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Bioengineering

Um biorreator Novel de Cultivo de Alta Densidade de diversas comunidades microbianas

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

Águas residuais municipais é comumente tratado com processos de lodos ativados, a fim de reduzir os sólidos em suspensão (SS), demanda biológica de oxigênio (DBO), nitrogênio orgânico e inorgânico, e teor de fósforo 5,6. O processo de lamas activadas, um meio de tratamento de águas residuais secundário, implica a oxidação do carbono orgânico num tanque de arejamento enchida com um líquido misturado e de águas residuais recebidas microorganismo heterotrófica reciclado (vulgarmente designado por lamas activadas) 5-7. A lixívia mista, em seguida, entra em uma relativamente grande clarificador (decantador) onde a lama liquida para facilitar a recolha, quer para ser descartado ou reciclado de volta para o tanque de arejamento, enquanto a clarificada, água residual tratada pode continuar a tratamento terciário ou desinfecção antes de ser libertado para águas receptoras 5-7. Separação eficiente do efluente tratado e sólidos (lodo) no clarificador secundário é essencial para o bom funcionamento de um estavatewater sistema de tratamento, como qualquer lama activada continuada para além dos clarificadores irá aumentar o BOD e SS no efluente 5-8.

Um número de processos biológicos alternativas existem para o tratamento secundário de águas residuais de, que reduzem ou eliminam a necessidade de grandes tanques de esclarecimento, incluindo o crescimento fixadas (biofilme) reactores, bioreactores de membrana (MBR), e reactores de lamas granulares. Em reactores de biofilme, a formação de biofilmes, no qual os microorganismos naturalmente agregado e anexar como uma camada sobre uma superfície sólida, permite a retenção e acumulação de biomassa, sem a necessidade de um tanque de clarificação. Biofilme reactores podem ser classificados em três tipos: reatores de leito fixo, reactores de leito fluidizado, e contactores biológicos rotativos. Reatores de leito fixo, como uma filtros biológicos e torres biológicas, utilizar uma superfície estacionária sólido crescimento 5,6. Os reactores de leito fluidizado (FBRs) dependem da fixação de microrganismos às partículas,tais como areia, carvão activado granular (GAC), ou esferas de vidro, que são mantidas em suspensão por uma alta taxa de fluxo ascendente 9,10. Rotação reactores biológicos dependem biofilmes formados em meios ligados a um eixo de rotação, permitindo o biofilme a ser alternadamente exposto ao ar e o líquido a ser tratado 5,6. MBRs usar unidades de filtração de membrana, quer dentro do biorreator (configuração submersa) ou externamente através de recirculação (configuração side-stream) 5,11. As membranas servem para conseguir uma boa separação entre a biomassa e as partículas sólidas a partir do líquido tratado 11,12. Reactores de lamas granulares são reactores de fluxo ascendente, em que a formação de grânulos extremamente densos e bem-sedimentação de microorganismos ocorre quando são expostos a altas velocidades de fluxo ascendente de ar superficial 13.

Como uma outra alternativa para o processo de lamas activadas, num sistema de fluxo ascendente reactor de novo, agora chamado bioreactor de alta densidade (HDBR), foi designed e construído por Vendas e Shieh (2006) para estudar remoção de DQO por lamas activadas a partir de fluxos de resíduos sintéticos em condições de baixa F / M que são conhecidos por causar a formação de lamas de decantação pobres (ou seja, de volume de lodo) 1,7,14. O sistema utilizado HDBR modificado reactores de leito fluidizado, que consistem tipicamente de um reactor de fluxo ascendente e um tanque de reciclagem externa. Reactores de leito fluidificado estão tipicamente operado com caudais de fluxo de recirculação de alta o suficiente para manter o substrato de crescimento de biofilme suspenso, mas baixa o suficiente para que o substrato coberto-biofilme é retida. Ao contrário dos reactores de leito fluidizado, o HDBR descrito em Vendas e Shieh (2006) utilizadas taxas de fluxo relativamente baixa corrente de reciclagem a qual, juntamente com arejamento externo, impediram ruptura da zona de biomassa formada no interior do reactor 1. Estudos posteriores demonstraram a capacidade deste projeto do reator de tratar com sucesso uma série de fluxos de nitrogênio usando nitrificantes / desnitrificadores 3,4. Ao todo parafuso prisioneiroies a formação de, uma zona densa de biomassa estável dentro do HDBR eliminou a necessidade de um processo de / sedimentação floculação externo 1-4.

À medida que relatamos aqui, a utilização da HDBR a crescer culturas densas também foi testado numa configuração fotobiorreactor (PBR) para o cultivo de algas. Discutimos as vantagens e desvantagens deste sistema reactor romance para o cultivo de algas e seu potencial para superar um grande obstáculo na comercialização de biocombustíveis de algas associadas a colheita de biomassa (ou seja, uma boa separação sólido-líquido 15,16). O protocolo a seguir descreve as etapas necessárias para a montagem, arranque, a partir de amostra, e manter uma HDBR com algas como a comunidade microbiana de interesse. As variações no protocolo de inicialização e operação de culturas heterotróficas e nitrificação / desnitr também será mencionado. Por último, vantagens, desvantagens, gerais e incógnitas deste projeto do reator novela será destacado.

Protocol

1. Assembleia Reactor Dispor os componentes do reactor de acordo com o esquema na Figura 1. Coloque o reactor (R) em uma placa de mistura, adicionar uma barra de agitação para o reactor. Coloque o tanque de reciclagem (RT) ao lado da placa de agitação e o reactor de modo que a porta de efluente (topo) do reservatório é dirigida para a borda da bancada do laboratório. Coloque o recipiente de resíduos (W) por baixo da porta de efluente (topo) do tanqu…

Representative Results

O HDBR foi usada para cultivar algas ao longo de várias proporções de concentrações de amônia e nitrato influente, mantendo um teor de nitrogênio total na ração a 40 mg -NL -1. Influente e amostras de efluentes foram tomados diariamente; amostras de densidade de biomassa foram tomadas no início e no final de cada condição. O reactor necessário em média 3-5 dias para atingir o equilíbrio de estado estacionário, após as condições foram alteradas. Ao longo de um vasto leque de condições infl…

Discussion

Esta secção irá começar com uma discussão sobre variações de protocolo necessárias para lidar com possíveis problemas operacionais, bem como a utilização de diferentes comunidades microbianas. Os pontos fortes deste projeto do reator será discutido, incluindo a capacidade de governar o controle de fluxo de oxigênio ea formação de flocos de alta densidade no interior do reactor. Os desafios actuais e possíveis vias de investigação também serão mencionados.

Protocolo de…

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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