日益增长的小球藻寻常的在Photobioreactor连续使用浓缩海水淡化过程:稀释速率对生化成分的影响

文摘

脱盐废水,含有大量的盐废物,可能会导致严重的环境污染。本研究评估的影响稀释率(一天⁻¹)microalgal生物量生产力、脂质含量和脂肪酸在稳态条件下的小球藻寻常的补充与集中淡化。连续的文化进行了55天。结果表明,生物量生产力(从57到126毫克L)不同⁻¹d⁻¹(干质量)稀释速率范围从0.1到0.3日⁻¹。在最低稀释率(一天⁻¹),连续的文化制度确保了最高价值的最大生物量浓度(毫升⁻¹)和蛋白质含量(52%)。生物质脂质含量的递增函数。最丰富的脂肪酸软脂酸()一天⁻¹和gamma-linolenic酸()一天⁻¹的人。这些脂肪酸14到18个碳碳链,分别是主要是饱和和不饱和。总的来说,结果表明,连续的文化是一种强大的工具来调查藻类的细胞生长动力学和生理行为在脱盐废水生长。

1。介绍

的培养微藻生物反应器的连续文化已被应用在世界范围内产生大量的生物质。这种类型的文化系统建立和应用在发酵生产微生物生物量(细菌和真菌),例如,酒精工业(1]。

大多数生物反应器的使用有一个圆柱形或管状,管的垂直或水平布置。接收人造光,他们可以安装在室内或户外活动做好准备,让太阳能发电(2,3]。坦克相比,生物反应器更昂贵(尤其是系统由人工光源)。不过这些相对高成本高商业价值的补偿通过生成组件。例如,Haematococcus pluvialis目前用于生产虾青素的色素和小球藻sp.已被用来提高食品和动物饲料的营养价值4,5]。

许多种类的微藻在废水能够有效地增长。在这种情况下,重要的是要找到替代培养基涉及降低生产成本比传统的,但它足以实现合适的增长和营养成分6]。另一种培养基是微藻的培养结合废水脱盐过程的地下水,由福等建议。7]。

用于海水淡化的主要方法,巴西东北部的地下水是基于反渗透。然而,海水淡化过程的废水具有潜力的化学(氯化物、钠、碳酸盐等)。如果控制不当,可能会造成环境问题,如农业土地盐碱化土壤和随后的不孕(8]。

各种各样的光合微生物可以诱导过度生产的特定脂肪酸通过相对简单的操作培养基的物理和化学性质,特别是多不饱和脂肪酸,如亚油酸(18:2 n-6)和亚麻酸(十八3 n - 3),后者被广泛公认的食品补充剂(9]。

有几项研究关于生物质成分或特定组件的微藻生长在污水(6,7]。尽管如此,大多数的研究都集中在批处理和馈料式查看。尽管这些过程的应用评价生物质成分,在培养微生物提交许多变量,尤其是营养浓度,这使得它很难匹配生物质成分变化在一定的原因。当连续培养过程中,稳态保证更好的操作条件之间的关系和生物质成分(10]。Sobczuk和Chisti11)研究了藻类生物量和生物燃料使用稳态模式培养,稀释率的影响或温度的脂质含量和脂肪酸概要淡水绿色microalga评估。此外,稳态研究需要更好地理解和测量特定的生长参数。在稳态条件下,细胞密度可以控制和改变反应堆稀释速率保持不变,和恒定的辐照度水平很容易维护。

连续过程已经成功被用来研究操作条件对动力学参数的影响小球藻sp.增长使用城市污水集中[12];然而,没有报告文学的动力学参数小球藻寻常的根据海水淡化废水培养的培养基。基于这些问题,本研究的目的是评估稀释率连续培养的影响以及建立海水淡化废水和蛋白质之间的关系/脂质含量和脂肪酸分布不断培养小球藻寻常的。

2。材料和方法

2.1。脱盐废水收集

样品盐水排放,名为浓缩海水淡化(CD),收集从微咸水反渗透海水淡化厂,位于圣若昂Cariri,帕拉伊巴,巴西。集中淡化样本收集在一个100升的塑料容器和存储−20°C食品生物技术实验室的圣卡塔琳娜州联邦大学(UFSC)。的物理化学特征集中海水淡化(表1根据执行)水和废水的标准检测方法(13]。

2.2。微生物维护

c .寻常的请提供了化学工程实验室,从Campina联邦大学的格兰德。建立绿色微藻的文化小球藻寻常的是生长在500毫升厄伦美厄烧瓶内包含300毫升修改BBM介质(14在一种文化的pH值6.8房间°C,光周期下的h, 12/12 ~ 72的光强度μ摩尔光子米⁻²年代⁻¹,吹过饱和空调₂。矿物盐介质组成,每升蒸馏水为0.075 g K₂HPO₄,0.014 g KH₂阿宝₄,0.075 g MgSO₄7小时₂啊,0.09 g NaNO₃,0.025 g CaCl₃2 h₂啊,0.025克氯化钠,0.05 g EDTA-Na₄,0.00498 g FeSO₄7小时₂啊,0.01142 g H₃薄₃,0.232毫克MnCl₂h·4₂啊,1.41毫克ZnSO₄h·7₂啊,0.252毫克CuSO₄h·5₂啊,0.192毫克NaMoO₄h·5₂啊,0.080毫克CoCl₂h·6₂啊,和10 g的酵母提取物和补充250毫升L⁻¹的集中淡化。介质的电导率测量约1250μS /厘米。

2.3。连续培养条件和设备

连续的文化表现在6.0 L玻璃photobioreactor船(2000年新布伦瑞克Bioflo发酵罐)工作容积为5.0 L 30°C。发酵罐是以前由高压灭菌法灭菌15分钟121°C。5升的修改大胆的基础培养基(BBM)准备。的初始生物量浓度15毫克L⁻¹在使用前连续一批文化。在启动期间,小球藻寻常的由馈料式培养过程在同一反应器随后利用连续培养。连续的文化开始,一旦批文化达到了平稳增长阶段的早期,由喂新鲜的介质在不同稀释率(),特别是0.1,0.2,和0.30天⁻¹,对应于10%,20%,和30%的体积每天更新。一个蠕动泵被用来喂新鲜的媒介。饲料的构成中是一样的,首批文化。假设稳态条件实现时细胞浓度,确定每日,几乎一直沿着时间常数至少停留时间的两倍。液体体积保持不变在5.0 L在所有的文化修养。光强度约为108μ摩尔光子米⁻²年代⁻¹表面的生物反应器暴露六20 W-fluorescent灯(欧司朗通用)在光周期的12/12 h光/暗周期和下常量100 rpm的风潮。连续的文化是维持总共55天。同时,相同体积的细胞悬液退出发酵罐。样本取自发酵罐每12小时每天用于测量细胞干重和pH值。

2.4。参数确定

细胞密度(细胞每公升)和生物量浓度(干重)的文化测量根据先前报告的方法15]。样例pH值直接决定使用SP990M酸度计(Sensoglass,圣保罗,巴西)。酸度计的校准pH值4和7的日常使用标准的解决方案。生物量生产力在连续文化(;毫克根据()计算,16),稀释率的乘积(;一天⁻¹)和稳态条件下的生物量浓度(;毫克)。

2.5。分析技术

精疲力竭的肉汤收集进行分析。一分被用于干电池质量浓度测定光密度(OD)测量在560 nm使用校准曲线。另一个部分是过滤,以及由此产生的液相是用于测定pH值。

稳态的成就后,所有的生物质生物反应器中包含在4000 rpm离心机,10°C, 30分钟(Nova Tecnica、电力、巴西),用蒸馏水洗两次,在炉干55°C和空气循环12 h,然后存储在玻璃烧瓶−20°C细胞群组成分析。整除的干生物量分析供凯氏法测定总蛋白(17使用转换因子为6.25)。干生物量测定的总脂质含量在索氏回流提取与己烷4 h。溶剂被移除后,残留是提交一个新的提取chloroform-methanol (2: 1 v / v)为4 h (17]。

脂肪酸组成测定转换后与相应的脂肪酸甲基酯(18]。分析脂肪酸甲基酯(名声)通过气相色谱仪,模型gc - 2014(日本岛津公司,京都,日本),配备split-injection港口,火焰离子化检测器,Restek 105米长的毛细管柱(0.25毫米)充满了μbiscyanopropylsiloxane cyanopropylphenyl m 10%,和90%。注入器和检测器温度都是260°C。烤箱温度最初被设定为140°C五分钟,然后设定为2.5°C的最小值⁻¹。定性的脂肪酸成分是由比较峰的保留时间和各自的标准脂肪酸。定量成分是通过面积归一化和表达为质量百分比。

3所示。结果与讨论

3.1。对连续文化稀释率的影响

在开始持续的过程之前,三个不同的稀释率()小球藻寻常的培养在培养基基础上集中研究了海水淡化。我们之前的结果表明,使用高浓度的集中淡化,25%以上,强烈影响的增长和生化成分小球藻寻常的。由于高盐废水提出了集中淡化,为了评估的适用性越来越多小球藻寻常的通过持续的过程补充脱盐废水,集中淡化稀释的比例为25%。基于文献数据(19,20.和初步研究,稀释率的值()进行了测试。这样,新媒介不断添加到培养稀释率为0.1,0.2和0.3⁻¹,分别。

逐渐增加,pH值观察细胞生长。在第八天的培养,pH值达到一个值接近,所以细胞浓度稳定。根据以前的工作10],pH > 10.2通常影响的增长答:platensis。因此,它是假定小球藻寻常的是否有类似的表现,所以持续的第八天的启动过程。

图1显示的结果c .寻常的连续培养在不同的稀释率使用培养基进行基于集中淡化。结果表明,c .寻常的培养在集中淡化没有负增长效应直到38天,呈现相对连续增长细胞浓度。连续过程开始一天⁻¹和达到稳态条件大约6 - 8天之后,518毫克L细胞浓度⁻¹;15天之后,也就是相当于两倍的停留时间,稀释率增加到0.2天⁻¹,而细胞浓度降低了,直到达到新的稳态条件。额外的16天之后,进一步增加了0.3天⁻¹遵循同样的标准。稳态条件下观察到前两个稀释率,从而展示一个优秀的能力c .寻常的在至少两个住宅时期维护稳定的条件。这个结果是很有前途的考虑,大型生产这些绿色藻类通常是由稳态条件下连续操作。

的值减少和增加的,而增加(表2)。在连续获得了最高生物量浓度文化进行一天⁻¹()与生物量生产力(毫克)。这个值是与(473毫克)由唐et al。21连续的文化小球藻minutissima在玻璃photobioreactor船稀释速率为0.168天⁻¹和更高的比(273毫克相同)报告的作者对连续的文化杜氏盐藻tertiolecta在一天⁻¹。这种比较的潜力c .寻常的快速的增长在玻璃photobioreactor船在连续种植。另一方面,Bezerra et al。19]报道值(毫克)高于本研究答:platensis在螺旋管状photobioreactor一天⁻¹。

稀释率的变化连续的文化产生了重大影响稳态细胞密度和生物量浓度(21]。在稀释率一天⁻¹从570年,生物量浓度下降毫克。此外,稳态生物量浓度降低而增加从0.2到0.3日⁻¹(图2)。著名的质量预期的平衡在连续生物处理(22],生物量浓度最高的是获得最低的稀释率(一天⁻¹)。然而,在这些条件下,低价值的生产力()(表获得2)。应该提到的是,在一开始的连续的文化容器内的导电率是1250μS / cm和连续39天后文化,这是观察到的细胞增长的衰减与2倍电导率约2570μS /厘米。最终,文化增长停止由于生存限制衬底的损耗或growth-salt压力,过度的有毒代谢产物的排泄,有机质堆积在生物反应器内,并限制光强度由于阴影效应引起的高细胞浓度(19,21]。

3.2。稀释比例对化学成分的影响c .寻常的

生物质化学成分的c .寻常的不同研究中根据实施稀释率的条件。蛋白质含量减少时,稀释率从0.1增加到0.3⁻¹(图2)。最高含量(52.0%)获得了在稀释率最低为0.1天⁻¹在第一个固定相关联,生物量浓度在最高水平。此外,在这种平稳增长阶段,提供新鲜的培养基均匀混合文化高氮供应的贡献。这种蛋白质含量远高于那些通过郑et al。23当培养)(34.1%)小球藻寻常的在一个封闭的photobioreactor和不知何故(43.6%)高于观察到Sassano et al。10)增长答:platensis通过连续过程稀释速率为0.12天⁻¹。

生物量的脂质含量而言,细胞的脂质含量变化范围从8.1到12%,稀释率0.1 - -0.3天⁻¹。逐步增加导致脂质含量明显增加,实现了12%的最高水平一天⁻¹(图2)。最终,在这种迟滞期,光合作用仍在执行和存储碳产品,如淀粉和中性脂质积累。尽管如此,本研究中的脂质含量是低于报道唐et al。21)观察到一个脂质含量(38%)一天⁻¹为c . minutissima连续培养。

的脂质含量c .寻常的生物量几乎与稀释率的变化并没有改变,有差异在脂肪酸的总脂质部分和稀释率(图3)。中的脂肪酸百分比最高的是棕榈酸[0](%)一天⁻¹和gamma-linolenic酸(C18:3 n - 3) (%)一天⁻¹(图3(一个))。还应该注意到这些结果是清晰的优势脂肪酸由16和18个碳碳链,以及之间的某种等价饱和和不饱和的(图3 (b))。饱和的名声的分数低稀释率(从0.1到0.2日⁻¹)超过,稀释率最高的0.3天⁻¹(~ 30.5% ~ 21.0%)。的γ亚麻酸(C18:3 n-3c)成分最高的稀释速率显著增加到23.5%,相比之下,稀释率最低的,而亚油酸(C18:2 n6c)成分是相同的~ 18.0%。这个观察是一致的结果Sobczuk Chisti和稀释率的结果决定细胞的平均年龄,从而影响藻细胞的脂肪酸概要文件(11]。

的γ亚麻酸(GLA十八3ω6)是第二个最丰富的脂肪酸小球藻寻常的生物质(23.5%)、棕榈后一个。多不饱和脂肪酸(欧米伽)像罂(ω6脂肪酸)和亚麻酸(ω- 3脂肪酸),也被称为必需脂肪酸,被发现是高的小球藻寻常的。考虑到亚麻油酸和的总和γ亚麻酸大约是41.5%一天⁻¹总脂肪酸的内容,一个想法的重要性这些酸的细胞是显而易见的。这些必需脂肪酸是一个人类和动物的饮食要求24]。大多数人类的饮食缺乏γ亚麻酸。杯子已经与几个有益的健康的影响,如降低LDL(低密度脂蛋白),C的前兆_20.类花生酸(前列腺素,白细胞三烯,凝血恶烷),抗炎作用,其中25]。它也值得注意的事实γ亚麻酸是一种广泛认可的食品补充剂,发酵的小球藻寻常的使用photobioreactor等连续过程可能是经济上可行的专业产品。另一方面,由于其高的资本和运营成本,然而,发酵的小球藻只可能是经济上可行的高价值的特殊性产品(γ亚麻酸、色素和蛋白质),但对于大量商品不像生物燃料(26]。同样的作者建议连续过程稳态条件下使细胞基本保持恒定的水平,有些有价值的代谢产物,这可能是有利的为他们生产和康复c .寻常的。考虑到c .寻常的目前商业化作为人类食物积分器,此外,有肝证书(通常被认为是安全的),更多的努力在未来应该描述的化学成分生物生长在培养基时基于集中淡化。

4所示。结论

在稳态条件下连续的操作模式被证明是可行的替代方法建立之间的关系基于集中淡化和培养基小球藻寻常的生物质成分。最高生物量浓度(570±20毫克)获得了采矿贫化率为0.1天⁻¹与蛋白质含量高(52%)。细胞的脂质含量变化从8.1到12%。脂肪酸概要略影响下不同的稀释率。在稀释率最高,多不饱和脂肪酸被观察,尤其是gamma-linolenic和亚油酸代表大约41.5%的总脂质分数。进一步优化的化学成分小球藻寻常的通过持续的过程有很大的潜在受益高价值成分藻生物量基于所需的应用程序。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

当前经济工作是由Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de含量比(斗篷/巴西)和Centro Nacional de Desenvolvimento Cientifico e学府(CNPq项目没有。574.716 / 2008 - 4)。

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