Summary

מיקרואצות וטיפוח ביומסה ביופיקציה בפוטובילקטור הספסל עם גזים בארובה מאכל

Published: December 19, 2019
doi:

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

1. שימוש בטוח ודיגום של פוטוביריאקטור עם גזים מקורוזיגים הערה: שיטה זו אינה מתארת הליכים מתאימים לדיגום בטוח של תרבויות microalgal המייצרים או צורכים גזים דליקים במיוחד. לנהל גז רעיל כסיכון לבריאות האדם.הערה: לתוכנית היגיינה כימית של אוניברסיטת איווה, המחברים עבדו עם רכז?…

Representative Results

עקומת כיול עבור המיקרואצות הירוקות, S. ob,שנקטפו בשלב האקספוננציאלי, הוקמה עם OD750 וריכוזי ביומסה יבשים (איור 2). לרגרסיה הליניארית היה ערך R2 של 0.9996. תרבות S. ob, החלה ב-250 ML Erlenmeyer בקבוקון מתרבות המאוחסנים על צלחת אגר בקירור. Microalga היה מחוסן ב 3N-BBM…

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

  1. Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a Benchtop Bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Tsang, Y. F. . Photobioreactors: Advancements, Applications and Research. , (2017).
  5. Molitor, H. R., Moore, E. J., Schnoor, J. L. Maximum CO2 Utilization by Nutritious Microalgae. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (10), 9474-9479 (2019).
  6. 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).
  7. Benemann, J. R. Hydrogen production by microalgae. Journal of Applied Phycology. 12 (3), 291-300 (2000).
  8. . IH MOD Available from: https://aiha.org/public-resources/consumer-resources/topics-of-interest/ih-apps-tools (2019)
  9. 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)
  10. 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).
  11. Bischoff, H. W., Bold, H. C. . Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. , (1963).
  12. 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).
  13. Wood, A. M., Everroad, R. C., Wingard, L. M., Andersen, R. A. Measuring growth rates in microalgal cultures. Algal Culturing Techniques. , 270-272 (2005).

Play Video

Cite This Article
Molitor, H. R., Williard, D. E., Schnoor, J. L. Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases. J. Vis. Exp. (154), e60566, doi:10.3791/60566 (2019).

View Video