til å holde biofilmveksten grunnen suspendert, men lav nok til at biofilm-dekket substrat bibeholdes. I motsetning til reaktorer med fluidisert sjikt, den HDBR beskrevet i salg og Shieh (2006) som brukes forholdsvis lave strømningshastigheter resirkuleringsstrøm som sammen med ytre lufting, forhindres ødeleggelse av biomassen sone som dannes i reaktoren ^1. Senere studier har vist denne reaktordesign evne til å behandle en rekke nitrogen flukser hjelp nitrifiserende / denitrifiserende bakterier ^3,4. I alle studies dannelsen av et stabilt, tett biomasse sone inne i HDBR eliminert behovet for en ekstern flokkulering / sedimenteringsprosessen ^1-4.

Som vi rapporterer her, har bruken av HDBR å vokse tette kulturer også blitt testet i en fotobioreaktor (PBR) konfigurasjon for dyrking av alger. Vi diskuterer fordelene og ulempene med denne romanen reaktorsystemet for algedyrking og dens potensial for å overvinne et stort hinder i kommersialiseringen av alge biodrivstoff forbundet med biomasse høsting (dvs. god solid væske separasjon ^15,16). Følgende protokoll beskriver fremgangsmåten for å montere, oppstart, prøve fra, og opprettholde en HDBR med alger som den mikrobielle samfunn av interesse. Variasjoner i oppstart og drift protokoll av heterotrofe og nitrifiserende / Denitrifisering kulturer vil også bli nevnt. Endelig, vil generelle fordeler, ulemper og ukjente i denne romanen reaktordesign bli markert.

Protocol

1. Reactor Assembly Ordne reaktorkomponenter i henhold til den skjematiske i figur 1. Plasser reaktoren (R) på en blande plate tilsettes en rørestav til reaktoren. Plasser resirkuleringstanken (RT) ved oppstuss plate og reaktoren slik at porten til tanken avløpet (øverst) er rettet mot kanten av lab benken. Sett avfallsbeholderen (W) under port av resirkuleringstanken (RT) avløpsvann (øverst). Plasser matetanken (FT) ved siden av resirkuleringstanken (RT). Merk…

Representative Results

Den HDBR ble brukt til å dyrke algene i løpet av flere forhold av innstrømmende ammoniakk og nitratkonsentrasjoner, og samtidig opprettholde et totalt nitrogeninnhold i råstoffet på 40 mg -NL -1. Innløp og avløpsprøver ble tatt daglig; biomassetetthet prøver ble tatt ved begynnelsen og slutten av hver tilstand. Reaktoren tok i gjennomsnitt 3-5 dager å nå steady state likevekt etter forholdene ble endret. Over et bredt spekter av tilstander innstrømmende en distinkt sone biomasse ble etablert, som …

Discussion

Denne delen vil starte med en diskusjon av protokollvariasjonene som er nødvendige for å løse mulige driftsmessige forhold samt bruk av ulike mikrobielle samfunn. Styrkene i denne reaktoren design vil bli diskutert, inkludert muligheten til å styre kontroll over oksygenfluks og dannelse av høy tetthet flokker i reaktoren. Aktuelle utfordringer og mulige veier for etterforskning vil også bli nevnt.

Protokoll nyanser og variasjoner
Driften av HDBRs for dyrking av forskjel…

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