מיקרואצות וטיפוח ביומסה ביופיקציה בפוטובילקטור הספסל עם גזים בארובה מאכל
Summary
מרחב הספסל, הטיפוח-תרגול מסייע לאפיון מיקרוראלגל ולמיטוב הפרודוקטיביות לפני המשך התהליך העוקב. Photobioreactors חקנים לספק את השליטה הנחוצה עבור ניסויים מיקרוראלגל אמין ולאחר והוא יכול להיות מותאם בבטחה לטפח מיקרואצות עם גזים מאכל (CO2, כך2, לא2) מתוך העירונית או התעשייה בעירה.
Abstract
פוטוביריאקטורים הם מערכות טיפוח מוארות לניסויים על מיקרואורגניזמים phototrophic. מערכות אלו מספקות סביבה סטרילית לטיפוח-תרגול של microalgal עם טמפרטורה, pH, הרכב ושליטה בקצב הזרימה. בסולם הספסל, פוטוביריאקטורים הם יתרון לחוקרים ללמוד מאפיינים microalgal, פרודוקטיביות, ואופטימיזציה הצמיחה. בקשקשים תעשייתיים, פוטוביריאקטורים יכולים לשמור על טוהר המוצר ולשפר את יעילות הייצור. הסרטון מתאר את ההכנה והשימוש בפוטוביושחקן בקנה מידה לטיפוח microalgal, כולל השימוש הבטוח של כניסות גז מאכל, ופרטים מדידות רלוונטיות ביומסה וחישובי פרודוקטיביות ביומסה. באופן ספציפי, הווידאו ממחיש אחסון תרבות microalgal והכנה לחיסונים, הרכבה פוטוביריאקטור ועיקור, מדידות ריכוז ביומסה, ומודל לוגיסטי עבור פרודוקטיביות ביומסה microalgal עם קצב חישובים כולל מקסימום הכולל ביומסה המוצרים. בנוסף, כיוון שקיים עניין גובר בניסויים לטיפוח מיקרואצות באמצעות פליטת גז מדומה או ממשית, הווידאו יכסה את העיבודים לציוד פוטוביריאקטור הדרוש לעבודה עם גזים מיואכל ולדון בדיגום בטוח ב תרחישים כאלה.
Introduction
פוטוביריאקטורים שימושיים לניסויים מבוקרים ולטיפוח של מוצרים מיקרואליגל טהורים יותר מאשר בריכות פתוחות. טיפוח מיקרוגל בפוטוביריאקטורים בקנה מידה תומך בפיתוח ידע בסיסי שניתן להשתמש בו לעיבוד היקף. שינויים קלים בתנאי הסביבה יכולים לשנות באופן משמעותי ניסויים מיקרוביולוגית ולבלבל את התוצאות1. תהליך סטרילי עם טמפרטורה, pH, ושליטה באמצעות גז הוא יתרון עבור לימוד מאפיינים microalgal וביצועים בתנאים מגוונים. בנוסף, השליטה על ריכוזי גז הקלט, טמפרטורה, להטות כוח מערבוב, ו-pH בינוני יכול לתמוך במינים שונים, כי הם מאתגרים אחרת לטפח. ניתן להפעיל פוטוביריאשחקנים כתהליך אצווה עם הזנה רציפה של הגז והעברת הצלעות, או כשיטת זרימה באמצעות כימוסטטיסטיקה עם הזנת גז רציפה והעברת כניסות מזינים של שפכים בתוספת השפעה וקולחים. כאן, אנו מדגימים את תהליך האצווה עם הזנת גז רציפה והגזז.
השימוש בפוטוביריאקטורים מטפל בכמה אתגרי טיפוח והפקה של microalgal. השדה מאבקים בדרך כלל עם חששות של זיהום על ידי מיקרואורגניזמים אחרים, ניצול המצע יעיל (אשר חשוב במיוחד במקרה של CO2 הקלה או טיפול בשפכים)2, בקרת pH, השתנות תאורה, ופרודוקטיביות ביומסה3. פוטוביאורנים מאפשרים לחוקרים ללמוד מגוון רחב של פוטוטרונים במערכות אצווה מבוקרות היטב, בהן אפילו מינים הגדלים לאט מוגנים מפני טורפים או מיקרואורגניזמים מתחרים4. מערכות אצווה אלה גם טוב יותר להקל על שיעורי ניצול2 גדול יותר ופרודוקטיביות ביומסה משום שהם סגורים מערכות כי הם נוטים יותר להיות בשיווי משקל עם גזים שסופקו. טכנולוגיית פוטוביריאקטור מציעה גם בקרת pH, העדר הפריע לפרודוקטיביות ביומסה גבוהה במחקרים קודמים5. בסולם הספסל, רמת השליטה המוצעים על ידי פוטוביריאקטורים הוא יתרון לחוקרים. בקנה מידה תעשייתי גדול יותר, photobioreactors חקנים ניתן להשתמש כדי לשמור על טוהר מסחרי ביורוקט ולשפר את יעילות הייצור עבור nutraceutical קוסמטיים, מזון, או להאכיל יישומים6.
מיקרואצות הם עניין רב עבור biosequestration של CO2 כי הם יכולים לתקן במהירות CO2 כמו פחמן ביומסה. עם זאת, מקורות אנתרופוגניים ביותר של CO2 מזוהמים עם גזים אחרים רעיל, רעילים או מזהמים (NOx, כל כךx, CO, Hg), תלוי בתהליך הבעירה מקור דלק. הריבית הגוברת של CO בר קיימא2 קיבוע על יש התפתחות של טכנולוגיות photobioreactor שחקן לטיפול CO2-עשיר פליטת, כגון אלה מתחנות כוח שנורו פחם (שולחן 1). למרבה הצער, יש סיכון הגלום בחשיפה אנושית וסביבתית למזהמים מורעלים ורעילים במהלך תהליכי המחקר וההיקף. ככזה, תיאור ההרכבה בטוחה ותפעול של ריאקטורים באמצעות גזים מאכל הוא הכרחי ומאלף.
שיטה זו מהווה לשימוש ב-2 ל-photobioreactor חקן בקנה מידה לצמיחה של מיקרואצות תחת תנאים ניסיוניים מבוקרים בקפידה. הפרוטוקול מתאר אחסון microalgal, הכנת הרשת, והתקנת פוטוביוריאקטור ועיקור. מעבר לפעולה בסיסית, עבודה זו מתארת מדידות ביומסה microalgal וחישובי פרודוקטיביות ביומסה, והסתגלות של ציוד לטיפוח מיקרואליגל עם גזים מאכל. הפרוטוקול המתואר להלן מתאים לחוקרים המבקשים להפעיל שליטה ניסיונית גדולה יותר, לייעל את תנאי הצמיחה microalgal, או תרבות האקסון מגוון של חיידקים phototrophic. שיטה זו אינה מתארת חומרים מתאימים לטיפוח חיידקים המייצרים או צורכים גזים דליקים (כגון CH4, H2וכו ‘). 7. לאחר מכן
Protocol
Representative Results
Discussion
אצווה, מערכת הניסויים photobiic השחקנים עם pH מוסדר, טמפרטורה, קצב זרימת הגז, וריכוז הגז לקדם תוצאות משמעותיות על ידי סילוק זיהום על ידי שאינם זנים פריחת אצות המטרה והשונות בתנאי התרבות. מדויק טהור תרבות הצמיחה קינטיקה ניתן להשיג גם בנוכחות של גזים מאכל (CO2, כך2, לא2), אשר לשמש חומ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי המענק למחקר בוגר קרן המדע הלאומי במסגרת מלגת מס ‘ 1546595. כל דעה, ממצאים, ומסקנות או המלצות המתבטאת בחומר זה הם אלה של המחברים ואינם משקפים בהכרח את השקפות הקרן הלאומית למדע. העבודה היתה נתמכת גם על ידי אוניברסיטת איווה בוגר מחקר הממשלה סטודנט מומחה המחקר, ואת אוניברסיטת איווה קרן, אלן ס. הנרי התרומה. המחקר נערך במעבדה לפיטוטכנולוגיה. המחברים רוצים להודות לצוות הכוח של אוניברסיטת איווה, במיוחד מארק מקסוול, מומחיות ותמיכה כספית לגזי הארובה המודומים. המחברים גם רוצה להכיר את אמילי מור על עזרתה עם דיגום וניתוח ואמילי גרין על עזרתה והשתתפות בסרטון הפרוטוקול.
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 |
References
- Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a Benchtop Bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
- Cheah, W. Y., Pau Loke, S., Chang, J. -. S., Ling, T., Juan, J. C. Biosequestration of atmospheric CO2 and flue gas-containing CO2 by microalgae. Bioresource Technology. 184, 190-201 (2014).
- Xu, L., Weathers, P. J., Xiong, X. -. R., Liu, C. -. Z. Microalgal bioreactors: Challenges and opportunities. Engineering in Life Sciences. 9 (3), 178-189 (2009).
- Tsang, Y. F. . Photobioreactors: Advancements, Applications and Research. , (2017).
- Molitor, H. R., Moore, E. J., Schnoor, J. L. Maximum CO2 Utilization by Nutritious Microalgae. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (10), 9474-9479 (2019).
- Khan, M. I., Shin, J. H., Kim, J. D. The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products. Microbial Cell Factories. 17 (1), 36 (2018).
- Benemann, J. R. Hydrogen production by microalgae. Journal of Applied Phycology. 12 (3), 291-300 (2000).
- . IH MOD Available from: https://aiha.org/public-resources/consumer-resources/topics-of-interest/ih-apps-tools (2019)
- Centers for Disease Control and Prevention, Immediately Dangerous To Life or Health (IDLH) Values. The National Institute for Occupational Safety and Health Available from: https://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html (2019)
- Nakanishi, K., Deuchi, K., Kuwano, K. Cryopreservation of four valuable strains of microalgae, including viability and characteristics during 15 of cryostorage. Journal of Applied Phycology. 24 (6), 1381-1385 (2012).
- Bischoff, H. W., Bold, H. C. . Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. , (1963).
- Mata, T. M., Martins, A. A., Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 14 (1), 217-232 (2010).
- Wood, A. M., Everroad, R. C., Wingard, L. M., Andersen, R. A. Measuring growth rates in microalgal cultures. Algal Culturing Techniques. , 270-272 (2005).
