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

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Bioengineering

Construction et mise en place d'un bioréacteur photosynthétique Algal à échelle de banc avec surveillance de la température, de la lumière et du pH pour les tests de croissance cinétique

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

Cet article décrit le processus d'assemblage et le fonctionnement d'un bioréacteur photosynthétique à l'échelle du banc qui peut être utilisé, en conjonction avec d'autres méthodes, pour estimer les paramètres de croissance cinétique pertinents. Ce système surveille en permanence le pH, la lumière et la température en utilisant des capteurs, une unité d'acquisition et de contrôle de données et un logiciel d'acquisition de données open source.

Abstract

La conception et l'exploitation optimales des bioréacteurs photosynthétiques (PBR) pour la culture de microalgues est essentielle pour améliorer les performances environnementales et économiques de la production de biocarburants à base de microalgues. Les modèles qui estiment la croissance du microalgique dans des conditions différentes peuvent aider à optimiser la conception et l'exploitation des PBR. Pour être efficace, les paramètres de croissance utilisés dans ces modèles doivent être déterminés avec précision. Les expériences de croissance des algues sont souvent contraintes par la nature dynamique de l'environnement culturel, et des systèmes de contrôle sont nécessaires pour déterminer avec précision les paramètres cinétiques. La première étape de la mise en place d'une expérience de lot contrôlée est l'acquisition et la surveillance de données en direct. Ce protocole décrit un processus pour l'assemblage et le fonctionnement d'un bioréacteur photosynthétique à l'échelle du banc qui peut être utilisé pour mener des expériences de croissance microalgique. Ce protocole décrit comment dimensionner et assembler un PBR plat et plat à l'acrylique. Il explique également comment configuRe PBR avec surveillance continue du pH, de la lumière et de la température à l'aide d'une unité d'acquisition et de contrôle de données, de capteurs analogiques et de logiciels d'acquisition de données open source.

Introduction

En raison des inquiétudes croissantes concernant le changement climatique mondial et les ressources finies en combustibles fossiles, les gouvernements ont élaboré des politiques visant à réduire la consommation de combustibles fossiles et à favoriser le développement de nouveaux carburants de transport durables. L'Agence de protection de l'environnement des États-Unis a élaboré la Norme de carburant renouvelable (RFS), qui exige que 36 des 140 milliards de gallons annuels de mélange de carburant de transport américain proviennent de sources d'énergie renouvelables d'ici 2022. Des technologies novatrices et transformationnelles seront nécessaires pour répondre à ces Futures normes énergétiques renouvelables ¹ .

L'utilisation de biocarburants à base de microalgas a le potentiel d'aider à satisfaire les RFS nationaux tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre ² . Les biocarburants à base de microalgas ont plusieurs avantages par rapport aux biocarburants de première génération basés sur des cultures vivrières terrestres, comme le maïs et le soja. Contrairement aux biocarburants de première génération, les algues-bLes biocarburants ont consommé moins de terres, d'eau et de ressources alimentaires, car les algues peuvent être cultivées toute l'année et sur des terres stériles à l'aide d'eau salée ou d'eaux usées. Les microalgues ont des taux de croissance élevés par rapport aux cultures terrestres et peuvent accumuler des niveaux élevés de lipides, qui peuvent être facilement transformés en biodiesel ³ . À l'heure actuelle, il n'existe pas de plantes d'algue à biocarburant à l'échelle industrielle en raison des coûts élevés des processus de production à forte intensité énergétique, qui consistent en la culture des algues, la séparation des lipides et le raffinage des lipides dans le biodiesel. De plus amples recherches sont nécessaires pour rendre ces processus plus efficaces et durables.

Les PBR, qui sont des installations claires et optiquement claires pour la production de microorganismes phototrophes dans un environnement artificiel, sont considérées comme l'une des méthodes de culture les plus prometteuses ³ . Cependant, les conceptions actuelles manquent encore de la productivité volumétrique nécessaire pour produire le processus de production d'algues et de biocarburantsPlus efficace et économiquement attractif ⁴ . Des modèles mathématiques puissants qui considèrent l'irradiation et l'atténuation de la lumière, le transport des nutriments et le CO ₂ et la croissance des microalgues peuvent grandement faciliter l'optimisation de la conception et de l'exploitation des PBR. Des expériences de croissance de l'échelle de banc sont nécessaires pour déterminer les paramètres de croissance spécifiques des espèces pour ces modèles d'optimisation.

Les tests cinétiques nécessitent une surveillance et un contrôle minutieux des configurations expérimentales pour prévenir les inhibiteurs involontaires de la croissance. Compte tenu de la nature photosynthétique des algues ( c.-à-d., Leur consommation de CO ₂ et de l'absorption de la lumière), le maintien de conditions contrôlées est particulièrement difficile dans les PBR à échelle de banc. Comme représenté dans l'équation 1 , la quantité de CO ₂ dissous dans le milieu de croissance, habituellement désigné comme ( Équation 2 ), sera, au minimum, unFonction de: 1) la pression partielle de CO ₂ et la constante d'équilibre de Henry, qui dicte la quantité de gaz qui se dissoudra en solution ( équation 3 ); 2) la composition chimique initiale du milieu de croissance, qui affecte la spéciation et l'activité des ions carbonate et du pH ( équations 4 et 5 ); Et 3) la température, qui influe sur les équations 3-5 ⁵ .

Les différentes phases et la spéciation chimique du carbone créent un défi pour mesurer et maintenir une concentration uniforme de carbone dissous dans un PBR.Le maintien d'autres conditions est constant ( par exemple, le pH augmente à mesure que les algues consomment du CO ₂ et que l'augmentation du substrat de CO ₂ dissous peut conduire à un environnement acide qui inhibe la croissance) ⁶ .

Une couche supplémentaire de complexité pour contrôler les conditions pendant les tests cinétiques des algues implique l'intensité de la lumière dans le PBR. L'intensité lumineuse moyenne à l'intérieur d'un PBR est fonction non seulement de l'intensité lumineuse incidente, mais aussi de la conception ( par exemple, du matériau, de la forme, de la profondeur et du mélange), de l'absorbance des composants de la biomasse algale (en particulier de la chlorophylle) Propriétés de diffusion des cellules d'algues. À mesure que les algues poussent, l'intensité lumineuse moyenne diminue. Ce changement de l'intensité lumineuse, que ce soit par une augmentation des cellules totales et de la biomasse, une augmentation de la teneur en chlorophylle par cellule, ou les deux, peut éventuellement induire une réponse métabolique, comme une augmentation des produits de chlorophylleCtion par cellule ou l'utilisation de produits de stockage de glucides et de lipides pour l'énergie ⁷ . La surveillance continue de l'intensité lumineuse à partir du réacteur fournit des informations précieuses. Ces données peuvent aider à garantir que les conditions demeurent dans une gamme spécifiée et peuvent être utilisées pour estimer les paramètres de croissance et d'absorbance des algues si elles sont combinées avec d'autres mesures ( c.-à-d. Biomasse, concentration en chlorophylle, profondeur du réacteur, lumière incidente, etc. ).

Comprendre comment les algues poussent dans un ensemble de conditions spécifié exige que le pH, le CO ₂ dissous, l'intensité de la lumière et la température soient surveillés dans des expériences cinétiques à l'échelle du banc. De nombreuses configurations de croissance des algues ne sont pas équipées pour surveiller les conditions dans la mesure nécessaire pour l'étalonnage des modèles cinétiques, rendant le processus de modélisation extrêmement difficile ⁸ . Bien que de nombreuses entreprises proposent des PBR de niveau bancaire avec automatisme et contrôle, ces testsLes configurations peuvent être extrêmement coûteuses (~ 20 000 $) et peuvent ne pas tenir compte de toutes les considérations expérimentales d'une question de recherche donnée.

La première étape dans la mise en place d'un système de contrôle-rétroaction pour une expérience par lots est l'acquisition de données en direct. Cet article vise à démontrer comment construire et mettre en place un PBR à échelle de banc équipé d'une surveillance continue de la lumière, du pH et de la température. Cette configuration de surveillance en temps réel peut aider à garantir que les conditions expérimentales restent dans les fourchettes souhaitées, à la discrétion du chercheur. Alors que ce protocole ne décrit pas de mécanismes de contrôle spécifiques, ces instructions étape par étape fournissent une base de base pour le cadre d'acquisition de données requis avant que des rétroactions de contrôle plus sophistiquées puissent être implémentées.

Protocol

1. Construire le corps et le couvercle PBR à échelle de banc REMARQUE: à titre d' illustration , Dunaliella sp. , Une micro-ombre halotolérante de ~ 10 μm dépourvue d'une paroi cellulaire, a été utilisée comme organisme modèle pour la construction de cette PBR. Déterminer le volume de PBR requis pour les besoins de recherche. Déterminer les objectifs expérimentaux pour cette PBR. Décider quels tests de mesure d'algues, M , sont nécessaires pour caractériser la croissance des espèces d'algues d'intérêt, y compris le volume requis par dosage, v ; Le nombre de réplications techniques, n ; La fréquence d'échantillonnage f ; Et la durée des expériences, t . REMARQUE: les questions de recherche spécifiques au projet, les espèces d'algues et les équipements disponibles dictent les propriétés des algues mesurées, les méthodes utilisées pour ces mesures et la fréquence à laquelle ces mesures sont prises. Biomasse; Nombre de cellules; Et totalLes mesures de pigmentation de la chlorophylle, de protéines, de lipides, de glucides et de nitrate externe sont des moyens communs d'évaluer la croissance et l'échantillonnage quotidien sur 5 à 14 jours est une approche commune pour les tests de croissance 9 , 10 . Calculer le volume de culture total, V s , requis pour l'échantillonnage tout au long d'une expérience en utilisant l' équation 6 . Utilisez l'équation 7 pour estimer un volume PBR cible, V p , en utilisant V s à partir de l'étape 1.1.3 et une fraction maximale d'élimination du volume, F. REMARQUE: en supprimant moins d'une fraction pré-spécifiée du volume de culture total ( p. Ex., ~ 20%), vous pouvez vous assurer que les conditions dans le PBR , c'est-à-dire (puissance de mélange, distribution de lumière, etc. ) ne sont pas drastiquesIl varie au cours de l'expérience au fur et à mesure que le volume de culture est supprimé. En supposant une expérience de 10 jours où la biomasse; Nombre de cellules; Et les concentrations totales de chlorophylle, de protéines, de lipides, de glucides et de nitrate sont mesurées quotidiennement en trois exemplaires, utilisez un volume d'échantillonnage total de ~ 600 mL. Si l'on vise à éliminer plus de 18,75% du volume total de culture, utiliser un volume total de réacteur de travail d'au moins 3,2 L. Sélectionnez les capteurs et les accessoires pour les expériences PBR. Sélectionnez les sondes pH, lumière et température à utiliser pour une surveillance continue. REMARQUE: Les capteurs doivent être compatibles avec l'unité d'acquisition de données et résister à des conditions de culture internes ( c.-à-d. Plage de pH, lumière, chaleur, débris d'algues, sel, etc. ). Des sondes en acier inoxydable et tolérantes au sel ont été sélectionnées ici depuis Dunaliella sp. Sont des microalgues marines. Sélectionnez une conception de turbine et un moteur pour satisfaire l'exExigences de mélange expérimental. REMARQUE: Par exemple, une turbine axiale à faible cisaillement est un bon choix pour les algues Dunaliella , car elles n'ont pas de paroi cellulaire et peuvent facilement ciseler 11 . Ces algues ont une locomotion flagellaire et ne nécessitent pas de mélange intense 11 . Des vitesses de mélange faibles peuvent être atteintes à l'aide d'un moteur à engrenages à 12 V. La turbine et l'arbre peuvent être imprimés en 3D (des informations d'impression 3D peuvent être trouvées dans la liste des matériaux). Assembler le corps et le couvercle PBR. Déterminer les dimensions du réacteur, en fonction des calculs de volume à l'étape 1.1, en gardant à l'esprit les objectifs expérimentaux et les contraintes potentielles ( par exemple, l' espace). REMARQUE: Un design PBR avec un rapport surface-volume inférieur est préféré, car cette forme minimise l'atténuation de la lumière tout au long du PBR, fournissant une distribution de lumière plus constante tout au long de l'expérience. Coupez cinq morceaux de fonte optiquement claireFeuilles acryliques (~ 0,25 à 0,5 po d'épaisseur) à l'aide d'une scie à table, selon la conception et la taille de PBR établies à l'étape 1.3.1. Assurez-vous que les bords des joints sont lissés, mais pas arrondis, en utilisant du papier de verre de 200 à 400 grains. Fixez les bords des pièces acryliques avec du ruban adhésif et / ou des pinces. REMARQUE: Le ciment acrylique n'est pas une colle. Si les surfaces de liaison acrylique sont rugueuses ou les pièces acryliques ne sont pas uniformément alignées, ce ciment de liaison ne sera pas efficace. Dans un endroit bien ventilé, appliquer du ciment acrylique le long des joints à l'aide d'un distributeur d'aiguille. Les surfaces en plastique seront immédiatement adhérentes. Laissez les pièces s'asseoir pendant 24 h. AVERTISSEMENT: Un masque et des gants doivent être portés pour éviter l'inhalation et l'exposition de la peau lors de l'utilisation de ciment acrylique. Appliquer du ciment acrylique visqueux sur les joints pour s'assurer que le PBR est étanche. Laissez le ciment sécher pendant 24 à 48 h, conformément aux instructions du ciment; Les temps de séchage peuvent varier. Rempli leRéacteur avec de l'eau pour vérifier les fuites visibles. Si aucune fuite n'est apparente, placez le réacteur sur les serviettes en papier et vérifiez les signes de fuite après 24-36 h. REMARQUE: Des feuilles acryliques d'au moins 0,5 po d'épaisseur devraient être utilisées pour assembler des PBR tenant plus de ~ 2 L; Des feuilles plus fines peuvent s'incliner sous la pression de l'eau et causer des fuites. Les joints d'étanchéité et les vis de ré-application peuvent être utilisés comme alternative plus robuste au ciment acrylique ( figure 1 ). Ce type d'assemblage nécessite des machines de précision et doit être fait avec beaucoup d'attention, car l'acrylique peut facilement se fissurer. Utilisez un atelier d'usinage pour concevoir le couvercle PBR, avec des ports pour accueillir les capteurs et autres accessoires et besoins PBR ( p. Ex., Roues à impulsions, lignes de gaz, ports d'échantillonnage, etc. ). Assurez-vous que les composants internes n'interfèrent pas les uns avec les autres. REMARQUE: La configuration / la conception du couvercle PBR et PBR dépendra des accessoires du réacteur et des objectifs expérimentaux. Voir la figure 1Pour un exemple de conception de réacteur PBR et de couvercle (d'autres détails peuvent être trouvés dans la section matériaux). Cette conception PBR sera référencée pour le reste du protocole. Figure 1: Image du programme de configuration PBR personnalisé avec capteurs et un mélangeur. Cette configuration montre un mélangeur, une électrode fixée au couvercle par un orifice fileté dans le couvercle et un capteur de lumière attaché à un couvercle spécialement conçu. Cette conception de couvercle comprend également la fixation d'un moteur mini-engrenage à 12 V DC. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 2. Configurer et configurer les capteurs avec l'unité de contrôle et d'acquisition de données REMARQUE: les capteurs traduisent les changements dansLe monde physique en un signal analogique mesurable, souvent la tension. Les unités d'acquisition de données servent d'interface entre le monde numérique et physique et peuvent être utilisées pour lire ces signaux analogiques et les convertir en valeurs discrètes, selon les instructions d'un ordinateur. L'unité d'acquisition de données décrite ici a une résolution d'entrée analogique de 16 bits, peut lire jusqu'à 14 signaux analogiques (± 10 V) et peut fournir la puissance requise par certains capteurs (jusqu'à 5 V). Ces instructions fournissent un aperçu de la façon de configurer cette unité d'acquisition et de contrôle de données pour convertir un signal analogique en valeurs plus significatives pour la lumière, le pH et la température dans un PBR. Ces instructions ne détaillent pas les concepts importants ( c'est-à-dire la quantification, la précision, le temps de réponse, etc. ) nécessaires pour interpréter pleinement ces valeurs mesurées et quantifier l'incertitude. <br/> Figure 2: Diagramme de connexion de l'unité de contrôle et d'acquisition de capteur-données. Ce diagramme montre comment configurer les capteurs de pH, de lumière et de température à l'unité d'acquisition et de contrôle de données utilisée pour ce protocole. Les composants de traitement du signal pour le pH et le capteur de lumière sont indiqués. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Configurez et configurez le capteur de lumière avec l'unité d'acquisition et de contrôle de données à l'aide d'un filtre passe-bas. REMARQUE: reportez-vous à la Figure 2 pour les diagrammes de référence généraux. Les spécifications du capteur du fabricant indiquent la différence entre le signal, l'alimentation et les fils de masse en fonction de la couleur. Un filtre passe-bas est un circuit simple qui utilise une résistance et un condensateur pour filtrer le bruit indésirable des signaux électriques. Ce type de filtre atténue les signaux électriques avec des fréquences plus élevéesN la fréquence de coupure déterminée par la résistance et la capacité. Ce filtre permet d'éliminer ou de lisser le bruit électrique du signal du capteur. En utilisant des décapants de fil, couper un fil de connecteur vert de ~ 2 pouces; Extraire une isolation de 0,25 po sur une extrémité et ~ 0,5 de l'autre extrémité des deux pièces. Identifiez le fil de sortie du signal analogique sur le capteur de lumière. Assurez-vous qu'au moins ~ 0,25-0,50 pouces de fil métallique soient exposés au-delà de l'isolation du fil. Enroulez soigneusement une jambe de la résistance de 1000 Ω autour de l'extrémité dénudée de 0,5 pouce du fil du connecteur. Enrouler l'autre pied de la résistance autour de la section exposée du fil de signal analogique du capteur de lumière. Utilisez un fer à souder et une soudure sans plomb pour souder les jambes de la résistance sur le fil. Laisser refroidir la soudure pendant 2 à 5 minutes. AVERTISSEMENT: La soudure et les fers à souder sont extrêmement chauds et peuvent être très dangereux si les utilisateurs ne sont pas correctement formés. Des vidéos pédagogiques peuvent être trouvées en ligne. Les lunettes de sécurité et autres précautions sont extrêmement importantes. Les fils ne doivent pas être connectés à une alimentation électrique ou à d'autres dispositifs pendant ce processus. Glissez un tube de thermorétracteur de ~ 1,5 pouce sur une extrémité du fil du connecteur et faites glisser la pièce jusqu'à ce qu'elle couvre le fil soudé et la résistance. Assurez-vous que toutes les pièces métalliques sont entièrement recouvertes. Rétrécir à chaud à l'aide d'un pistolet à chaleur. Assurez-vous que le tube s'emballe étroitement autour des résistances et des fils; Aucun fil nu ne doit être exposé. Fixez le fil de terre du capteur de lumière à une borne de terre libre (GND) sur l'unité d'acquisition et de contrôle de données à l'aide d'un tournevis. Fixez l'extrémité libre du fil du connecteur du signal à une borne d'entrée analogique gratuite (AIN) à l'aide d'un tournevis. Fixez le fil positif du condensateur 1000 μF ( c.-à-d. La jambe plus longue) à la même borne AIN qu'à l'étape 2.1.8 et le conducteur négatif ( c.-à-d. La jambe courte) au même terminal GND qu'à l'étape 2.1.7.Assurez-vous que la jambe du condensateur et le fil sont bien connectés au terminal. Identifiez le fil d'alimentation pour le capteur de lumière et fixez ce fil à une borne d'alimentation en tension (VS) sur l'unité d'acquisition et de contrôle de données. Configurez et configurez l'électrode de pH avec l'unité d'acquisition de données en utilisant un amplificateur à gain unitaire et un filtre passe-bas. REMARQUE: en raison de la nature des mesures de pH ( p . Ex. Impédance élevée et basse tension), un tampon amplificateur à gain unitaire est souvent requis entre la sonde de pH et le dispositif d'acquisition de données. Un filtre passe-bas est également bénéfique pour mesurer le pH, pour protéger le signal du bruit électrique ambiant. Connectez l'amplificateur de gain unitaire à la sonde de pH à l'aide du fil de l'émetteur. Connectez l'adaptateur coaxial, avec bornes de borne positive et négative, à l'autre extrémité de l'amplificateur à gain unitaire. Couper deux morceaux de vert de 6 po et un piec de ~ 12 poucesE du fil de connecteur noir à l'aide de décapants de fil. Tirez 0,25 pouce d'isolant des deux extrémités du fil du connecteur noir. Tirez 0,25 pouce et ~ 0,5 pouce d'isolant sur les extrémités des fils du connecteur vert à l'aide de décapants de fil. Enrouler soigneusement une jambe de la résistance de 1000 Ω autour de la section dépouillée de 0,5 pouce d'un fil de connecteur vert. Enrouler l'autre jambe de la résistance autour de la section dépouillée de 0,5 pouce de l'autre fil du connecteur vert. Utilisez un fer à souder et une soudure sans plomb pour souder les jambes de la résistance sur le fil. Laisser refroidir la soudure pendant 2 à 5 minutes. Glissez un tube de thermorétracteur de ~ 1,5 pouce sur une extrémité du fil du connecteur et faites glisser la pièce jusqu'à ce qu'elle couvre le fil soudé et la résistance. Assurez-vous que toutes les pièces métalliques sont entièrement recouvertes. Rétrécir à chaud à l'aide d'un pistolet à chaleur. Assurez-vous que le plastique s'enroule étroitement autour de la résistance et des fils; Aucun fil nu ne doit être exposé. Sécuriser une extrémité du noir cOnduire le fil au bornier négatif (noir) sur l'adaptateur coaxial. Insérez l'autre extrémité de ce fil dans une borne GND de l'unité d'acquisition et de contrôle de données et sécurisez-les à l'aide d'un tournevis. Fixez une extrémité du fil du connecteur vert (avec la résistance en série) au bornier positif (rouge) de l'adaptateur coaxial. Insérez l'autre extrémité de ce câble de connexion dans une borne AIN gratuite sur l'unité d'acquisition et de contrôle de données. Identifiez le lead positif du condensateur de 1000 μF ( c.-à-d. , La jambe plus longue) et fixez ce fil au même terminal AIN qu'à l'étape 2.2.9; Assurez-vous que le pied du condensateur et le fil du signal sont bien connectés au terminal. Fixez le fil négatif du condensateur de 1000 μF ( c.-à-d . La jambe courte) au même terminal GND qu'à l'étape 2.2.8. Connectez le capteur de température à l'unité d'acquisition et de contrôle de données en connectant le signal, le sol et l'alimentation wIres de la sonde pour libérer les terminaux AIN, GND et VS. 3. Configurer l'acquisition de données en direct et le fichier expérimental REMARQUE: Le logiciel d'acquisition et de contrôle de données décrit ici communique avec l'unité d'acquisition et de contrôle de données pour surveiller et loger les données du capteur à des intervalles de temps spécifiés par l'utilisateur. Les instructions ci-dessous expliquent comment configurer un fichier de contrôle dans ce logiciel pour surveiller et enregistrer le pH, la température et la lumière. Ces instructions sont spécifiques à l'unité de logiciel et d'acquisition et de contrôle de données répertoriée dans la section des matériaux. Vous trouverez d'autres instructions dans les manuels d'utilisation du produit. Connectez l'unité d'acquisition et de contrôle de données à un ordinateur près de l'installation expérimentale à l'aide d'un câble USB et téléchargez tous les pilotes requis. Téléchargez et ouvrez le logiciel d'acquisition et de contrôle de données. Configurez «Conversions» pour chaque capteur dans le logiciel. REMARQUE: pour convertir le volt physiqueLe signal d'âge en une valeur significative, un facteur de conversion, établi par étalonnage, doit être appliqué. De nombreux capteurs sont équipés de facteurs d'étalonnage d'usine trouvés dans les fiches techniques spécifiques au produit. Les équations de conversion sont spécifiques à la configuration et aux capteurs. De nombreux paramètres d'équation de conversion, en particulier ceux pour électrodes, doivent être mis à jour régulièrement par étalonnage. La durée de vie d'un capteur et une fréquence d'étalonnage dépendent des spécifications spécifiques au produit et de l'environnement de travail. REMARQUE: les utilisateurs doivent lire et comprendre ces spécifications en entier. Le tableau 1 montre les conversions pour les capteurs trouvés dans la liste des matériaux. Un exemple de conversion pour la sonde de température est illustré ci-dessous. Accédez à "Conversions" dans l'espace de travail du logiciel, sur le côté droit de la page d'accueil principale. Ajoutez un nom de conversion, tel que "volts_to_celsius" et tapez l'équation de conversion: (55.56 x valeur) + 255.37 – 273.15. Nom du canal Nom de la conversion Équation Remarques Température Volts_to_celsius (55,56 x valeur) + 255,37 – 273,15 Equation de conversion du fabricant pour convertir les volts en celsius. Lumière Volts_to_PPFD Valeur x 500 Facteur de conversion du fabricant pour convertir les volts en densité de flux photonique photosynthétique (μmol m -2 s -1 ), fabricant LED-correction non appliquée. Le pH Volts_to_pH (-17,05 x valeur) + 6,93 Équation de conversion dépendant de l'étalonnage (Figure 4b) pour convertir les lectures de tension de l'électrode de pH en valeurs de pH. Appliquer uniquement la conversion au canal de pH aL'étalonnage. Tableau 1: Tableau de conversion des canaux pour le fichier d'acquisition de données. Des exemples de la saisie des informations de canal et de conversion pour les capteurs dans le logiciel d'acquisition de données. Configurez les canaux appropriés pour chaque capteur dans le logiciel pour acquérir les données du capteur. REMARQUE: Chaque capteur a besoin de son propre canal analogique-numérique dans le logiciel et un terminal d'entrée analogique désigné dans l'unité d'acquisition et de contrôle de données. Accédez à la page "Canal" dans le logiciel. Ajoutez un nom de canal de capteur. Aucun espace n'est autorisé. Sélectionnez le périphérique approprié pour collecter des données pour le canal correspondant; Cet appareil correspond au dispositif d'acquisition de données. Entrez le numéro de périphérique utilisé pour faire référence à l'unité d'acquisition et de contrôle de données ou à d'autresDispositif d'acquisition de données; Si une seule unité est utilisée, le nombre par défaut est souvent nul. Sélectionnez «analogique-numérique», «A à D», pour le type d'entrée-sortie («Type d'E / S») et saisissez le numéro de canal correspondant au numéro de terminal AIN sur l'unité d'acquisition et de contrôle de données Entrez l'échantillonnage désiré "Temporisation" (s); Cette valeur indique la fréquence à laquelle le signal du capteur sera lu. Entrée 1.0 pour acquérir une lecture toutes les 1 s. Pour calculer les données moyennes sur des intervalles de 1 minute avant la journalisation, cochez la case "Moy" et spécifiez 60 pour la longueur moyenne. Sélectionnez la conversion appropriée dans le menu déroulant, le cas échéant (voir l'étape 3.3 pour générer des conversions); Sinon, toutes les données de canal seront affichées / enregistrées en tant que tension. Configurez le "Ensemble de journalisation" pour enregistrer les données expérimentales. Accédez au "Panneau d'enregistrement" dans l'espace de travail du logiciel, ajoutez unEw logging set, et nommez l'ensemble en conséquence. Sélectionnez le type de fichier de sortie et l'emplacement; Le type de fichier ASCII fournira un fichier de valeurs séparé par des virgules si l'extension '.csv' est spécifiée dans le nom du fichier de sortie. Ajoutez tous les canaux souhaités pour vous connecter à cet ensemble. Commencez et arrêtez l'enregistrement comme vous le souhaitez en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la séquence d'enregistrement dans l'espace de travail et en sélectionnant l'option appropriée. REMARQUE: N'essayez pas d'accéder au fichier lorsque vous enregistrez des données activement. Cette action peut perturber le processus de journalisation. L'emplacement du fichier pour les fichiers continuellement enregistrés ne doit pas être sauvegardé ou écrit dans un répertoire cloud. Configurez la "page" pour afficher les données et les graphiques. Accédez à l'affichage "Pages" dans l'espace de travail du logiciel. Cliquez sur l'une des pages vierges par défaut. Pour afficher une sortie du cap de sortie en numération sur la page, ajoutez un affichage de "Valeur variable" à la page. Plate-formeHt-click n'importe où dans la page vierge, sélectionnez "Affiche", et cliquez sur l'option "Valeur variable"; Une petite boîte apparaîtra à l'écran. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur cette zone nouvellement créée et sélectionnez "Propriétés". Tapez la légende (p. Ex., "Température dans le réacteur"), la référence du canal (p. Ex. "Température [0]") et les unités associées (par exemple, "Celsius"). Cliquez sur "OK" et revenez à la page d'affichage. Pour afficher graphiquement les données du capteur et en temps réel, ajoutez un graphique 2D à la page d'affichage. Cliquez avec le bouton droit n'importe où dans la page vierge et sélectionnez "Graphiques", puis "graphiques 2-D"; Une petite parcelle apparaît sur l'écran. Cliquez avec le bouton droit sur le graphique nouvellement créé et sélectionnez "Propriétés". Dans l'onglet "Traces", tapez le nom du canal du capteur souhaité (p. Ex., "Température") dans la case "Y Expression:" et assurez-vous que "Time" est écritN dans la boîte pour "X Expression :." Cliquez sur "OK" et revenez à la page d'affichage. 4. Calibrer la sonde de pH REMARQUE: l'étalonnage du pH doit être effectué avant chaque expérience, à la température d'essai prévue, et les conversions des canaux de pH doivent être mises à jour en conséquence. Les lectures d'électrode de pH peuvent dériver pendant les expériences; Pour déterminer l'étendue de cette dérive, répétez le processus d'étalonnage après avoir effectué l'installation expérimentale et comparez les lectures. Les électrodes de pH doivent être stockées correctement dans la solution de stockage appropriée avant et après l'expérimentation, selon les directives du fabricant. Connectez les capteurs de pH et de température, comme décrit à l'étape 2. Insérez l'électrode de pH et la sonde de température dans le tampon d'étalonnage pH 7. Vérifiez l'affichage graphique pour s'assurer que la température de lecture de la sonde est à la température désiréePour effectuer des expériences (étape 3.6.2.2). Permettre à la sortie de tension de l'électrode de pH de se stabiliser ( c.-à-d., Les lectures de tension ne changent plus dans une seule direction). Utilisez un affichage graphique pour confirmer la stabilisation. Enregistrez à la fois les données électriques de température et de pH dans un fichier (étape 3.5) pendant 30 à 60 s. Au cours de ce processus, le canal de pH ne devrait pas avoir de conversion ni d'inclure aucune moyenne. Remarque: Étant donné que les électrodes de pH sont sensibles au bruit électrique, un temps d'acquisition plus faible (c'est-à-dire un échantillonnage plus rapide) pour le canal de pH pourrait être préférable ( p. Ex. 'Timing' = 0.1 s). Gardez à l'esprit, un temps plus bas nécessitera plus de ressources informatiques. Répétez l'étalonnage pour les tampons 4 et 10. Confirmez que la réponse du capteur est comprise entre -57 et -59 mV / pH ( Figure 3a ). Générer une équation de conversion en traçant la valeur du tampon de pH par rapport à la tension et en ajustant une ligne ( Figure 3b </strong >). Mettez à jour l'équation de conversion comme décrit à l'étape 3.3. Appliquer cette conversion au canal de pH et mettre à jour les paramètres de canal pour inclure la moyenne comme souhaité pour la journalisation. 5. Mettre en place le PBR pour l'expérience Algal REMARQUE: Les étapes ci-dessous sont spécifiques à Dunaliella et à la PBR sur mesure illustrée à la figure 1 . En outre, ces instructions de configuration ne sont pas conformes aux protocoles stériles, car ce système n'a pas été conçu de telle manière. Préparez l'inoculum d'algues et le milieu de croissance, si nécessaire pour l'expérimentation et les objectifs expérimentaux. Connectez les fils de pH et de température à l'unité d'acquisition et de contrôle de données, comme décrit aux étapes 2.2-2.3. Calibrez et mettez à jour l'équation de conversion pour le canal de pH , comme décrit aux étapes 3.3 et 4. Igimg "src =" / files / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/> Figure 4: Diagramme de câblage pour le mélangeur. Ce diagramme montre comment configurer un dispositif de mélange pour un PBR à l'aide d'un mini-moteur à engrenage, d'une alimentation électrique et d'une roue et d'un arbre à impression 3D. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Installez le PBR dans un incubateur à température contrôlée avec des accessoires et des capteurs. Reportez-vous à la Figure 4 pour la visualisation. Installez le capteur de lumière dans le PBR en enfilant le fil du capteur de lumière à travers l'orifice du couvercle, puis montez la tête du capteur sur le support d'extension du couvercle à l'aide de la vis fournie. Utilisez un bouchon en caoutchouc ou un oeillet pour garder ce port fermé dans l'atmosphère. Fixez et fixez la turbine du mélangeur sur le couvercle PBR en plaçant l'arbre de la turbine sur le mini-moteur à courant continuArbre à l'intérieur du couvercle PBR; Fixez l'arbre avec une vis de réglage et une clé hexagonale. Ajouter un milieu de croissance spécifique aux algues, placer le couvercle et fixer le couvercle avec des vis. Placez le PBR à l'intérieur de l'incubateur (réglé à 25 ° C ou à la température désirée). Insérez la sonde de température dans son port désigné et fixez-la dans le port à l'aide d'un bouchon en caoutchouc. Fixez la sonde de pH dans l'orifice du couvercle du réacteur à l'aide d'un support fileté PG-13.5. Connectez les fils du capteur de lumière à l'unité d'acquisition de données, comme décrit à l'étape 2.1. Mettez la turbine du mélangeur à la vitesse désirée. Configurez l'alimentation CC variable adjacente à la configuration. Allumez l'alimentation et réglez le bouton de tension jusqu'à ce que la valeur de tension soit de 0 volts. Éteignez l'alimentation électrique. Connectez les lignes électriques du moteur de la turbine aux bornes de sortie positive et négative de l'alimentation variable ( Figure 5 </stroNg>). AVERTISSEMENT: Ne jamais connecter ou toucher des fils ou des circuits en direct. Assurez-vous que toutes les alimentations sont éteintes avant de brancher les fils. Lisez toujours les instructions / spécifications du fabricant afin d'assurer la compatibilité entre le moteur, l'alimentation et les fils. Allumez l'alimentation et augmentez lentement la tension en tournant le bouton de tension jusqu'à ce que la vitesse de mélange souhaitée soit atteinte; Calculer la vitesse de mélange en mesurant les rotations par minute. Figure 5: Diagramme d'installation expérimentale du réacteur. Visualisation d'une installation expérimentale PBR dans un incubateur à température contrôlée. Cette configuration comprend une lampe en croissance et un PBR, avec des capteurs et un mélangeur sécurisé dans le couvercle PBR. Cliquez ici pourVoir une version plus grande de ce chiffre. Configurez la lampe Grow pour éclairer le PBR. REMARQUE: Une lampe à LED haute puissance et à LED qui émet dans le spectre bleu et rouge a été choisie pour atteindre les niveaux d'intensité photosynthétique requises pour cette recherche spécifique de Dunaliella. La taille et la forme de l'éclairage doivent être sélectionnées de sorte que la lumière illumine uniformément la surface incidente du PBR. Vérifiez que l'incubateur peut gérer une source de chaleur interne. Ne pas le faire pourrait raccourcir la durée de vie de l'incubateur et / ou pourrait causer des dommages ou un chauffage excessif dans l'incubateur. Centrez la lampe de croissance le long de la face avant du PBR. Assurez-vous que le trajet de la lumière est directement orienté vers le capteur de lumière monté à l'arrière du réacteur. Allumez la lumière et réglez l'intensité de la lumière au besoin en déplaçant la lampe de croissance directement vers ou loin du réacteur. Vérifiez l'affichage de la variable du capteur pour la lumièreLectures. Surveillez et enregistrez les données du capteur pendant 6 à 24 heures pour vous assurer que les lectures de lumière, de température et de pH dans le PBR sont stables et dans la gamme souhaitée. Ajuster au besoin. REMARQUE: Le bruit électrique peut souvent être observé par des rebondissements, des lectures instables et / ou des changements abrupts de valeurs, sans changements apparents dans l'environnement PBR. Retirez le bouchon en caoutchouc sur le port d'échantillonnage pour ajouter l'inoculum d'algues via une pipette de transfert. Retirez les échantillons et surveillez les conditions pour s'assurer qu'ils restent dans la gamme souhaitée pour l'expérience. Retirez les cultures pour l'analyse au besoin à partir du port d'échantillonnage en utilisant une pipette. REMARQUE: Le volume, la fréquence et la durée de l'échantillon dépendent de l'étape 1.1.2. Surveillez la température de l'eau dans le PBR en vérifiant l'affichage des données dans le logiciel et en réglant manuellement le point de consigne de la température de l'air de l'incubateur pour garder la température de l'eauConstante constante. REMARQUE: Cet ajustement dépend des instructions du fabricant de l'incubateur. Surveiller et ajuster le pH dans le PBR, comme on le souhaite, pour s'assurer que le pH reste dans la plage attendue pour les expériences. REMARQUE: Ici, le pH a été contrôlé avec une électrovanne 12 V (normalement fermée) en ligne avec un réservoir de CO2 comprimé (99,99%). La vanne a été ouverte selon les besoins en utilisant la fonctionnalité de commande de l'unité d'acquisition et de contrôle de données et du logiciel. Cette configuration nécessitait un panneau relais accessoire et des modules DC et a été implémentée à l'aide de programmes informatiques personnalisés adaptés à des objectifs de recherche spécifiques.

Representative Results

Les données de ce système de surveillance en temps réel montrent l'environnement de culture dynamique pour les algues dans un PBR à échelle de banc et soulignent la nécessité de surveiller et de contrôler le système. Les données de température enregistrées ( Figure 6 ) démontrent comment l'éclairage lumineux, la température de l'air de l'incubateur et la dissipation d'énergie associée à la croissance des algues peuvent changer la température dans le PBR et comment les données en temps réel peuvent être utilisées pour ajuster les contrôles de température de l'incubateur, au besoin. La lumière mesurée au cours de l'expérience souligne encore la nature dynamique de cet environnement en pleine croissance. Comme on l'a observé à la figure 7 , la lecture du capteur de lumière, mesurée en tant que densité de flux photonique photosynthétique (PPFD; μE-m -2 s -1 ), était de ~ 100 PPFD avant que des algues ne soient ajoutées et tombées immédiatement à 85 PPFD afTer inoculation du réacteur avec la culture d'algues. La lumière a continué à tomber à moins de 5 PPFD au jour 7. Cette diminution de l'intensité lumineuse est due à l'augmentation de la biomasse et au nombre de cellules, et / ou à l'augmentation de l'absorption par l'augmentation de la teneur en chlorophylle, montrant que les algues sont actives au jour 7, malgré leur faible Niveaux de lumière. Des mesures biologiques supplémentaires sont nécessaires pour faire d'autres inférences. Les données de pH continuellement enregistrées montrent que, dans l'ensemble, le pH a été correctement contrôlé au cours de cette expérience avec l'algorithme de contrôle du pH implanté ( Figure 8 ). Ces données, montrant des lectures minute par minute et des moyennes d'une heure, démontrent quelques points clés sur la culture des algues et la surveillance du pH en temps réel. Tout d'abord, le pH a augmenté au-dessus du point de consigne désiré de 7,6 immédiatement après l'inoculation du PBR avec des algues. Ce changement était attendu, car la semence de culture qui a été ajoutée à la PBR a euValeur H supérieure au point de consigne, puisque le flacon utilisé pour cultiver l'inoculum n'était pas contrôlé par le pH. Deuxièmement, ces données en direct met en évidence la sensibilité des électrodes de pH au bruit électrique externe. Cette sensibilité est notée par un saut drastique dans les valeurs des électrodes entre le jour 1 et le jour 2. Ces changements brusques des valeurs de pH ont probablement été créés par le bruit électrique d'une électrovanne à partir d'une configuration expérimentale adjacente. Cette perturbation électrique a déclenché prématurément l'algorithme de contrôle du pH pour injecter du CO 2 dans le PBR. Par conséquent, le pH a chuté en dessous du point de consigne désiré. La sensibilité des électrodes de pH peut conduire à des valeurs aberrantes extrêmes et peut potentiellement perturber les systèmes de contrôle. Figure 3: Graphiques d'exemple de réponse au pH et d'étalonnage. (A) Exemple de graphique de réponse deE capteur de pH ( b ) Exemple de diagramme d'étalonnage du capteur de pH, avec une équation à utiliser pour la conversion. L'analyse de régression montre un intervalle de confiance de 95%. Les barres d'erreur ne sont pas visibles (erreur standard inférieure à 0,03%). Ces graphiques montrent que les capteurs de pH ont été connectés correctement et que son signal était très stable. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 6: Mesures de la température dans le PBR pendant une expérience de 7 jours. Les points bleu foncé représentent les moyennes de 1 heure des données du capteur, et les points bleu clair représentent les lectures des capteurs acquises sur 1 min (temporisation d'acquisition de 1 s, longueur moyenne de 60) et converties en température à l'aide de facteurs de conversion fournis par le fabricant. Flèches noires sho W lorsque le réglage de la température de l'incubateur a été ajusté pour maintenir la température de la culture à environ 25 ° C (ce point de consigne souhaité est désigné par une ligne rouge et pointillée). Les fluctuations de température sont attribuables à la croissance des algues et à la variation de la température de l'incubateur. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 7: Mesures de la lumière dans le PBR pendant une expérience de 7 jours. Les points bleu foncé représentent les moyennes de 1 h des données du capteur, et les points bleu clair représentent les lectures des capteurs acquises sur 1 min (temporisation d'acquisition de 1 s, longueur moyenne de 60) et converties en PPFD en utilisant les valeurs d'étalonnage d'usine par défaut du capteur de lumière."> Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 8: Mesures du pH dans le PBR pendant une expérience de 7 jours. Les points bleu foncé représentent les moyennes 1 h des données du capteur, et les points bleu clair représentent les lectures des capteurs enregistrées toutes les 1 min (temporisation d'acquisition de 0,1 s, longueur moyenne de 600) et converties en pH en utilisant l'équation de conversion établie via l'étalonnage. Le pH a été maintenu entre 7,6 et 7,5 en utilisant une injection de gaz à 99% de CO 2 . Les lignes rouges et pointillées indiquent la plage de pH souhaitée. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Ce système PBR offre la possibilité de surveiller et de contrôler les expériences de croissance cinétique des algues, permettant des résultats plus reproductibles des tests expérimentaux utilisés pour quantifier la croissance. Cependant, une compréhension des limites et des incertitudes des mesures des capteurs est essentielle pour s'assurer que les lectures des capteurs reflètent avec précision les conditions du réacteur. Cette compréhension comprend la connaissance de base des principes de mesure impliqués dans les capteurs, le processus et la fréquence d'étalonnage, l'incertitude de mesure et ce que le capteur peut et ne peut pas mesurer. Par exemple, la réponse électrique pour le capteur de lumière décrite ici n'est pas répartie de manière égale sur la gamme de spectre visible, et certains facteurs de correction peuvent être appliqués à la sortie du capteur, selon la manière dont ces données de capteur seront analysées.

Les niveaux de température et les variations sont également extrêmement importants, car les changements de température peuvent considérablementFaire face à la réponse du capteur. Comprendre les interférences potentielles qui peuvent avoir une incidence sur les lectures des capteurs est également d'une importance critique; Cette interférence peut être du bruit électrique ambiant du bâtiment ou pourrait provenir de l'environnement de mesure ( par exemple, les ions de sodium peuvent influer drastiquement sur les lectures de pH à des valeurs de pH supérieures à 10) ¹² . En outre, l'immergence de sondes multiples dans une solution, en particulier une solution de sel hautement ionique et conductrice, est également une source potentielle d'interférences. Les électrodes qui mesurent le pH (ou la force ionique, l'oxygène dissous, le CO ₂ dissous, etc. ) sont particulièrement sensibles au bruit électrique ambiant et peuvent être facilement perturbées. Le conditionnement du signal utilisé pour protéger le signal de l'électrode ne peut pas garantir que d'autres facteurs n'interfèrent pas avec les lectures de la sonde. Dans le cadre du contrôle de la qualité, d'autres équipements de laboratoire, comme une sonde de pH portative, un spectromètre portatif et un thermomètre, devraient être utilisés pour vérifier tLes lectures des capteurs et pour s'assurer que le système est configuré correctement.

Une autre limitation à résoudre est l'impact possible de l'environnement des algues et / ou de la culture sur les capteurs. Par exemple, si les débris d'algues ou les bulles recouvrent le récepteur de photodiode du capteur de lumière, les lectures seront affectées. De même, les électrodes de pH sont extrêmement sensibles et nécessitent des précautions supplémentaires pour assurer des lectures précises. Ces électrodes fonctionnent en mesurant une différence de tension à travers une jonction interne en raison de l'accumulation d'ions H ⁺ ; Une couche tampon hydratée à l'intérieur de la sonde est nécessaire pour maintenir des mesures précises ¹² . Selon les conditions dans le réacteur, cette couche s'éteindra et la réponse du capteur peut changer au cours de l'expérience pendant que la sonde est submergée. Dans les essais préliminaires, la sortie de tension de pH n'a pas dérivé plus de 0,2 unités de pH au cours d'une expérience de 20 jours, Mais d'autres évaluations devraient être effectuées pour caractériser cette modification de la réponse du capteur et pour établir des durées d'exécution expérimentales maximales, surtout si des ajustements / quantifications de pH sont nécessaires.

Beaucoup de systèmes de PBR à échelle standard conçus pour analyser la croissance des algues ne surveillent pas et ne contrôlent pas l'environnement de la culture interne aussi étroitement que nécessaire pour discerner comment les différents facteurs ont une incidence sur la croissance des algues, car la mise en place de ces systèmes peut être difficile. Ce protocole peut aider à faciliter des expériences plus contrôlées en donnant des instructions étape par étape pour la construction d'un PBR avec une surveillance en temps réel. En outre, ces données en direct peuvent être utilisées non seulement pour mieux contrôler les conditions expérimentales, mais elles peuvent potentiellement être utilisées pour estimer la cinétique de croissance ( par exemple, les lectures de densité optique comme référence pour les taux de croissance généraux).

Les systèmes expérimentaux contrôlés peuvent aider à rendre les recherches d'algues plus reproductibles. PBR de l'échelle de bancLes outils qui sont surveillés et contrôlés peuvent accroître l'efficacité expérimentale en minimisant les artefacts non intentionnels dans la conception expérimentale et peuvent contribuer à faire avancer les efforts visant à faire des biocarburants d'algues une source de carburant durable et alternative.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs reconnaissent la Fondation nationale de la science Emerging Frontiers in Research and Innovation (prix n ° 1332341) pour financer cette recherche. Les auteurs souhaiteraient également remercier le Dr Andrew Grieshop, ainsi que les communautés de support en ligne LabJack et DAQFactory pour leur aide et leur aide offertes tout au long de ce processus.

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

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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).

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