Bioreactor רומן לטיפוח צפיפות גבוה של קהילות חיידקים מגוונות

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 species^2-4 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

שפכים עירוניים מטופל בדרך כלל בתהליכי בוצה משופעלת על מנת להפחית את המוצקים מרחפים (SS), ביקוש ביולוגי חמצן (BOD), חנקן אורגני ואי-אורגני, ותוכן זרחן ^5,6. תהליך הבוצה משופעלת, אמצעי טיפול בשפכים המשני, כרוך החמצון של פחמן אורגני בטנק אוורור מלא במשקאות מעורבים של שפכים נכנסים ומיקרואורגניזם heterotrophic הממוחזר (המכונה בוצה משופעלת נפוץ) ^5-7. המשקאות המעורבים ואז נכנס לטהור גדול יחסית (טנק יישוב) שבו הבוצה מסתפקת באוסף קל יותר, או כדי להיות מסולק או ממוחזר חזרה לטנק האוורור, ואילו בשפכים הבהירו, שטופלו יכולים להמשיך טיפול או חיטוי שיישונים לפני ששוחרר ל מים מקבלים ^5-7. הפרדה יעילה של הקולחים ומוצקים (בוצה) בלטהור המשני היא חיונית לתפקוד התקין של היהמערכת טיפול tewater, כמו כל בוצה משופעלת ממשיכה מעבר לclarifiers תגדיל את BOD ואס-האס ^ב5-8 בשפכים.

מספר התהליכים ביולוגיים חלופיים קיימים לטיפול שניוני בשפכים, אשר להפחית או לבטל את הצורך בטנקי הבהרה גדולים, כוללים מצורף צמיחה כורים (biofilm), bioreactors הקרום (MBRs), וכורים גרעיניים בוצה. בכורים biofilm, ההיווצרות של biofilms, שבו מיקרואורגניזמים באופן טבעי הכולל ולצרף כשכבת על משטח מוצק, מאפשר לשימור ביומסה והצטברות ללא הצורך בטנק הבהרה. כורי biofilm ניתן לסווג לשלושה סוגים: כורי מיטה ארוזה, כורי מיטה מרחף, ומסתובבים קבלנים ביולוגיים. כורי מיטה ארוזים, כגון מסננים מטפטפים ומגדלים ביולוגיים, לנצל משטח מוצק צמיחה נייחת ^5,6. כורי מיטה מרחף (FBRs) תלויים בקובץ המצורף של מיקרואורגניזמים לחלקיקים,כגון חול, גרגירי פחם פעילים (GAC), או חרוזי זכוכית, אשר נשמרים בהשעיה על ידי קצב זרימה כלפי מעלה גבוה ^9,10. כורים ביולוגיים מסתובבים תלויים בbiofilms נוצר על התקשורת מחוברת לפיר מסתובב המאפשרת biofilm להיחשף לסירוגין לאוויר ומטופלת הנוזל ^5,6. MBRs להשתמש ביחידות סינון קרום, או בתוך (התצורה השקועה) bioreactor או חיצוני באמצעות מחזור (תצורת צד-זרם) ^5,11. הקרומים לשמש כדי להשיג הפרדה טובה של ביומסה וחלקיקים מוצקים ^מ11,12 הנוזל שטופל. כורים גרעיניים הם בוצת כורי upflow בי ההיווצרות של גרגרים מאוד צפופים ויישוב היטב של מיקרואורגניזמים מתרחשת כאשר הם נחשפים לאוויר upflow השטחי גבוה מהירויות ^13.

כחלופה נוספת לתהליך הבוצה משופעלת, מערכת כור upflow רומן, התקשר עכשיו bioreactor צפיפות גבוהה (HDBR), היה designeד ונבנה על ידי מכירות וShieh (2006) ללמוד הסרת COD על ידי בוצה משופעלת מזרמים פסולת סינתטיות בתנאי F / M נמוכים שידועים כי הם גורמים להיווצרות בוצת יישוב עניה (כלומר, בוצת bulking) ^1,7,14. מערכת HDBR מנוצלת שונה כורי מיטה מרחף, כי בדרך כלל מורכב מכור upflow ומכל מחזור חיצוני. כורי מיטה מרחף מופעלים בדרך כלל עם ספיקות זרם מחזור גבוהות מספיק כדי לשמור על תשתית צמיחת biofilm המושעית אבל נמוכות מספיק כדי שהמצע מכוסה biofilm נשמר. שלא כמו כורי מיטה מרחף, HDBR מתואר במכירות וShieh (2006) המשמש ספיקות זרם מחזור נמוכות יחסית אשר, יחד עם אוורור חיצוני, מנעו שיבוש אזור ביומסה נוצר בתוך הכור ^1. מחקרים נוספים הראו את יכולתו של עיצוב כור זה לטפל בהצלחה במגוון רחב של נתיבי חנקן באמצעות ניטיריפיקציה / denitrifying חיידקי ^3,4. בכל העגילIES ההיווצרות של אזור יציב, צפוף ביומסה בHDBR ביטלה את הצורך בתהליך / שקיעה חיצונית הפתתה ^1-4.

כפי שאנו מדווחים כאן, השימוש בHDBR לגדול תרבויות צפופות גם נבדק בתצורת photobioreactor (PBR) לגידול של אצות. אנו דנים את היתרונות וחסרונות של מערכת כור הרומן הזה לטיפוח אצות והפוטנציאל שלה להתגבר על מכשול גדול במסחור של דלק ביולוגי אצות הקשורים קציר ביומסה (כלומר, הפרדה מוצקה נוזל טוב ^15,16). הפרוטוקול הבא מתאר את הצעדים הדרושים כדי להרכיב, הפעלה, מדגם מ, ולשמור על HDBR עם אצות כקהילת החיידקים של עניין. שינויים בפרוטוקול ההפעלה ותפעול של תרבויות heterotrophic וניטיריפיקציה / denitrifying יהיו גם ציינו. לבסוף, יתרונות כלליים, חסרונות, ונעלמים של עיצוב כור הרומן הזה יהיו מודגשים.

Protocol

1. אסיפת כור

1. מסדרים את רכיבי הכור לפי סכמטי באיור 1.
   1. מניחים את הכור (R) על צלחת ערבוב, מוסיף בר ומערבבים לכור. מניחים את מיכל המיחזור (RT) ליד הצלחת ומערבבים וכור, כך שיציאת שפכים (למעלה) של הטנק מכוונת לקצה ספסל המעבדה.
   2. מניחים את מיכל הפסולת (W) מתחת לנמל שפכים (למעלה) של טנק המיחזור (RT). מניחים את מיכל ההזנה (FT) בסמוך לטנק המיחזור (RT).
      הערה: יש טנק ההזנה בהספק כולל של 5 ל '
2. אבטח את הכור (R) נגד מפנה עם עמדה ומהדקים בגודל מתאים. כמו כן, להבטיח את טנק המיחזור (RT) כדי למנוע תנועה.
3. הכנס צינור משאבת peristaltic ניאופרן במחזור (משאבה) ולהאכיל את ראשי משאבה (משאבה ב '). עיין בטבלת חומרים למפרטי צינורות נוספים. התקן את ראשי המשאבה על כונני משאבה עם provi הברגיםטוליפ אין עם כונני המשאבה.
4. חיבור צינורות של משאבה ליציאות בכור ומכל המיחזור. הכנס את הקצה של הצינור של המשאבה B לתוך טנק ההזנה ומכל המיחזור. חבר את יציאת כור העליונה למכל המיחזור עם צינורות. החל מלחציים לצינורות בנמלי הכור.
   הערה: קהילות פוטוסינתזה עשויות ליהנות מתאורה מלאכותית הניתנת על ידי מנורות.

2. הכנת פתרונות מניות, פתרונות influent / הזנה, ואצות Inoculant

1. הכן את פתרון מניות מינרלים. להוסיף את הדברים הבאים בבקבוק נפח 1 ליטר עם 500 מיליליטר של מים ללא יונים: סודיום ביקרבונט 200 גרם, אשלגן monobasic 40 גרם, מגנזיום סולפט 4 g, כלוריד Ferric 4 g, סידן כלורי 4 g, כלוריד נחושת 1 גרם, קובלט 1 גרם hexahydrate כלוריד, hexahydrate כלוריד ניקל 1 גרם, heptahydrate סולפט אבץ 1 גרם. להוסיף 400 מיליליטר נוסף של מים ללא יונים. מערבולת בכוח כדי לעודד את פירוקה של מלחים. diss הבאolution של מלחים, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של פתרון ל1 ל '
2. הכן את פתרון מניות אמוניה. בבקבוק נפח 1 ליטר, לפזר 38.214 גרם אמוניום כלוריד בכ 900 מיליליטר של מים ללא יונים. לאחר פירוק, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של עד 1,000 מיליליטר.
   הערה: 1 מיליליטר של פתרון מניות בדילול מלא לL 1 מניב L 10 מ"ג ^-1 NH ₄ ⁺ -N פתרון.
3. הכן את פתרון המניות חנקה. בבקבוק נפח 1 ליטר, לפזר 72.413 גרם של אשלגן חנקה בכ 900 מיליליטר של מים ללא יונים. לאחר פירוק, להוסיף מים ללא יונים להביא את הנפח הכולל של עד 1,000 מיליליטר.
   הערה: 1 מיליליטר של פתרון מניות בדילול מלא לL 1 מניבה L 10 מ"ג ^-1 NO ₃ ^- -N פתרון.
4. הכן הזנה / פתרון influent. כדי להפוך פתרון הזנה המכיל 20 מ"ג L ^-1 NH L ₄ ⁺ ו-N 20 מ"ג ^-1 NO ₃ ^- -N, לדלל 2 מיליליטר שלפתרון mmonia מניות ו -2 מיליליטר של פתרון מניות חנקה להיקף כולל 1 ליטר. לפני הדילול, להוסיף 0.5 מיליליטר פתרון מינרלים / L של פתרון שנעשים. הכן 5 L של influent בסך להתחיל את הכור.
5. הכן את inoculant האצות.
   1. לאסוף נפח גדול (לפחות 10 ליטר) של מים מגוף מים המכילים אצות כגון נחל או בריכה. לאפשר האצות להתיישב על ידי השארת דגימות מים באין מפריעות במשך 24 שעות.
   2. למזוג וזורקים (לא אצות מכילות) ברורות מים בחלק העליון של הדגימות, עוזב השעיה אצות מרוכזת בתוך בקבוקי המדגם. מערבבים את ההשעיה אצות מכל הדגימות לתוך מכולה אחת ולחזור על ההתיישבות וצעדי decanting.
   3. מדוד את ביומסה בתוך המדגם המרוכז.
      1. ייבש מסנן אבק נייר (מסנן 0.45 מיקרומטר MCE ואקום) ואלומיניום שוקל O סירה / N בתנור שנקבע ל 103 מעלות צלזיוס לאחר מגניב למטה בתא ייבוש למשך 30 דקות ב RT למדוד את שיתוףmbined ההמוני של המסנן ולשקול סירה.
      2. מסנן אבק 20 מיליליטר של השעיה אצות מרוכזת ולהחזיר את המסנן ולשקול סירה לתנור לייבוש O / N.
      3. למדוד את המסה בשילוב של המסנן ולשקול סירה. לחשב את הצפיפות ביומסה בתוך המדגם המרוכז.
         הערה: הנפח הכולל של דגימת מים שחוקרים יצטרכו לאסוף יהיו תלוי בגוף המים מקור.

3. זריעה והחל הכור

1. להוסיף 750 מיליליטר של תמיסת הזנה לכור. מלא את מיכל המיחזור עם 500 מיליליטר של תמיסת הזנה.
2. השתמש פיפטה ארוכה כדי להוסיף השעיה לחסן המכילה 1.5 גרם של אצות בחלקו התחתון של הכור בעדינות. לאפשר הבידוד ליישב לתחתית של הכור, להבטיח זאת על ידי תצפית ויזואלית, לפני שתמשיך לשלב הבא.
3. ברגע שהתאים התיישבו, להסיר את מהדק הצינור ולהפעיל משאבה לקצב זרימה איטית (10 revolutioדקות NS ^-1 / 38 מיליליטר דקות ^-1). האוויר שנלכד בצינור יגורש לכור.
   הערה: התוספת של 750 מיליליטר לכור תמנע כל ביומסה המופרעת על ידי המשאבה מלעזוב את הכור. לסחוט את צינורות כדי להבטיח שכל האוויר כבר גורש.
4. מוסיף בהדרגה פתרון הזנה למכל המיחזור כפתרון נשאב לתוך הכור. המשך בנוסף עד ששני הכור ומכל המיחזור הם ביכולת ומתחיל בשפכים כדי לצאת מטנק המיחזור דרך היציאה העליונה.
   הערה: הנפח של פתרון הזנה שיש להוסיף למכל המיחזור ישתנה עם הנפח של inoculant הוסיף לכור.
5. יוצקים את פתרון ההזנה שנותר למכל ההזנה.
6. הגדר את משאבת המיחזור (משאבה) ל -19 דקות מהפכות ^-1, הקמת קצב זרימת מחזור של 72.5 מיליליטר דקות ^-1. שים לב לאצות מתחילות לופט מהחלק התחתון של הכור. שימוש בדרגות בכור, לקבוע דו האצותגובה אזור omass. ודא כי הגובה קבוע לפני שתמשיך לשלב הבא.
7. הפעל את צלחת הערבוב במהירות נמוכה מאוד; הגדרה של 1 או 2 היא מתאימה כדי להתחיל. בר הערבוב יסייע בlofting ביומסה נוספת, אך ערבוב אגרסיווי יגרום אצות לעזוב את הכור, להיכנס לטנק המיחזור, ולהשאיר בשפכים. הגדר ערבוב מהיר בהגדרת צורך להקים גבול אצות ברור בתוך הכור (איור 2 א); האזור ביומסה אצות צריך להיות כ 10-15 סנטימטר בגובה.
8. התחל משאבת ההזנה לאחר התבוננות גבול ברור בין תקע האצות ונוזל הכור. הגדר את המשאבה ל -25 מהפכות דקות ^-1, הקמת קצב זרימה של 1.5 מיליליטר דקות ^-1. שים לב ליציאת כור נוזל יציאת שפכים בשל כוח הכבידה ועקירה שנגרם על ידי זרם influent הנכנס.

אוסף דוגמאות 4. וניתוח

1. לבצע פרי פעילות איסוף דגימהאו לביצוע תחזוקה במערכת הכור. לאסוף 20 מיליליטר של דגימות שפכים וinfluent יומיות. לאסוף דגימות שפכים מתוך טנק המיחזור. לאסוף דגימות influent ישירות ממכל ההזנה.
2. דגימות מסנן אבק כדי להסיר מוצקים מרחפות לפני אחסון וניתוח.
3. אחסן את influent ודגימות שפכים ב -20 ° C עד לניתוח נוסף. להגביל את מספר מחזורי הפשרת הקפאת דגימות נתון. במידת הצורך, ניתן לפצל דגימות לתוך aliquots כדי לשמור על שלמות מדגם.
4. לבצע ניתוח מדגם לחנק, ניטריט, ואמוניה באמצעות טכניקות סטנדרטי ^17.
   הערה: המחברים מנוצלים יון כרומטוגרפיה (IC) כדי לייצר את התוצאות שהוצגו במסמך זה. עיין בטבלת חומרים למפרט.

תוצאות

HDBR שימש לטפח אצות על פני כמה יחסים של ריכוזי האמוניה influent וחנק, תוך שמירה על תוכן חנקן כללי בהזנה ב 40 מ"ג -NL ^-1. Influent ודגימות שפכים נלקחו יומית; דגימות צפיפות ביומסה נלקחו בתחילת וסוף כל מצב. הכור לקח על 3-5 ימים בממוצע להגיע לשיווי משקל מצב יציב לאחר התנאים השתנו. ?...

Discussion

סעיף זה יתחיל בדיון על וריאציות פרוטוקול הדרושות כדי לטפל בבעיות תפעוליות אפשריות, כמו גם שימוש בקהילות חיידקים שונות. נקודות החוזק של עיצוב כור זה יידון, כולל היכולת למשול שליטה של ​​שטף חמצן ויצירת flocs צפיפות הגבוהה בתוך הכור. אתגרים נוכחיים ואפיקים אפשריים של חקי...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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