Đánh giá các thông số thiết kế sinh học và kỹ thuật quan trọng cho sản xuất Chlorella zofingiensis (Chlorophyceae) trong các photobioreactor ngoài trời

Springer Science and Business Media LLC - Tập 97 - Trang 5645-5655 - 2013
Peter E. Zemke1, Milton R. Sommerfeld1, Qiang Hu1
1Laboratory for Algae Research and Biotechnology, College of Technology and Innovation Arizona State University, Mesa, USA

Tóm tắt

Để thiết kế một diện tích lớn các photobioreactor tấm phẳng thẳng đứng (PBR), ảnh hưởng của bốn tham số thiết kế — nồng độ sinh khối ban đầu, chiều dài quang học, khoảng cách và định hướng của PBR — đến thành phần sinh hóa và năng suất của Chlorella zofingiensis đã được nghiên cứu. Một quá trình lô hai giai đoạn được giả định trong đó mầm giống được sinh ra trong điều kiện đủ nitơ, tiếp theo là tích lũy lipid và carbohydrate trong điều kiện thiếu nitơ. Đối với điều kiện thiếu nitơ, năng suất nhạy cảm nhất với nồng độ sinh khối ban đầu, vì nó ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận ánh sáng cho từng tế bào trong môi trường nuôi cấy. Nồng độ tế bào ban đầu là 50 g m−2 được mầm giống vào PBR có chiều dài quang học 3,8 cm dẫn đến sản xuất tối đa lipid (2,42 ± 0,02 g m−2 ngày−1) và carbohydrate (3,23 ± 0,21 g m−2 ngày−1). Năng suất ít nhạy cảm hơn với chiều dài quang học. Chiều dài quang học 4,8 và 8,4 cm dẫn đến năng suất sản phẩm diện tích (sinh khối, carbohydrate, và lipid) tương tự nhau cao hơn 20% so với chiều dài quang học 2,4 cm. Trong điều kiện đủ nitơ, năng suất sinh khối cao hơn 48% trong các PBR hướng Bắc-Nam vào mùa đông so với hướng Đông-Tây, nhưng định hướng có ít ảnh hưởng đến năng suất sinh khối vào mùa xuân và mùa hè bất chấp sự khác biệt lớn về lượng ánh sáng mặt trời. Một khoảng cách tối ưu không thể xác định dựa trên sự phát triển đơn thuần vì một sự đánh đổi đã được quan sát thấy trong đó năng suất thể tích và PBR tăng khi khoảng cách giữa các PBR tăng lên, nhưng năng suất đất giảm xuống.

Từ khóa

#Chlorella zofingiensis #photobioreactor #năng suất sinh học #thiết kế kỹ thuật #cân bằng ánh sáng #môi trường nuôi cấy

Tài liệu tham khảo

Baroli I, Gutman BL, Ledford HK, Shin JW, Chin BL, Havaux M, Niyogi KK (2004) Photo-oxidative stress in a xanthophyll-deficient mutant of Chlamydomonas. Biol Chem 279(8):6337–6344 Bigogno C, Khozin-Goldberg I, Boussiba S, Vonshak A, Cohen Z (2002) Lipid and fatty acid composition of the green oleaginous alga Parietochloris incisa, the richest plant source of arachidonic acid. Phytochem 60:497–503 Brennan L, Owende P (2010) Biofuels from microalgae—a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renew Sustain Energy Reviews 14:557–577 Clesceri LS, Greenberg AE, Eaton AD (1998) Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th edn. American Public Health Association, Washington, DC Goksan T, Durmaz Y, Gokpinar S (2003) Effects of light path lengths and initial culture density on the cultivation of Chaetoceros muelleri (Lemmermann, 1898). Aquac 217:431–436 Hu Q, Richmond A (1994) Optimizing the population density in Isochrysis galbana grown outdoors in a glass column photobioreactor. J Appl Phycol 6:391–396 Hu Q, Guterman H, Richmond A (1996) A flat inclined modular photobioreactor (FIMP) for outdoor mass cultivation of photoautotrophs. Biotechnol Bioeng 51:51–60 Hu Q, Richmond A (1996) Productivity and photosynthetic efficiency of Spirulina platensis as affected by light intensity, algal density and rate of mixing in a flat plate photobioreactor. J Appl Phycol 8(2):139–145 Hu Q, Zheungu H, Cohen Z, Richmond A (1997) Enhancement of eicosapentaenoic acid (EPA) and γ-linolenic acid (GLA) production by manipulating algal density of outdoor cultures of Monodus subterraneus (Eustigmatophyta) and Spirulina platensis (Cyanobacteria). Eur J Phycol 32(1):81–86 Hu Q, Faiman D, Richmond A (1998a) Optimal tilt angles of enclosed reactors for growing photoautotrophic microorganisms outdoors. J Ferment Bioeng 85(2):230–236 Hu Q, Zarmi Y, Richmond A (1998b) Combined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of Spirulina platensis (Cyanobacteria). Euro J Phycol 33(2):165–171 Masuko T, Minami A, Iwasaki N, Majima T, Nishimura S, Lee YC (2005) Carbohydrate analysis by a phenol–sulfuric acid method in microplate format. Anal Biochem 339:69–72 Maxwell DP, Falk S, Trick CG, Huner NPA (1994) Growth at low temperature mimics high-light acclimation in Chlorella vulgaris. Plant Physiol 105:535–543 Maxwell K, Johnson GN (2000) Chlorophyll fluorescence—a practical guide. J Exp Bot 51(345):659–668 Molina Grima E, Fernandez Sevilla JM, Sanchez Perez JA, Camacho FG (1996) A study on simultaneous photolimitation and photoinhibition in dense microalgal cultures taking into account incident and averaged irradiances. J Biotechnol 45:59–69 Pushparaj B, Pelosi E, Tredici MR, Pinzani E, Materassi R (1997) An integrated culture system for outdoor production of microalgae and cyanobacteria. J Appl Phycol 9:113–119 Quinn JC, Turner CW, Bradley TH (2012) Scale-up of flat plate photobioreactors considering diffuse and direct light characteristics. Biotechnol Bioeng 109(2):363–370 Richmond A (ed) (2004) Biological principles of mass cultivation. In: Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. Blackwell Science, Oxford, pp 125–177 Richmond A, Zhang C (2001) Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. outdoors. J Biotechnol 85:259–269 Richmond A, Zhang C, Zarmi Y (2003) Efficient use of strong light for high photosynthetic productivity: interrelationships between the optical path, the optimal population density and cell-growth inhibition. Biomol Eng 20:229–236 Richmond A, Hu Q (1997) Principles for efficient utilization of light for mass production of photoautotrophic microorganisms. Appl Biochem Biotechnol 63–65:649–658 Slegers PM, Wijffels RH, van Straten G, van Boxtel AJB (2011) Design scenarios for flat PBR photobioreactors. Appl Energy 88:3342–3353 Stanier RY, Kunisawa R, Mandel M, Cohen-Bazire G (1971) Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales). Bacteriol Reviews 35(2):171–205 Wang J, Han D, Lu C, Sommerfeld M, Hu Q (2013a) Effect of initial cell density on photosynthesis and astaxanthin production in mass culture of Haematococcus pluvialis in a column photobioreactor outdoors. J Appl Phycol 25:253–260 Wang L, Li YG, Sommerfeld M, Hu Q (2013b) A flexible culture process for production of the green microalga Scenedesmus dimorphus rich in protein, carbohydrate or lipid. Bioresour Technol 129:289–295 Weissman JC, Tillett DM (1992) Design and operation of outdoor microalgae test facility. In: Brown LM, Sprague S (eds) Aquatic species report; NREL/MP-232-4174. National Renewable Energy Laboratory, Golden, pp 32–57 Wellburn AR (1994) The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution. J Plant Physiol 144:307–313 Zhang K, Kurano N, Miyachi S (1999) Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat-plate photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance setting between the plates, and culture temperature. Appl Microbiol Biotechnol 52:781–786 Zijffers J-WF, Schippers KJ (2010) Maximum photosynthetic yield of green microalgae in photobioreactors. Mar Biotechnol 12:708–718 Zou N, Richmond A (1999) Effect of light-path length in outdoor flat plate reactors on output rate of cell mass and EPA in Nannochloropsis sp. J Biotechnol 70:351–356