Biofilmireaktorit mikroleväbiomassan tuotannossa ja ravinteiden talteenotossa: Kantaja-aineen vaikutus kasvuun

Abstract

Mikrolevät ovat yksisoluisia organismeja, joiden biomassasta voidaan valmistaa monia hyödyllisiä tuotteita. Niiden korkean lipidipitoisuuden ansiosta ne voisivat soveltua esimerkiksi biopolttoaineiden raaka-aineeksi. Biofilmireaktorissa mikrobit kasvavat kiinteän kantaja-aineen pinnalla geelimäisessä rakenteessa, jota kutsutaan biofilmiksi. Biofilmissä mikrobien tiheys on huomattavasti suurempi verrattuna siihen, että ne kasvaisivat yksittäisinä soluina suspensiossa. Mikrolevien tuottaminen biofilmireaktorissa suspensioreaktorin sijaan tarjoaakin ratkaisun biomassan edullisempaan keräämiseen. Yhdistämällä mikrolevien tuotanto osaksi jätevedenkäsittelyä voitaisiin ottaa tärkeitä ravinteita talteen ja hyödyntää tuotettu biomassa esimerkiksi lannoitteena. Kantaja-aineella, jolle biofilmi muodostuu, on merkittävä rooli biofilmireaktorin toiminnassa. Tässä työssä tehdään kirjallisuuskatsaus siihen, miten kantaja-aineena käytetyn materiaalin ominaisuudet vaikuttavat mikrolevien kiinnittymiseen, biofilmin muodostumiseen ja kasvuun. Lisäksi tarkastellaan, kuinka materiaali vaikuttaa reaktorin toimintaan, mikä on materiaalin käyttöikä ja kuinka tehokkaasti biomassa saadaan kerättyä talteen.

Jätevedenkäsittelyssä käytettävien biofilmireaktorien olosuhteet ovat heterotrofiset, eli niissä kasvatettavat mikrobit käyttävät ravinnokseen orgaanisia hiilenlähteitä. Biomassan keräämiseen ei ole näissä reaktoreissa kiinnitetty huomiota, sillä ne ovat tarkoitettu vain jäteveden puhdistukseen biomassan tuottamisen sijasta. Mikrolevät tarvitsevat kasvuunsa valoa ja hiilidioksidia, eli tällä hetkellä käytössä olevat biofilmireaktorit eivät sovellu suoraan niiden kasvattamiseen. Biofilmireaktoreita, jotka sopivat mikrolevien tuottamiseen, kehitetään yhä.

Mikrolevien muodostamia biofilmejä on tutkittu vasta vähän, eikä kantaja-aineen ja mikrolevien välistä vuorovaikutusta tunneta vielä tarkasti. Biofilmin muodostumisen mallintaminen perustuu kantaja-aineen ja mikrolevän pinnan fysikaalis−kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten hydrofobisuuteen, jonka on havaittu korreloivan mikrolevien kiinnittymisnopeuden kanssa. Kantaja-aineen karkeus on toinen merkittäväksi havaittu tekijä, jota voidaan hyödyntää mallintamisessa. Kantaja-aineen vaikutuksista biofilmin kasvuvaiheessa on vasta hyvin vähän tietoa. Toimivaa mallia biofilmin muodostumisen ennustamiseen ei vielä ole olemassa, mutta sellaisen löytäminen edistäisi biofilmireaktorien kehittämistä, sillä yksittäisten materiaalien testaaminen kantaja-aineena on hidasta.

Työssä käsitellään tarkemmin neljän eri materiaalin ominaisuuksia ja niiden soveltuvuutta kantaja-aineeksi biofilmireaktoriin. Tarkasteltavat materiaalit ovat akryyli, nylon, polykarbonaatti ja puuvilla. Eri tutkimuksissa mikroleviä on kasvatettu hyvin erilaisissa olosuhteissa, mikä tekee materiaalien vertailusta haastavaa. Kaikki tarkasteltavat materiaalit soveltuvat kantaja-aineiksi, mutta lupaavimpia tuloksia biomassan tuottavuudessa on saatu puuvillalla. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan, jotta voidaan ymmärtää paremmin, miten kantaja-aine vaikuttaa biofilmireaktorin toimintaan.