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

Aufbau und Aufbau eines handelsüblichen Algen-Photosynthese-Bioreaktors mit Temperatur-, Licht- und pH-Monitoring für kinetische Wachstumstests

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

Dieses Papier beschreibt den Montageprozess und den Betrieb eines fotosynthetischen Bioreaktors auf der Bank, der in Verbindung mit anderen Methoden verwendet werden kann, um relevante kinetische Wachstumsparameter zu schätzen. Dieses System überwacht kontinuierlich den pH-Wert, das Licht und die Temperatur mit Sensoren, einer Datenerfassungs- und Steuereinheit und einer Open-Source-Datenerfassungssoftware.

Abstract

Die optimale Gestaltung und der Betrieb von photosynthetischen Bioreaktoren (PBRs) für den Mikroalgenanbau ist für die Verbesserung der ökologischen und ökonomischen Leistung der Produktion von Mikroalgen-basierten Biokraftstoffen unerlässlich. Modelle, die das Mikroalgenwachstum unter verschiedenen Bedingungen einschätzen, können dazu beitragen, das Design und den Betrieb von PBR zu optimieren. Um effektiv zu sein, müssen die in diesen Modellen verwendeten Wachstumsparameter genau bestimmt werden. Algenwachstumsexperimente werden oft durch die dynamische Natur der Kulturumgebung eingeschränkt, und Kontrollsysteme werden benötigt, um die kinetischen Parameter genau zu bestimmen. Der erste Schritt bei der Einrichtung eines kontrollierten Chargenexperiments ist die Datenerfassung und -überwachung. Dieses Protokoll beschreibt einen Prozess für die Montage und den Betrieb eines fotosynthetischen Bioreaktors, der zur Durchführung von Mikroalgenwachstumsexperimenten verwendet werden kann. Dieses Protokoll beschreibt, wie die Größe und Montage einer Flachplatte, Tisch-PBR aus Acryl. Es gibt auch Details wie zu konfigurierenRe PBR mit kontinuierlichem pH-, Licht- und Temperaturüberwachung über eine Datenerfassungs- und Steuereinheit, analoge Sensoren und Open-Source-Datenerfassungssoftware.

Introduction

Aufgrund der zunehmenden Besorgnis über den globalen Klimawandel und die endgültigen fossilen Brennstoffressourcen haben die Regierungen eine Politik entwickelt, um den Verbrauch von fossilen Energieträgern zu senken und die Entwicklung neuer, nachhaltiger Transportbrennstoffe zu fördern. Die United States Environmental Protection Agency hat den Erneuerbaren Brennstoffstandard (RFS) entwickelt, der verlangt, dass 36 der jährlichen 140 Milliarden Gallonen US-Transport-Kraftstoff-Mix aus erneuerbaren Brennstoffen bis 2022 kommen. Innovative und Transformationstechnologien werden notwendig sein, um diese und Künftige erneuerbare Energien Standards ¹ .

Die Verwendung von Biokraftstoffen auf Mikroalgenbasis hat das Potenzial, die nationalen RFS bei gleichzeitiger Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu unterstützen ² . Mikroalgen-basierte Biokraftstoffe haben im Vergleich zu Biokraftstoffen der ersten Generation, die auf terrestrischen Nahrungsmittelkulturen wie Mais und Sojabohnen basieren, mehrere Vorteile. Im Gegensatz zu Biokraftstoffen der ersten Generation, Algen-bAsed Biokraftstoffe verbrauchen weniger Land-, Wasser- und lebensmittelbedingte Ressourcen, da Algen ganzjährig und auf kargen Land mit Salzwasser oder Abwasser gezüchtet werden können. Mikroalgen haben hohe Wachstumsraten im Vergleich zu terrestrischen Kulturen und können hohe Lipide ansammeln, die leicht in Biodiesel umgewandelt werden können ³ . Derzeit gibt es aufgrund der hohen Kosten der energieintensiven Produktionsprozesse, die aus Algenkultivierung, Lipidabscheidung und Lipidverarbeitung in Biodiesel bestehen, keine industriellen Algen-Biokraftstoffanlagen. Es bedarf weiterer Forschung, um diese Prozesse effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

PBRs, die optisch klare, umschlossene Anlagen zur Herstellung von phototrophen Mikroorganismen in einer künstlichen Umgebung sind, gelten als eine der vielversprechendsten Kultivierungsmethoden ³ . Allerdings fehlt es den derzeitigen Entwürfen noch an der volumetrischen Produktivität, die notwendig ist, um die Produktion von Algen-zu-Biokraftstoffen herzustellenEss effizienter und wirtschaftlich attraktiver ⁴ . Leistungsstarke mathematische Modelle, die Lichtbestrahlung und Dämpfung berücksichtigen, den Transport von Nährstoffen und CO ₂ und das Wachstum der Mikroalgen können die Optimierung der PBR-Konstruktion und des Betriebs erheblich erleichtern. Für diese Optimierungsmodelle sind gezielte Wachstumsparameter erforderlich, um speziespezifische Wachstumsparameter zu bestimmen.

Kinetische Tests erfordern die sorgfältige Überwachung und Kontrolle von Versuchsaufbauten, um unbeabsichtigte Wachstumsinhibitoren zu verhindern. Angesichts der photosynthetischen Natur von Algen ( dh ihres CO ₂ -Aufhaltes und der Absorption von Licht) ist die Aufrechterhaltung kontrollierter Zustände bei herkömmlichen PBRs besonders schwierig. Wie in Gleichung 1 dargestellt, wird die Menge an gelöstem CO ₂ in dem Wachstumsmedium, die gewöhnlich als & ldquor; ( Gleichung 2 ), wird mindestens einFunktion von: 1) der CO ₂ -Partialdruck und Henrys Gleichgewichtskonstante, die die Gasmenge diktiert, die sich in Lösung lösen wird ( Gleichung 3 ); 2) die anfängliche chemische Zusammensetzung des Wachstumsmediums, die die Speziation und Aktivität der Carbonat-Ionen und den pH-Wert beeinflusst ( Gleichungen 4 und 5 ); Und 3) die Temperatur, die die Gleichungen 3-5 ⁵ beeinflusst .

Die verschiedenen Phasen und die chemische Speziation von Kohlenstoff schaffen eine Herausforderung für die Messung und Aufrechterhaltung einer konsistenten Konzentration des gelösten Kohlenstoffs innerhalb eines PBR whiWenn man andere Bedingungen konstant hält ( z. B. nimmt der pH-Wert zu, wenn die Algen CO ₂ verbrauchen und die Erhöhung des gelösten CO ₂ -Substrats möglicherweise zu einer sauren Umgebung führen kann, die das Wachstum hemmt) ⁶ .

Eine zusätzliche Schicht von Komplexität zur Kontrolle von Zuständen während Algen-kinetischen Tests beinhaltet die Lichtintensität innerhalb der PBR. Die mittlere Lichtintensität innerhalb eines PBR ist nicht nur die einfallende Lichtintensität, sondern auch die Gestaltung ( zB Material, Form, Tiefe und Mischen), die Extinktion von Algen-Biomasse-Komponenten (insbesondere Chlorophyll) Streuungseigenschaften der Algenzellen. Wenn die Algen wachsen, wird die durchschnittliche Lichtintensität abnehmen. Diese Veränderung der Lichtintensität, sei es durch eine Zunahme der Gesamtzellen und der Biomasse, eine Erhöhung des Chlorophyllgehalts pro Zelle oder beides, kann schließlich eine metabolische Reaktion hervorrufen, wie z. B. eine Erhöhung des ChlorophyllproduktsCtion pro Zelle oder die Verwendung von Kohlenhydrat- und Lipidspeicherprodukten für Energie ⁷ . Die kontinuierliche Überwachung der Lichtintensität aus dem Reaktor liefert wertvolle Informationen. Diese Daten können dazu beitragen, dass die Bedingungen innerhalb eines bestimmten Bereichs bleiben und dazu verwendet werden können, Algenwachstum und Absorptionsparameter zu schätzen, wenn sie mit anderen Messungen kombiniert werden ( dh Biomasse, Chlorophyllkonzentration, Reaktortiefe, einfallendes Licht usw. ).

Das Verständnis, wie Algen unter einem bestimmten Satz von Bedingungen wachsen, erfordert, dass der pH-Wert, das gelöste CO ₂ , die Lichtintensität und die Temperatur in kinetischen Experimenten im Maßstab überwacht werden. Viele Algenwachstums-Setups sind nicht ausgestattet, um die Bedingungen zu überwachen, wie dies für die Kalibrierung von kinetischen Modellen erforderlich ist, wodurch der Modellierungsprozess extrem anspruchsvoll ist ⁸ . Obwohl viele Unternehmen bieten Bank-PBRs mit Automatisierung und Kontrolle, diese Bank-ScalE Setups können extrem teuer sein (~ $ 20.000) und möglicherweise nicht alle experimentellen Überlegungen einer gegebenen Forschungsfrage unterbringen.

Der erste Schritt bei der Einrichtung eines Control-Feedback-Systems für ein Batch-Experiment ist die Live-Datenerfassung. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, wie ein konstruierter und aufbauender PBR mit Dauerlicht, pH-Wert und Temperaturüberwachung konstruiert und aufgebaut werden kann. Diese Echtzeit-Monitoring-Setup kann dazu beitragen, dass die experimentellen Bedingungen in den gewünschten Bereichen bleiben, nach dem Ermessen des Forschers. Während dieses Protokoll nicht spezifische Kontrollmechanismen detailliert darstellt, stellen diese Schritt-für-Schritt-Anleitungen eine grundlegende Grundlage für das Datenerfassungs-Framework dar, das erforderlich ist, bevor anspruchsvollere Steuerungs-Feedbacks implementiert werden können.

Protocol

1. Konstruieren Sie den PBR-Körper und Deckel der Tischplatte HINWEIS: Zur Veranschaulichung ist Dunaliella sp. , Eine ~ 10 μm halotolerante Mikroalgen ohne Zellwand, wurde als Modellorganismus für den Bau dieser PBR verwendet. Bestimmen Sie das PBR-Volumen, das für die Forschungsbedürfnisse erforderlich ist. Bestimmen Sie die experimentellen Ziele für diese PBR. Entscheiden Sie, welche Algen-Mess-Assays, M , notwendig sind, um das Wachstum der Algen-Spezies von Interesse zu charakterisieren, einschließlich des erforderlichen Volumens pro Assay, v ; Die Anzahl der technischen Replikate, n ; Die Abtastfrequenz, f ; Und die Dauer der Experimente, t . HINWEIS: Projektionsspezifische Forschungsfragen, Algenarten und verfügbare Geräte diktieren die gemessenen Algeneigenschaften, die für diese Messungen verwendeten Methoden und wie häufig diese Messungen durchgeführt werden. Biomasse; Zellen zählt; Und insgesamtChlorophyll-Pigment-, Protein-, Lipid-, Kohlenhydrat- und externe Nitrat-Konzentrationsmessungen sind übliche Wege zur Bewertung des Wachstums und die tägliche Probenahme über 5 – 14 Tage ist ein gemeinsamer Ansatz für Wachstumstests 9 , 10 . Berechnen Sie das gesamte Kulturvolumen, V s , das für die Probenahme während eines Experiments unter Verwendung von Gleichung 6 erforderlich ist. Verwenden Sie Gleichung 7, um ein Ziel-PBR-Volumen, V p , unter Verwendung von V s aus Schritt 1.1.3 und einer maximalen Volumenentfernungsfraktion, F zu schätzen. HINWEIS: Das Entfernen von weniger als einem vordefinierten Bruchteil des gesamten Kulturvolumens ( z. B. ~ 20%) kann dazu beitragen, dass die Bedingungen innerhalb der PBR, dh (Mischleistung, Lichtverteilung usw. ) nicht drastica sindLly variieren im Laufe des Experiments, wenn das Kulturvolumen entfernt wird. Annahme eines 10-tägigen Experiments mit Biomasse; Zellen zählt; Und Gesamtchlorophyll-, Protein-, Lipid-, Kohlenhydrat- und Nitratkonzentrationen werden täglich in dreifacher Ausfertigung gemessen, wobei ein Gesamtprobenvolumen von ~ 600 ml verwendet wird. Wenn man darauf abzielt, nicht mehr als 18,75% des gesamten Kulturvolumens zu entfernen, verwenden Sie ein Gesamtreaktorvolumen von mindestens 3,2 L. Wählen Sie Sensoren und Zubehör für die PBR-Experimente. Wählen Sie pH-, Licht- und Temperaturfühler für die kontinuierliche Überwachung. HINWEIS: Die Sensoren sollten mit der Datenerfassungseinheit kompatibel sein und den internen Kulturbedingungen ( dh pH-Bereich, Licht, Hitze, Algenabfall, Salz usw. ) standhalten. Hier wurden rostfreie und salztolerante Sonden gewählt, da Dunaliella sp. Sind marine Mikroalgen. Wählen Sie ein Laufrad-Design und Motor, um die exPerimale Mischanforderungen. HINWEIS: Zum Beispiel ist ein Axiallaufrad mit niedriger Scherung eine gute Wahl für Dunaliella- Algen, da ihnen eine Zellwand fehlt und leicht schälen kann. Diese Algen haben Flagellar-Fortbewegung und brauchen kein intensives Mischen 11 . Niedrige Mischgeschwindigkeiten können mit einem 12 V Mini-Getriebemotor erreicht werden. Das Laufrad und die Welle können 3D-gedruckt werden (3D-Druckinformationen finden Sie in der Materialliste). Montieren Sie den PBR-Körper und den Deckel. Bestimmen Sie die Dimensionen des Reaktors, basierend auf den Volumenberechnungen in Schritt 1.1, unter Berücksichtigung der experimentellen Ziele und der möglichen Einschränkungen ( zB Raum). HINWEIS: Ein PBR-Design mit einem niedrigeren Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis wird bevorzugt, da diese Form die Lichtdämpfung während des gesamten PBR minimiert, was eine konsistentere Lichtverteilung während des gesamten Experiments ergibt. Schneide fünf Stücke von optisch klarer GussAcryl-Platten (~ 0,25-0,5 in dick) mit einer Tischsäge, entsprechend dem PBR-Design und der Größe, die in Schritt 1.3.1 festgelegt wurde. Achten Sie darauf, dass die Gelenkkanten geglättet, aber nicht abgerundet sind, mit 200 bis 400 Schleifpapier. Sichern Sie die Kanten der Acrylstücke zusammen mit Klebeband und / oder Klemmen. HINWEIS: Acryl Zement ist kein Leim. Wenn die Acryl-Bindungsoberflächen rauh sind oder die Acrylstücke nicht gleichmäßig ausgerichtet sind, ist dieser Bindungszement nicht wirksam. In einem gut belüfteten Bereich Acryl-Zement entlang der Fugen mit einem Nadelspender auftragen. Die Plastikoberflächen haften sofort zusammen. Lassen Sie die Stücke für 24 Stunden sitzen. WARNUNG: Eine Maske und Handschuhe sollten getragen werden, um Einatmung und Hautbelastung bei Verwendung von Acrylzement zu vermeiden. Tragen Sie viskosen Acryl-Zement auf die Gelenke, um sicherzustellen, dass die PBR wasserdicht ist. Lassen Sie den Zement für 24-48 h trocknen, entsprechend den Zementanweisungen; Trockenzeiten können variieren. Füll dasReaktor mit Wasser auf sichtbare Lecks zu prüfen. Wenn keine Lecks sichtbar sind, legen Sie den Reaktor auf Papiertücher und prüfen Sie nach 24-36 h auf Anzeichen von Leckagen. HINWEIS: Acrylplatten, die nicht weniger als 0,5 mm dick sind, sollten verwendet werden, um PBRs zusammenzubauen, die mehr als ~ 2 L halten; Dünnere Blätter können unter Wasserdruck verbeugen und Lecks verursachen. Dichtungen und Nachschraubschrauben können als robustere Alternative zum Acrylzement verwendet werden (Abbildung 1 ). Diese Art der Montage erfordert Präzisionsmaschinen und muss sehr sorgfältig durchgeführt werden, da Acryl leicht knacken kann. Verwenden Sie einen Maschinenladen, um den PBR-Deckel zu entwerfen, mit Anschlüssen für Sensoren und andere PBR-Zubehörteile und -bedürfnisse ( dh Laufrad, Gasleitungen, Probenahme-Anschlüsse usw. ). Stellen Sie sicher, dass sich die internen Komponenten nicht gegenseitig stören. HINWEIS: Die PBR- und PBR-Deckelkonfiguration / -design hängt von Reaktorzubehör und experimentellen Zielen ab. Siehe Abbildung 1Für ein Beispiel eines PBR-Reaktors und Deckel-Design (weitere Details finden Sie im Material-Bereich). Dieses PBR-Design wird für den Rest des Protokolls referenziert. Abbildung 1: Bild des kundenspezifischen PBR-Setups mit Sensoren und einem Mixer. Dieses Setup zeigt einen Mischer, eine Elektrode, die an dem Deckel durch eine Gewindeöffnung im Deckel befestigt ist, und einen Lichtsensor, der an einem speziell entworfenen Deckel befestigt ist. Diese Deckelkonstruktion beinhaltet auch die Befestigung eines 12 V DC Mini-Getriebemotors. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 2. Einrichten und Konfigurieren von Sensoren mit der Datenerfassungs- und Steuereinheit HINWEIS: Sensoren übersetzen Änderungen inDie physische Welt in ein messbares analoges Signal, oft Spannung. Datenerfassungseinheiten dienen als Schnittstelle zwischen der digitalen und physischen Welt und können verwendet werden, um diese analogen Signale zu lesen und sie in diskrete Werte umzuwandeln, wie von einem Computer angewiesen. Die hier beschriebene Datenerfassungseinheit hat eine analoge Eingangsauflösung von 16 Bits, kann bis zu 14 analoge Signale (± 10 V) ablesen und kann die von einigen Sensoren benötigte Leistung (bis zu 5 V) liefern. Diese Anleitungen geben einen Überblick über die Einrichtung dieser Datenerfassungs- und Steuereinheit, um ein analoges Signal in sinnvollere Werte für Licht, pH und Temperatur innerhalb eines PBR umzuwandeln. Diese Anleitung enthält keine wichtigen Konzepte ( dh Quantisierung, Präzision, Reaktionszeit etc. ), die erforderlich sind, um diese Messwerte vollständig zu interpretieren und die Unsicherheit zu quantifizieren. <br/> Abbildung 2: Sensor-to-Data-Erfassungs- und Steuereinheit Anschlussdiagramm. Dieses Diagramm zeigt, wie Sie pH-, Licht- und Temperatursensoren für die für dieses Protokoll verwendete Datenerfassungs- und Steuereinheit einrichten können. Signalverarbeitungskomponenten für den pH- und Lichtsensor sind dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Aufbau und Konfiguration des Lichtsensors mit der Datenerfassungs- und Steuereinheit über einen Tiefpaßfilter. HINWEIS: Für allgemeine Referenzdiagramme siehe Abbildung 2 . Hersteller-Sensor-Spezifikationen geben die Differenz zwischen den Signal-, Strom- und Erdungsdrähten auf der Grundlage der Farbe an. Ein Tiefpassfilter ist eine einfache Schaltung, die einen Widerstand und einen Kondensator verwendet, um unerwünschtes Rauschen aus elektrischen Signalen herauszufiltern. Diese Art von Filter dämpft elektrische Signale mit Frequenzen höher thaN die Grenzfrequenz, die durch den Widerstand und die Kapazität bestimmt wird. Dieser Filter hilft, elektrisches Rauschen aus dem Sensorsignal zu entfernen oder zu glätten. Mit Abisolierzangen, schneiden Sie ein ~ 2 Zoll Stück von grünem Anschluss Draht; Streifen 0,25 in der Isolierung von einem Ende und ~ 0,5 in von dem anderen Ende der beiden Stücke. Identifizieren Sie die analoge Signalausgangsleitung am Lichtsensor. Stellen Sie sicher, dass mindestens ~ 0,25-0,50 Zoll Metalldraht an der Drahtisolierung vorbei sind. Sorgfältig ein Bein des 1.000 Ω-Widerstands um das ~ 0,5-Zoll-abisolierte Ende des Anschlussdrahtes umwickeln. Wickeln Sie den anderen Schenkel des Widerstands um den exponierten Abschnitt des Lichtsensors analoge Signalleitung. Verwenden Sie einen Lötkolben und bleifreies Lötmittel, um die Widerstandsbeine an den Draht zu löten. Lassen Sie das Lötmittel für 2-5 min abkühlen. WARNUNG: Die Löt- und Lötkolben werden extrem heiß und können sehr gefährlich sein, wenn die Benutzer nicht richtig geschult sind. Unterrichtsvideos finden Sie online. Schutzbrillen und andere Vorsichtsmaßnahmen sind äußerst wichtig. Drähte dürfen während dieses Vorgangs nicht an eine Stromversorgung oder andere Geräte angeschlossen werden. Schieben Sie ein ~ 1,5-Zoll-Stück Schrumpfschlauch über ein Ende des Anschlussdrahtes und schieben Sie das Stück, bis es den gelöteten Draht und den Widerstand bedeckt. Achten Sie darauf, dass alle Metallteile vollständig abgedeckt sind. Schrumpfen mit einer Heißluftpistole. Vergewissern Sie sich, dass der Schlauch fest um Widerstand und Drähte wickelt. Kein nackter Draht sollte ausgesetzt werden. Befestigen Sie die Erdungsleitung des Lichtsensors mit einem Schraubendreher an eine Freilaufklemme (GND) des Datenerfassungs- und Steuergerätes. Sichern Sie das freie Ende des Signalanschlussdrahtes mit einem Schraubendreher an einen freien Eingang (AIN). Sichern Sie die positive Leitung des 1.000 μF-Kondensators ( dh der längere Bein) an das gleiche AIN-Terminal wie in Schritt 2.1.8 und die negative Leitung ( dh das kürzere Bein) an das gleiche GND-Terminal wie in Schritt 2.1.7.Vergewissern Sie sich, dass sowohl das Kondensatorbein als auch der Draht fest mit dem Anschluss verbunden sind. Identifizieren Sie den Stromeingangsdraht für den Lichtsensor und sichern Sie diesen Draht an einer Spannungsversorgung (VS) an der Datenerfassungs- und Steuereinheit. Aufbauen und konfigurieren Sie die pH-Elektrode mit der Datenerfassungseinheit mit einem Verstärker und einem Tiefpassfilter. HINWEIS: Aufgrund der Art der pH-Messungen ( dh hochohmiger und niedriger Spannung) wird häufig ein Verstärker für die Verstärkung des Verstärkungsfaktors zwischen der pH-Sonde und der Datenerfassungseinrichtung benötigt. Ein Tiefpassfilter ist auch vorteilhaft für die Messung des pH-Werts, um das Signal vor dem elektrischen Umgebungsgeräusch zu schützen. Verbinden Sie den Verstärker der Einheitsverstärkung mit dem Messumformer mit der pH-Sonde. Verbinden Sie den Koaxialadapter mit positiven und negativen Anschlussklemmen mit dem anderen Ende des Unity-Gain-Verstärkers. Schneide zwei 6-in Stücke von grün und ein ~ 12 Zoll PiecE von schwarzem Anschlussdraht mit Abisolierzangen. Strip ~ 0,25 Zoll Isolierung von beiden Enden des schwarzen Steckdrahtes. Strip ~ 0,25 Zoll und ~ 0,5 Zoll Isolierung von den Enden der grünen Stecker Drähte mit Abisolierzangen. Packen Sie sorgfältig ein Bein des 1.000 Ω-Widerstands um den ~ 0,5 Zoll abgestreiften Abschnitt eines grünen Anschlussdrahtes. Wickeln Sie den anderen Widerstand Bein um die ~ 0,5 Zoll abgestreiften Abschnitt der anderen grünen Anschluss Draht. Verwenden Sie einen Lötkolben und bleifreies Lötmittel, um die Widerstandsbeine an den Draht zu löten. Lassen Sie das Lötmittel für 2-5 min abkühlen. Schieben Sie ein ~ 1,5-Zoll-Stück Schrumpfschlauch über ein Ende des Anschlussdrahtes und schieben Sie das Stück, bis es den gelöteten Draht und den Widerstand bedeckt. Achten Sie darauf, dass alle Metallteile vollständig abgedeckt sind. Schrumpfen mit einer Heißluftpistole. Stellen Sie sicher, dass der Kunststoff um den Widerstand und die Drähte fest umschlingt; Kein nackter Draht sollte ausgesetzt werden. Sichern Sie ein Ende des schwarzen cOnnector-Draht zum negativen (schwarzen) Klemmenpfosten am Koaxialadapter. Setzen Sie das andere Ende dieses Kabels in einen GND-Anschluss des Datenerfassungs- und Steuergerätes ein und sichern Sie es mit einem Schraubendreher. Sichern Sie ein Ende des grünen Anschlussdrahts (mit dem Widerstand in Serie) an der positiven (roten) Klemmenspitze am Koaxialadapter. Setzen Sie das andere Ende dieses Anschlussdrahtes in eine freie AIN-Klemme an der Datenerfassungs- und Steuereinheit ein. Identifizieren Sie den positiven Vorsprung des 1.000 μF Kondensators ( dh das längere Bein) und sichern Sie diese Führung zu demselben AIN Terminal wie in Schritt 2.2.9; Vergewissern Sie sich, dass sowohl das Kondensatorbein als auch der Signalleiter fest mit dem Terminal verbunden sind. Sichern Sie die Negativleitung des 1.000 μF Kondensators ( dh des kürzeren Beines) an das gleiche GND-Terminal wie in Schritt 2.2.8. Verbinden Sie den Temperatursensor mit dem Datenerfassungs- und Steuergerät, indem Sie das Signal, die Masse und die Stromversorgung anschließenIren der Sonde, um AIN-, GND- und VS-Terminals zu befreien. 3. Richten Sie die Live Data Acquisition und Experimental File ein HINWEIS: Die hier beschriebene Datenerfassungs- und Steuerungssoftware kommuniziert mit der Datenerfassungs- und Steuereinheit zur Überwachung und Protokollierung von Sensordaten in benutzerdefinierten Zeitintervallen. In den folgenden Anleitungen erfahren Sie, wie Sie eine Steuerdatei in dieser Software einrichten, um pH, Temperatur und Licht zu überwachen und aufzuzeichnen. Diese Anleitung ist spezifisch für die im Materialbereich aufgelistete Software- und Datenerfassungs- und Steuereinheit. Weitere Hinweise finden Sie in den Produktanleitungen. Verbinden Sie die Datenerfassungs- und Steuereinheit mit einem Computer in der Nähe des Versuchsaufbaus über ein USB-Kabel und laden Sie alle benötigten Treiber herunter. Laden und öffnen Sie die Datenerfassungs- und Steuerungssoftware. Richten Sie 'Conversions' für jeden Sensor in der Software ein. HINWEIS: Um das physische Volt zu konvertierenAlters-Signal in einen aussagekräftigen Wert, muss ein Umwandlungsfaktor, der durch Kalibrierung festgelegt wird, angewendet werden. Viele Sensoren kommen mit werksseitigen Kalibrierfaktoren in produktspezifischen Spezifikationsblättern. Umwandlungsgleichungen sind spezifisch für den Aufbau und die Sensoren. Viele Umwandlungsgleichungsparameter, insbesondere solche für Elektroden, müssen regelmäßig über Kalibrierung aktualisiert werden. Die Lebensdauer eines Sensors und der Kalibrierfrequenz hängt von den produktspezifischen Spezifikationen und der Arbeitsumgebung ab. HINWEIS: Die Benutzer sollten diese Spezifikationen vollständig lesen und verstehen. Tabelle 1 zeigt Konvertierungen für Sensoren in der Materialliste. Eine Beispielumwandlung für die Temperatursonde ist nachfolgend dargestellt. Navigieren Sie zu "Conversions" im Software-Arbeitsbereich auf der rechten Seite der Hauptseite. Fügen Sie einen Conversion-Namen hinzu, z. B. "volts_to_celsius" und geben Sie die Konvertierungsgleichung ein: (55.56 x value) + 255.37 – 273.15. Kanal Name Konvertierungsname Gleichung Notizen Temperatur Volts_to_celsius (55,56 x-Wert) + 255,37 – 273,15 Hersteller Umwandlungsgleichung, um Volt in Celsius umzuwandeln. Licht Volts_to_PPFD Wert x 500 Hersteller Umwandlungsfaktor zur Umwandlung von Volt in photosynthetische Photonenflussdichte (μmol m -2 s -1 ), Hersteller LED-Korrektur nicht angewendet. PH-Wert Volt_to_pH (-17,05 x Wert) + 6,93 Kalibrierabhängige Umwandlungsgleichung (Abbildung 4b) zur Umwandlung von pH-Elektroden-Spannungsmessungen in pH-Werte. Nur Umstellung auf pH-Kanal a anwendenFester Kalibrierung. Tabelle 1: Kanalumwandlungstabelle für die Datenerfassungsdatei. Beispiele für die Eingabe von Kanal- und Umwandlungsinformationen für die Sensoren in die Datenerfassungssoftware. Stellen Sie für jeden Sensor innerhalb der Software geeignete Kanäle ein, um Sensordaten zu erfassen. HINWEIS: Jeder Sensor benötigt einen eigenen Analog-Digital-Kanal in der Software und einen dafür vorgesehenen analogen Eingangsanschluss innerhalb der Datenerfassungs- und Steuereinheit. Navigieren Sie zur Seite "Kanal" innerhalb der Software. Fügen Sie einen Namen des Sensorkanals hinzu. Keine Leerzeichen sind erlaubt. Wählen Sie das entsprechende Gerät aus, um Daten für den entsprechenden Kanal zu sammeln. Dieses Gerät entspricht der Datenerfassungseinrichtung. Geben Sie die Gerätenummer ein, die verwendet wird, um auf die Datenerfassungs- und Steuereinheit oder andere zu verweisenDatenerfassungseinrichtung; Wenn nur eine Einheit verwendet wird, ist die Standardnummer oft Null. Wählen Sie Analog-zu-Digital, "A bis D" für den Eingang-Ausgang Typ ("I / O Type") und geben Sie die Kanalnummer ein, die der AIN-Klemmennummer am Datenerfassungs- und Steuergerät entspricht Eingabe der gewünschten Abtastung "Timing" (s); Dieser Wert gibt an, wie oft das Sensorsignal gelesen wird. Input 1.0, um eine Lesung alle 1 s zu erwerben. Um die Daten über 1-min-Intervalle vor der Protokollierung zu berechnen, markieren Sie das Feld "Avg" und geben 60 für die Mittelungslänge an. Wählen Sie gegebenenfalls die entsprechende Umwandlung aus dem Dropdown-Menü aus (siehe Schritt 3.3, um Conversions zu generieren); Andernfalls werden alle Kanaldaten als Spannung angezeigt / aufgezeichnet. Richten Sie den "Logging Set" ein, um die experimentellen Daten zu protokollieren. Navigieren Sie zum "Logging Panel" innerhalb des Software-ArbeitsbereichsEw logging set, und benennen Sie den Satz entsprechend. Wählen Sie den Ausgabedateityp und den Speicherort aus. Der ASCII-Dateityp stellt eine kommagetrennte Wertdatei zur Verfügung, wenn die Erweiterung '.csv' im Ausgabedateinamen angegeben ist. Füge alle gewünschten Kanäle hinzu, um diesen Satz zu protokollieren. Starten und stoppen Sie die Protokollierung wie gewünscht, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Protokollierungssequenz im Arbeitsbereich klicken und die entsprechende Option auswählen. HINWEIS: Versuchen Sie nicht, auf die Datei zuzugreifen, wenn Sie die Daten aktiv protokollieren. Diese Aktion kann den Protokollierungsvorgang stören. Der Dateispeicherort für kontinuierlich protokollierte Dateien sollte nicht in einem Cloud-Verzeichnis gespeichert / geschrieben werden. Richten Sie die "Seite" ein, um die Daten und Grafiken anzuzeigen. Navigieren Sie zur Software "Seiten" im Software-Arbeitsbereich. Klicken Sie auf eine der standardmäßigen leeren Seiten. Um einen Sensorausgang numerisch auf der Seite anzuzeigen, fügen Sie der Seite einen "Variablenwert" -Bild hinzu. TakelageKlicken Sie auf eine beliebige Stelle in der leeren Seite, wählen Sie "Anzeigen" und klicken Sie auf die Option "Variablenwert". Eine kleine Schachtel erscheint auf dem Bildschirm. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf dieses neu erstellte Feld und wählen Sie "Eigenschaften". Geben Sie die Beschriftung ein (zB "Temperatur im Reaktor"), die Kanalreferenz (zB "Temperatur [0]") und die zugehörigen Einheiten (zB "Celsius"). Klicken Sie auf "OK" und kehren Sie zur Display-Seite zurück. Um die Sensordaten grafisch und in Echtzeit anzuzeigen, füge ein 2D-Diagramm zur Displayseite hinzu. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf eine beliebige Stelle in der leeren Seite und wählen Sie "Graphen" und dann "2-D-Graphen"; Eine kleine Handlung erscheint auf dem Bildschirm. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die neu erstellte Grafik und wählen Sie "Eigenschaften". Geben Sie auf der Registerkarte "Traces" den gewünschten Namen des Sensorkanals (zB "Temperatur") in das Feld für "Y Expression" ein und stellen Sie sicher, dass "Time" writte istN in der Box für "X Expression :." Klicken Sie auf "OK" und kehren Sie zur Display-Seite zurück. 4. Kalibrieren Sie die pH-Sonde HINWEIS: Die pH-Kalibrierung sollte vor jedem Experiment durchgeführt werden, bei der vorgesehenen Temperatur des Experiments, und die pH- Kanal-Conversions sollten entsprechend aktualisiert werden. PH-Elektroden-Messungen können während der Experimente treiben; Um das Ausmaß dieser Drift zu bestimmen, den Kalibriervorgang nach dem Ausführen des Versuchsaufbaus zu wiederholen und die Messwerte zu vergleichen. PH-Elektroden sollten vor und nach dem Experimentieren, wie vom Hersteller angegeben, in der entsprechenden Speicherlösung ordnungsgemäß gelagert werden. Schließen Sie den pH- und Temperatursensor wie in Schritt 2 beschrieben an. Setzen Sie sowohl die pH-Elektrode als auch die Temperatursonde in den pH-Kalibrierpuffer 7 ein. Überprüfen Sie die grafische Anzeige, um sicherzustellen, dass die Temperaturmessung der Sonde auf der gewünschten Temperatur liegtZum Laufen von Experimenten (Schritt 3.6.2.2). Lassen Sie den pH-Elektroden-Spannungsausgang stabilisieren ( dh die Spannungswerte ändern sich nicht mehr in einer Richtung). Verwenden Sie eine grafische Anzeige, um die Stabilisierung zu bestätigen. Protokollieren Sie sowohl die Temperatur- als auch die pH-elektrischen Daten in einer Datei (Schritt 3.5) für 30-60 s. Während dieses Vorgangs sollte der pH-Kanal keine Umwandlungen angewendet werden oder eine beliebige Mittelung enthalten. Hinweis: Da pH-Elektroden empfindlich auf elektrisches Rauschen reagieren, ist ein geringerer Erfassungszeitpunkt (dh schnellere Abtastung) für den pH-Kanal vorzuziehen ( zB 'Timing' = 0,1 s). Denken Sie daran, ein niedrigeres Timing erfordert mehr Rechenressourcen. Wiederholen Sie die Kalibrierung für die Puffer 4 und 10. Vergewissern Sie sich, dass die Reaktion des Sensors zwischen -57 und -59 mV / pH liegt (Abbildung 3a ). Erzeugen Sie eine Umwandlungsgleichung, indem Sie den pH-Pufferwert gegenüber der Spannung und der Anpassung einer Linie aufzeichnen (Abbildung 3b </strong >). Aktualisieren Sie die Umwandlungsgleichung wie in Schritt 3.3 beschrieben. Wenden Sie diese Umwandlung auf den pH-Kanal an und aktualisieren Sie die Kanaleinstellungen, um die Mittelung für die Protokollierung zu berücksichtigen. 5. Richten Sie die PBR für das Algen-Experiment ein HINWEIS: Die folgenden Schritte sind für Dunaliella und die in Abbildung 1 dargestellte maßgeschneiderte PBR spezifisch . Darüber hinaus stimmen diese Setup-Anweisungen nicht mit sterilen Protokollen überein, da dieses System nicht so entworfen wurde. Bereiten Sie das Algen-Inokulum und das Wachstumsmedium vor, wie es für das Experiment und die experimentellen Ziele erforderlich ist. Verbinden Sie die pH- und Temperaturleitungen mit der Datenerfassungs- und Steuereinheit, wie in den Schritten 2.2-2.3 beschrieben. Kalibrieren und aktualisieren Sie die Umwandlungsgleichung für den pH- Kanal, wie in den Schritten 3.3 und 4 beschrieben. Igimg "src =" / files / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/> Abbildung 4: Schaltplan für den Mischer. Dieses Diagramm zeigt, wie ein Mischgerät für eine PBR mit einem Mini-Getriebemotor, einer Stromversorgung und einem 3D-gedruckten Laufrad und einer Welle eingerichtet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Richten Sie den PBR in einen temperaturgesteuerten Inkubator mit Zubehör und Sensoren ein. Siehe Abbildung 4 zur Visualisierung. Stellen Sie den Lichtsensor in die PBR ein, indem Sie den Lichtsensor durch den Deckelanschluss einschrauben und dann den Sensorkopf mit der mitgelieferten Schraube auf die Deckelverlängerung montieren. Verwenden Sie einen Gummistopfen oder eine Tülle, um diesen Port für die Atmosphäre zu halten. Befestigen und befestigen Sie das Mischer-Laufrad auf dem PBR-Deckel, indem Sie die Laufradwelle über den DC-Minilager-Motor legenSchacht im PBR-Deckel; Sichern Sie den Schaft mit einer Stellschraube und einem Inbusschlüssel. Fügen Sie algenspezifisches Wachstumsmedium hinzu, legen Sie den Deckel ab und sichern Sie den Deckel mit Schrauben. Legen Sie die PBR in den Inkubator (auf 25 ° C oder die gewünschte Temperatur eingestellt). Setzen Sie den Temperaturfühler in den dafür vorgesehenen Port ein und sichern Sie ihn mit einem Gummistopfen in den Anschluss. Sichern Sie die pH-Sonde mit einem PG-13.5-Gewindeanschluss in den Reaktordeckelanschluss. Verbinden Sie die Lichtsensordrähte mit der Datenerfassungseinheit, wie in Schritt 2.1 beschrieben. Das Laufrad auf die gewünschte Geschwindigkeit bringen. Stellen Sie die variable DC-Stromversorgung neben dem Setup ein. Schalten Sie die Stromversorgung ein und stellen Sie den Spannungsknopf ein, bis der Spannungswert 0 Volt lautet. Schalten Sie die Stromversorgung aus. Verbinden Sie die Stromversorgungsleitungen des Laufradmotors mit den positiven und negativen Ausgangsklemmen der variablen Stromversorgung (Abbildung 5 </stroNg>). WARNUNG: Niemals Kabel oder Stromkreise anschließen oder berühren. Vergewissern Sie sich, dass alle Netzteile ausgeschaltet sind, bevor Sie Kabel anschließen. Lesen Sie immer die Herstelleranweisungen / Spezifikationen, um die Kompatibilität zwischen Motor, Netzteil und Drähten zu gewährleisten. Schalten Sie die Stromversorgung ein und erhöhen Sie die Spannung langsam, indem Sie den Spannungsknopf drehen, bis die gewünschte Mischgeschwindigkeit erreicht ist. Berechnen Sie die Mischgeschwindigkeit, indem Sie die Umdrehungen pro Minute messen. Abbildung 5: Reactor Experimentelles Setup-Diagramm. Visualisierung eines PBR-Versuchsaufbaus innerhalb eines temperaturgesteuerten Inkubators. Diese Aufstellung umfasst eine wachsende Lampe und eine PBR, mit Sensoren und einem Mischer, der innerhalb des PBR-Deckels befestigt ist. Bitte hier klickenSehen Sie eine größere Version dieser Figur. Stellen Sie die wachsende Lampe auf, um die PBR zu beleuchten. HINWEIS: Eine hochleistungsfähige LED-Lampenlampe, die im blauen und roten Spektrum emittiert, wurde gewählt, um die für diese Dunaliella- spezifische Forschung benötigten photosynthetischen Lichtintensitätsniveaus zu erreichen. Die Größe und Form der Leuchte sollte so gewählt werden, dass das Licht die Einfallsfläche des PBR gleichmäßig beleuchtet. Vergewissern Sie sich, dass der Inkubator eine interne Wärmequelle verarbeiten kann. Nicht so könnte die Inkubatorlebensdauer verkürzen und / oder zu Schäden oder übermäßiger Erwärmung im Inkubator führen. Zentrieren Sie die wachsende Lampe entlang der Vorderseite des PBR. Achten Sie darauf, dass der Lichtweg direkt auf den Lichtsensor gerichtet ist, der auf der Rückseite des Reaktors montiert ist. Schalten Sie das Licht ein und stellen Sie die Lichtintensität wie nötig ein, indem Sie die wachsende Lampe direkt in Richtung oder weg von dem Reaktor bewegen. Überprüfen Sie die Sensorvariable Anzeige für LichtLesungen. Überwachen und protokollieren Sie die Sensordaten für 6 – 24 Stunden, um sicherzustellen, dass die Licht-, Temperatur- und pH-Werte im PBR stabil und im gewünschten Bereich liegen. Nach Bedarf einstellen HINWEIS: Elektrisches Rauschen kann oft durch Hüpfen, unsichere Ablesungen und / oder abrupte Werteverschiebungen beobachtet werden, ohne dass sich die PBR-Umgebung deutlich erkennbar macht. Entfernen Sie den Gummistopfen an der Probenahmeöffnung, um Algen-Inokulum über Transferpipette hinzuzufügen. Entfernen Sie die Proben und überwachen Sie die Bedingungen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des gewünschten Bereichs für das Experiment bleiben. Entfernen Sie die Kulturen für die Analyse nach Bedarf von der Probenahme-Port mit einer Pipette. HINWEIS: Das Probenvolumen, die Häufigkeit und die Dauer des Experiments hängt von Schritt 1.1.2 ab. Überwachen Sie die Wassertemperatur im PBR, indem Sie die Datenanzeige in der Software überprüfen und den Inkubator-Lufttemperatur-Sollwert manuell einstellen, um die Wassertemperatur zu haltenReif konstant HINWEIS: Diese Einstellung hängt von den Anweisungen des Inkubatorherstellers ab. Überwachen und justieren Sie den pH-Wert innerhalb des PBR, wie gewünscht, um sicherzustellen, dass der pH-Wert im erwarteten Bereich für die Experimente bleibt. HINWEIS: Hier wurde der pH-Wert mit einem 12 V-Magnetventil (normalerweise geschlossen) im Einklang mit einem komprimierten CO2-Tank (99,99%) gesteuert. Das Ventil wurde nach Bedarf über die Steuerungsfunktionalität der Datenerfassungs- und Steuereinheit und Software geöffnet. Diese Einrichtung erforderte eine Zubehör-Relaisplatine und DC-Module und wurde mit einer benutzerdefinierten Computerprogrammierung implementiert, die auf spezifische Forschungsziele zugeschnitten ist.

Representative Results

Die Daten aus diesem Echtzeit-Monitoring-System zeigen die dynamische Kultivierungsumgebung für Algen innerhalb eines pBR-basierten PBR und heben die Notwendigkeit zur Überwachung und Steuerung des Systems hervor. Die aufgezeichneten Temperaturdaten (Abbildung 6 ) zeigen, wie die Lichtbeleuchtung, die Inkubatorlufttemperatur und die Energieverteilung im Zusammenhang mit dem Algenwachstum die Temperatur innerhalb des PBR verändern können und wie die Echtzeitdaten zur Anpassung der Inkubatortemperaturkontrollen verwendet werden können. Das gemessene Licht im Verlauf des Experiments unterstreicht weiterhin die Dynamik dieses wachsenden Umfeldes. Wie in Fig. 7 zu sehen war, wurde der Lichtsensor-Messwert, gemessen als photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD; μE-m -2 s & supmin; ¹ ), ~ 100 PPFD, bevor Algen zugegeben wurden, und fiel sofort auf 85 PPFD afTer Impfung des Reaktors mit der Algenkultur. Das Licht setzte sich am Tag 7 auf weniger als 5 PPFD zurück. Diese Abnahme der Lichtintensität ist auf die Erhöhung der Biomasse und der Zellzahl zurückzuführen und / oder die zunehmende Absorption durch erhöhten Chlorophyllgehalt zu erhöhen, was zeigt, dass Algen bis zum Tag 7, trotz geringer, aktiv sind Lichtniveaus Zusätzliche biologische Messungen sind erforderlich, um weitere Schlussfolgerungen zu treffen. Die kontinuierlich protokollierten pH-Daten zeigen, dass insgesamt der pH-Wert während dieses Experiments mit dem implementierten pH-Kontrollalgorithmus adäquat kontrolliert wurde (Abbildung 8 ). Diese Daten, die sowohl Minuten-zu-Minute-Messungen als auch Stunden-Lang-Mittelwerte zeigen, zeigen einige wichtige Punkte über die Kultivierung von Algen und die Überwachung des pH-Werts in Echtzeit. Zuerst erhöhte sich der pH-Wert über dem gewünschten Sollwert von 7,6 unmittelbar nach dem Inokulieren des PBR mit Algen. Diese Veränderung wurde erwartet, da die Kultursamen, die der PBR hinzugefügt wurden,H-Wert höher als der Sollwert, da der Kolben, der verwendet wurde, um das Inokulum zu wachsen, nicht pH-kontrolliert wurde. Zweitens hebt diese Live-Daten hervor, wie empfindliche pH-Elektroden zu externen elektrischen Geräuschen führen. Diese Empfindlichkeit wird durch einen drastischen Sprung in den Elektrodenwerten zwischen Tag 1 und Tag 2 festgestellt. Diese plötzlichen Änderungen der pH-Werte wurden wahrscheinlich durch elektrisches Rauschen von einem Magnetventil von einem angrenzenden Versuchsaufbau verursacht. Diese elektrische Störung hat den pH-Regelalgorithmus vorzeitig ausgelöst, um CO 2 in den PBR zu injizieren. Folglich sank der pH-Wert unter den gewünschten Sollwert. Die Empfindlichkeit der pH-Elektroden kann zu extremen Ausreißern führen und kann Steuersysteme möglicherweise stören. Abbildung 3: pH-Response- und Kalibrierungsbeispiel-Diagramme. ( A ) Beispielreaktionsgraph von thE pH-Sensor ( b ) Beispiel Kalibriergraph des pH-Sensors mit einer Gleichung für die Umwandlung. Die Regressionsanalyse zeigt ein Konfidenzintervall von 95%. Fehlerbalken sind nicht sichtbar (Standardfehler kleiner als 0,03%). Diese Graphen zeigen, dass die pH-Sensoren korrekt angeschlossen waren und dass ihr Signal sehr stabil war. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 6: Temperaturmessungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1-h-Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren die über 1 min erfassten Sensorablesungen (Erfassungszeitpunkt von 1 s, durchschnittliche Länge von 60) und werden mit Hilfe von Hersteller-umgesetzten Umwandlungsfaktoren in die Temperatur umgewandelt. Schwarze Pfeile sho W, wenn die Inkubator-Temperatureinstellung eingestellt wurde, um die Kulturtemperatur um 25 ° C zu halten (dieser gewünschte Sollwert ist mit einer roten, gestrichelten Linie bezeichnet). Schwankungen in der Temperatur sind auf Algenwachstum und Veränderungen der Inkubatortemperatur zurückzuführen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 7: Lichtmessungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1 h Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren Sensorwerte, die über 1 min erfasst wurden (Erfassungszeitpunkt von 1 s, durchschnittliche Länge von 60) und in PPFD unter Verwendung von Standard-Lichtsensor-Werkskalibrierungswerten umgewandelt."> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 8: pH-Messungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1-h-Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren die Messwerte, die alle 1 min protokolliert werden (Erfassungszeitpunkt von 0,1 s, durchschnittliche Länge von 600) und in den pH-Wert umgewandelt werden, wobei die Umwandlungsgleichung durch Kalibrierung hergestellt wird. Der pH-Wert wurde zwischen 7,6 und 7,5 unter Verwendung einer 99% CO 2 -Gaseinspritzung gehalten. Die roten, gestrichelten Linien zeigen den gewünschten pH-Bereich an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Dieses PBR-System bietet die Fähigkeit zur Überwachung und Kontrolle von Maßstabsalben-kinetischen Wachstumsexperimenten, so dass mehr wiederholbare Ergebnisse von experimentellen Assays zur Quantifizierung des Wachstums möglich sind. Ein Verständnis der Beschränkungen und Ungewissheiten der Sensormessungen ist jedoch entscheidend, um sicherzustellen, dass die Sensorablesungen die Reaktorbedingungen genau wiedergeben. Dieses Verständnis umfasst grundlegende Kenntnisse der Messprinzipien, die mit Sensoren, dem Prozess und der Häufigkeit der Kalibrierung, der Messunsicherheit und dem, was der Sensor kann und kann nicht messen. Beispielsweise ist die hier beschriebene elektrische Reaktion für den Lichtsensor nicht gleichmäßig über den sichtbaren Spektralbereich verteilt, und es können gewisse Korrekturfaktoren je nach dem, wie diese Sensordaten analysiert werden, auf die Sensorausgabe angewendet werden.

Temperaturniveaus und Variationen sind auch äußerst wichtig, da Temperaturänderungen drastisch eindringen könnenFluenz die Sensorantwort. Das Verständnis von potentiellen Interferenzen, die die Sensorablesungen beeinflussen können, ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; Diese Störung kann Umgebungs-elektrisches Rauschen aus dem Gebäude sein oder aus der Messumgebung stammen ( zB können Natriumionen die pH-Werte bei pH-Werten über 10 drastisch beeinflussen) ¹² . Darüber hinaus ist das Eintauchen mehrerer Sonden in eine Lösung, insbesondere eine hochionische und leitfähige Salzlösung, auch eine potentielle Störquelle. Elektroden, die den pH-Wert (oder die Ionenstärke, den gelösten Sauerstoff, das gelöste CO ₂ usw. ) messen, sind besonders empfindlich gegenüber Umgebungsgeräuschen und können leicht gestört werden. Die Signalkonditionierung, die zum Schutz des Elektrodensignals verwendet wird, kann nicht garantieren, dass andere Faktoren die Sondenwerte nicht stören. Als Teil der Qualitätskontrolle sollten andere Laborgeräte wie eine handgehaltene pH-Sonde, ein handgehaltenes Spektrometer und ein Thermometer verwendet werden, um t zu überprüfenEr Sensor-Messwerte und um sicherzustellen, dass das System eingerichtet und läuft ordnungsgemäß.

Eine weitere Einschränkung, die angesprochen werden muss, ist die mögliche Auswirkung der Algen- und / oder Kultivierungsumgebung auf die Sensoren. Wenn zum Beispiel Algenschutt oder Blasen den Photodiodenrezeptor des Lichtsensors abdecken, werden die Messwerte beeinträchtigt. Ebenso sind pH-Elektroden extrem empfindlich und erfordern zusätzliche Sorgfalt, um genaue Messwerte zu gewährleisten. Diese Elektroden arbeiten durch Messen einer Spannungsdifferenz über einen internen Knotenpunkt aufgrund des Aufbaus von H ⁺ -Ionen; Eine hydratisierte Pufferschicht innerhalb der Sonde ist erforderlich, um genaue Messungen aufrechtzuerhalten. Abhängig von den Bedingungen innerhalb des Reaktors wird diese Schicht abnutzen, und die Reaktion des Sensors kann sich während des Experiments ändern, während die Sonde untergetaucht ist. In Vorversuchen drückte die pH-Spannungsausgabe im Verlauf eines 20-tägigen Experiments nicht um mehr als 0,2 pH-Einheiten ab, Aber es sollten weitere Beurteilungen durchgeführt werden, um diese Änderung der Sensorreaktion zu charakterisieren und maximale experimentelle Laufzeiten zu schaffen, insbesondere wenn feine pH-Anpassungen / Quantifizierungen erforderlich sind.

Viele derzeitige PBR-Systeme, die zur Analyse des Algenwachstums gebaut wurden, überwachen und kontrollieren nicht die interne Kulturumgebung so eng wie nötig, um zu erkennen, wie unterschiedliche Faktoren das Algenwachstum beeinflussen, da die Einrichtung von Systemen auf diese Weise eine Herausforderung darstellen kann. Dieses Protokoll kann dazu beitragen, mehr kontrollierte Experimente zu erleichtern, indem es Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Aufbau eines PBR mit Echtzeit-Überwachung gibt. Darüber hinaus können diese Live-Daten nicht nur zur besseren Kontrolle der experimentellen Bedingungen verwendet werden, sondern sie können auch zur Abschätzung der Wachstumskinetik genutzt werden ( z. B. optische Dichtewerte als Referenz für allgemeine Wachstumsraten).

Kontrollierte experimentelle Systeme können dazu beitragen, die Algenforschung reproduzierbarer zu machen. Bench-Skala PBR sEtups, die überwacht und kontrolliert werden, können die experimentelle Effizienz erhöhen, indem sie unbeabsichtigte Artefakte in der experimentellen Gestaltung minimieren und dazu beitragen können, die Bemühungen um die Herstellung von Algen-Biokraftstoffen zu einer nachhaltigen, alternativen Brennstoffquelle zu machen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren bestätigen die National Science Foundation Emerging Frontiers in Forschung und Innovation (Award # 1332341) für die Finanzierung dieser Forschung. Die Autoren würden auch gerne Dr. Andrew Grieshop, sowie die LabJack und DAQFactory Online-Support-Communities für ihre Unterstützung und Hilfe in diesem Prozess angeboten zu erkennen.

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).

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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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