Kvantifiering av mikroalg odling och biomassa i en foto bioreaktor i bänk skala med frätande rökgaser
Summary
Bänk skala, axenic odling underlättar mikroalger karakterisering och produktivitets optimering innan efterföljande process skala upp. Fotobioreaktorer ger den nödvändiga kontrollen för tillförlitliga och reproducerbara experiment i mikroalger och kan anpassas för att på ett säkert sätt odla mikroorganismer med frätande gaser (CO2,so 2, No2) från kommunala eller industriella förbränningsutsläpp.
Abstract
Fotobioreaktorer är upplysta odlingssystem för experiment på fototrofiska mikroorganismer. Dessa system ger en steril miljö för mikroalger odling med temperatur, pH, och gassammansättning och flödeshastighet kontroll. I bänk skala, är fotobioreaktorer fördelaktigt för forskare som studerar mikroalger egenskaper, produktivitet och tillväxt optimering. Vid industriella skalor kan fotobioreaktorer bibehålla produktens renhet och effektivisera produktionen. Videon beskriver förberedelse och användning av en foto bioreaktor i bänk skala för odling av mikroalger, inklusive säker användning av korrosiva gas ingångar, och specificerar relevanta biomassa mätningar och beräkningar av biomassa produktivitet. Specifikt videon illustrerar mikroalg kultur lagring och förberedelse för inympning, foto bioreaktor montering och sterilisering, biomassa koncentrationsmätningar, och en logistisk modell för mikroalger biomassa produktivitet med hastighet beräkningar, inklusive maximal och övergripande biomassa produktivitet. Dessutom, eftersom det finns ett växande intresse för experiment för att odla mikroalger med simulerade eller verkliga utsläpp av avgaser, videon kommer att täcka photobioreactor utrustning anpassningar som krävs för att arbeta med frätande gaser och diskutera säker provtagning i sådana scenarier.
Introduction
Fotobioreaktorer är användbara för kontrollerade experiment och odling av renare mikroalger produkter än vad som kan uppnås genom öppna dammar. Mikroalger odling i bänk-skala photobioreaktorer stöder utvecklingen av grundläggande kunskap som kan användas för process skala upp. Smärre förändringar av miljöförhållandena kan avsevärt förändra mikrobiologiska experiment och blanda ihop resultaten1. En steril process med temperatur, pH och gas Sparging kontroll är fördelaktigt för att studera mikroalger egenskaper och prestanda under varierande förhållanden. Dessutom kan kontrollen över ingående gaskoncentrationer, temperatur, skjuvkraft från blandning och medium pH stödja olika arter som annars är utmanande att odla. Photobioreaktorer kan köras som en satsvis process med kontinuerlig gas matning och sparging, eller som en chemostat Flow-Through system med kontinuerlig gas matning och Sparging plus inflöde och avloppsvatten näringsämnen ingångar. Här demonstrerar vi batchprocessen med kontinuerlig gas matning och Sparging.
Användningen av fotobioreaktorer tar upp flera mikroalg odlingar och produktionsutmaningar. Området i allmänhet kämpar med oro för kontaminering av andra mikroorganismer, effektiv substrat utilization (vilket är särskilt viktigt när det gäller CO2 begränsning eller avloppsrening)2, pH-kontroll, belysning variation, och biomassa produktivitet3. Fotobioreaktorer gör det möjligt för forskare att studera ett brett spektrum av phototrophs i noggrant kontrollerade satssystem, där även långsamt växande arter skyddas från rovdjur eller konkurrerande mikroorganismer4. Dessa batchsystem är också bättre på att underlätta större CO2 utnyttjandegrad och biomassa produktivitet eftersom de är slutna system som är mer benägna att vara i jämvikt med levererade gaser. Photobioreactor tekniken erbjuder också pH-kontroll, vars brist har hindrat hög biomassa produktivitet i tidigare studier5. I bänk skala, den nivå av kontroll som erbjuds av photobioreaktorer är fördelaktigt för forskare. Vid större industriella skalor, fotobioreaktorer kan användas för att bibehålla kommersiell bio produktrenhet och förbättra produktionseffektiviteten för nutraceutical, kosmetika, livsmedel, eller foder applikationer6.
Mikroalger är av stort intresse för biosequestration av CO2 eftersom de snabbt kan fixa Co2 som biomassa kol. De flesta antropogena källorna till CO2 är dock förorenade med andra frätande och giftiga gaser eller föroreningar (Nox, sox, Co, Hg), beroende på bränsle källan för förbränningsprocessen. Växande intresse för hållbar CO2 upptagning har föranlett utvecklingen av photobioreactor teknik för att behandla Co2-rika utsläpp, såsom de från koleldade kraftverk (tabell 1). Tyvärr finns det inneboende risk för mänsklig och miljömässig exponering för frätande och giftiga föroreningar under forskning och skala upp processer. Som sådan, beskriver säker montering och drift av bioreaktorer med frätande gaser är nödvändigt och lärorikt.
Denna metod är för användning av en 2 L bänk skala foto bioreaktor för tillväxt av mikroalger under noggrant kontrollerade experimentella förhållanden. Protokollet beskriver microalgal lagring, inokulum förberedelse, och photobioreactor installation och sterilisering. Utöver grundläggande verksamhet beskriver detta arbete mikroalger biomassa mätningar och biomassa produktivitets beräkningar, och anpassning av utrustning för mikroalger odling med frätande gaser. Protokollet som beskrivs nedan är lämpligt för forskare som vill utöva större experimentell kontroll, optimera mikroalg tillväxtvillkor, eller axenically kultur en rad fototrofiska mikrober. Denna metod beskriver inte lämpliga material för odling av mikrober som producerar eller konsumerar brandfarliga gaser (t. ex. CH4, H2, etc.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Batch, axenic photobioreactor experiment med reglerade pH, temperatur, gas flöde, och gaskoncentrationen främja meningsfulla resultat genom att eliminera kontaminering av icke-mål alg stammar och variationer i odlingsförhållanden. Noggrann renodling tillväxt kinetik kan erhållas även i närvaro av frätande gaser (CO2, så2, nr2), som fungerar som näringsämnen, svarvning avgaser till en värdefull produkt som djurfoder.
Innan du påbörjar någon micr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta material är baserat på arbete som stöds av National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant nr 1546595. Alla åsikter, resultat, och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är de av författarna och återspeglar inte nödvändigtvis synpunkter från National Science Foundation. Arbetet stöddes också av en University of Iowa Graduate och Professional student regeringen Research Grant, och University of Iowa Foundation, Allen S. Henry begåvning. Forskning bedrivs i W. M. Keck Phytotechnologies Laboratory. Författarna vill tacka University of Iowa kraftverks personal, särskilt mark Maxwell, för expertis och ekonomiskt stöd för de simulerade rökgaserna. Författarna skulle också vilja erkänna Emily Moore för hennes hjälp med provtagning och analys och Emily Greene för hennes hjälp och deltagande i protokollet video.
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).
