Микроводорослей Культивирование и количественное биомассы в скамейке масштаба фотобиореактор с коррозионными газами flue
Summary
Скамья масштаба, апоры культивирование облегчает микроводорослей характеристики и оптимизации производительности до последующего расширения процесса. Фотобиореакторы обеспечивают необходимый контроль для надежных и воспроизводимых микроводорослей экспериментов и могут быть адаптированы для безопасного выращивания микроводорослей с коррозионными газами (CO2,SO2,NO2) от муниципальных или промышленных выбросов сгорания.
Abstract
Фотобиореакторы являются подсвеченными системами выращивания для экспериментов на фототрофических микроорганизмах. Эти системы обеспечивают стерильную среду для микроводорослей выращивания с температурой, рН, и газообразования и контроля скорости потока. На скамейке масштаба, фотобиореакторы выгодны для исследователей, изучающих микроводорослей свойства, производительность и оптимизация роста. На промышленных масштабах фотобиореакторы могут поддерживать чистоту продукции и повышать эффективность производства. В видео описаны подготовка и использование фотобиореактора в масштабе скамейки для выращивания микроводорослей, включая безопасное использование коррозионных входов газа, а также подробно описаны соответствующие измерения биомассы и расчеты производительности биомассы. В частности, видео иллюстрирует микроводорослей культуры хранения и подготовки к прививке, фотобиореактор сборки и стерилизации, измерения концентрации биомассы, а также логистической модели для микроводорослей биомассы производительности со скоростью расчеты, включая максимальную и общую производительность биомассы. Кроме того, поскольку растет интерес к экспериментам по выращиванию микроводорослей с использованием смоделированных или реальных выбросов газа отходов, видео будет охватывать адаптации оборудования фотобиореакторов, необходимых для работы с коррозионными газами и обсуждения безопасного отбора проб в таких сценариев.
Introduction
Фотобиореакторы полезны для контролируемых экспериментов и выращивания более чистых микроводорослей, чем это может быть достигнуто с помощью открытых прудов. Микроводоросли выращивания в скамейке масштаба фотобиореакторы поддерживает развитие фундаментальных знаний, которые могут быть использованы для расширения процесса. Незначительные изменения в условиях окружающей среды могут существенно изменить микробиологические эксперименты и затруднить результаты1. Стерильный процесс с температурой, рН и контролем разжижающего газа является выгодным для изучения микроводорослей свойств и производительности в различных условиях. Кроме того, контроль над концентрацией входной газа, температурой, силой сдвига от смешивания и средним рН может поддерживать различные виды, которые в противном случае сложно культивировать. Фотобиореакторы могут работать как пакетный процесс с непрерывным газоемка и щадящее, или как хемостат проточные системы с непрерывным газоемка и sparging плюс влияющие и сточные воды питательных веществ. Здесь мы демонстрируем процесс партии с непрерывным газоотражем и щадя.
Использование фотобиореакторов решает несколько проблем выращивания микроводорослей и производства. Поле обычно борется с проблемами загрязнения другими микроорганизмами, эффективного использования субстрата (что особенно важно в случае CO2 смягчения или очистки сточных вод)2, контроль рН, изменчивость освещения, и производительность биомассы3. Фотобиореакторы позволяют исследователям изучать широкий спектр фототрофов в тщательно контролируемых пакетных системах, где даже медленно растущие виды защищены от хищников или конкурирующих микроорганизмов4. Эти пакетные системы также лучше способствуют увеличению коэффициентов использования CO2 и производительности биомассы, поскольку они являются закрытыми системами, которые с большей вероятностью находятся в равновесии с поставляемыми газами. Технология Photobioreactor также предлагает контроль рН, отсутствие которого препятствует высокой производительности биомассы в прошлых исследованиях5. В скамье шкале уровень контроля, предлагаемый фотобиореакторами, выгоден исследователям. В больших промышленных масштабах фотобиореакторы могут использоваться для поддержания чистоты коммерческих биопродуктов и повышения эффективности производства для нутрицевтических, косметических, пищевых или кормовых приложений6.
Микроводоросли представляют большой интерес для биосеквестации CO2, потому что они могут быстро исправить CO2 как углерод биомассы. Однако большинство антропогенных источников CO2 загрязнены другими коррозионными и токсичными газами или загрязняющими веществами (NOx,SOx,CO, Hg), в зависимости от источника топлива процесса сгорания. Растущий интерес к устойчивому секвестрированию CO2 побудил развитие технологий фотобиореактора для лечения выбросов CO2,таких как выбросы угольных электростанций(таблица 1). К сожалению, существует неотъемлемый риск воздействия коррозионных и токсичных загрязниенов на человека и окружающую среду в ходе исследований и наращивания масштабов. Таким образом, описание безопасной сборки и эксплуатации биореакторов с использованием коррозионных газов является необходимым и поучительным.
Этот метод предназначен для использования фотобиореактора размером 2 л для роста микроводорослей в тщательно контролируемых экспериментальных условиях. Протокол описывает микроводоросли хранения, инокулум подготовки, а также фотобиореактор установки и стерилизации. Помимо основной эксплуатации, эта работа описывает измерения микроводорослей биомассы и расчеты производительности биомассы, а также адаптацию оборудования для выращивания микроводорослей с коррозионными газами. Описанный ниже протокол подходит для исследователей, стремящихся усилить экспериментальный контроль, оптимизировать условия роста микроводорослей или аксентико культуры ряд фототрофических микробов. Этот метод не описывает соответствующие материалы для выращивания микробов, которые производят или потребляют легковоспламеняющиеся газы (например, CH4,H2и т.д.) 7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эксперименты с биобиореактором с регулируемым рН, температурой, скоростью потока газа и концентрацией газа способствуют значимым результатам, устраняя загрязнение нецелевыми водорослями и изменчивость в культурных условиях. Точную кинетику роста чистой культуры можно получить даже…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот материал основан на работе, поддерживаемой Национальным научным фондом стипендий по исследованиям в рамках ГрантА No 1546595. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, являются мнениями авторов и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда. Работа была также поддержана Университетом Айовы Выпускник и профессиональный студенческий правительственный грант исследований, а также Университет штата Айова Фонда, Аллен С. Генри облечения. Исследования проводились в Фитотехнофийской лаборатории В.М. Кека. Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников электростанции Университета Айовы, особенно Марка Максвелла, за экспертизу и финансовую поддержку смоделированных газов. Авторы также хотели бы поблагодарить Эмили Мур за ее помощь в отборе проб и анализа и Эмили Грин за ее помощь и участие в протоколе видео.
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).
