Assessment of Purple Phototrophic Bacteria growth in a continuous flow photobioreactor

To date, the environmental challenges that humanity is facing have called for the development of increasingly cutting-edge technologies in wastewater (WW) treatment. Value- added approaches are required, and purple phototrophic bacteria (PPB) can be a very powerful tool that can recover resources from WW, such as a wide group of commodities (bioplastics, biohydrogen, and single-cell proteins). However, it is crucial to ensure that PPB are provided with the optimal working conditions as to guarantee process sustainability. In this framework, a lab-scale continuous stirred tank reactor was used, and the research aimed to (i) determine biomass productivity under varying organic loads, (ii) evaluate the influence of infrared light on biomass growth, and (iii) estimate the kinetic parameters by software modeling. The latter assessment was performed on AQUASIM, which is a software that simulates aquatic systems. Three experiments were carried out: one under unlimited substrate (3758 mgCOD·L-1), a second at a substrate concentration that resulted in partial growth limitation (250 mgCOD·L- 1), and a third in which the biomass was purposely stressed (150 mgCOD·L-1). Under unlimited substrate, the highest PPB concentration was achieved (200 mgTSS·L-1), while limiting conditions led the concentration to decrease at 60 mgTSS·L-1. Light penetration, which was modelled according to the Beer-Lambert law and accounted in the model via Aiba and Haldane functions, proved to be of high importance but difficult to optimize. The tradeoff between the substrate introduced to the system and the average light in the photobioreactor (PBR) has revealed how the latter had a greater influence on PPB growth rate: indeed, the highest growth rate (0.41 ± 0.02 d-1) was observed at the lowest COD availability (150 mgCOD·L-1) and at the highest light intensity (16 W·m-2). To reduce the loss of usable light throughout PBR depth, it is concluded that the top-illuminated PBR cannot be thicker than 5 cm. Lastly, PPB growth parameters were estimated through modeling, and a method for assessing the half-saturation constant of sodium acetate was proposed, which provided an estimate of 22 ± 2 mgCOD·L-1.

Le sfide ambientali che l'umanità sta affrontando hanno richiesto lo sviluppo di tecnologie all'avanguardia nel trattamento delle acque reflue (WW). I batteri fototrofi viola (PPB) rappresentano uno strumento potente, in grado di recuperare risorse dalle acque reflue, come bioplastiche, bioidrogeno e proteine monocellulari. Tuttavia, bisogna garantire ai PPB un ambiente di crescita in grado di assicurare la sostenibilità del processo. Dunque, è stato utilizzato un reattore continuo a vasca agitata a scala di laboratorio e la ricerca mirava a (i) determinare la produttività della biomassa in presenza di carichi organici variabili, (ii) valutare l'influenza della luce infrarossa sulla crescita della biomassa e (iii) stimare i parametri cinetici mediante modellazione software. Quest'ultima valutazione è stata eseguita su AQUASIM, un software che simula i sistemi acquatici. Sono stati condotti tre esperimenti: uno con substrato illimitato (3758 mgCOD·L-1), un secondo con una concentrazione di substrato che ha portato a una parziale limitazione della crescita (250 mgCOD·L-1) e un terzo in cui la biomassa è stata volutamente stressata (150 mgCOD·L-1). In condizioni di substrato illimitato, è stata raggiunta la massima concentrazione di PPB (200 mgTSS·L-1), mentre le condizioni di limitazione hanno portato la concentrazione a diminuire a 60 mgTSS·L-1. La penetrazione della luce, modellata secondo la legge di Beer-Lambert e considerata nel modello attraverso le funzioni di Aiba e Haldane, si è rivelata di grande importanza ma difficile da ottimizzare. Il compromesso tra il substrato introdotto nel sistema e la luce nel fotobioreattore (PBR) ha rivelato come quest'ultima fosse più influente sul tasso di crescita dei PPB: infatti, il tasso più elevato (0,41 ± 0,02 d-1) è stato osservato alla più bassa disponibilità di COD (150 mgCOD·L-1) e alla più alta intensità di luce (16 W·m-2). Per ridurre la perdita di luce utilizzabile lungo l’altezza del PBR, si conclude che esso non debba essere più spesso di 5 cm. Infine, vengono stimati i parametri cinetici e viene proposta una stima della costante di semi-saturazione dell'acetato di sodio (stimata a 22 ± 2 mgCOD·L-1).