Μελέτη βελτίωσης παραγωγικότητας της αυτότροφης καλλιέργειας του μικροφύκους Chlorella sorokiniana σε κυκλική δεξαμενή ημι-πιλοτικής κλίμακας
Creators: name: Καρούσης, Αθανάσιος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μικροφύκοι
Ημι-συνεχής λειτουργία
Ημι-πιλοτικό σύστημα καλλιέργειας
Microalgae
Semi-continuous operation
Semi-pilot culture system

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η παραγωγικότητα της αυτότροφης καλλιέργειας του μικροφύκους Chlorella sorokinian σε ανοιχτή κυκλική δεξαμενή ημι-πιλοτικής κλίμακας χωρητικότητας 100L, εστιάζοντας στην συνολική παραγωγή βιομάζας με εφαρμογή διαφόρων πολιτικών ημι-συνεχούς λειτουργίας και σύγκρισης μεταξύ τους και με την ασυνεχή λειτουργία. Εφαρμόστηκαν οι ακόλουθες συνθήκες καλλιέργειας: θερμοκρασία 25οC, ένταση φωτός 8000Lux, αερισμό 20L/min, ανάδευση 15rpm, ημερήσια ρύθμιση του pH στην τιμή 7 (2 φόρες ανά ημέρα), φωτο-περίοδος 16h φως - 8h σκοτάδι. Κάθε πείραμα διήρκησε 21 ημέρες. Το θρεπτικό μέσο των καλλιεργειών ήταν ΒΒΜ, εμπλουτισμένο με όξινο ανθρακικό νάτριο (NaHCO3) συγκέντρωσης 750mg/L. Η πορεία αύξησης της καλλιέργειας παρακολουθούνταν μέσω μετρήσεων οπτικής απορρόφησης και ξηρού βάρους. Κάθε 4 ημέρες γινόταν λήψη δείγματος για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό της βιομάζας σε λιπίδια, υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και χρωστικές (χλωροφύλλες και καροτενοείδη). Στις πειραματικές δοκιμές εξασφαλίστηκε επάρκεια αζώτου στην καλλιέργεια μέσω συμπληρωματικών δόσεων NaNO3 και η παρουσία ανόργανης πηγής άνθρακα στην καλλιέργεια μέσω προσθήκης δόσεων NaHCO3. Εφαρμόστηκε πρωτόκολλο αντιμετώπισης επιμολυντών, βασιζόμενοι στην εφαρμογή ακραίων τιμών pH για σύντομο χρονικό διάστημα. Κατά την εκτέλεση "θεραπείας pH" γινόταν ρύθμιση του pH σε τιμή 3 (για 10min) ή σε τιμή 12 (για 20min). Η λήψη απόφασης για την εφαρμογή "θεραπείας pH" γινόταν μετά από εντοπισμό επιμολυντών κατά την παρατήρηση δείγματος καλλιέργειας σε οπτικό μικροσκόπιο. Εκτελέστηκαν τέσσερις πειραματικές δοκιμές. Στην 1η πειραματική δοκιμή, εφαρμόστηκε ασυνεχής λειτουργία και στις υπόλοιπες τρεις πειραματικές δοκιμές εφαρμόστηκαν διαφορετικές πολιτικές ημι-συνεχούς λειτουργίας. Κατά την 2η πειραματική δοκιμή εφαρμόστηκε ημι-συνεχής λειτουργία από την 5η ημέρα καλλιέργειας μέσω τμηματικής εκροής 10% (2 φόρες * 5% ανά ημέρα) του όγκου της καλλιέργειας και αναπλήρωσης του όγκου με φρέσκο θρεπτικό μέσο. Κατά την 3η πειραματική δοκιμή εφαρμόστηκε ημι-συνεχής λειτουργία από την 5η ημέρα καλλιέργειας μέσω εφάπαξ εκροής 10% του όγκου της καλλιέργειας και αναπλήρωσης του όγκου με φρέσκο θρεπτικό μέσο, ενώ κατά την 4η πειραματική δοκιμή, η ημι-συνεχής λειτουργία εφαρμόστηκε από την 11η ημέρα μέσω εφάπαξ εκροής 10% του όγκου της καλλιέργειας. Η μέγιστη συνολικά παραγόμενη βιομάζα ανήλθε σε 130g, μέσω εφαρμογής ημι-συνεχούς λειτουργίας από την 5η ημέρα καλλιέργειας (2η &amp; 3η πειραματική δοκιμή), ανεξάρτητα από την εφαρμογή τμηματικής ή εφάπαξ εκροής– αναπλήρωσης 10% του όγκου της καλλιέργειας. Μέσω της εφαρμογής ημι-συνεχούς λειτουργίας από την 5η ημέρα καλλιέργειας επιτεύχθηκε αύξηση της συνολικά παραγόμενης βιομάζας κατά 40% σε σύγκριση με την ασυνεχής λειτουργία, ενώ κατά την εφαρμογή ημι-συνεχούς λειτουργίας από την 11η ημέρα, η αύξηση που καταγράφηκε σε σύγκριση με την ασυνεχή λειτουργία ήταν 17%. Η ποσοστιαία σύσταση της βιομάζας στα τρία μακρομόρια ήταν σταθερή μεταξύ των πειραματικών δοκιμών και μεταξύ των ημερών καλλιέργειας. Η σύσταση της βιομάζας του μικροφύκους Chlorella sorokiana σε πρωτεΐνες, λιπίδια και υδατάνθρακες ήταν 56, 19 και 25%, αντίστοιχα. Η τελική συγκέντρωση των χλωροφυλλών (α- &amp; β-) και των καροτενοειδών κυμαίνεται μεταξύ 15-22 και 1-2mg/L, αντίστοιχα για το σύνολο των πειραμάτων. Οι ‘θεραπείες pH’ αναδεικνύονται αποτελεσματικές για τον έλεγχο των επιμολυντών (κυρίως πρωτόζωα) της καλλιέργειας
description: In the current thesis the productivity of autotrophic cultivation of the microalgal Chlorella sorokiniana in an open semi-pilot circular pond, with capacity of 100L is being examined, focusing in total biomass productivity with the application of different semi-continuous policies and comparing them between them and with the batch operation. The culture conditions in every experiment were: temperature 25oC, light intensity 8000 Lux, aeration 20 L/min, agitation 15 rpm, daily pH regulation to 7 (twice per day), 16h-8h light and dark period. Every experiment lasted 21 days. The culture media was BBM, enriched with sodium bicarbonate (NaHCO3) with concentration 750mg/L. The culture growth was monitored through optical density measurements and dry cell weight. Moreover, culture sampling was performed every 4 days for the quantitative characterization in lipids, carbohydrates, proteins and pigments (chlorophyll and carotenoids). In every experiment the abundance of nitrogen was ensured through supplement dosage of NaNO3 and the presence of inorganic carbon in the culture through the addition of new dosages of NaHCO3. A contamination treatment protocol was applied based on the application of extreme pH conditions for a short duration. During the application of "pH treatment", the pH value was regulated either to the value of 3 (for 10 minutes) and either to the value of 12 (for 20 minutes). The decision making for the "pH treatment" application was done after the observation of contaminants during the sampling of the culture with an optical microscope. In total, four experiments were executed. During the 1st experiment, batch culture condition were performed, while the rest three experiments were under different semi-continuous policies. During the 2nd experiment, the semi-continuous cultivation started in the 5th day of cultivation, via partly draining 10% (2 times of 5% every day) of culture volume and simultaneous replacement of the same volume with fresh medium. During the 3rd experiment, the semi-continuous cultivation started in the 5th day of cultivation, via one time draining of 10% of culture volume and simultaneous replacement of the same volume with fresh medium, while during the 4th experiment, the semi-continuous cultivation started in the 11th day, via one time draining of 10% of culture volume and replacement with fresh medium. The maximum total biomass production reached 130g, via semi-continuous cultivation from the 5th day of culture (2nd &amp; 3rd experiment), independently of partly or one time draining-replacement of 10% of culture volume. Through the application of starting semi-continuous cultivation by the 5th day, an increase of total biomass production by 40% was achieved, in comparison with the batch culture, while during the application of semi-continuous at the 11th day, the increase that was recorded in comparison with the batch culture was 17%. The percentage composition of the microalgae Chlorella sorokiniana biomass in proterins, lipids and carbohydrates was 56, 19, 25%, respectively. The final concentration of chlorophyll (a &amp; b) and carotenoids fluctuates between 15-22 and 1-2mg/L, respectively for the sum of the experiments. The "pH treatment" that were performed, are highlighted effective for controlling contaminants (mainly protozoa) of the culture.