Name: Construction et mise en place dun bioréacteur photosynthétique Algal à échelle de banc avec surveillance de la température, de la lumière et du pH pour les tests de croissance cinétique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 8 s
Description: Découvrez comment assembler un bioréacteur photosynthétique à échelle de banc pour surveiller en temps réel la croissance des algues. Cette méthode permet de contrôler le pH, la lumière et la température pour optimiser la production de biocarburants algaux.

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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.

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</ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à dévoiler.

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&#39;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&#39;étalonnage, l&#39;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&#39;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&#39;une importance critique; Cette interférence peut être du bruit électrique ambiant du bâtiment ou pourrait provenir de l&#39;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&#39;immergence de sondes multiples dans une solution, en particulier une solution de sel hautement ionique et conductrice, est également une source potentielle d&#39;interférences. Les électrodes qui mesurent le pH (ou la force ionique, l&#39;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&#39;électrode ne peut pas garantir que d&#39;autres facteurs n&#39;interfèrent pas avec les lectures de la sonde. Dans le cadre du contrôle de la qualité, d&#39;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&#39;assurer que le système est configuré correctement. Une autre limitation à résoudre est l&#39;impact possible de l&#39;environnement des algues et / ou de la culture sur les capteurs. Par exemple, si les débris d&#39;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&#39;accumulation d&#39;ions H + ; Une couche tampon hydratée à l&#39;intérieur de la sonde est nécessaire pour maintenir des mesures précises 12 . Selon les conditions dans le réacteur, cette couche s&#39;éteindra et la réponse du capteur peut changer au cours de l&#39;expérience pendant que la sonde est submergée. Dans les essais préliminaires, la sortie de tension de pH n&#39;a pas dérivé plus de 0,2 unités de pH au cours d&#39;une expérience de 20 jours, Mais d&#39;autres évaluations devraient être effectuées pour caractériser cette modification de la réponse du capteur et pour établir des durées d&#39;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&#39;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&#39;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&#39;algues plus reproductibles. PBR de l&#39;échelle de bancLes outils qui sont surveillés et contrôlés peuvent accroître l&#39;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&#39;algues une source de carburant durable et alternative.

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&#39;Agence de protection de l&#39;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&#39;énergie renouvelables d&#39;ici 2022. Des technologies novatrices et transformationnelles seront nécessaires pour répondre à ces Futures normes énergétiques renouvelables 1 . L&#39;utilisation de biocarburants à base de microalgas a le potentiel d&#39;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&#39;eau et de ressources alimentaires, car les algues peuvent être cultivées toute l&#39;année et sur des terres stériles à l&#39;aide d&#39;eau salée ou d&#39;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&#39;heure actuelle, il n&#39;existe pas de plantes d&#39;algue à biocarburant à l&#39;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&#39;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&#39;algues et de biocarburantsPlus efficace et économiquement attractif 4 . Des modèles mathématiques puissants qui considèrent l&#39;irradiation et l&#39;atténuation de la lumière, le transport des nutriments et le CO 2 et la croissance des microalgues peuvent grandement faciliter l&#39;optimisation de la conception et de l&#39;exploitation des PBR. Des expériences de croissance de l&#39;échelle de banc sont nécessaires pour déterminer les paramètres de croissance spécifiques des espèces pour ces modèles d&#39;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&#39;absorption de la lumière), le maintien de conditions contrôlées est particulièrement difficile dans les PBR à échelle de banc. Comme représenté dans l&#39;équation 1 , la quantité de CO 2 dissous dans le milieu de croissance, habituellement désigné comme <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Équation 2 ), sera, au minimum, unFonction de: 1) la pression partielle de CO 2 et la constante d&#39;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&#39;activité des ions carbonate et du pH ( équations 4 et 5 ); Et 3) la température, qui influe sur les équations 3-5 5 . <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Équation" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> 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&#39;autres conditions est constant ( par exemple, le pH augmente à mesure que les algues consomment du CO 2 et que l&#39;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&#39;intensité de la lumière dans le PBR. L&#39;intensité lumineuse moyenne à l&#39;intérieur d&#39;un PBR est fonction non seulement de l&#39;intensité lumineuse incidente, mais aussi de la conception ( par exemple, du matériau, de la forme, de la profondeur et du mélange), de l&#39;absorbance des composants de la biomasse algale (en particulier de la chlorophylle) Propriétés de diffusion des cellules d&#39;algues. À mesure que les algues poussent, l&#39;intensité lumineuse moyenne diminue. Ce changement de l&#39;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&#39;utilisation de produits de stockage de glucides et de lipides pour l&#39;énergie 7 . La surveillance continue de l&#39;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&#39;absorbance des algues si elles sont combinées avec d&#39;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&#39;intensité de la lumière et la température soient surveillés dans des expériences cinétiques à l&#39;échelle du banc. De nombreuses configurations de croissance des algues ne sont pas équipées pour surveiller les conditions dans la mesure nécessaire pour l&#39;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&#39;une question de recherche donnée. La première étape dans la mise en place d&#39;un système de contrôle-rétroaction pour une expérience par lots est l&#39;acquisition de données en direct. Cet article vise à démontrer comment construire et mettre en place un PBR à échelle de banc équipé d&#39;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&#39;acquisition de données requis avant que des rétroactions de contrôle plus sophistiquées puissent être implémentées.

<table><tbody><tr><td>Plaques d’acrylique coulées</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K244</td><td>7/8'' d’épaisseur, 12 x 36'', optiquement transparentes, la taille des feuilles achetées dépendra des dimensions du réacteur.</td></tr><tr><td>Ciment acrylique</td><td>McMaster Carr</td><td>7517A4</td><td>Scigrip ciment pour tuyaux en plastique, #4SC non blanchissant pour acrylique. Non nécessaire si des joints et des vis sont utilisés pour l’assemblage PBR.</td></tr><tr><td>Aiguille applicatrice de ciment acrylique</td><td>McMaster Carr</td><td>75165A136</td><td>Aiguille applicatrice de ciment acrylique, calibre 25, 1", acier inoxydable, doublé de PTFE.</td></tr><tr><td>Bouteille distributrice en plastique pour ciment acrylique</td><td>McMaster Carr</td><td>7544A67</td><td>Bouteille distributrice en plastique, format 2 oz, paquets de 5.</td></tr><tr><td>Ciment acrylique visqueux</td><td>McMaster Carr</td><td>7515A11</td><td>Ciment pour tuyaux en plastique Scigrip. Ciment acrylique moyennement corsé pour sceller tous les espaces dans le corps PBR.</td></tr><tr><td>Taraud à filetage PG-13.5</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>Peut être utilisé pour aider à fixer l’électrode de pH au couvercle (le cas échéant).</td></tr><tr><td>PBR et couvercle</td><td>NCSU Precision Machine Shop</td><td>Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td><td>Cet atelier d’usinage est ouvert au public. Contactez le responsable de la boutique.</td></tr><tr><td>Sonde de pH</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120, autoclavable, sortie millivolts.</td></tr><tr><td>Capteur de lumière</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>Capteur quantique d’étalonnage électrique amplifié 0-5 volts, étanche.</td></tr><tr><td>Capteur de température</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>Capteur de température en acier inoxydable, étanche.</td></tr><tr><td>Fil transmetteur de pH avec extrémité BNC</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>Ce fil varie selon le type de sonde de pH. Assurez-vous que le fil est compatible avec la sonde de pH et qu’il a une extrémité de connecteur BNC.</td></tr><tr><td>Préamplificateur à gain unitaire</td><td>Omega Engineering</td><td>PHTX-21</td><td>Amplificateur de traitement du signal pour électrode de pH nécessaire pour les lectures de pH à haute impédance.</td></tr><tr><td>Adaptateur coaxial, BNC femelle à poteau de liaison</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>Pour connecter le signal de pH du préamplificateur au microcontrôleur.</td></tr><tr><td>Condensateur (1000 uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>Pour filtre passe-bas.</td></tr><tr><td>Résistance (1000 ohm)</td><td>Radio Shack</td><td>2711321</td><td>Pour filtre passe-bas.</td></tr><tr><td>Fil de raccordement</td><td>RadioShack</td><td>2781222</td><td>Pour fabriquer des filtres passe-bas, connecter des capteurs au microcontrôleur et câbler le moteur.</td></tr><tr><td>Gaine thermorétractable</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>Pour l’assemblage de filtres passe-bas.</td></tr><tr><td>Unité d’acquisition et de contrôle de données</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>Pour traiter le signal électrique des capteurs et communiquer avec des logiciels d’acquisition et de contrôle de données.</td></tr><tr><td>DAQFactory logiciel d’acquisition de données</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build : 2050</td><td>Téléchargement gratuit, jusqu’à 10 canaux.</td></tr><tr><td>Mini moteur à engrenages à courant continu</td><td>McMaster Carr</td><td>6331K31</td><td>Moteur pour turbine de mélangeur.</td></tr><tr><td>Turbine et arbre</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>envoyer un e-mail aux auteurs pour les fichiers 3D.</td></tr><tr><td>Bloc d’alimentation CC variable</td><td>Amazon</td><td>Tekpower HY1803D</td><td>Bloc d’alimentation CC variable, 0-18 V @ 0-3 A.</td></tr><tr><td>Lampe de culture</td><td>HydroGrow</td><td>SOL-1</td><td>Ce modèle exact n’est plus disponible.</td></tr><tr><td>Incubateur</td><td>Thermo Scientific</td><td>Precision Modèle 818</td><td>Cet incubateur particulier peut résister à une source de chaleur interne puisque les compresseurs de refroidissement de cette unité fonctionnent sans interruption, quel que soit le réglage de la température.</td></tr></tbody></table>

construction et mise en place d&#39;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

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

La conception et l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;une expérience de lot contrôlée est l&#39;acquisition et la surveillance de données en direct. Ce protocole décrit un processus pour l&#39;assemblage et le fonctionnement d&#39;un bioréacteur photosynthétique à l&#39;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&#39;acrylique. Il explique également comment configuRe PBR avec surveillance continue du pH, de la lumière et de la température à l&#39;aide d&#39;une unité d&#39;acquisition et de contrôle de données, de capteurs analogiques et de logiciels d&#39;acquisition de données open source.

Les données de ce système de surveillance en temps réel montrent l&#39;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&#39;éclairage lumineux, la température de l&#39;air de l&#39;incubateur et la dissipation d&#39;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&#39;incubateur, au besoin. La lumière mesurée au cours de l&#39;expérience souligne encore la nature dynamique de cet environnement en pleine croissance. Comme on l&#39;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&#39;algues. La lumière a continué à tomber à moins de 5 PPFD au jour 7. Cette diminution de l&#39;intensité lumineuse est due à l&#39;augmentation de la biomasse et au nombre de cellules, et / ou à l&#39;augmentation de l&#39;absorption par l&#39;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&#39;autres inférences. Les données de pH continuellement enregistrées montrent que, dans l&#39;ensemble, le pH a été correctement contrôlé au cours de cette expérience avec l&#39;algorithme de contrôle du pH implanté ( Figure 8 ). Ces données, montrant des lectures minute par minute et des moyennes d&#39;une heure, démontrent quelques points clés sur la culture des algues et la surveillance du pH en temps réel. Tout d&#39;abord, le pH a augmenté au-dessus du point de consigne désiré de 7,6 immédiatement après l&#39;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&#39;inoculum n&#39;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&#39;une électrovanne à partir d&#39;une configuration expérimentale adjacente. Cette perturbation électrique a déclenché prématurément l&#39;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. <img alt="figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figure 3: Graphiques d&#39;exemple de réponse au pH et d&#39;étalonnage. (A) Exemple de graphique de réponse deE capteur de pH ( b ) Exemple de diagramme d&#39;étalonnage du capteur de pH, avec une équation à utiliser pour la conversion. L&#39;analyse de régression montre un intervalle de confiance de 95%. Les barres d&#39;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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> <img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> 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&#39;acquisition de 1 s, longueur moyenne de 60) et converties en température à l&#39;aide de facteurs de conversion fournis par le fabricant. Flèches noires sho<html> W lorsque le réglage de la température de l&#39;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&#39;incubateur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> <img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> 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&#39;acquisition de 1 s, longueur moyenne de 60) et converties en PPFD en utilisant les valeurs d&#39;étalonnage d&#39;usine par défaut du capteur de lumière.&quot;&gt; Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. <img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> 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&#39;acquisition de 0,1 s, longueur moyenne de 600) et converties en pH en utilisant l&#39;équation de conversion établie via l&#39;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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

Cet article décrit le processus d&#39;assemblage et le fonctionnement d&#39;un bioréacteur photosynthétique à l&#39;échelle du banc qui peut être utilisé, en conjonction avec d&#39;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&#39;acquisition et de contrôle de données et un logiciel d&#39;acquisition de données open source.

Construction et mise en place d&#39;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

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...

L’objectif global de cette procédure est d’assembler un bioréacteur photosynthétique à l’échelle du banc d’essai avec une lumière, un pH et une température continus, en surveillant les expériences de croissance des algues. Ainsi, la quantification de la croissance des algues à l’aide d’un dispositif surveillé et contrôlé permet aux chercheurs de mieux évaluer la croissance des algues. Ce qui peut aider à répondre à des questions clés pour faire des biocarburants à base d’algues une réalité.Le principal avantage de cette approche est qu’il s’agit d’une configuration personnalisable et potentiellement plus abordable, pour surveiller les expériences de croissance d’algues en temps réel. Nous avons voulu développer ce type de bioréacteur photosynthétique lorsque nous avons réalisé l’importance de garder le contrôle au sein de la culture et de l’environnement dynamiques des algues. La démonstration régionale de cette méthode est essentielle, car de nombreuses étapes sont difficiles à apprendre si vous n’êtes pas familier avec la terminologie et les pratiques du génie électrique.Pour commencer cette procédure, construisez un PBR à l’échelle du laboratoire. Déterminer la taille, la forme et la conception du corps et du couvercle du PBR, comme décrit dans le protocole textuel. À l’aide d’un fil transmetteur, connectez l’amplificateur de gain unitaire à la sonde de pH.Ensuite, prenez l’adaptateur coaxial, qui a des bornes de port positives et négatives. Connectez l’adaptateur à l’autre extrémité de l’amplificateur de gain unitaire. Pour fabriquer un filtre passe-bas, utilisez des pinces à dénuder pour couper deux morceaux de 15 centimètres de fil de connecteur vert et un morceau de 30 centimètres de fil de connecteur noir.Dénudez environ 0,6 centimètre d’isolant à une extrémité de chacun des fils verts et aux deux extrémités du fil noir. Ensuite, dénudez environ 1,25 centimètre de l’autre extrémité des fils verts. Soigneusement, enroulez une jambe de la résistance de 1000 ohms autour de la section dénudée de 1,25 centimètre de l’un des fils de connecteur verts.Enroulez l’autre jambe de résistance autour de la section dénudée de 1,25 centimètre de l’autre fil vert. À l’aide d’un fer à souder et d’une soudure sans plomb, soudez les pieds de la résistance au fil. Laissez refroidir la soudure pendant deux à cinq minutes.Après cela, couvrez la résistance et le fil soudé avec un morceau de gaine thermorétractable de quatre centimètres. À l’aide d’un pistolet thermique, thermorétractez le tube, en vous assurant que le plastique s’enroule étroitement autour de la résistance et des fils. Ensuite, fixez une extrémité du fil de connexion noir à la borne négative de l’adaptateur coaxial.Insérez l’autre extrémité du fil dans l’une des bornes de terre de l’unité d’acquisition de données et de contrôle. Connectez une extrémité du fil du connecteur vert à la borne positive de l’adaptateur coaxial. Ensuite, insérez l’autre extrémité dans une borne d’entrée analogique libre sur l’unité d’acquisition et de contrôle des données.Insérez le fil positif du condensateur 1000 microfarad dans la même borne d’entrée analogique. Fixez le fil négatif du condensateur à la même borne de terre que celle utilisée pour le fil de connexion noir. Après cela, connectez le capteur de température à l’unité d’acquisition et de contrôle des données, comme indiqué dans le protocole texte.Après avoir configuré l’acquisition de données en direct et le fichier expérimental, insérez l’électrode de pH et la sonde de température dans le tampon d’étalonnage de pH sept. Confirmez que la solution est à la température souhaitée, comme indiqué dans le protocole textuel. Une fois que la tension de sortie de l’électrode de pH s’est stabilisée, enregistrez la température et les données électriques du pH dans un fichier.Assurez-vous qu’aucune conversion n’est appliquée au canal de pH et que la moyenne des canaux est désactivée. Répétez l’étalonnage pour les tampons quatre et 10. Générez une équation de conversion, comme indiqué dans le protocole texte, et mettez à jour cette équation dans le fichier expérimental.Ensuite, appliquez cette conversion de pH au canal de pH. Après avoir préparé l’inoculum d’algues et le milieu de croissance, configurez le PBR en préparation de l’expérience. Faites passer le fil du capteur de lumière dans l’orifice du couvercle.Ensuite, montez la tête du capteur de lumière sur le support d’extension du couvercle PBR. Ensuite, utilisez un bouchon en caoutchouc pour fermer l’orifice du couvercle. Placez l’arbre de la roue sur l’arbre du mini moteur à engrenages CC, à l’intérieur du couvercle PBR, et fixez l’arbre avec une vis de réglage et une clé Allen.Ajouter le milieu de croissance spécifique aux algues préparé. Après cela, placez le couvercle sur le PBR et fixez-le avec des vis. Placer dans un incubateur à 25 degrés Celsius.Insérez la sonde de température dans son port désigné, en la fixant avec un bouchon en caoutchouc. Ensuite, fixez la sonde de pH dans le support fileté PG 13.5 du couvercle du réacteur. Assurez-vous que le capteur de lumière est connecté à l’unité d’acquisition de données et de contrôle, à l’aide d’un filtre passe-bas, comme décrit dans le protocole texte.Ensuite, allumez la roue du mélangeur à la vitesse souhaitée. Installez l’alimentation CC variable, à côté du PBR. Allumez l’alimentation électrique et ajustez la tension jusqu’à ce que la valeur de la tension indique zéro volt.Après cela, coupez l’alimentation électrique. Connectez les lignes d’alimentation du moteur de la roue aux bornes de sortie positive et négative de l’alimentation variable. Allumez l’alimentation électrique et augmentez lentement la tension jusqu’à ce que la vitesse de mélange souhaitée soit atteinte.Ensuite, centrez la lampe de culture le long de la face avant du PBR, en vous assurant que le chemin de la lumière est orienté vers le capteur de lumière. Allumez la lampe de culture et ajustez l’intensité lumineuse au besoin, en rapprochant ou en éloignant la lampe du réacteur. Surveillez et enregistrez les données du capteur pendant six à 24 heures, comme indiqué dans le protocole texte.Après cela, utilisez une pipette de transfert pour ajouter l’inoculum d’algues à travers l’orifice d’échantillonnage. Après avoir surveillé les conditions, pour s’assurer qu’elles restent à portée, utilisez une pipette pour prélever les cultures à analyser, au besoin, à travers le port d’échantillonnage. À l’aide de l’affichage des données, surveillez la température de l’eau.Ajustez manuellement le point de consigne de la température de l’air de l’incubateur, pour maintenir la température de l’eau constante. Le pH est contrôlé par une électrovanne de 12 volts, alignée avec un réservoir de CO2 à 99 %. L’ouverture de la vanne se fait via l’unité d’acquisition de données et de contrôle.Dans cette étude, un bioréacteur photosynthétique est construit pour surveiller et contrôler les expériences de croissance cinétique des algues à l’échelle du laboratoire. Les données de température logarithmiques montrent comment l’éclairage lumineux, la température de l’air de l’incubateur et la dissipation d’énergie associée à la croissance des algues peuvent modifier la température à l’intérieur du bioréacteur. Ces données en temps réel sont utilisées pour ajuster les contrôles de l’incubateur, au besoin, afin de contrôler la dynamique, la culture et l’environnement.La lumière mesurée souligne encore la nature dynamique de cet environnement en pleine croissance. Alors que la lecture du capteur de lumière est d’environ 100 PPFD, avant les algues, elle tombe immédiatement à 85, après l’inoculation du réacteur. La lumière continue de baisser, atteignant moins de cinq PPFD, le septième jour.La diminution de l’intensité lumineuse peut être due à l’augmentation de la biomasse et du nombre de cellules, ou à l’augmentation de l’absorption, due à l’augmentation de la teneur en chlorophylle. Dans les deux scénarios, cela montre que les algues sont toujours actives jusqu’au septième jour, malgré de faibles niveaux de lumière. Les données enregistrées en continu montrent que le pH est globalement contrôlé de manière adéquate, à l’aide de l’algorithme de contrôle mis en œuvre.Bien qu’il y ait une augmentation attendue du pH immédiatement après l’inoculation du PBR avec des algues, elle est rapidement contrôlée par le système. Cependant, les données en direct mettent en évidence la sensibilité des électrodes de pH au bruit électrique externe, ce qui peut entraîner des valeurs aberrantes extrêmes et potentiellement perturber les systèmes de contrôle. Bien que cette méthode soit mise en œuvre pour un PBR d’algues, ces techniques de surveillance en direct peuvent également être appliquées à d’autres réacteurs microbiens qui nécessitent une surveillance du pH et/ou de la température.Une fois que le PBR est construit et que l’acquisition des données est terminée, on devrait être en mesure de configurer un PBR pour la surveillance en direct de l’expérience en une à deux heures. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier de lire et de comprendre les principes de mesure, le fonctionnement de vos capteurs, et de valider vos mesures avec d’autres appareils portables. Pour suivre cette procédure, d’autres améliorations, comme le contrôle automatisé du pH, peuvent être ajoutées à votre configuration PBR.Ces instructions fournissent une base pour le cadre d’acquisition de données, nécessaire avant la mise en œuvre de ces rétroactions de contrôle plus sophistiquées. N’oubliez pas que travailler avec de l’électricité, des ions fluorure et du silicone acrylique peut être extrêmement dangereux. Des précautions doivent donc toujours être prises.Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez être en mesure d’assembler et de configurer un PBR à l’échelle de banc pour la surveillance en direct du pH, de la température et de la lumière.

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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

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