The impact of light intensity on the growth of a mixed culture of purple phototrophic bacteria : experimental and modelling assessment

Purple Phototrophic Bacteria (PPB) are gaining attention of research in the resource recovery field due to the need for sustainable development. These microorganisms are indeed able to remove various pollutants from wastewater anaerobically, recovering valuable products using light as source of energy. The lack of knowledge about the effect of light on the growth of PPB represents an obstacle to the optimization of the design of photobioreactors (PBR) for their cultivation, which is a key factor in maximizing biomass production. This study aims to provide a thorough understanding of the light intensity-PPB biomass growth relationship through the development of a novel improvement to the Photo-Anaerobic Model (PAnM) that enables the simulation of light inhibition in the presence of excessive light intensities. In order to provide an accurate description of the effect of light intensity, batch experiments were conducted at a temperature of 30°C, applying four different incident light intensities (10, 20, 40, and 60 W/m^2) at a wavelength of 850 nm, using sodium acetate as substrate. In order to implement the simulation of light inhibition phenomena, two different models were tested: the Aiba’s function of light and the Haldane’s function of light, which have been largely applied to the modelling of photosynthetic systems. From the comparison between the Haldane and Aiba models, it emerged that the Aiba model describes the experimental data with greater precision, thus determining its implementation in the new modified PAnM. Hence, an optimal average light intensity value for PPB growth has been estimated to be about 23.42 W/m^2, while the obtained kinetic parameters include a maximum growth rate (μ_max) of about 4.24 d^(-1), a biomass yield (Y_PPB) of 1 mgCOD/mgCOD, biomass decay constant (k_dec) of about 0.03 d^(-1), light saturation constant (K_(S,I)) of 2.13 W/m^2, and light inhibition constant (K_(i,I)) of about 257.78 W/m^2. Finally, the estimated parameters were used to develop a nomogram through a multi-layer approach, which is proposed as a preliminary tool to optimize flat-plate reactor design for PPB cultivation.

I batteri fototrofici viola (Purple Phototrophic Bacteria, PPB) stanno guadagnando l'attenzione della ricerca nel campo del recupero delle risorse a causa della necessità di raggiungere uno sviluppo sostenibile. Questi microrganismi sono infatti in grado di rimuovere anaerobicamente vari inquinanti dalle acque reflue, permettendo di recuperare materiali di valore, utilizzando la luce come fonte di energia. La mancanza di conoscenze circa l'effetto della luce sulla crescita dei PPB rappresenta un ostacolo all'ottimizzazione della progettazione di fotobioreattori (Photobioreactor, PBR) per la loro coltivazione, che rappresenta un fattore chiave per massimizzare la produzione di biomassa. Questo studio mira a fornire una comprensione approfondita della relazione tra intensità luminosa e crescita della biomassa di PPB attraverso lo sviluppo di un nuovo miglioramento del Modello Foto-Anerobico (Photo-Anaerobic Model, PAnM) che consente di simulare l'inibizione della luce in presenza di intensità luminose eccessive. Per fornire una descrizione accurata dell'effetto dell'intensità luminosa, sono stati condotti esperimenti in batch a una temperatura di 30°C, applicando quattro diverse intensità di luce incidente (10, 20, 40 e 60 W/m^2) a una lunghezza d'onda di 850 nm, utilizzando acetato di sodio come substrato. Per implementare la simulazione dei fenomeni di inibizione, sono state testate due diverse funzioni dell’intensità luminosa: il modello di Aiba e il modello di Haldane, largamente utilizzati per la modellizzazione di sistemi fotosintetici. Dal confronto tra i due modelli, è emerso che il modello di Aiba descrive i dati sperimentali con maggiore precisione, determinando così la sua implementazione nel nuovo PAnM modificato. È stato quindi stimato un valore ottimale di intensità luminosa media per la crescita di PPB pari a circa 23,42 W/m^2, mentre i parametri cinetici ottenuti includono un tasso di crescita massimo (μ_max) di circa 4,24 d^(-1), una resa in biomassa (Y_PPB) di 1 mgCOD/mgCOD, una costante di decadimento della biomassa (k_dec) di circa 0,03 d^(-1), una costante di saturazione della luce (K_(S,I)) di 2,13 W/m^2 e una costante di inibizione della luce (K_(i,I)) pari a circa 257,78 W/m^2. Infine, i parametri stimati sono stati utilizzati per sviluppare un nomogramma attraverso un approccio multistrato, che viene proposto come strumento preliminare per ottimizzare la progettazione di reattori a piastra piana per la coltivazione di PPB.