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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, einen photosynthetischen Bioreaktor im Labormaßstab mit kontinuierlichem Licht, pH-Wert und Temperatur zusammenzubauen, der Experimente zum Algenwachstum überwacht. Die Quantifizierung des Algenwachstums mit einem überwachten und kontrollierten Aufbau ermöglicht es den Forschern, das Algenwachstum besser zu beurteilen. Dies kann dazu beitragen, wichtige Fragen zu beantworten, um Biokraftstoffe auf Algenbasis Wirklichkeit werden zu lassen.

Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass es sich um ein anpassbares und potenziell kostengünstigeres Setup handelt, um Experimente zum Algenwachstum in Echtzeit zu überwachen. Wir wollten diese Art von photosynthetischem Bioreaktor entwickeln, als wir erkannten, wie wichtig es ist, die Kontrolle über die dynamische Kultur und Umgebung der Algen aufrechtzuerhalten. Die regionale Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da viele der Schritte schwer zu erlernen sind, wenn Sie mit der Terminologie und den Praktiken der Elektrotechnik nicht vertraut sind.

Erstellen Sie zu Beginn dieses Verfahrens einen PBR auf Laborebene. Bestimmen Sie die Größe, Form und Ausführung des PBR-Gehäuses und des Deckels, wie im Textprotokoll beschrieben. Verbinden Sie den Verstärker mit eins Verstärkung über ein Senderkabel mit der pH-Sonde.

Nehmen Sie dann den Koaxialadapter auf, der über positive und negative Anschlussklemmen verfügt. Schließen Sie den Adapter an das andere Ende des Unity-Gain-Verstärkers an. Um einen Tiefpassfilter herzustellen, schneiden Sie mit einer Abisolierzange zwei 15 Zentimeter lange Stücke grünen Anschlussdrahtes und ein 30 Zentimeter langes Stück schwarzen Anschlussdraht ab.

Entfernen Sie etwa 0,6 Zentimeter Isolierung von einem Ende jedes der grünen Drähte und von beiden Enden des schwarzen Drahtes. Ziehen Sie dann etwa 1,25 Zentimeter vom anderen Ende der grünen Drähte ab. Wickeln Sie vorsichtig einen Schenkel des 1000-Ohm-Widerstands um den 1,25 Zentimeter langen, abisolierten Abschnitt eines der grünen Anschlussdrähte.

Wickeln Sie den anderen Widerstandsschenkel um den 1,25 Zentimeter großen, abisolierten Abschnitt des anderen grünen Drahtes. Löten Sie mit einem Lötkolben und bleifreiem Lot die Widerstandsschenkel an den Draht. Lassen Sie das Lot zwei bis fünf Minuten abkühlen.

Decken Sie danach den Widerstand und den gelöteten Draht mit einem vier Zentimeter großen Stück Schrumpfschlauch ab. Schrumpfen Sie den Schlauch mit einer Heißluftpistole und achten Sie darauf, dass sich der Kunststoff fest um den Widerstand und die Drähte wickelt. Befestigen Sie als Nächstes ein Ende des schwarzen Anschlusskabels an der Minuspole des Koaxialadapters.

Stecken Sie das andere Ende des Kabels in eine der Erdungsklemmen der Datenerfassungs- und Steuereinheit. Verbinden Sie ein Ende des grünen Anschlusskabels mit dem positiven Anschlusspol des Koaxialadapters. Stecken Sie dann das andere Ende in eine freie analoge Eingangsbuchse an der Datenerfassungs- und Steuereinheit.

Stecken Sie den Pluspol des 1000-Mikrofarad-Kondensators in denselben analogen Eingangsanschluss. Befestigen Sie das Minuskabel des Kondensators an der gleichen Erdungsklemme, die für das schwarze Anschlusskabel verwendet wird. Schließen Sie danach den Temperatursensor an die Datenerfassungs- und Steuereinheit an, wie im Textprotokoll beschrieben.

Führen Sie nach dem Einrichten der Live-Datenerfassung und der Experimentierdatei sowohl die pH-Elektrode als auch die Temperatursonde in den pH-Kalibrierpuffer sieben ein. Vergewissern Sie sich, dass die Lösung die gewünschte Temperatur hat, wie im Textprotokoll beschrieben. Nachdem sich die pH-Elektrodenspannung stabilisiert hat, protokollieren Sie sowohl die Temperatur als auch die elektrischen pH-Daten in einer Datei.

Stellen Sie sicher, dass keine Umrechnungen auf den pH-Kanal angewendet werden und die Kanalmittelung deaktiviert ist. Wiederholen Sie die Kalibrierung für die Puffer vier und 10. Generieren Sie eine Konvertierungsgleichung, wie im Textprotokoll beschrieben, und aktualisieren Sie diese Gleichung in der experimentellen Datei.

Wenden Sie als Nächstes diese pH-Umwandlung auf den pH-Kanal an. Nach der Vorbereitung des Algeninokulums und des Wachstumsmediums richten Sie den PBR zur Vorbereitung des Experiments ein. Fädeln Sie das Kabel des Lichtsensors durch die Deckelöffnung.

Montieren Sie dann den Lichtsensorkopf auf die PBR-Deckelverlängerungshalterung. Verwenden Sie dann einen Gummistopfen, um die Deckelöffnung zu verschließen. Platzieren Sie die Laufradwelle über der Welle des Gleichstrom-Minigetriebemotors im PBR-Deckel und befestigen Sie die Welle mit einer Stellschraube und einem Inbusschlüssel.

Fügen Sie das vorbereitete algenspezifische Wachstumsmedium hinzu. Setzen Sie danach den Deckel auf den PBR und befestigen Sie ihn mit Schrauben. In einen Inkubator bei 25 Grad Celsius stellen.

Stecken Sie den Temperaturfühler in den dafür vorgesehenen Anschluss und sichern Sie ihn mit einem Gummistopfen. Befestigen Sie anschließend die pH-Sonde in der PG 13,5-Gewindehalterung des Reaktordeckels. Stellen Sie sicher, dass der Lichtsensor mit einem Tiefpassfilter an die Datenerfassungs- und Steuereinheit angeschlossen ist, wie im Textprotokoll beschrieben.

Schalten Sie dann das Laufrad des Mischers auf die gewünschte Drehzahl ein. Richten Sie die variable Gleichstromversorgung neben dem PBR ein. Schalten Sie das Netzteil ein und stellen Sie die Spannung ein, bis der Spannungswert null Volt anzeigt.

Schalten Sie danach die Stromversorgung aus. Verbinden Sie die Stromleitungen des Laufradmotors mit den positiven und negativen Ausgangsanschlüssen der variablen Stromversorgung. Schalten Sie das Netzteil ein und erhöhen Sie die Spannung langsam, bis die gewünschte Mischgeschwindigkeit erreicht ist.

Zentrieren Sie als Nächstes die Grow-Lampe entlang der Vorderseite des PBR und stellen Sie sicher, dass der Lichtweg auf den Lichtsensor ausgerichtet ist. Schalten Sie die Grow-Lampe ein und passen Sie die Lichtintensität nach Bedarf an, indem Sie die Lampe zum Reaktor hin oder von ihm weg bewegen. Überwachen und protokollieren Sie die Sensordaten für sechs bis 24 Stunden, wie im Textprotokoll beschrieben.

Verwenden Sie danach eine Transferpipette, um das Algeninokulum durch die Probenahmeöffnung zu geben. Um sicherzustellen, dass sie innerhalb des Bereichs bleiben, entnehmen Sie die Kulturen nach der Überwachung der Bedingungen bei Bedarf mit einer Pipette durch den Probenahmeanschluss für die Analyse. Überwachen Sie über das Datendisplay die Wassertemperatur.

Stellen Sie den Sollwert für die Lufttemperatur des Inkubators manuell ein, um die Wassertemperatur konstant zu halten. Der pH-Wert wird mit einem 12-Volt-Magnetventil geregelt, das mit einem 99%-CO2-Tank übereinstimmt. Das Ventil wird über die Datenerfassungs- und Steuereinheit geöffnet.

In dieser Studie wird ein photosynthetischer Bioreaktor gebaut, um Experimente zum kinetischen Wachstum von Algen im Labormaßstab zu überwachen und zu steuern. Die logarithmischen Temperaturdaten zeigen, wie die Lichtbeleuchtung, die Lufttemperatur des Inkubators und die Energiedissipation, die mit dem Algenwachstum verbunden sind, die Temperatur im Bioreaktor verändern können. Diese Echtzeitdaten werden verwendet, um die Steuerung des Inkubators nach Bedarf anzupassen, um die Dynamik, die Kultur und die Umgebung zu steuern.

Das gemessene Licht unterstreicht die dynamische Natur dieser Anbauumgebung zusätzlich. Während der Wert des Lichtsensors vor Algen bei etwa 100 PPFD liegt, sinkt er nach dem Beimpfen des Reaktors sofort auf 85. Das Licht sinkt weiter und erreicht am siebten Tag weniger als fünf PPFD.

Die Abnahme der Lichtintensität kann auf die Zunahme der Biomasse und der Zellzahl oder auf die Zunahme der Absorption aufgrund eines erhöhten Chlorophyllgehalts zurückzuführen sein. In beiden Szenarien zeigt dies, dass die Algen trotz geringer Lichtverhältnisse bis zum siebten Tag noch aktiv sind. Die kontinuierlich aufgezeichneten Daten zeigen, dass der pH-Wert mit dem implementierten Regelalgorithmus insgesamt ausreichend geregelt wird.

Während unmittelbar nach der Inokulation des PBR mit Algen ein erhöhter pH-Wert zu erwarten ist, wird dieser vom System schnell kontrolliert. Die Live-Daten zeigen jedoch, wie empfindlich pH-Elektroden auf externes elektrisches Rauschen reagieren, das zu extremen Ausreißern führen und möglicherweise die Steuerungssysteme stören kann. Obwohl diese Methode für einen Algen-PBR implementiert ist, können diese Live-Überwachungstechniken auch auf andere mikrobielle Reaktoren angewendet werden, die eine pH- und/oder Temperaturüberwachung erfordern.

Sobald der PBR erstellt und die Datenerfassung abgeschlossen ist, sollte man in der Lage sein, in ein bis zwei Stunden einen PBR für die Live-Überwachung des Experiments einzurichten. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, daran zu denken, die Messprinzipien zu lesen und zu verstehen, die hinter der Funktionsweise Ihrer Sensoren stehen, und Ihre Messungen mit anderen Handheld-Geräten zu validieren. Wenn Sie diesem Verfahren folgen, können weitere Verbesserungen, wie z. B. die automatische pH-Steuerung, zu Ihrem PBR-Setup hinzugefügt werden.

Diese Anweisungen bilden eine Grundlage für das Datenerfassungs-Framework, das vor der Implementierung dieser komplexeren Kontrollrückmeldungen erforderlich ist. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Elektrizität, Fluoridionen und Acrylsilikon äußerst gefährlich sein kann. Es sollten also immer Vorkehrungen getroffen werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie in der Lage sein, einen PBR für die Live-Überwachung von pH, Temperatur und Licht zusammenzubauen und einzurichten.