Podevin, Michael Paul Ambrose

Kommunal spildevandsrensning med mikroalger har været et omdrejningspunkt indenfor bioteknologisk forskning i mikroalger i flere årtier. Denne teknologi har dog ikke haft en konkurrencemæssig fordel, i forhold til andre teknologier indenfor spildevandsrensning, som kunne implementeres på mindre arealer. I løbet af de sidste par årtier er ideen om spildevandsrensning med mikroalger blevet genoplivet, ved ideen om at anvende mikroalgebiomassen fra spildevandsrensning som en kilde til lipider, der kan omdannelse til biodiesel. Besparelsen fra behandling af næringsstoffer og organisk materiale, samt selve biodieselproduktionen, er dog stadig ikke konkurrencedygtig med prisen på råolie. I de seneste år er forskning i mikroalger dog fortsat, med udsigt til et mikroalgebioraffinaderi, hvor ekstraherede bi- og coprodukter fra mikroalgeproduktionen skaber en større omsætning end selve mikroalge-produktionen. Imidlertid overholder mikroalgebioraffinaderier i vid udstrækning ikke lovmæssige krav til behandlingen af næringsrig kommunal spildevand. Først for nyligt er det blevet indset, at bioindustriel spildevand er levedygtigt og et lovgivningskompatibelt næringsrigt medie, der er i stand til at opretholde mikroalgevækst på lige fod med kommunalt spildevand. Konceptet om en "industriel symbiose" er ligeledes opstået i de seneste årtier, hvor netværk af industrier samarbejder om at bruge affaldskilder fra nærliggende industrier i industriparker, for at skabe merværdi. Skæringspunktet mellem mikroalgebioraffinaderier og industriel symbiose i en mikroalgebioraffinaderisymbiose (MBS) kan være den næste generation af forretningsmodel til at skabe merværdi i mikroalgeproduktionen og fremme dens industrielle og globale bæredygtighed. Desuden skal teknologiske fremskridt indenfor screening, design af udendørs fotobioreaktor (PBR), makromolekylær overvågning og procesautomation alle håndteres, for at kunne udføre de komplekse bioprocesser, der er nødvendige for at værdiskabe en MBS.For at kunne identificere et levedygtigt MBS-partnerskab, skal mikroalgearter, der er i stand til at producere en vifte af værdifulde produkter, først screenes på disse potentielle bioindustrielle spildevande. Under screening kan mikroalger have en præference eller modvilje for en given bioindustriel spildevand, baseret på type og fordeling af nitrogen (ammonium, nitrat eller urea) i spildevandet. Desuden er identifikation af alger, der er i stand til at modstå svingninger mellem disse nitrogenformer i dynamiske spildevande, et vigtigt produktionskriterie. Ved screening af mikroalger i spildevande, der indeholder forskellige nitrogenkilder og koncentrationer, kan assimileringen af forskellige nitrogenkilder imidlertid resultere i markant forskellige fysiokemiske ændringer, specielt pH-ændringer. Blandt mange mikroalger er ammonium den foretrukne nitrogenkilde, fordi den passivt kan transporteres ind i cellen og assimileres direkte til aminosyrer, uden at være afhængig af lysdrevne enzymatiske processer, der skal reduceres. Når mikroalger assimilerer ammonium, kan systemets pH-værdi derefter falde kraftigt og hæmme væksten; men pH-ændringer reflekterer imidlertid ikke direkte mikroalgernes affinitet til at vokse på ammonium. Ved at batchdyrke mikroalger i 24-brønds mikroplader kan en mikropladelæser anvendes til at måle relativ fluorescens af klorofyl in vivo under afbalanceret vækst, før disse pH-ændringer opstår. Denne teknik kan bruges til at forhindre virkningerne af pH-ændringer på vækst og afspejler mikroalgers sande præference eller modvilje til en bestemt nitrogenkilde eller spildevandsmedie.Udover at give en rumlig produktionsmængde i en 24-brønds mikroplade, hvor 24 batchreaktioner kan udføres samtidigt i et lille areal, er den tidlige og lave detektering af vækstrater også med til at give en højere tidsmæssigt produktionsmængde end nogen anden screeningsmetode. Denne metode kan også bruges til hurtigt at screene for robuste og tilpasningdygtige mikroalger, der er i stand til at akklimatisere til forskellige nitrogenkilder og fluktuerende medier og til screne for mikroalgers øvre og nedre tolerancer til forskellige koncentrationer af spildevand, som også skal håndteres ved screening at dynamiske spildevande med store udsving.Gennem årene har der været meget få demonstrationer af udendørs mikroalgevækst i lukkede PBR'er; demonstrationer, der er afgørende for at forstå muligheden for en MBS som helhed. Fra mikroplade skala til større skala - seks størrelsesordener større – er den industrielt vigtige mikroalgen Chlorella sorokniana blevet dyrket i industriel spildevand, inde i en ny, solstyret, 4000 L luftløftet fotobioreaktor, (PBR). På trods af kolde temperaturer og lav bestrålingsstyrke nåede mikroalgen op på en vækst på 0,48 dag-1 i en fire-dages periode umiddelbart efter inokulering med bioindustriel spildevand, der indeholder ammonium som den primære nitrogenkilde. Derefter, efter at ammonium er blevet opbrugt og mediet forstærket med nitrat, er der en langt inaktiv periode, inden den gennemgår den største vækstfase med en specifik vækstrate på 0,15 dag-1 over en 18-dags periode. Det var tydeligt, at overgangen fra ammonium til nitratmetabolisme kan hæmme mikroalgevæksten alvorligt, i den udendørs fotobioreaktor under lav temperatur og bestråling. Endnu vigtigere, virker det til at forsinkelsen i væksten ikke er grundet skadelige virkninger fra indholdet i bioindustriel spildevandsmedier, da hurtig vækst blev observeret tidligt i eksperimentet på det uudnyttede spildevand.Succesen af in vivo fluorescens mikropladetest og kompleksiteten af disse udendørsreaktioner viser værdien af, at forfølge real-time data af mikroalge in vivo på stor skala. Den komplekse og dynamiske natur af store udendørs mikroalgereaktioner, når de dyrkes på dynamiske spildevandsmedier, opfordrer til behovet for online overvågning i realtime for at forbedre automatiseringsmodeller af PBR'er. I udendørs forhold med varierende lys og temperatur, er der flere faktorer som kan ændre væksten af mikroalger ved tidsskalaer mindre end et minut og helt ned til mikrosekunder, hvilket der muligvis ikke er taget højde for i mikroalgeproduktivitetsmodeller. På samme måde er udsving af spildevandsmedier ikke regnet med i disse modeller, især i udendørs forhold. De seneste fremskridt inden for hardware og software kan imidlertid forbedre modeller for mikroalgebioprocesser og automation betydeligt ved at manipulere store tidsbesparende datasæt, såkaldte "big data", som kan erhverves gennem høj-selektivitets vibration spektroskopi, såsom termisk-infrarød (MIR), nær-infrarød (NIR) eller Raman vibrations spektroskopi. Disse store, realtime dataset kan nu bruges til at skabe tilpasningsdygtige modeller fra kunstig intelligens / machine learning eller "black box" modeller til at automatiserer udendørs PBR'er, der behandler spildevand.Med mikroalger, der nu indgår i et nyt paradigme af mad, foderstoffer, lægemidler, funktionelle produktioner samt biobrændstoffer i et bioraffinaderi, vil der være et voksende behov for at opretholde produktkvalitet, regulere og mindske forurening, specielt i en symbiose med spildevand. Vibrations spektroskopi kan bruges til at overvåge flere mikroalgekomponenter samtidigt, som kan bruges til at hjælpe fraktionering af mikroalgeforbindelser i et bioraffinaderi, samtidig med at man forbedrer modelbygningen til automatisering og kontrol af produktkvalitet og forurening, hvor kvalitet kan indbygges i systemet.Resultaterne og forskningen opsummeret i denne afhandling viser, at moderniseringen af mikroalgeforskning bliver mere og mere nødvendig og gavnlig for mikroalgeproduktioner i en MBS. Fokuset for denne afhandling er at samle laboratorieskala demonstrationer, opskaleret viden og et kritisk syn på moderne teknologier, der kan gøre MBS til en realitet.Microalgae treatment of municipal wastewater (WW) has been the focal point of microalgal biotechnology research for several decades. However, this technology did not have a competitive advantage over other WW treatment technologies, which could be implemented in smaller areal footprints. In the past few decades, microalgal WW treatment has made a resurgence with the idea of using biomass from microalgal WW treatment, as a source of lipids for conversion into biodiesel. However, the savings from the treatment of nutrients and organic matter, as well as biodiesel production, are still not competitive with the price of crude oil. In recent years, microalgal research continued with the prospect of a microalgae biorefinery, where microalgal byproducts and coproducts are extracted to valorize the entire microalgal production, in which the sum of the parts of the microalgae is greater than the whole microalgae. However, in large part, the microalgae biorefinery does not comply with the treatment of nutrient-rich municipal WWs, due to regulatory concerns. Only recently, it was realized that bioindustrial WWs are viable and conceivably regulatory compliant nutrient rich waste streams, capable of sustaining microalgae growth, as much as municipal WWs. The concept of an “industrial symbiosis” has also emerged in the past several decades, in which networks of industries cooperate to use waste sources from neighboring industries, in industrial parks, to create added value. The intersection of the microalgae biorefinery and industrial symbiosis, in a microalgae biorefinery symbiosis (MBS), may be the next generation scheme to valorize the microalgal production and promote industrial and global sustainability. Moreover, technological advances in screening, outdoor photobioreactor (PBR) design, macromolecular monitoring and process automation must all be addressed to execute the complex bioprocesses needed to valorize an MBS successfully. In order to properly identify viable MBS partnerships with industry, microalgal species capable of producing an array of valuable products must first be screened on these potential bioindustrial WW streams for their growth potential. During screening, microalgae may have a preference or aversion for a given bioindustrial WW media, based on the types and ratios of nitrogen (ammonium, nitrate, or urea) in the WW. Furthermore, identifying algae capable of withstanding fluctuations between these nitrogen forms in dynamic WWs, is an important criterion for productivity. However, when screening microalgae on WWs containing different nitrogen sources and concentrations, assimilation of different nitrogen sources can result in starkly different physiochemical changes, specifically pH changes. In many microalgae, ammonium is the preferred nitrogen source, because it can passively transport into the cell and is directly assimilated into amino acids, without relying on light-mediated enzymatic processes to be reduced. However, when microalgae assimilate ammonium, the pH of the system can drop sharply, inhibiting growth after that; however, these pH changes do not directly reflect the microalgae’s affinity to grow on ammonium. By growing batch cultivations of microalgae in 24-well microplates, a microplate reader can be used to measure relative fluorescence of chlorophyll in vivo, during balanced growth, before these pH changes occur. This technique can be used to preempt the effects of pH changes on growth and reflects the true preference or aversion of microalgae to a particular nitrogen source or a WW media. Additionally, along with being spatially high-throughput in a 24-well microplate—where 24 batch reactions can be conducted simultaneously in a small footprint—the early and low detection of growth rates is also more temporally high-throughput than any other screening method. This method can also be used to quickly screen for robust and adaptable microalgae, capable of acclimatizing to different nitrogen sources and fluctuating media as well as to screen for the upper and lower tolerances of the microalgae to various concentrations of the WW. The latter must also be addressed when screening dynamic WW capable of large fluctuations.Over the years, there have been very few demonstrations of outdoor microalgal growth in enclosed PBRs; demonstrations, which are essential for understanding the feasibility of an MBS as a whole. From microplate scales to large-scales—six orders of magnitude larger—the industrially important screened microalgae Chlorella sorokniana was grown on bioindustrial WW, inside a novel, solar tracking, 4000 L, airlift PBR. Despite cold temperatures and low irradiance, the microalgae reached a growth rate of 0.48 day-1 , in the four-day period immediately following inoculation of bioindustrial WW containing ammonium, as a primary nitrogen source. After that, after ammonium was depleted and the media was augmented with nitrate, a long lag phase persisted, before undergoing the predominant production phase with a specific growth rate (SGR) of 0.15 day-1 over an 18-day period. It was evident that the transition from ammonium to nitrate metabolism can severely stunt microalgal growth in the outdoor PBR under low temperature and irradiance. More importantly, the delay in growth did not appear to be due to deleterious effects of the contents of bioindustrial WW media, since rapid growth was observed early in the experiment on the unaugmented WW. Moreover, it was demonstrated that microalgae could continue to grow in adverse environmental conditions at large-scales.The success of the in vivo fluorescence microplate assay and the complexity of these outdoor reactions demonstrate the value of pursuing real-time data of microalgae ¬in vivo at large-scales. The complex and dynamic nature of large-scale outdoor microalgal reactions, when grown on dynamic WW media, encourages the need for on-line, real-time monitoring to improve automation models of PBRs. In outdoor conditions with fluctuating light and temperature, there are several factors that can change the growth of microalgae, at time-scales less than a minute and as low as microseconds, which may not be accounted for in microalgal productivity models. Similarly, fluctuations of WW media are not accounted for in these models, especially in outdoor conditions. However, recent advances in hardware and software can significantly improve microalgal bioprocess models and automation, by manipulating large, time-resolute data sets, so-called “big data,” which can be acquired through high-selectivity vibrational spectroscopy, such as mid-infrared (MIR), near-infrared (NIR), or Raman vibrational spectroscopies. These large, real-time data sets can now be used to create adaptive models from artificial intelligence/machine learning tools or “black-box” models, to automate large-scale, outdoor PBRs treating WW. With microalgae, now entering into a new paradigm of food, feed, pharmaceuticals and functional products, on top of biofuels in a biorefinery, there will be a growing need to maintain product quality, regulate, and mitigate contamination, especially in a symbiosis with WW. Vibrational spectroscopies can be used to monitor several microalgal components simultaneously, which can be used to aid fractionation of microalgal compounds in a biorefinery, while improving model building for automation and control of product quality and contamination, where quality can be built into the system. The results and research summarized in this thesis demonstrate that the modernization of microalgal research is becoming increasingly necessary and beneficial to microalgae production in an MBS. The focus of this thesis is to bring together lab-scale demonstrations, scaled up knowledge, and a critical outlook of modern technologies capable of making the MBS a reality.<br/

Online Research Database In Technology

Microalgae biorefinery symbiosis: screening, production, and process analytical technology

http://orbit.dtu.dk/ws/files/134332392/Thesis_online_version_Mike_Podevin.pdf

Microalgae biorefinery symbiosis: screening, production, and process analytical technology

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology