| dc.description | Microalgae is one of the most ubiquitous organisms on the planet, found in most environments on earth, and has so far been estimated 35000 species, and the predominantly nourish form among them being the photoautotrophic, representing an exceptionally rich resource for bioprospecting for species with biochemistries and properties suitable for commercial exploit (Borowitzka, 1992a) bioactive compounds (Patterson et al. 1994), wastewater treatment (Oswald 1988), metabolic conversions (Pollio et al. 1994). At industrial scales, natural β-‐carotene is extracted from the halophile tolerant Dunaliella salinas (Borowitzka 2010b), astaxanthin from freshwater algae Haematococcus pluvialis, destined for nutraceutical and pharmaceutical purposes (Cysewki and Lorenz 2004), long-‐chain polyunsaturated fatty acids (Sukenik 1999), the fluorescent marker pigment phycobilin for research, medicine, cosmetic and cosmoceuticals (Kronich and Grossman 1983), even renewable biofuels like algae lipids biodiesel, hydrogen, methane from algae sugars and crude oils from algae biomass pyrolysis (Benemann 2000; Demirbas 2006; Christi 2007; Lee 2008; Torzillo et al. 2009; Borowitzka 2010a). Selection of the algae species and strain to be grown is the first and critical step in developing a reliable and viable process for algae biomass production, which was the main goal of this study, therefore four of the five algae strains cultivated were supplied by the IGV algae culture collection (IGV Potsdam, Germany), and the fifth freshwater algae strain, Chlorella wild mix Årungen, was kindly provided by PhD candidate Annette Åkerstrøm, and isolated from inland lake Årungen at the university campus at Ås, Norway (see Glossary for definitions).
Selecting a microalgae for the commercial-‐scale production is the first important process, due to the challenge and opportunity the diversity of the algae involves, thus the choice of species and strains in question depends of many specific criteria to yield efficiently high-‐productivity cultivation (i.e. thermic, un-‐optimal irradiation and salinity tolerance, efficiency and mechanisms of inorganic carbon uptake, photosynthetic capacity, rapid growth, shear tolerance, biochemical constituents ́ quality and quantity), harvestability (i.e. cells size and morphology, high specific gravity) and extractability (i.e. wall cell covering or no, no production of autoinhibitors), and achieved after direct approach and screening. | nb_NO |
| dc.description.abstract | (Norsk versjon etter den engelske)
This study is composed of two parts. The first one is scaling up of the broth algae from the batch cultures and the second is the harvesting processes by using the commercial available Salsnes Filter technology in conjugation with flocculants. Each part is presented with their respective introduction, material and methods, results and conclusions, and at the end of the study, a finally summarized overall conclusion.
For the upscaling part, the experiments were performed first at plant laboratory for the batch phase of the microalgae cultivation and continuous illumination of 200μmolm‐2s‐1 subsequently in a greenhouse room deprived of artificial illumination and of heating devices, at SKP (Senter for klimaregulert planteforskning), at the northern geographical location (Aas, SKP, center for climate regulated plant environment, 59° 40' 06.94'' N, 10 ° 46' 15,52'', elevation 107 meters above sea level)
The five microalgae strains investigated were: Chlorella vulgaris, Dunaliella salinas, Nannochloropsis oculata, cultivated for a period of 63 days (20.06.12‐23.08,12), and Scenedesmus sp, Chlorella wild mix Aarungen, cultivated for a period of 42 days (20.07.12‐ 23.08.12). The cultures were cultivated, in semicontinuous operation system, with enriched CO2 air (3%) and prepared in situ, trifold nitrogen nutrition media (3N‐ BBM+Vit), and the volume was replenished when necessary. The cultivation occurred in polypropylene open tray photobioreactor (TPBR) in duplicate. The cultures were monitored daily and the following parameters were recorded: time of sampling, outside weather condition (cloudy, patchy‐cloudy, sunny, rainy, unstable), outside temperature, culture temperature, irradiation on surface of culture, pH, dissolved oxygen (DO), conductivity, salinity, biomass concentration, i.e. total suspended solids (TSS).
The effects of irradiance and temperature on specific growth rate and daily growth were investigated, and was found that all the strains specific growth were affected positively by higher irradiation energy input in combination with a moderate culture temperature around 23°C. Among the freshwater microalgae strains, Scenedesmus sp. TPBR 7 had the highest specific growth rate with 0,05 h‐1 and showed a fivefold increase when doubling the irradiation energy input and temperature kept at 23°C. Among the marine microalgae species, Dunaliella salinas TPBR 3 had the highest specific growth rate with 0,024/h and showed a 71,4% increase when doubling the irradiation energy input and temperature kept at 23°C.
The effects of outside weather conditions in conjugation with irradiation and temperature on oxygen evolution (dissolved, DO) were investigated and it was found that the sum of the five strains data (Table 3) for cloudy days gave a total of 70,71 mg/L1 of dissolved oxygen (DO) generated by a PAR irradiation sum of 298,62 MJ/ m2d1 mean while the sum for the sunny days gave 54,06 mg/L of dissolved oxygen (DO) mg/L of dissolved oxygen (DO) generated by a PAR irradiation sum of 787,24 MJ/m2d1. By lowering the PAR irradiation 2,64 times it was generated 31% higher dissolved oxygen. The cloudy weather conditions in combination with lower PAR irradiance and lower culture temperature affected directly the algae cell ́s O2 evolution, which was emitted at higher volumes than when the sunny weather combined with higher irradiation and higher culture temperature.
The effects of dilution regime on biomass output per TPBR were investigated and fount that all data reported overstepped the recommended threshold of 0,20 of dilution rate. There were registered values of 0,353 and 0,733/d for lowest and highest dilution rates, respectively. Among the freshwater microalgae strains, Scenedesmus sp. TPBR 7 had the highest biomass yield doubling its g DW when the dilution rate was 39% less harsh gave 200% higher algae output, than the dilution regime for the same algae strain in the respective TPBR 8. The benefits were of magnitude 1:5.
Among the marine microalgae species, Dunaliella salinas TPBR 3 had the highest biomass yield increased by 31% of it ́s g DW when the dilution rate was 41% less harsh than the dilution regime for same algae strain in the respective TPBR 4. The effect of dilution on biomass output was 3% less harsh dilution and gave 31% higher algae output. The benefits were of magnitude 10,3. The cultures of Chlorella wild mix Aarungen, freshwater strain, were washout due to the over dilution of almost the entire TPBR volumes were removed and replenished. The cultures were thrice inoculated with fresh broth from the backup batch cultures in the algae laboratory room.
The effects if irradiance on photosynthetic efficiency were investigated and found that among the values of the freshwater strains, a four times lower irradiance gave 4,6 times higher photosynthetic efficiency, and among the values of the saltwater strains a 61% lower irradiance gave 4 times higher photosynthetic efficiency. The level of irradiance had an inverted effect on the photosynthetic efficiency, i.e. lower irradiance absorbed by the high dilute algae culture gave higher photosynthetic efficiency of magnitude 4.
The effects of irradiance on areal CO2 fixation rate were investigated and found after using in these experiments, the mean higher heating value (22,49 KJ g‐1) recorded by Hulatt et al., (2011), and comparing the results in this study, that the mean C02 fixation rate was 55,44 g CO2/m2d (Table 6), which is 2,6 times higher values than found by Hulatt (2011).
The effects of mixing (turbulence) on biomass productivity (P) were investigated and found that according to Hu Q, et al., (1996) mixing is the factor, which enhances growth of algal culture and therefore its biomass productivity. In this study, was investigated the relationship between biomass productivity and the turbulence created by mixing the algae suspension by means of aquarium pump placed inside the TPBR 2 (Chlorella vulgaris), TPBR 4 (Dunaliella salinas), and TPBR 6 (Nannochloropsis oculata) and it was reported the following decrease/increase in biomass productivity: ‐11%, +62% and +57,14%, respectively. The benefits of a turbulence regime should have been higher if the dilution regime had been lower (approximately 0,20/d) than the operated in this study, as well as the remained culture volume, which affected severely the biomass output. Keeping a semicontinuous cultures system in adequate volumes and at stable low dilution rate, will influence the biomass productivity yield increasing it multiple times.
The effects of outside weather conditions on TPBRs energetic efficiency were investigated and found that the overall irradiation utilization efficiency (IUE) provided by the TPBR on these experiments shows that the saltwater strain, Nannochloropsis oculata, TPBR 6, performed the highest values of all TPBRs, with 1,37 g/M J utilization efficiency of the irradiation that penetrated the walls and lid of the TPBR 6. This value is
too low compared to 5.1 and 6.4 g/M J, values recorded by Zhang (1999, 2000). TPBR3, saltwater strain Dunaliella salinas, reported the next highest efficiency with 0,923 g/M J1 was even lower. Comparing the results for performance by TPBR6 and TPBR 3, 1,36 and 0,923 g/M J with the average value of 5,75 g/M J (Zhang 1999, 2000), showed that Zhang ́s flat PBR excelled in performance approximately five times better that the TPBR of this experiments. The differences could be explained in the optical pathway for the TPBR in this study and Zhang ́s flat PBR, 0,09 and 0,01 cm, respectively.
These harvesting experiments were performed by use of Salsnes Water to Algae Treatment (SWAT), to harvest five microalgae strains by means of filtration after a flocculation process. The removal efficiency aim was ≥90% of the particles (algae) found in the water suspension. The method designed for wastewater treatment, is known as Salsnes Filter technology (SF), consist of commercial fine mesh sieve set. The five strains of microalgae were grown in TPBR in duplicate in TPBR in greenhouse conditions with no additional illumination. Two types of flocculators were used: bench scale jar tester and pilot scale 20L flocculator. An Instrument for size and morphology analysis of microalgae before and after flocculation was used. The poor removal efficiencies performed by gravity filtration corroborated the need of flocculants to harvest microalgae. PAX (inorganic chemical) and chitosan (organic powder of crustacean shell origin) are commercial flocculants with high removal efficiencies (≥95%), in some of the microalgae. Polycationic polymers were screened by means of test jar test flocculator aiming to find the optimal dosage, stirring speed, G‐values, and removal efficiencies. Upscaling for rapid and slow mixing in 20L flocculator was found through G‐values, calculated by using powers input and empirical equations. The conjugation of tested flocculators together with optimized polymer dosage achieved a harvested biomass in form of total suspended solids (TSS), with removal efficiencies ≥90% where reported for freshwater strains Chlorella vulgaris (98%, 55μm sieve cloth), and Scenedesmus sp (98%, 18μm sieve cloth), and for saltwater strain Nannochloropsis oculata (92%, 15 μm sieve cloth). Specific flow rate were recorded. No cationic polymer could achieve significant removal rate on saltwater strain, Dunaliella salinas, but the synergetic combination of PAX + anionic polymer produced flocs with poor compressibility factor when tested in pilot scale. The SWAT technology has to focus on G‐value, polymer/chemical dosage and μm size mesh sieve specific for each microalgae strain, making it capable for using as a microalgae harvesting method
A protocol for preparation of microorganisms in microalgae suspension for study with SEM scanning electronic microscopy, was developed to analyse the effects of cryopreservation of algae suspension at 4°C for 100 days. It was found that the saltwater strains endured the storage in darkness and survived, but not the freshwater strains, which were decomposing (Appendix 8 – SEM protocol for microalgae suspensions)
_________________________________________________________________________________
======================================================================
Sammendrag
Dette studiet er todelt.
Del 1 handler om oppskalering av konsentrert algesuppe hentet fra batch‐kulturer og del 2 om innhoestingsprosesser der kommersielt tilgjengelig filterteknologi fra Salsnes ble testet med og uten flokkulanter.
Hver del er presentert med introduksjon, materiale og metoder, resultater og diskusjoner. Til slutt foelger en oppsummerende generell konklusjon.
Del 1: Oppskalering av konsentrert algesuppe
Forsoekene ble utfoert ved Senter for Klimaregulert Planteforskning (SKP), nordlig geografisk posisjon (Aas, SKP, 59° 40' 06.94'' N, 10 ° 46' 15,52'', 107 moh).
Batch‐fasen ble gjennomfoert i plantelaboratoriets algerom med kontinuerlig bakgrunnslys på 200μmol/m2s. Videre dyrking fortsatte i drivhusrom uten kunstig belysning eller oppvarmingsutstyr.
Fem mikroalgestammer ble undersoekt: Chlorella vulgaris, Dunaliella salinas og Nannochloropsis oculata ble dyrket i 63 dager (20.06.12‐23.08.12), mens Scenedesmus sp og Chlorella wild mix Aarungen ble dyrket i 42 dager (20.07.12‐23.08.12).
Kulturene ble dyrket med halvkontinuerlig drivsystem, med tilfoersel av 3% CO2‐beriket luft. Trefoldig nitrogen naeringsmedia (3N‐BBM+Vit) ble tilberedt in situ og tilfoert fotobioreaktorene (TPBR) ved behov.
Dyrkingen ble gjennomfoert i åpne polypropylen‐kar i duplikat.
Kulturene ble overvåket daglig og foelgende parametre ble notert: opptakstid, utendoers vaerforhold (sol, delvis skyet, overskyet, nedboer, skiftende vaer), utetemperatur, kulturtemperatur, lysinnstråling over algekulturens overflate, pH‐verdi, mengde opploest oksygen, konduktivitet, saltinnhold og biomassekonsentrasjon dvs. total suspendert toerrstoff.
Effektene av lysinnstråling og temperatur på spesifikk vekstrate og daglig vekst ble undersoekt. Det ble funnet at alle stammenes spesifikke vekstrate ble påvirket positivt ved hoeyere tilfoersel av innstrålingsenergi i kombinasjon med moderat kulturtemperatur på ca. 23°C.
Av mikroalgestammene fra ferskvann, hadde Scenedesmus sp. TPBR 7 den hoeyeste spesifikke vekstraten på 0,05/h. Vekstraten oekte fem ganger når tilfoerselen av innstrålingsenergi ble doblet og temperatur var 23°C.
Av mikroalgestammer fra saltvann, hadde Dunaliella salinas TPBR 3 den hoeyeste spesifikke vekstrate på 0,024/h. Vekstraten oekte 71,4% når tilfoerselen av innstrålingsenergi ble doblet og temperatur var 23°C.
Effektene som utendoers vaerforhold i kombinasjon med PAR‐innstråling og temperatur ga på oksygenutvikling (opploest, DO) ble undersoekt. Det ble funnet at summen av alle fem stammers data (tabell 3) for overskyede dager ga en total på 70,71 mg/L av utviklet oksygen (DO). Oksygenet ble generert ved PAR‐innstråling som i sum for de overskyede dagene utgjorde 298,62 MJ/m2d.
Summen av de skyfrie dagene ga 54,06 mg/L utviklet oksygen (DO). Oksygenet ble generert ved PAR‐innstråling som i sum for de skyfrie dagene utgjorde 787,24 MJ/m2d. Ved å redusere PAR‐innstrålingen 2,64 ganger ble det 31% hoeyere utvikling av oksygen. Overskyet vaer i kombinasjon med lavere PAR‐innstråling og lavere kulturtemperatur påvirket direkte algecellenes CO2-utvikling som ble utsondret i hoeyere volumer enn når det var skyfritt kombinert med hoeyere innstråling og hoeyere kulturtemperatur.
Effektene av fortynningsregime på biomasseutbytte per TPBR ble undersoekt. Det ble funnet at alle innsamlede data rapporterte overskridelse av den anbefalte terskelen på 0,20/d fortynningsrate. Det ble registrert verdier på 0,353 og 0,733/d for henholdsvis de laveste og hoeyeste fortynningsrate.
Av mikroalgestammene fra ferskvann, hadde Scenedesmus sp. TPBR 7 det hoeyeste biomasseutbyttet. Biomasseutbyttet ble fordoblet målt i g DW når fortynningsraten ble redusert med 39%. Redusert fortynningsrate i TPBR 7 ga 200% hoeyere biomasseutbytte enn det som ble registrert med samme algestammen i TPBR 8. Redusert fortynningsrate ga en effekt på 1:5 i biomasseutbytte.
Av mikroalgestammene fra saltvann hadde Dunaliella salinas TPBR 3 det hoeyeste biomasseutbyttet. I TPBR 3 var fortynningsraten redusert med 1,8%. Da oekte biomasseutbyttet med 31% målt i g DW sammenlignet med samme algestamme i TPBR 4.
Redusert fortynningsrate i TPBR 3 var 1,8% og ga 31% hoeyere biomasseutbytte. Redusert fortynningsrate ga her en effekt på 1:17,2 i biomasseutbytte.
Ferskvannkulturen Chlorella wild mix Aarungen, ble vasket ut på grunn av en overdreven fortynning, dvs. omtrent hele volumet ble fjernet og fylt opp på nytt. Disse kulturene ble inokulert tre ganger med fersk konsentrert algesuppe hentet fra backup av batch‐ kulturen fra laboratoriets algerom. Av denne grunn blir data fra fortynningen ikke analysert her.
Effektene av lysinnstråling på fotosyntetisk effektivitet ble undersoekt.
Blant ferskvannsstammer ga fire ganger lavere innstråling 4,6 ganger hoeyere fotosyntetisk effektivitet.
Blant saltvannsstammer ga 61% lavere innstrålingen 4 ganger hoeyere fotosyntetisk effektivitet.
Innstrålingsnivåene hadde en omvendt effekt på fotosyntetisk effektivitet, dvs. lavere absorbert innstråling i svaert fortynnet algekultur ga hoeyere fotosyntetisk effektivitet.
Effektene av lysinnstråling på CO2‐fikseringsrate/areal ble undersoekt. Det ble funnet at middels CO2-fikseringsrate var 55,44 g CO2/m2d (Tabell 6), noe som er 2,6 ganger hoeyere enn verdiene funnet av Hulatt (2011). I forsoekene ble det holdt middels hoeye varmeverdier (22,49 KJ/g).
Effektene av miksing (turbulens) på biomasseproduktivitet (P) ble undersoekt. Ifoelge Hu Q, et al., (1996) er miksing en av faktorene som fremmer vekst i algekulturer, ergo dens biomasseproduktivitet.
I dette studiet ble turbulens skapt ved miksing av algekulturen ved hjelp av en akvariepumpe plassert i TPBR 2 (Chlorella vulgaris), TPBR 4 (Dunaliella salinas) og TPBR 6 (Nannochloropsis oculata). Det ble registrert foelgende oekning/reduksjon av biomasseproduktivitet i disse kulturene ‐ henholdsvis ‐11%, +62% og +57,14%. Fordelen med turbulens skulle ha vaert hoeyere hvis fortynningen hadde vaert lavere (ca. 0, 20/d). Det ble også funnet at det gjenvaerende kulturvolumet i karet påvirket biomasseutbyttet. Disse faktorene er vesentlige ved halvkontinuerlige kultursystemer.
Effektene av utendoers vaerforhold på TPBRs energetiske effektivitet ble undersoekt. Det ble funnet at lysinnstrålingens brukseffektivitet (IUE) tilfoert via polypropylen i TPBR‐ karene var positive.
Saltvannsstammen Nannochloropsis oculata, TPBR 6, fikk de hoeyeste verdiene av alle TPBRs, med 1,37 g/M J brukseffektivitet av lysinnstrålingen som trengte gjennom vegger og lokk. Denne verdien er lav sammenlignet med verdiene 5.1 and 6.4 g/M J som ble registrerte av Zhang (1999, 2000).
TPBR3, saltvannsstammen Dunaliella salinas, registrerte den nest hoeyest effektiviteten med 0,923 g/M J.
Resultatene for TPBR 6 og TPBR 3 i forhold til gjennomsnittsverdien 5,75 g/M J (Zhang 1999, 2000), viser at Zhangs flate fotobioreaktor har en ytelse omlag fem ganger bedre enn TPBR brukt i disse forsoekene. Forskjellene kan forklares ved hjelp av den optiske banen for TPBR (0,09 m dype) i dette studiet og Zhangs flate fotobioreaktor (0,01 m dype).
Del 2: Innhoestingsprosesser
Forsoekene ble gjennomfoert med Salsnes Water to Algae Treatment (SWAT) til å hoeste inn fem mikroalgestammer ved hjelp av filtrering etter flokkuleringsprosess. Målet for fjerningseffektiviteten ble satt til ≥90% av partikler (mikroalger) funnet i vannsuspensjonen .
Metoden som opprinnelig ble designet for avloepsvann ‐ kjent som Salsnes Filter technology (SF) ‐ består av kommersielle, finmaskede silsett.
De fem mikroalgestammene ble dyrket opp i TPBR i duplikat under drivhusforhold uten ekstra belysning.
To typer flokkulatorer ble brukt: Bench Scale Jar Tester og Pilot Scale 20L flokkulator. Et instrument for måling og morfologisk analyse av mikroalger foer og etter flokkulering ble brukt.
Den lave fjerningseffektiviteten ga ved gravitasjonsfiltrering bekreftet behovet for flokkulanter for innhoesting av mikroalgene.
PAX (uorganisk kjemikalie) og chitosan (organisk pulver fremstilt av skalldyrskall) er kommersielle flokkulanter med hoey fjerningseffektivitet (≥95%) på noen mikroalger. Polykationiske polymerer ble sortert ut ved hjelp av Jar Tester flokkulator for å finne den optimale doseringen, miksingshastighet, G-verdier og fjerningseffektivitet.
Oppskalering for rask og treg miksing i 20L flokkulator ble testet ved hjelp av G‐ verdiene, og G-verdiene ble regnet ut ved hjelp av kraftforbruk og empiriske likninger. Ved å teste flokkulator sammen med optimalisert polymer‐dosering ble det innhoestet biomasse i form av total suspendert toerrstoff (TSS). Fjerningseffektiviteten på ≥90% ble rapportert for ferskvannstammene Chlorella vulgaris (98% i filter med mikroporer på 55μm) og Scenedesmus sp (98% i filter med mikroporer på 18μm), samt for saltvannsstammen Nannochloropsis oculata (92% i filter med mikroporer på 15 μm).
Spesifikk stroemningshastighet ble registrert. Ingen kationiske polymerer kunne nå signifikant fjerningsrate i saltvannstammen Dunaliella salinas, men den synergiske kombinasjon av PAX og anioniske polymerer skapte flokker med lav kompressibilitetsfaktor når testet i Pilot Scale.
SWAT-teknologien må fokusere på G-verdien, polymer/kjemikaliedosering og mikrostoerrelse på porene i filtrene som er spesifikk for hver mikroalgestamme for å vaere kapable til å bli brukt som innhoestningsmetode for mikroalger.
Det ble utviklet en protokoll for tilberedning og analyse av mikroalgesuspensjon ved hjelp av SEM-mikroskop. Effektene av kryopreservering på mikroalgecellene ble undersoekt og det ble funnet at saltvannsstammene overlevde 100 dagers lagring i moerket ved 4°C, mens ferskvannsstammene ikke gjorde det og var i forråtnelsestilstand (Appendix 8 –SEM protocol for microalgae suspensions) | nb_NO |
