Abstract
Airlift bioreactors have been classified as a promising technology for microalgae cultivation. Several improvements have contributed to increasing the mixing efficiency and production. However, some challenges are still facing this biological process. One challenge is the efficient dissolution and delivery of carbon dioxide to microalgae cells, which remains a limiting factor in the biological processes. On the other hand, sparging the gas in large quantities may lead to gas loss if microorganisms do not completely consume it. In this study, microalgae were cultivated in two stages and compared: the first stage of injecting 5 ml of carbon solution into a conical flask and the second stage of sparging 5 liters/hour in an airlift bioreactor with increasing sparging time this is done by sparging carbon dioxide gas at the same flow rate from day to day, but increasing the sparging time by 30 seconds, starting with sparging the gas for one minute until reaching 7 minutes. The results showed that the airlift bioreactor gives a higher growth rate of microalgae than that produced in a conical flask. The maximum biomass concentration reached 5 g/L in the airlift bioreactor culture with a maximum specific growth rate of 0.324 day−1, while it reached 1.0799 g/L in the conical flask culture with a specific growth rate of 0.187 day−1. This result shows the importance of the airlift bioreactor in microalgae cultivation. Also, the internal composition of the biomass was found that the airlift bioreactor was the best, as the amount of lipids, carbohydrates and protein was (2.06, 1.43, and 18.03 g per 30 g of dry biomass), respectively, while the internal composition of the control cultivation was (0.005386, 0.00428, 0.05754 and g/L), respectively. The volumetric mass transfer coefficient showed that when the sparging time increases, the oxygen gas transfer coefficient increases until it reaches 1.0397 s−1. The pH value was also maintained around 7, which is the appropriate value for increasing the growth rate.
Keywords
Mass transfer; airlift bioreactor; microalgae; sparging; carbon dioxide
Abstract
تم تصنيف المفاعلات الحيوية الهوائية على أنه تقنية واعدة في زراعة الطحالب الدقيقة. و قد ساهمت العديد من التحسينات في زيادة كفاءة الخلط و الانتاج. و مع ذلك، لا تزال بعض التحديات تواجه هذه العمليات البيولوجية. ان أحد التحديات هو الذوبان الفعال و توصيل ثاني أكسيد الكاربون الى خلايا الطحالب الدقيقة، و الذي لا يزال عاملاً مقيداً في العمليات البايولوجية. من ناحية أخرى، قد يؤدي ضخ الغاز بكميات كبيرة الى فقدانه إذا لم تستهلكه الكائنات الدقيقة بالكامل. في هذه الدراسة، تمت زراعة الطحالب الدقيقة على مرحلتين و مقارنتهما: المرحلة الأولى تم حقن ٥ مل من المحلول الكاربوني في دورق مخروطي، و المرحلة الثانية تم ضخ ٥ لتر/ساعة في مفاعل الرفع الهوائي الحيوي مع زيادة وقت الضخ، حيث يتم ذلك عن طريق ضخ غاز ثاني اوكسيد الكاربون بنفس معدل التدفق من يوم لأخر، و لكن مع زيادة وقت الضخ بمقدار ٣٠ ثانية، بدءاً من ضخ الغاز لمدة دقيقة واحدة حتى الوصول الى ٧ دقائق. أظهرت النتائج ان مفاعل الرفع الهوائي الحيوي يُعطي معدل نمو أعلى للطحالب الدقيقة مقارنةً بالمُنتج في دورق مخروطي. بلغ أقصى تركيز للكتلة الحيوية ٥ غرام/ لتر في مزرعة مفاعل الرفع الهوائي الحيوي، بمعدل نمو نوعي أقصى قدره ٠،٣٢٤ يوم-١، بينما بلغ ١،٠٧٩٩ غرام/لتر في مزرعة الدورق المخروطي بمعدل نمو نوعي قدره ٠،١٨٧ يوم-١، مما يُظهر أهمية مفاعل الرفع الهوائي الحيوي في زراعة الطحالب الدقيقة. كما وجُد أن تركيب الداخلي للكتلة الحيوية في مزرعة مفاعل الرفع الهوائي الحيوي هو الأفضل، حيث بلغت كمية الدهون و الكاربوهيدرات و البروتينات (٢،٠٦؛ ١،٤٣؛ و ١٨،٠٣غرام لكل ٣٠ غرام من الكتلة الحيوية الجافة) على التوالي، بينما بلغ التركيب الداخلي لمزرعة التحكم (٠،٠٠٥٣٨٦؛ ٠،٠٠٤٢٨؛ و ٠،٠٥٧٥ غرام/لتر) على التوالي. أظهر معامل نقل الكتلة الحجمي أنه مع زيادة زمن الضخ، يزداد معامل نقل غاز الأوكسجين حتى يصل الى ١،٠٣٩٧ ثانية -١. كما تم الحفاظ على قيمة الرقم الهيدروجيني عند حوالي ٧، و هي القيمة المناسبة لزيادة معدل النمو.
Keywords
انتقال المادة، مفاعل الرفع الهوائي الحيوي، الطحالب الدقيقة، ضخ، ثاني اوكسيد الكاربون