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清华大学陶益课题组《Bioresource Technology》:DIW直写3术助力高性D生物打印技能的固定化微藻颗粒

清华大学陶益课题组《Bioresource Technology》:DIW直写3术助力高性D生物打印技能的固定化微藻颗粒

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2022-05-25 11:18
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【概要描述】

清华大学陶益课题组《Bioresource Technology》:DIW直写3术助力高性D生物打印技能的固定化微藻颗粒

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      微藻是一种古老的生命体,微藻能够高效地利用光能、二氧化碳和水进行光合作用,基于海藻酸盐的固定化微藻培养体系相对于悬浮液体系,具有更好的抗污染能力以及更高的生物质产出,因此是一项颇具潜力的发展方向。但是,由于遮蔽效应和颗粒软化效应,目前的固定化微藻技术在连续生产的过程中会面临营养素移除效率下降、生物质产出衰减等问题。

      近日,清华大学深圳研究生院陶益副教授课题组,该论文以海藻酸钠凝胶作为基体,结合DIW直写3D生物打印技术 (Adventure-3D-LB-Printer),制备了大量的尺度均一的海藻酸钠微藻固定化颗粒。然后全面研究了其营养素移除和生物质积累的性能,如图1所示。在五次循环测试中,水体中的氨 (NH3-N) 和磷 (PO43--P) 被逐步移除。其中氨的移除效率在最初的5天维持在55%以上,磷的移除率逐步变化,分别为4.83, 3.06, 2.75, 1.34, 0.55 mg/L⋅d。

图1、半连续测试循环中NH3-N (a)、 PO43--P (b)、TOC/IC/TC (c) 的浓度变化;(d) 半连续测试循环中细胞密度和固定化颗粒的干重;(e) 在iMBR连续操作时流入液和流出液中NH3-N 和PO43--P的残余浓度。

 

图2、激光共聚焦显微镜 (a) 和透射电子显微镜 (b) 原位观测凝胶颗粒中的固定化微藻细胞;(c) 40 ℃ 和 105 ℃ 脱水条件下,固定化微藻颗粒的干重和水移除效率;(d) 24-25 ℃ 和 68-71%湿度的脱水条件下,固定化微藻颗粒的干重和水移除效率。

最终,这项研究实现了固定化微藻颗粒在废水处理,微藻培育、诱发、捕集、脱水等全过程以及在各个过程中的效用的综合调研。该体系在半连续和连续操作条件下均实现了高营养素移除效率。固定化的C. vulgaris在培养两天后可以将生物质浓度提升4.75倍。然后,研究人员通过原位诱导海藻酸钠颗粒中的固定化的微藻细胞,合成了重要的脂质和淀粉产物。最后,该微藻固定化颗粒可以通过简单的重力沉降法被捕集然后在温和的条件下脱水。总之,该研究系统地阐述了固定化微藻的潜力,并且为固定化微藻的未来发展阐明了方向。

      值得注意的是,该项工作利用了深圳奇遇科技有限公司生产的定制精细直写生物3D打印设备多通道水凝胶喷头(图3),用海藻酸钠制备了微藻固定化颗粒(图4),在水体营养物高效去除的同时,实现了生物质的快速生长和高附加值产物的积累。利用该设备,能实现颗粒制备的高效性、均一性,同时具有连续打印的功能。通过软件操控和制备方法的优化,还能实现特定形状的固定化结构。

 

图3、定制直写3D打印设备多通道水凝胶喷头

 

图4、3D打印技术制备的固定化微藻颗粒(摘自清华大学深圳国际研究生院2021宣传片)

 

       深圳奇遇科技有限公司(Shenzhen Adventure Tech. Co., Ltd.)是一家专注于3D打印技术与应用开发的高新技术企业,集合了来自清华大学和海外留学归来的博士研发团队,在3D打印领域深耕多年,在深圳、佛山设有研发、生产基地。已被国内众多高校、科研院所和企业用户采用,助力客户探索新方向、开拓新应用、挖掘新材料,开发新产品,助推客户的材料研发、生产向科技化、数字化和智能化方向发展。

该研究成果为洪量制备固定化微藻颗粒提供了新的研究思路,以“Performance of an immobilized microalgae-based process for wastewater treatment and biomass production: Nutrients removal, lipid induction, microalgae harvesting and dewatering” 为题发表在Bioresource Technology(IF=9.6)。

 

论文链接为:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127298

 

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