Focusing on the Optimization for Scale up in Airlift Bioreactors and the Production of Chlamydomonas reinhardtii as a Model Microorganism

Hava Kaldırmalı Biyoreaktörlerin Ölçek Büyütme Sürecinde Optimizasyon ve ModelMikroorganizma Olarak Chlamydomonas Reinhardtii Üretimi

Özet

Bu çalışmanın amacı günümüzde çevre ve enerji konularında önem taşıyan miroorganizmalardan biri olanyeşil mikroalg Chlmaydomonas reinhartii'nin üretiminde kullanılan hava kaldırmalı biyoreaktörlerde tasarımparametrelerinin optimizasyonu aracılığıyla ölçek büyütme çalışması yapılmasıdır. Çekiş borusu çapı veyüksekliği, çekiş borusu üst sıvı seviyesi, hava besleme hızı, hava dağıtıcısı çekiş borusu aralığı gibiparametrelerin karışma ve sirkülasyon zamanına etkileri üzerinde odaklanılarak çalışmalargerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda hacimleri 1.1 L ve 11 L olan iki hava kaldırmalı biyoreaktör sistemikullanılarak tasarım parametreleri ve Chlamydomonas reinhardtii üretim süreçleri incelenmiştir. 1.1 L hacimlisistemde optimizasyon sonucunda 38-250 mm boyutlu çekiş borusu aracılığıyla 9.94 s lik bir karışmazamanına 1.05 L dak-1'lık hava beslemesi ile ulaşılmıştır. Bu değerlerin 11L hacimli sisteme aktarılarakyapıldığı C. reinhardtii üretimlerinde ise benzer ikilenme zamanlarında (0.25-0.27 saat) ulaşılan biyokütleüretkenlikleri (0.87-0.99 g L-1gün-1) ölçek büyütme yaklaşımının uygulanabilirliğini göstermektedir

Abstract

The aim of this work is to use optimization as a tool for scale up in airlift bioreactors and apply this approachto a real life process. To put this approach into practice, Chlamydomonas reinhardtii, a green microalgae, wasused as a model microorganism. The effects of the design parameters on the performance of the bioreactorswere monitored through the changes in mixing and circulation times. As the first step, the effectiveparameters (draft tube diameter and height, water level over the draft tube, volumetric flow rate of air, andsparger-draft tube distance) in the 1.1 L airlift bioreactor were determined and optimized by the 5-factor,3-level Box-Behnken design for response surface methodology. A draft tube with a 38-250 mm dimensionwas selected resulting in a mixing time of 9.94 s with a 1.05 L min-1air flow rate. In the second step theoptimized values were applied to a larger airlift bioreactor of 11 L for C. reinhardtii productions. Comparablebiomass productivities (0.87-0.90 g L-1day-1) and doubling times (25-27 h) in both systems was a goodindication of the success of the scale-up approach.