Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

Amanda L. Karam; Catherine C. McMillan; Yi-Chun Lai; Francis L. de los Reyes III; Heike W. Sederoff; Amy M. Grunden; Ranji S. Ranjithan; James W. Levis; Joel J. Ducoste

doi:10.3791/55545

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioengineering

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten

Published: June 14, 2017

doi:

10.3791/55545

Amanda L. Karam¹, Catherine C. McMillan¹, Yi-Chun Lai¹, Francis L. de los Reyes III¹, Heike W. Sederoff², Amy M. Grunden², Ranji S. Ranjithan¹, James W. Levis¹, Joel J. Ducoste¹

¹Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering,North Carolina State University, ²Department of Plant and Microbial Biology,North Carolina State University

Summary

Dit document beschrijft het montageproces en de werking van een fotokinetische biotactor met een schaalvergroting, die in combinatie met andere methoden kan worden gebruikt om de relevante kinetische groeiparameters te schatten. Dit systeem controleert de pH, het licht en de temperatuur voortdurend met behulp van sensoren, een dataverzamelings- en besturingseenheid en open-source data acquisition software.

Abstract

Het optimale ontwerp en de werking van fotosynthetische bioreactoren (PBR's) voor microalgenteelt is essentieel voor het verbeteren van de milieu- en economische prestaties van biobrandstofproductie op basis van microalgae. Modellen die microalgegroei onder verschillende omstandigheden schatten, kunnen helpen om het ontwerp en de werking van PBR te optimaliseren. Om effectief te zijn, moeten de groeiparameters die in deze modellen worden gebruikt nauwkeurig bepaald worden. Algalgroei experimenten worden vaak beperkt door de dynamische aard van de cultuuromgeving, en controlesystemen zijn nodig om de kinetische parameters nauwkeurig te bepalen. De eerste stap in het opzetten van een gecontroleerde batch-experiment is live data acquisitie en monitoring. Dit protocol beschrijft een proces voor de montage en werking van een bench-scale fotosynthetische bioreactor die gebruikt kan worden om microalgegroei-experimenten uit te voeren. Dit protocol beschrijft hoe u een platte, platte PBR van acryl kunt opbouwen en monteren. Het geeft ook informatie over hoe u kunt configurerenRe een PBR met continue pH, licht en temperatuur monitoring met behulp van een data-acquisitie en controle-eenheid, analoge sensoren en open-source data acquisitie software.

Introduction

Door de toenemende bezorgdheid over de wereldwijde klimaatverandering en eindige fossiele brandstoffen hebben regeringen regeringen ontwikkeld om het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen en de ontwikkeling van nieuwe duurzame transportbrandstoffen aan te moedigen. Het Amerikaanse Milieubeschermingsagentschap heeft de Hernieuwbare Brandstofstandaard (RFS) ontwikkeld, die vereist dat 36 van de jaarlijkse 140 miljard liter van de Amerikaanse transportbrandstofmix afkomstig zijn uit hernieuwbare brandstoffen in 2022. Innovatieve en transformatieve technologieën zullen nodig zijn om deze en Toekomstige hernieuwbare energie normen ¹ .

Het gebruik van biobrandstoffen op basis van microalgae heeft het potentieel om te helpen bij de nationale RFS, terwijl de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd ² . Microbiologische biobrandstoffen hebben meerdere voordelen in vergelijking met biobrandstoffen van de eerste generatie, gebaseerd op aardse voedingsgewassen, zoals maïs en sojabonen. In tegenstelling tot de eerste generatie biobrandstoffen, algen-bAangezien biobrandstoffen minder land-, water- en voedselgerelateerde hulpbronnen verbruiken, aangezien algen het hele jaar door en op onvruchtbaar gebied kunnen worden gebruikt met zoutwater of afvalwater. Microalgen hebben hoge groeitempo's in vergelijking met aardse gewassen en kunnen hoge lipidengehalten ophalen, die gemakkelijk omgezet kunnen worden naar biodiesel ³ . Momenteel bestaan er geen industriële schaal algen-biobrandstoffen planten door de hoge kosten van de energie-intensieve productieprocessen, die bestaan uit algencultivatie, lipidseparatie en lipide-raffinage in biodiesel. Meer onderzoek is nodig om deze processen efficiënter en duurzamer te maken.

PBR's, die optisch heldere, afgesloten installaties zijn voor de productie van fototrofe micro-organismen in een kunstmatige omgeving, worden beschouwd als een van de meest veelbelovende teeltmethoden ³ . Echter, in huidige ontwerpen ontbreekt nog steeds de volumetrische productiviteit die nodig is om de productie van algen-tot-biobrandstoffen te makenEss efficiënter en economisch aantrekkelijker ⁴ . Krachtige wiskundige modellen die lichtstraling en verzwakking, het transport van voedingsstoffen en CO ₂ overwegen en de groei van de microalgen kunnen de optimalisatie van het ontwerp en de werking van PBR sterk vergemakkelijken. Bench-scale groei experimenten zijn nodig om specifieke soorten groeiparameters voor deze optimalisatie modellen te bepalen.

Kinetische tests vereisen de zorgvuldige controle en controle van experimentele opstellingen om onbedoelde remmers van groei te voorkomen. Gezien de fotosynthetische aard van algen ( dat wil zeggen hun verbruik van CO ₂ en absorptie van licht), is het onderhouden van gecontroleerde omstandigheden bijzonder moeilijk in de PBR's op bankschaal. Zoals afgebeeld in vergelijking 1 , wordt de hoeveelheid opgelost CO ₂ in het groeimedium, gewoonlijk aangeduid als ( Vergelijking 2 ), zal minimaal a zijnFunctie van: 1) de CO ₂ partiële druk en Henry's evenwichtskonstante, die de hoeveelheid gas dat in oplossing oplossen ( vergelijking 3 ) dicteert; 2) de initiële chemische samenstelling van het groeimedium, dat de speciatie en activiteit van de carbonaationen en pH beïnvloedt ( vergelijkingen 4 en 5 ); En 3) de temperatuur, die de vergelijkingen 3-5 beïnvloedt .

De verschillende fasen en de chemische samenstelling van koolstof vormen een uitdaging voor het meten en handhaven van een constante concentratie van opgeloste koolstof binnen een PBR whiLe houden andere condities constant ( bijv. De pH stijgt als de algen CO ₂ verbruiken en het verhogen van het opgeloste CO ₂ -substraat kan mogelijk leiden tot een zure omgeving die de groei remt) ⁶ .

Een extra laag van complexiteit om de condities te beheersen tijdens de alge-kinetische tests omvat de lichtintensiteit binnen de PBR. De gemiddelde lichtintensiteit in een PBR is een functie van niet alleen de lichtintensiteit van het incident, maar ook het ontwerp ( bijv. Materiaal, vorm, diepte en mengen), de absorptie van componenten van algenbiomassa (in het bijzonder chlorofyl) Verstrooiingseigenschappen van de algcellen. Naarmate de algen groeien, zal de gemiddelde lichtintensiteit afnemen. Deze verandering in lichtintensiteit, hetzij veroorzaakt door een toename van de totale cellen en biomassa, een toename van het gehalte aan chlorofyl per cel, of beide, kan uiteindelijk een metabolische reactie veroorzaken, zoals een toename van chlorofylproducentCtion per cel of het gebruik van koolhydraten en lipidopslagproducten voor energie ⁷ . Doorlopende controle van de lichtintensiteit van binnen de reactor levert waardevolle informatie. Deze gegevens kunnen ervoor zorgen dat de omstandigheden binnen een gespecificeerd bereik blijven en kunnen worden gebruikt om de alggroei en absorptieparameters te kunnen schatten, gecombineerd met andere metingen (biomassa, chlorofylconcentratie, reactordiepte, incidentielicht, enz. ).

Om te begrijpen hoe algen groeien onder een bepaalde set voorwaarden, moet de pH, opgeloste CO ₂ , lichtintensiteit en temperatuur worden gecontroleerd in bench-scale kinetische experimenten. Veel algengroei setups zijn niet uitgerust om de condities te monitoren voor zover nodig voor het kalibreren van kinetische modellen, waardoor het modelleringsproces uiterst uitdagend is ⁸ . Hoewel veel bedrijven PBR's met automatisering en controle bieden, deze bench-scalE-opstellingen kunnen extreem duur zijn (~ $ 20.000) en kunnen niet alle experimentele overwegingen van een gegeven onderzoeksvraag tegemoet komen.

De eerste stap in het opzetten van een controle-feedback systeem voor een batch-experiment is live data acquisitie. Dit document beoogt aan te tonen hoe u een PBR opbouwt en instelt die uitgerust is met continu licht, pH en temperatuurbewaking. Deze real-time monitoring setup kan ervoor zorgen dat de experimentele omstandigheden binnen de gewenste reeksen blijven, naar de beoordelaar van de onderzoeker. Hoewel dit protocol geen specifieke beheersmechanismen specificeert, geven deze stap-voor-stap instructies een fundamentele basis voor het benodigde gegevensverzamelingsraamwerk voordat meer geavanceerde controle-feedbacks kunnen worden geïmplementeerd.

Protocol

1. Constructeer het Bench-schaal PBR-lichaam en deksel OPMERKING: Dunaliella sp. , Een ~ 10 μm halotolerante microalgae die een celwand ontbrak, werd gebruikt als model organisme voor de constructie van deze PBR. Bepaal het PBR volume dat nodig is voor de onderzoeksbehoeften. Bepaal de experimentele doelstellingen van deze PBR. Besluit welke algemetingassays, M , nodig zijn om de groei van de algenrassen van belang te karakteriseren, inclusief het benodigde volume per assay, v ; Het aantal technische replicaten, n ; De bemonsteringsfrequentie, f ; En de duur van de experimenten, t . OPMERKING: Projectspecifieke onderzoeksvragen, algsoorten en beschikbare apparatuur bepalen de gemeten algeigenschappen, de methoden die voor deze metingen worden gebruikt en hoe vaak deze metingen worden uitgevoerd. biomassa; Celtellingen; En totaalChlorofylpigmenten, eiwitten, lipiden, koolhydraten en externe nitraatconcentratiemetingen zijn veel voorkomende manieren om groei te beoordelen, en dagelijkse bemonstering over 5-14 dagen is een gemeenschappelijke aanpak voor groeitesten 9 , 10 . Bereken het totale kweekvolume, V s , dat nodig is voor monsterneming gedurende een experiment met behulp van Equation 6 . Gebruik vergelijking 7 om een doel PBR volume, V p te berekenen , met behulp van V s van stap 1.1.3 en een maximale volume verwijderingsfractie, F. OPMERKING: Het verwijderen van minder dan een vooraf bepaalde fractie van het totale kweekvolume ( bijv. ~ 20%) kan ervoor zorgen dat de omstandigheden binnen de PBR, dwz (mengkracht, lichtverdeling, enz. ) Niet drasticaLly variëren in de loop van het experiment als het kweekvolume wordt verwijderd. Het veronderstellen van een 10-daags experiment waarbij biomassa; Celtellingen; En de totale chlorofyl-, eiwit-, lipide-, koolhydraat- en nitraatconcentraties worden dagelijks in triplicaat gemeten, gebruik een totaal bemonsteringsvolume van ~ 600 ml. Als u niet meer dan 18,75% van het totale kweekvolume wilt verwijderen, gebruik dan een totaal werkreactor volume van tenminste 3,2 L. Selecteer sensoren en accessoires voor de PBR-experimenten. Selecteer pH-, licht- en temperatuurproeven om te gebruiken voor continue monitoring. OPMERKING: Sensoren moeten compatibel zijn met de data-acquisitie-eenheid en moeten bestand zijn tegen de interne cultuuromstandigheden ( dwz pH-bereik, licht, warmte, algstoffenafval, zout, enz. ). Roestvrij staal en zout tolerante probes werden hier gekozen sinds Dunaliella sp. Zijn mariene microalgen. Selecteer een waaier ontwerp en motor om te voldoen aan de exPerimental mengvereisten. OPMERKING: Bijvoorbeeld , een low-shear axiale waaier is een goede keuze voor Dunaliella- algen, omdat ze een celwand hebben en gemakkelijk 11 kunnen scheren. Deze algen hebben flagellar bewegingen en hebben geen intens gemengd 11 nodig . Lage mengsnelheden kunnen worden bereikt met behulp van een 12 V mini-versnellingsbak. De waaier en schacht kunnen 3D-afgedrukt worden (3D-drukinformatie vindt u in de materialenlijst). Monteer het PBR-lichaam en deksel. Bepaal de afmetingen van de reactor, gebaseerd op de volumeberekeningen in stap 1.1, rekening houdend met de experimentele doelstellingen en mogelijke beperkingen ( bijv. Ruimte). OPMERKING: een PBR-ontwerp met een lagere oppervlakte-volume-verhouding heeft de voorkeur, aangezien deze vorm de lichte verzwakking door de PBR minimaliseert, waardoor een consistente lichtverdeling gedurende het experiment wordt verkregen. Snijd vijf stukjes optisch heldere castAcrylplaten (~ 0,25-0,5 in dikke) met behulp van een tafelzaag, volgens het PBR-ontwerp en de grootte die is vastgesteld in stap 1.3.1. Zorg ervoor dat de gezamenlijke randen glad zijn, maar niet afgerond, met 200 tot 400 grit schuurpapier. Bevestig de randen van de acrylstukken samen met tape en / of klemmen. OPMERKING: Acrylcement is geen lijm. Als de acrylbinding oppervlakken ruw zijn of de acrylstukken niet even uitlijnen, zal dit bindingscement niet effectief zijn. Breng in een goed geventileerde ruimte acrylcement aan langs de gewrichten door middel van een naalddispenser. De plastic oppervlakken zullen onmiddellijk vastzitten. Laat de stukken 24 uur zitten. WAARSCHUWING: Een masker en handschoenen dienen te worden gedragen om inademing en blootstelling aan de huid te voorkomen bij gebruik van acrylcement. Breng viscous acrylcement aan op de gewrichten om ervoor te zorgen dat de PBR waterdicht is. Laat het cement gedurende 24-48 uur drogen, volgens de cementinstructies; Droogtijden kunnen variëren. Vul deReactor met water om te kijken naar zichtbare lekken. Als er geen lekken zijn, plaats de reactor op papierhanddoeken en controleer het voor tekenen van lekkage na 24-36 uur. OPMERKING: Acrylplaten niet minder dan 0,5 mm dik dienen te worden gebruikt om PBR's te monteren die meer dan ~ 2 L bevatten; Dunner vellen kunnen onder waterdruk buigen en lekken veroorzaken. Pakken en re-enforcing schroeven kunnen gebruikt worden als een robuust alternatief voor acrylcement ( Figuur 1 ). Dit type montage vereist precisie machines en moet uiterst zorgvuldig worden uitgevoerd, omdat acryl gemakkelijk kan breken. Gebruik een machinewinkel om het PBR-deksel te ontwerpen, met poorten om sensoren en andere PBR-accessoires en benodigdheden ( dwz waaier, gasleidingen, bemonsteringspoorten, enz. ) Op te nemen. Zorg ervoor dat de interne componenten elkaar niet interfereren. OPMERKING: De configuratie van het PBR en PBR-deksel hangt af van reactoraccessoires en experimentele doelen. Zie figuur 1Voor een voorbeeld van een PBR-reactor en dekselontwerp (verdere details zijn te vinden in het materiaalafdeling). Dit PBR-ontwerp wordt verwezen naar de rest van het protocol. Figuur 1: Afbeelding van de aangepaste Bench-schaal PBR-instelling met sensoren en een mixer. Deze installatie toont een mixer, een elektrode die aan het deksel is bevestigd via een schroefdraad in het deksel, en een lichtsensor die is bevestigd aan een speciaal ontworpen deksel. Dit dekselontwerp omvat ook de bevestiging van een 12 V DC mini-versnellingsbak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 2. Installeer en configureer de sensoren met de Data Acquisition and Control Unit OPMERKING: Sensoren vertalen veranderingen inDe fysieke wereld in een meetbaar analoog signaal, vaak spanning. Gegevensverzamelingseenheden dienen als een interface tussen de digitale en fysieke wereld en kunnen gebruikt worden om deze analoge signalen te lezen en om te zetten in discrete waarden, zoals door een computer geïnstrueerd. De hierin beschreven gegevensverzamelingseenheid heeft een analoge ingangsresolutie van 16 bits, kan tot 14 analoge signalen (± 10 V) lezen en kan de door sommige sensoren benodigde stroom leveren (tot 5 V). Deze instructies geven een overzicht van hoe u deze gegevensverzamelings- en besturingseenheid instelt om een analoge signaal om te zetten in meer zinvolle waarden voor licht, pH en temperatuur binnen een PBR. Deze instructies geven geen belangrijke concepten aan ( dwz kwantisatie, precisie, responstijd, enz. ) Die nodig zijn om deze gemeten waarden volledig te interpreteren en de onzekerheid te kwantificeren. <br/> Figuur 2: Verbindingdiagram van sensor-naar-data-acquisitie en besturingseenheid. Dit diagram toont hoe u pH-, licht- en temperatuursensoren instelt op de gegevensverzamelings- en bedieningseenheid die voor dit protocol wordt gebruikt. Signalverwerkingskomponenten voor de pH- en lichtsensor worden getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Installeer en configureer de lichtsensor met de dataverzamelings- en besturingseenheid met behulp van een low-pass filter. OPMERKING: Zie figuur 2 voor algemene referentiediagrammen. Specificaties van de sensor van de fabrikant geven het verschil aan tussen de signaal-, stroom- en gronddraden op basis van kleur. Een laagdoorlaatfilter is een eenvoudig circuit dat een weerstand en condensator gebruikt om ongewenst geluid uit elektrische signalen te filteren. Dit type filter verzwakt elektrische signalen met frequenties hoger thaN de afsnijfrequentie zoals bepaald door de weerstand en capaciteit. Dit filter helpt om het geluid van het sensorsignaal te verwijderen of te verlichten. Gebruik draadstripers, snijd een 2 inch stuk groene connector draad; Strip 0,25 in isolatie van het ene uiteinde en ~ 0,5 in vanaf het andere uiteinde van beide stukken. Identificeer de analoge signaaluitgangskabel op de lichtsensor. Zorg ervoor dat tenminste ~ 0,25-0,50 inch metaaldraad over de draadisolatie blootgesteld worden. Draai een enkel been van de weerstand van 1.000 Ω omzichtig om de 0,5 mm afgestopte uiteinde van de verbindingsdraad. Pak het andere been van de weerstand om het blootgestelde gedeelte van de analoge signaaldiaansensor. Gebruik een soldeerbout en loodvrije soldeer om de weerstandsbenen aan de draad te solderen. Laat de soldeer gedurende 2-5 minuten afkoelen. WAARSCHUWING: De soldeer- en soldeerbouten worden extreem warm en kunnen zeer gevaarlijk zijn als gebruikers niet goed opgeleid zijn. Instructieve video's kunnen online gevonden worden. Veiligheidsbril en andere voorzorgsmaatregelen zijn uiterst belangrijk. Draden mogen tijdens dit proces niet worden aangesloten op een voedingsbron of andere apparaten. Zet een 1,5-inch stuk warmtekrimpslang over het ene uiteinde van de verbindingsdraad en schuif het stuk tot het de soldeerdraad en de weerstand bedekt. Zorg ervoor dat alle metalen onderdelen volledig bedekt zijn. Warmkrimp met behulp van een warmtepistool. Zorg ervoor dat de buis strak om weerstand en draden wikkel; Geen blote draad moet worden blootgesteld. Bevestig de aarddraad van de lichtsensor aan een vrije grond (GND) aansluiting op de dataverzamelings- en bedieningseenheid met behulp van een schroevendraaier. Bevestig het vrije einde van de signaalkabel aan een vrije analoge ingang (AIN) terminal met behulp van een schroevendraaier. Bevestig de positieve leiding van de 1.000 μF condensator ( dwz het langere been) naar dezelfde AIN-aansluiting als in stap 2.1.8 en de negatieve leiding ( dwz het kortere been) naar dezelfde GND-aansluiting als in stap 2.1.7.Zorg ervoor dat zowel het condensatorbeen als de draad stevig op de aansluiting zijn aangesloten. Identificeer de voedingsdraad van de lichtsensor en bevestig deze draad op een voedingsspanningssensor (VS) op de dataverzamelings- en bedieningseenheid. Instel en configureer de pH-elektrode met de data-acquisitie-eenheid met behulp van een unit-gain versterker en een low-pass filter. OPMERKING: Vanwege de aard van de pH-metingen ( bijv . Hoge impedantie en lage spanning) is er vaak een vereenvoudigingsversterkende buffer nodig tussen de pH-probe en het gegevensverzamelapparaat. Een low-pass filter is ook voordelig om de pH te meten, om het signaal te beschermen tegen omgevingsgeluid. Verbind de eenheidversterker versterker met de zenderdraad naar de pH-sonde. Sluit de coaxiale adapter met de positieve en negatieve poortterminals aan op het andere uiteinde van de eenheidsvorstversterker. Knip twee 6-stukjes groen en 1 ~ 12 inch piecE van zwarte connector draad met draad strippers. Strip ~ 0,25 inch isolatie van beide uiteinden van de zwarte connector draad. Strip ~ 0,25 inch en ~ 0,5 inch isolatie van de uiteinden van de groene verbindingsdraden met draadstripers. Pak het ene been van de 1000 Ω weerstand omzichtig om de 0,5-inch afgestroopte sectie van een groene connector draad. Draai het andere weerstandsbeen om de 0,5 inch gestreepte sectie van de andere groene verbindingsdraad. Gebruik een soldeerbout en loodvrije soldeer om de weerstandsbenen aan de draad te solderen. Laat de soldeer gedurende 2-5 minuten afkoelen. Zet een 1,5-inch stuk warmtekrimpslang over het ene uiteinde van de verbindingsdraad en schuif het stuk tot het de soldeerdraad en de weerstand bedekt. Zorg ervoor dat alle metalen onderdelen volledig bedekt zijn. Warmkrimp met behulp van een warmtepistool. Zorg ervoor dat de plastic strak om de weerstand en de draden wikkel; Geen blote draad moet worden blootgesteld. Beveilig het ene uiteinde van de zwarte cOnnector draad naar de negatieve (zwarte) terminal post op de co-axiale adapter. Steek het andere uiteinde van deze draad in een GND-aansluiting van de gegevensverzamelings- en bedieningseenheid en beveilig met een schroevendraaier. Bevestig het ene uiteinde van de groene connector draad (met de weerstand in serie) op de positieve (rode) aansluitpost op de coaxiale adapter. Steek het andere uiteinde van deze verbindingsdraad in een gratis AIN-aansluiting op de gegevensverzamelings- en bedieningseenheid. Identificeer de positieve leiding van de 1000 μF condensator ( dwz het langere been) en bevestig deze leiding naar dezelfde AIN-terminal als in stap 2.2.9; Zorg ervoor dat zowel het condensatorbeen als de signaaldraad stevig op de aansluiting zijn aangesloten. Bevestig de negatieve leiding van de 1.000 μF condensator ( dwz het kortere been) op dezelfde GND-aansluiting als in stap 2.2.8. Sluit de temperatuursensor aan op de gegevensverzamelings- en bedieningseenheid door het signaal, de grond en de voeding te verbindenIres van de sonde om AIN, GND en VS terminals te bevrijden. 3. Stel het Live Data Acquisitie en Experimentele Bestand op OPMERKING: De hier beschreven gegevensverzamelings- en beheersoftware communiceren met de gegevensverzamelings- en besturingseenheid om de sensorgegevens te monitoren en te loggen bij de door de gebruiker gespecificeerde tijdsintervallen. In de onderstaande instructies wordt uitgelegd hoe u een controlebestand in deze software instelt om de pH, temperatuur en licht te bewaken en op te nemen. Deze instructies zijn specifiek voor de software- en dataverzamelings- en besturingseenheid die in het materiaalafdeling staat vermeld. Verdere instructies zijn te vinden in productgebruikers handleidingen. Sluit de gegevensverzamelings- en besturingseenheid aan op een computer in de buurt van de experimentele installatie via een USB-kabel en download alle benodigde stuurprogramma's. Download en open de gegevensverzamelings- en besturingssoftware. Stel 'Conversies' voor elke sensor in de software in. OPMERKING: Om de fysieke volt te converterenLeeftijdssignaal in een zinvolle waarde, moet een aantal omzettingsfactoren, die door kalibratie worden vastgesteld, toegepast worden. Veel sensoren komen met fabriekscalibratie factoren in productspecifieke specificatiebladen. Conversievergelijkingen zijn specifiek voor de installatie en de sensoren. Veel parameters voor conversievergelijkingen, met name die voor elektroden, moeten regelmatig worden bijgewerkt via kalibratie. De levensduur van een sensor en kalibratiefrequentie hangt af van productspecifieke specificaties en de werkomgeving. OPMERKING: Gebruikers moeten deze specificaties volledig lezen en begrijpen. Tabel 1 toont conversies voor sensoren in de materialenlijst. Een voorbeeldconversie voor de temperatuursensor is hieronder getoond. Navigeer naar "Conversies" in de software werkruimte, aan de rechterkant van de hoofdpagina. Voeg een conversie naam toe, zoals 'volts_to_celsius' en typ de conversievergelijking in: (55,56 x waarde) + 255,37 – 273.15. kanaal naam Naam Conversion Vergelijking Notes Temperatuur volts_to_celsius (55,56 x waarde) + 255,37 – 273,15 Fabrieksomzettingsvergelijking om voltelen naar celsius om te zetten. Licht volts_to_PPFD Waarde x 500 Fabrikant omzettingsfactor om volts om te zetten in fotosynthetische fotonfluxdichtheid (μmol m -2 s -1 ), fabrikant LED-correctie niet toegepast. pH volts_to_pH (-17,05 x waarde) + 6,93 Kalibratie-afhankelijke conversievergelijking (Figuur 4b) om de pH-elektrode-spanningswaarden in pH-waarden om te zetten. Pas alleen de omzetting toe op pH kanaal aFter kalibratie. Tabel 1: Kanaalconversietabel voor het gegevensverzamelingsbestand. Voorbeelden van het invoeren van kanaal- en conversie-informatie voor de sensoren in de data-acquisitie software. De juiste kanalen instellen voor elke sensor in de software om sensorgegevens te verwerven. OPMERKING: Elke sensor heeft zijn eigen analoge-digitaal kanaal nodig in de software en een aangewezen analoge ingangsklem binnen de data-acquisitie- en besturingseenheid. Navigeer naar de pagina 'Channel' in de software. Voeg een sensor kanaal naam toe. Er zijn geen spatie karakters toegestaan. Selecteer het juiste apparaat om gegevens te verzamelen voor het desbetreffende kanaal; Dit apparaat komt overeen met het gegevensverzamelapparaat. Voer het apparaatnummer in dat gebruikt wordt om de gegevensverzameling en de besturingseenheid of andere te verwijzenData-acquiring device; Als er maar één eenheid wordt gebruikt, is het standaardnummer vaak nul. Selecteer analoog-digitaal, "A naar D", voor het input-output type ("I / O Type") en voer het kanaalnummer in dat overeenstemt met het AIN-aansluitnummer op de gegevensverzamelings- en besturingseenheid Voer de gewenste steekproef in "Timing" (s); Deze waarde geeft aan hoe vaak het sensorsignaal wordt gelezen. Input 1.0 om elke 1 s een lezing te verwerven. Naar gemiddelde data over 1 minuut intervallen voorafgaand aan het loggen, controleer dan het "Gem" vak en geef 60 voor de gemiddelde lengte aan. Selecteer de juiste conversie in het vervolgkeuzemenu, indien van toepassing (zie stap 3.3 om conversies te genereren); Anders worden alle kanaalgegevens weergegeven als een spanning. Stel de "Logging Set" op om de experimentele gegevens in te loggen. Navigeer naar het "Logpaneel" binnen de software werkruimte, voeg eenEw logging set, en noem de set dienovereenkomstig. Selecteer het output bestandstype en de locatie; Het ASCII-bestandstype geeft een komma-gescheiden waarde bestand indien de extensie '.csv' is opgegeven in de uitvoerbestandsnaam. Voeg alle gewenste kanalen toe om in te loggen op deze set. Start en stop met het loggen als gewenst door met de rechtermuisknop op de loggingvolgorde in het werkruimte te klikken en selecteer de gewenste optie. OPMERKING: Probeer het bestand niet te openen bij het activeren van gegevens. Deze actie kan het logboekproces verstoren. De bestandslocatie voor continu gelogde bestanden mag niet worden opgeslagen / geschreven binnen een cloud directory. Stel de "Pagina" op om de data en grafieken weer te geven. Navigeer naar het scherm "Pages" in de software werkruimte. Klik op een van de standaard blanco pagina's. Als u een sensoruitvoer numeriek op pagina wilt weergeven, voegt u een scherm met variabele waarde toe aan de pagina. tuigHt-klik ergens op de blanco pagina, selecteer 'Displays' en klik op de optie 'Variabele waarde'; Er verschijnt een kleine doos op het scherm. Klik met de rechtermuisknop op dit nieuw gemaakte vak en selecteer 'Eigenschappen'. Typ het schermtekst (bijvoorbeeld 'Temperatuur in Reactor'), de kanaalreferentie (bijvoorbeeld 'Temperatuur [0]') en de bijbehorende eenheden (bijv. 'Celsius'). Klik op "OK" en ga terug naar de displaypagina. Om de sensorgegevens grafisch en real-time weer te geven, voeg een 2D-grafiek toe op de displaypagina. Klik met de rechtermuisknop ergens op de blanco pagina en selecteer "Grafieken" en dan "2-D grafieken;" Op het scherm verschijnt er een kleine plot. Klik met de rechtermuisknop op de nieuw gemaakte grafiek en kies 'Eigenschappen'. Typ in het tabblad 'Traces' de gewenste sensorkanaalnaam (bijv. 'Temperatuur') in het vak voor 'Y Expression:' en zorg ervoor dat 'Time' is geschrevenN in het vakje voor "X Expression :." Klik op "OK" en ga terug naar de displaypagina. 4. Kalibreer de pH-sonde OPMERKING: De pH-kalibratie moet vóór elk experiment worden uitgevoerd, bij de beoogde temperatuur van het experiment en de conversies van de pH- kanaal moeten dienovereenkomstig worden bijgewerkt. PH-elektrode-aflezingen kunnen tijdens experimenten drijven; Om de omvang van deze drift te bepalen, herhaal het kalibratieproces na het uitvoeren van de experimentele opstelling en vergelijk de aflezingen. PH-elektroden moeten in de juiste opslagoplossing voor en na de experimenten op de juiste wijze worden opgeslagen, zoals aangegeven door de fabrikant. Sluit de pH- en temperatuursensoren aan, zoals beschreven in stap 2. Plaats zowel de pH-elektrode als de temperatuursonde in pH-kalibratiebuffer 7. Controleer de grafische weergave om te controleren of de temperatuur van de sonde op de gewenste temperatuur ligtVoor het uitvoeren van experimenten (stap 3.6.2.2). Laat de pH-uitgang van de pH-elektrode stabiliseren ( dwz de spanningswaarden niet meer in één richting veranderen). Gebruik een grafisch display om de stabilisatie te bevestigen. Log zowel de temperatuur als de pH elektrische gegevens in op een bestand (stap 3.5) gedurende 30-60 s. Tijdens dit proces moet het pH-kanaal geen conversies toepassen of een gemiddelde gemiddelde omvatten. Opmerking: Aangezien de pH-elektroden gevoelig zijn voor elektrische ruis, kan een lagere aanschaftijd (dwz snellere sampling) voor het pH-kanaal de voorkeur hebben (bijvoorbeeld 'Timing' = 0,1 s). Houd er rekening mee dat een lagere timing meer rekenmiddelen nodig heeft. Herhaal de kalibratie voor buffers 4 en 10. Bevestig dat de respons van de sensor tussen -57 en -59 mV / pH is ( Figuur 3a ). Genereer een omzettingsvergelijking door de pH-bufferwaarde in tegenstelling tot spanning te plotten en een lijn aan te brengen ( Figuur 3b </strong >). Update de conversievergelijking zoals beschreven in stap 3.3. Pas deze conversie toe op de pH-kanaal en geef de kanaalinstellingen op, om gemiddelde te omvatten zoals gewenst voor het aanmelden. 5. Stel de PBR voor het Algal Experiment op OPMERKING : De onderstaande stappen zijn specifiek voor Dunaliella en de op maat gemaakte PBR zoals weergegeven in Figuur 1 . Bovendien zijn deze installatie instructies niet in overeenstemming met steriele protocollen, omdat dit systeem niet zo ontworpen is. Bereid het algse inoculum en groeimedium voor, zoals nodig voor het experiment en de experimentele doelstellingen. Sluit de pH- en temperatuurdraden aan op de gegevensverzamelings- en bedieningseenheid, zoals beschreven in stappen 2.2-2.3. Kalibreren en bijwerken van de conversievergelijking voor het pH- kanaal, zoals beschreven in stappen 3.3 en 4. Igimg "src =" / files / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/> Figuur 4: Aansluitschema voor de mixer. Dit diagram toont hoe u een mengapparaat voor een PBR instelt met een mini-versnellingsbak, een voeding en een 3D-gedrukte wiel en schacht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Stel de PBR in een temperatuurgestuurde incubator met accessoires en sensoren. Zie Figuur 4 voor visualisatie. Zet de lichtsensor in de PBR door de lichtsensordraad door de dekselpoort te trekken en monteer de sensorkop op de vergrendelingsbevestiging met behulp van de meegeleverde schroef. Gebruik een rubberen stop of grommet om deze poort dicht tegen de atmosfeer te houden. Bevestig de menger waaier op de PBR deksel en bevestig deze door de impelleras over de DC mini-versnellingsbak te plaatsenSchacht in het PBR deksel; Bevestig de as met een instelschroef en een sleutelbout. Voeg algerspecifiek groeimedium toe, plaats de deksel en bevestig het deksel met schroeven. Plaats de PBR in de incubator (ingesteld op 25 ° C of de gewenste temperatuur). Steek de temperatuursensor in de aangewezen poort en zet hem in de poort met een rubberen stop. Bevestig de pH-sonde in de reactordekselpoort met behulp van een PG-13.5 schroefdraad. Sluit de lichtensensordraden aan op de data-acquisitie-eenheid, zoals beschreven in stap 2.1. Zet de menger op de gewenste snelheid. Stel de variabele gelijkstroomvoeding aan naast de instelling. Zet de voedingsspanning aan en stel de spanningsknop aan totdat de spanningswaarde 0 volt bedraagt. Zet de stroomtoevoer uit. Sluit de motorleidingen van de waaier motor aan op de positieve en negatieve uitgangsklemmen van de wisselstroomvoeding ( Figuur 5 </strong>). WAARSCHUWING: Verbind nooit of raak live draden of circuits aan. Zorg ervoor dat alle voedingen zijn uitgeschakeld voordat u een draad aansluit. Lees altijd de instructies / specificaties van de fabrikant om te zorgen voor compatibiliteit tussen de motor, voeding en draden. Zet de voedingsspanning aan en verhoog de spanning langzaam door de spanningsknop te draaien tot de gewenste mengsnelheid is bereikt; Bereken de mengsnelheid door de rotaties per minuut te meten. Figuur 5: Reactor Experimentele Setup Diagram. Visualisatie van een PBR experimentele opstelling binnen een temperatuur gecontroleerde incubator. Deze installatie bevat een groei lamp en een PBR, met sensoren en een mixer beveiligd in het PBR deksel. Klik hier om naarBekijk een grotere versie van deze figuur. Stel de groei lamp op om de PBR te verlichten. OPMERKING: een krachtige LED-lamp die in het blauwe en rode spectrum uitzendt, werd gekozen om de fotosynthetische lichtintensiteitsniveaus te bereiken die nodig zijn voor dit Dunaliella- specifiek onderzoek. De grootte en vorm van de lamp moet zodanig gekozen worden dat het licht gelijkmatig het invallingsoppervlak van de PBR verlicht. Controleer of de incubator een interne warmtebron kan hanteren. Als u dat niet doet, kan het levensduur van de incubator en / of schade of overmatige verwarming binnen de incubator veroorzaken. Centreer de groei lamp langs de voorkant van de PBR. Zorg ervoor dat het lichtpad direct gericht is op de lichtensensor die aan de achterkant van de reactor is gemonteerd. Zet het licht aan en pas de lichtintensiteit aan, indien nodig, door de groei lamp direct naar of weg van de reactor te verplaatsen. Controleer het display van de sensorvariabele voor lichtlezingen. Monitor en log de sensor data gedurende 6 – 24 uur om ervoor te zorgen dat de licht-, temperatuur- en pH-waarden binnen de PBR stabiel zijn en binnen het gewenste bereik. Pas als nodig aan. OPMERKING: Elektrisch geluid kan vaak waargenomen worden door stuitende, onstabiele aflezingen en / of abrupte verschuivingen in waarden, zonder duidelijke veranderingen in de PBR-omgeving. Verwijder de rubberen stop op de bemonsteringspoort om algeninoculum via transferpipet toe te voegen. Verwijder de monsters en controleer de voorwaarden om ervoor te zorgen dat ze binnen het gewenste bereik blijven voor het experiment. Verwijder de culturen voor analyse zoals nodig uit de bemonsteringspoort met behulp van een pipet. OPMERKING: Het monstervolume, de frequentie en de duur van het experiment zullen afhangen van stap 1.1.2. Controleer de watertemperatuur binnen de PBR door het data display in de software te controleren en handmatig de instelwaarde van de incubatorlucht temperatuur in te stellen om het water tempe te houdenRijp constant. OPMERKING: Deze aanpassing hangt af van de instructies van de incubatorfabrikant. Controleer en pas de pH in de PBR, zoals gewenst, op om ervoor te zorgen dat de pH binnen het verwachte bereik voor de experimenten blijft. OPMERKING: hier wordt de pH geregeld met een 12 V-magneetklep (normaal gesloten) in lijn met een gecomprimeerde CO2-tank (99,99%). De klep werd geopend naar wens door gebruik te maken van de besturingsfunctionaliteit van de data-acquisitie- en besturingseenheid en -software. Deze installatie vereiste een accessoire relaisbord en DC modules en werd geïmplementeerd met behulp van aangepaste computer programmering op maat voor specifieke onderzoeksdoelen.

Representative Results

Gegevens uit dit real-time monitoring systeem tonen de dynamische cultuuromgeving voor algen binnen een PBR-benchmark en wijzen op de noodzaak om het systeem te controleren en te controleren. De opgeslagen temperatuurgegevens ( Figuur 6 ) tonen aan hoe lichtverlichting, incubatorluchttemperatuur en energieverlies in verband met algegroei de temperatuur binnen de PBR kunnen veranderen en hoe de real-time data kan worden gebruikt om de incubatortemperatuurcontroles aan te passen. Het gemeten licht in de loop van het experiment benadrukt verder het dynamische karakter van deze groeiomgeving. Zoals waargenomen in figuur 7 , was de leessensorlezing, gemeten als fotosynthetische fotonfluxdichtheid (PPFD; μE-m -2s -1 ), ~ 100 PPFD voordat algen toegevoegd en onmiddellijk werden gevallen op 85 PPFD afTer inoculeren van de reactor met de algencultuur. Het licht bleef op dag 7 dalen tot minder dan 5 PPFD. Deze daling van de lichtintensiteit is te danken aan de toenemende biomassa en celtelling en / of aan de stijging van de absorptie door verhoogd chlorofylgehalte, waarbij blijkt dat algen actief zijn op dag 7, ondanks lage Lichte niveaus. Extra biologische metingen zijn nodig om verdere afleidingen te maken. De doorlopende gelogde pH-gegevens tonen aan dat de pH over het algemeen voldoende werd gecontroleerd tijdens dit experiment met het geïmplementeerde pH-controle-algoritme ( Figuur 8 ). Deze gegevens, die zowel de minuut-op-minuut-aflezingen als de uurlange gemiddelden tonen, laten een paar belangrijke punten zien over het kweken van algen en het monitoren van de pH in realtime. Ten eerste verhoogde de pH boven het gewenste ingestelde punt van 7,6 direct na het inoculeren van de PBR met algen. Deze verandering werd verwacht, aangezien het kweekzaad dat aan de PBR was toegevoegd ap hadH waarde hoger dan het instelpunt, aangezien de kolf die gebruikt werd om het inoculum te groeien niet pH-gecontroleerd was. Ten tweede wijzen deze live data op hoe gevoelige pH-elektroden zijn op extern elektrisch geluid. Deze gevoeligheid wordt genoteerd door een drastische sprong in de elektrode waarden tussen dag 1 en dag 2. Deze plotselinge veranderingen in pH-waarden werden waarschijnlijk veroorzaakt door elektrische geluiden van een magneetklep van een aangrenzende experimentele opstelling. Deze elektrische storing heeft voortdurend het pH-controlealgoritme geactiveerd om CO 2 in de PBR te injecteren. Bijgevolg daalde de pH onder het gewenste instelpunt. De gevoeligheid van de pH-elektroden kan leiden tot extreme afwijkers en kunnen de besturingssystemen mogelijk storen. Figuur 3: Grafieken voor pH-respons en kalibratie. (A) Voorbeeld respons grafiek van thE pH-sensor ( b ) Voorbeeld kalibratiegrafiek van de pH-sensor, met een vergelijking die moet worden gebruikt voor de conversie. Regressie analyse toont een 95% vertrouwen interval. Foutstaven zijn niet zichtbaar (standaard fout minder dan 0,03%). Deze grafieken tonen aan dat de pH-sensoren goed aangesloten waren en dat het signaal zeer stabiel was. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 6: Temperatuurmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van sensorgegevens en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut zijn verworven (acquisitietijd van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en worden omgezet naar temperatuur met gebruikmaking van door fabrikanten geleverde omrekeningsfactoren. Zwarte pijlen sho W wanneer de temperatuur van de incubator is ingesteld om de kweek temperatuur rond 25 ° C te behouden (dit gewenste instelpunt wordt aangeduid met een rode streeplijn). Temperatuurschommelingen zijn te wijten aan algegroei en veranderingen in de incubatortemperatuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 7: Lichtmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1 uur gemiddelden sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut worden verworven (acquisitie timing van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en omgezet in PPFD met behulp van standaard fabrieks kalibratie waarden van de lichtgevoelige sensor."> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien. Figuur 8: pH-metingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van de sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlesingen die elke 1 minuut worden geregistreerd (acquisitie timing van 0,1 s, gemiddelde lengte 600) en omgezet in pH met behulp van conversievergelijking die via kalibratie is vastgesteld. De pH werd tussen 7,6 en 7,5 gehandhaafd onder toepassing van een 99% CO2-injectie. De rode gestippelde lijnen geven het gewenste pH-bereik aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Dit PBR systeem biedt de mogelijkheid om bench-scale algal kinetische groei experimenten te monitoren en te beheersen, waardoor meer herhaalbare resultaten uit experimentele analyses kunnen worden gebruikt om de groei te kwantificeren. Een begrip van de beperkingen en onzekerheden van sensormetingen is echter van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de sensorlezingen de reactoromstandigheden nauwkeurig reflecteren. Dit begrip omvat basiskennis van de meetbeginselen die betrokken zijn bij sensoren, het proces en de frequentie van de kalibratie, de meetonzekerheid en wat de sensor kan en niet kan meten. De elektrische reactie van de hier beschreven lichtreactor is bijvoorbeeld niet even verspreid over het zichtbare spectrumbereik, en er kunnen bepaalde correctiefactoren nodig zijn op de sensoruitgang, afhankelijk van hoe deze sensorgegevens geanalyseerd zullen worden.

Temperatuurniveaus en variaties zijn ook uiterst belangrijk, aangezien de temperatuurverandering drastisch kan durenFluctueren de sensorrespons. Het begrijpen van mogelijke interferenties die de sensorlesingen kunnen beïnvloeden is ook kritisch belangrijk; Deze storing kan omgevingselektronisch geluid van het gebouw zijn of kan afkomstig zijn van de meetomgeving ( bijv. Natriumionen kunnen de pH-waarden bij pH-waarden over 10) drastisch beïnvloeden . ¹² . Bovendien is het onderdompelen van meerdere probes in een oplossing, in het bijzonder een zeer ionische en geleidende zoutoplossing, ook een potentiële bron van interferentie. Elektroden die de pH (of ionische sterkte, opgeloste zuurstof, opgeloste CO ₂ , enz. ) Meten, zijn bijzonder gevoelig voor omgevingsgeluid en kunnen gemakkelijk verstoord raken. Signalconditionering die gebruikt wordt om het elektrodesignaal te beschermen kan niet garanderen dat andere factoren de sondeaflesingen niet inmengen. Als onderdeel van de kwaliteitscontrole moet andere laboratoriumuitrusting, zoals een handhoudende pH-sonde, een handspektrometer en een thermometer, gebruikt worden om tHij sensor aflesingen en om ervoor te zorgen dat het systeem goed opgestart en uitgevoerd is.

Een andere beperking die moet worden aangepakt, is de mogelijke invloed van de algen en / of cultuuromgeving op de sensoren. Bijvoorbeeld, als algvuil of bellen de fotodiode-receptor van de lichtsensor bedekken, worden de aflezingen beïnvloed. Op dezelfde manier zijn pH-elektroden uiterst gevoelig en hebben extra zorg nodig om nauwkeurige aflezingen te waarborgen. Deze elektroden werken door het meten van een spanningsverschil over een inwendige verbinding als gevolg van de opbouw van H ⁺ ionen; Een gehydrateerde bufferlaag in de sonde is nodig om nauwkeurige metingen ^{12 te} handhaven. Afhankelijk van de omstandigheden in de reactor zal deze laag slijten en kan de respons van de sensor tijdens de loop van het experiment veranderen terwijl de sonde onderdompelt. In de voorlopige testen dreef de pH-spanningsuitgang niet meer dan ~ 0,2 pH eenheden in de loop van een 20-daags experiment, Maar verdere evaluaties moeten worden uitgevoerd om deze verandering in sensorrespons te karakteriseren en maximale experimentele looptijden te bepalen, vooral als er fijne pH-aanpassingen / kwantificaties nodig zijn.

Veel huidige PBR-systemen op basis van PBR, die zijn gebouwd om algegroei te analyseren, volgen de interne cultuuromgeving niet zo strikt als nodig om te onderscheiden hoe verschillende factoren de algegroei beïnvloeden, aangezien het opstellen van systemen op deze manier uitdagend kan zijn. Dit protocol kan helpen om meer gecontroleerde experimenten te vergemakkelijken door stap-voor-stap instructies te geven voor het opbouwen van een PBR met real-time monitoring. Bovendien kunnen deze levende data gebruikt worden om niet alleen de experimentele omstandigheden beter te beheersen, maar kan ook worden gebruikt om groeikinetiek te schatten ( bijv. Optische dichtheidswaarden als referentie voor algemene groeitempo's).

Gecontroleerde experimentele systemen kunnen helpen om het algenonderzoek meer reproduceerbaar te maken. Benchschaal PBR sEtups die worden gecontroleerd en gecontroleerd kunnen de experimentele efficiëntie verhogen door onbedoelde artefacten in experimentele vormgeving te minimaliseren en kunnen bijdragen tot de voortzetting van de inspanningen om algenbiobrandstoffen een duurzame, alternatieve brandstofbron te maken.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs erkennen de National Science Foundation Emerging Frontiers in Research and Innovation (Award # 1332341) om dit onderzoek te financieren. De auteurs zouden ook graag Dr. Andrew Grieshop, alsook de LabJack en DAQFactory online support communities willen erkennen voor hun hulp en hulp aangeboden in dit proces.

Materials

Cast acrylic sheets	McMaster Carr	8560K244	7/8'' thick, 12×36'', optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions.
Acrylic cement	McMaster Carr	7517A4	Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly.
Acrylic cement applicator needle	McMaster Carr	75165A136	Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1", Stainless steel, PTFE lined.
Plastic dispensing bottle for acrylic cement	McMaster Carr	7544A67	Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5.
Viscous acrylic cement	McMaster Carr	7515A11	Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body.
PG-13.5 thread tap	McMaster Carr	2485A14	Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable).
PBR and lid	NCSU Precision Machine Shop	Karam Algae 3.2L Reactor Revision E	This machine shop is open to public for business. Contact shop manager.
pH sensor	Hamilton	238643	EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output.
Light sensor	Apogee Instruments	SQ-225	Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof.
Temperature sensor	LabJack	EI1034	Stainless steel, water-proof temperature sensor.
pH transmitter wire with BNC end	Sigma-Aldrich	HAM355173-1EA	This wire will vary with type of pH probe. Make sure wire is compatible with pH probe and has BNC connector end.
Unity gain pre-amplifier	Omega Engineering	PHTX-21	Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings.
Coaxial adapter, BNC female-to-binding post	Amazon	SMAKN B00NGD5K80	For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller.
Capacitor (1000 uF)	Amazon	Nichicon BCBI4950	For low-pass filter.
Resistor (1000 ohm)	Radio Shack	2711321	For low-pass filter.
Hookup wire	RadioShack	2781222	For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor.
Heat shrink tubing	RadioShack	2781611	For low-pass filter assembly.
Data acquisition and control unit	LabJack	LabJack U6	To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software.
DAQFactory data acquisition software	DAQFactory	DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050	Free to download, for up to 10 channels.
Mini DC-gearmotor	McMaster Carr	6331K31	Motor for mixer impeller.
Impeller and shaft	N/A	N/A	Email authors for 3D files.
Variable DC power supply	Amazon	Tekpower HY1803D	Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A.
Grow Lamp	HydroGrow	SOL-1	This exact model is no longer available.
Incubator	Thermo Scientific	Precision Model 818	This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit's cooling compressors run non-stop regardless of temperature setting.

References

Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. Algae biodiesel has potential despite inconclusive results to date. Bioresour. Technol. 104, 803-806 (2012).
Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
Lardon, L., Hélias, A., Sialve, B., Steyer, J. -. P., Bernard, O. Life-cycle assessment of biodiesel production from microalgae. Environ. Sci. Technol. 43 (17), 6475-6481 (2009).
Henry, W. Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water, at Different Temperatures, and under Different Pressures. Philos. Trans. R. Soc. London. 93 (1803), 29 (1803).
Wang, X., Hao, C., Zhang, F., Feng, C., Yang, Y. Inhibition of the growth of two blue-green algae species (Microsystis aruginosa and Anabaena spiroides) by acidification treatments using carbon dioxide. Bioresour. Technol. 102 (10), 5742-5748 (2011).
Juneja, A., Ceballos, R. M., Murthy, G. S. Effects of Environmental Factors and Nutrient Availability on the Biochemical Composition of Algae for Biofuels Production: A Review. Energies. 6 (9), 4607-4638 (2013).
Bernard, O. Hurdles and challenges for modelling and control of microalgae for CO 2 mitigation and biofuel production. J. Process Control. 21 (10), 1378-1389 (2011).
Guest, J. S., van Loosdrecht, M. C. M., Skerlos, S. J., Love, N. G. Lumped Pathway Metabolic Model of Organic Carbon Accumulation and Mobilization by the Alga Chlamydomonas reinhardtii. Environ. Sci. Technol. 47 (7), 3258-3267 (2013).
Packer, A., Li, Y., Andersen, T., Hu, Q., Kuang, Y., Sommerfeld, M. Growth and neutral lipid synthesis in green microalgae: A mathematical model. Bioresour. Technol. 102 (1), 111-117 (2011).
Oren, A. A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005. Saline Systems. 1, 2 (2005).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Karam, A. L., McMillan, C. C., Lai, Y., de los Reyes III, F. L., Sederoff, H. W., Grunden, A. M., Ranjithan, R. S., Levis, J. W., Ducoste, J. J. Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests. J. Vis. Exp. (124), e55545, doi:10.3791/55545 (2017).

Automatically Generated