מאמר שיטה

בנייה והתקנה של אלגורית מידה של אלגוריה ביאוריאקטור פוטוסינתטי עם טמפרטורה, אור, וניטור pH עבור בדיקות צמיחה קינטית

17.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/55545

⸱

14 ביוני 2017

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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מתאר את תהליך ההרכבה והפעלה של bioreactor פוטוסינתטית בקנה מידה הספסל, שניתן להשתמש בהם, בשילוב עם שיטות אחרות, כדי להעריך את הפרמטרים הצמיחה הקינטית הרלוונטי. מערכת זו עוקבת ברציפות אחר ה- pH, האור והטמפרטורה באמצעות חיישנים, רכישת נתונים ויחידת בקרה, וקוד פתוח.

תקציר

תכנון ותפעול אופטימלי של bioreactors פוטוסינתטית (PBRs) עבור טיפוח microalgal הוא חיוני לשיפור הביצועים הסביבתיים והכלכליים של ייצור דלק ביולוגי מבוסס microalgae. מודלים המעריכים צמיחה במיקרוגאל בתנאים שונים יכולים לסייע באופטימיזציה של תכנון PBR ותפעולו. כדי להיות יעיל, הפרמטרים הצמיחה המשמשים מודלים אלה יש לקבוע במדויק. ניסויים בגידול אלגל מוגבלים לעיתים קרובות על ידי הטבע הדינמי של סביבת התרבות, ומערכות בקרה נדרשים כדי לקבוע במדויק את הפרמטרים הקינטיים. הצעד הראשון בהגדרת ניסוי אצווה מבוקרת היא רכישת נתונים חיים ניטור. פרוטוקול זה מתאר תהליך להרכבה ותפעול של bioreactor פוטוסינתטית ספסל בהיקף הספציפי שניתן להשתמש בהם כדי לערוך ניסויים הצמיחה microalgal. פרוטוקול זה מתאר כיצד גודל להרכיב שטוח צלחת, ספסל PBR בקנה מידה של אקריליק. זה גם מפרט כיצד configuRe PBR עם רציף pH, אור, ניטור טמפרטורה באמצעות רכישת נתונים יחידת הבקרה, חיישנים אנלוגיים, וקוד פתוח נתונים רכישת תוכנה.

מבוא

בשל חששות גוברים על שינוי האקלים העולמי ומשאבים דלק מאובנים סופית, ממשלות כבר בפיתוח מדיניות להפחתת צריכת הדלקים המאובנים ולעודד את הפיתוח של דלקי תחבורה חדשים, בר קיימא. הסוכנות האמריקאית להגנת הסביבה פיתחה את תקן הדלקים המתחדשים (RFS), הדורש ש -36 מתוך 140 מיליארד הגלונים בשנה של דלק התחבורה בארה"ב יגיעו ממקורות דלק מתחדשים עד שנת 2022. טכנולוגיות חדשניות וטרנספורמטיביות יידרשו כדי לעמוד בהן תקנים עתידיים של אנרגיה מתחדשת.

השימוש ביו דלקים מבוססי מיקרואורגני יש פוטנציאל לעזור לפגוש את RFS הלאומי תוך הפחתת פליטת גזי החממה 2 . דלקים ביולוגיים המבוססים על מיקרואלגה הם בעלי מספר יתרונות בהשוואה לדלקים ביולוגיים מהדור הראשון המבוססים על גידולי מזון יבשתיים, כגון תירס ופולי סויה. שלא כמו בדלקים מהדור הראשון, אצות-בכמו דלקים ביולוגיים צורכים פחות מים, מים, ומשאבים הקשורים למזון, שכן אצות יכול להיות מעובד כל השנה על קרקע צחיחה באמצעות מים מלוחים או שפכים. Microalgae יש שיעורי צמיחה גבוהים לעומת יבולים יבשתיים יכול לצבור רמות גבוהות של שומנים, אשר ניתן להמיר בקלות ביודיזל 3 . נכון לעכשיו, אין בקנה מידה תעשייתי צמחים אצות אל דלק ביולוגי קיימים בשל עלויות גבוהות של תהליכי ייצור עתירי אנרגיה, אשר מורכבים טיפוח אצות, הפרדת שומנים, זיקוק השומנים לתוך ביו דיזל. נדרש מחקר נוסף כדי להפוך את התהליכים הללו ליותר יעילים וברי קיימא.

PBRs, אשר אופטית ברור, מתקנים סגורים לייצור מיקרואורגניזמים phototrophic בסביבה מלאכותית, נחשבים אחת שיטות טיפוח המבטיחים ביותר 3 . עם זאת, עיצובים הנוכחי עדיין חסרים את הפרודוקטיביות volumetric הדרושים כדי להפוך את אצות לייצור דלק ביולוגיEss יעיל יותר ומושך מבחינה כלכלית 4 . מודלים מתמטיים רבי עוצמה, המשקפים את קרינת האור ואת הנחתה, את ההובלה של חומרים מזינים ו- CO 2 , ואת הצמיחה של המיקרואלגאזות יכול מאוד להקל על האופטימיזציה של תכנון PBR ותפעול. ניסויים בקנה מידה ספסל הצמיחה נדרשים לקבוע מינים ספציפיים צמיחה פרמטרים עבור מודלים אלה אופטימיזציה.

בדיקות קינטית דורשות ניטור זהיר ושליטה של ​​setups ניסיוני כדי למנוע מעכבי לא רצויות של צמיחה. בהתחשב בטבע הפוטוסינתטי של אצות ( כלומר, צריכתם של CO 2 וקליטת האור), שמירה על תנאים מבוקרים היא קשה במיוחד ב PBRs בקנה מידה הספסל. כפי שמתואר משוואה 1 , כמות של CO 2 מומס במדיום הצמיחה, המכונה בדרך כלל figure-introduction-1 ( משוואה ) 2 תהיה, לכל הפחות, אהפונקציה של: 1) הלחץ החלקי CO2 ושיווי המשקל של הנרי, אשר מכתיב את כמות הגז כי יתמוסס פתרון ( משוואה 3 ); 2) ההרכב הכימי הראשוני של המדיום הצמיחה, אשר משפיע על speciation ופעילות של יוני פחמתי pH ( משוואות 4 ו - 5 ); ו 3) הטמפרטורה, אשר משפיע על משוואות 3-5 5 .

figure-introduction-2
figure-introduction-3
figure-introduction-4
figure-introduction-5
figure-introduction-6

השלבים השונים והייחוס הכימי של הפחמן יוצרים אתגר למדידת ושמירה על ריכוז פחמימות מומס עקבי בתוך PBR whiLe מחזיק תנאים אחרים קבוע ( למשל, ה- pH עולה כמו אצות צורכים CO 2 , והגדלת המצע CO 2 מומס יכול להוביל בסביבה חומצית המעכב צמיחה).

שכבה נוספת של המורכבות לשליטה בתנאים במהלך בדיקות קינטית אצות כרוך בעוצמת האור בתוך PBR. עוצמת האור הממוצעת בתוך PBR היא פונקציה של עוצמת האור לא רק, אלא גם את העיצוב ( למשל, חומר, צורה, עומק וערבוב), ספיגת רכיבי ביומסה של אצות (במיוחד כלורופיל) פיזור המאפיינים של תאי האצות. כמו האצות לגדול, עוצמת האור הממוצע יקטן. שינוי זה בעוצמת האור, בין אם נגרם על ידי עלייה בתאים הכולל ביומסה, עלייה בתוכן כלורופיל לכל תא, או שניהם, יכול בסופו של דבר לגרום לתגובה מטבולית, כגון גידול chlorophyll produCtion לכל תא או שימוש של פחמימות ושומנים אחסון מוצרים עבור אנרגיה 7 . ניטור רציף של עוצמת האור מתוך הכור מספק מידע רב ערך. נתונים אלה יכולים לסייע להבטיח שהתנאים יישארו בטווח נתון וניתן להשתמש בהם כדי לסייע בהערכת פרמטרים של צמיחה ושל הפרעות ספיגה אם הם משולבים עם מדידות אחרות ( כלומר, ביומסה, ריכוז כלורופיל, עומק כורים, אור תקלות וכו ' ).

הבנת איך אצות לגדול תחת קבוצה מסוימת של תנאים מחייב את ה- pH, מומס CO 2 , עוצמת האור, ואת הטמפרטורה להיות פיקוח בספסל בקנה מידה ניסויים קינטיים. רבים setups אצות אינם מצוידים כדי לפקח על התנאים במידה הנדרשת לכיול מודלים קינטיים, מה שהופך את תהליך הדוגמנות מאתגר מאוד 8 . למרות שחברות רבות מציעות PBRs בקנה מידה הספסל עם אוטומציה ושליטה, אלה ספסל-ספסלE setups יכול להיות יקר מאוד (~ 20,000 $), וייתכן שלא להתאים את כל השיקולים הניסיוניים של שאלת מחקר מסוימת.

הצעד הראשון בהגדרת מערכת בקרת משוב עבור ניסוי אצווה הוא רכישת נתונים חיים. מאמר זה נועד להדגים כיצד לבנות ולהגדיר PBR בקנה מידה הספסל מצויד אור מתמשך, pH, וניטור טמפרטורה. זה ניטור בזמן אמת ההתקנה יכולה לעזור להבטיח כי תנאי הניסוי להישאר בטווחי הרצוי, על פי שיקול דעתו של החוקר. בעוד פרוטוקול זה אינו מפרט מנגנוני בקרה ספציפיים, אלה הוראות צעד אחר צעד לספק בסיס בסיסי למסגרת רכישת הנתונים הנדרשת לפני משוב משוכלל יותר יכול להיות מיושם.

פרוטוקול

1. בנה את גוף ספסל PBR גוף מכסה

הערה: למטרות הדגמה , Dunaliella sp. , ~ 10 מיקרואלגיה halotolerant מיקרומטר ללא קיר תא, שימש האורגניזם מודל לבניית PBR זה.

  1. לקבוע את נפח PBR הנדרש לצורך המחקר.
    1. לקבוע את מטרות הניסוי עבור PBR זה.
    2. להחליט אילו מבחני אצות מדידה, M , יש צורך לאפיין את הצמיחה של מינים אצות של עניין, כולל נפח נדרש לכל assay, v ; מספר משכפל טכני, n ; תדירות הדגימה, f ; ואת משך הניסויים, t .
      הערה: שאלות מחקר ספציפיות לפרויקט, מינים של אצות, וציוד זמין מכתיבים את מאפייני האצות הנמדדים, השיטות המשמשות למדידות אלה, ואת התדירות שבה מדידות אלה נלקחות. ביומסה; ספירת תאים; וסך הכלפיגמנט כלורופיל, חלבון, שומנים, פחמימות, ריכוז חנקות ריכוז חיצוני הם דרכים נפוצות להערכת הצמיחה, ודגימה יומית מעל 5 - 14 ימים היא גישה נפוצה עבור בדיקות הצמיחה 9 , 10 .
    3. לחשב את נפח התרבות הכולל, V s , נדרש הדגימה לאורך ניסוי אחד באמצעות משוואה 6 .
      figure-protocol-1
    4. השתמש במשוואה 7 כדי לאמוד נפח PBR יעד, V p , באמצעות V של מ שלב 1.1.3 ואת נפח השבירה נפח מקסימלי, F.
      figure-protocol-2
      הערה: הסרת חלק קטן משבריר מראש של נפח התרבות הכולל ( לדוגמה, ~ 20%) יכולה לסייע להבטיח שהתנאים בתוך ה- PBR כלומר (ערבוב הספק, הפצת אור וכו ' ) אינם דרסטייםLly להשתנות במהלך הניסוי כמו נפח התרבות מוסר.
      1. בהנחה ניסוי של 10 ימים שבו ביומסה; ספירת תאים; ואת כלורופיל הכולל, חלבון, שומנים, פחמימות, וריכוזי חנקתי נמדדים מדי יום בשלושה עותקים, להשתמש בהיקף הדגימה הכולל של ~ 600 מ"ל. אם המטרה היא להסיר לא יותר מ 18.75% מכלל נפח התרבות, להשתמש בהיקף כורי עבודה הכולל של לפחות 3.2 L.
  2. בחר חיישנים ואביזרים עבור ניסויים PBR.
    1. בחר pH, אור, טמפרטורה בדיקות לשימוש לניטור רציף.
      הערה: החיישנים צריכים להיות תואמים ליחידת רכישת הנתונים ועלי לעמוד בתנאי התרבות הפנימיים ( כלומר, טווח pH, אור, חום, פסולת אצות, מלח וכו ' ). נירוסטה בדיקות מלח סובלני נבחרו כאן מאז Dunaliella sp. הם ימית microalgae.
    2. בחר עיצוב אימפרס המנוע כדי לספק את לשעברדרישות ערבוב טרום.
      הערה: לדוגמה, מגש נמוך, צירית צירית היא בחירה טובה עבור אצות Dunaliella , שכן הם חסרים קיר התא יכול בקלות לגזור 11 . אצות אלה יש תנועה flagellar ולא צריך אינטנסיבי ערבוב 11 . מהירויות ערבוב נמוכות ניתן להשיג באמצעות 12 מיני מיני ציוד הילוך. אימפלר פיר ניתן 3D מודפס (3D מידע הדפסה ניתן למצוא את רשימת החומרים).
  3. להרכיב את הגוף PBR ומכסה.
    1. קביעת מימדים של הכור, בהתבסס על החישובים נפח בשלב 1.1, תוך התחשבות במטרות הניסוי ואילוצים פוטנציאליים ( למשל, שטח).
      הערה: עיצוב PBR עם יחס שטח נמוך יותר לנפח הוא המועדף, שכן צורה זו ממזער הנחתה אור לאורך PBR, מתן חלוקת אור עקבי יותר לאורך הניסוי.
    2. חותכים חמש חתיכות של יצוק ברור אופטיתיריעות אקריליק (~ 0.25-0.5 בעובי) באמצעות מסור שולחן, על פי עיצוב PBR וגודל שנקבע בשלב 1.3.1.
    3. ודא כי הקצוות המשותפים מוחלקים, אך לא מעוגלים, באמצעות 200 עד 400 נייר זכוכית חצץ.
    4. מאובטח את הקצוות של חתיכות אקריליק יחד עם קלטת ו / או מלחציים.
      הערה: מלט אקרילי אינו דבק. אם משטחי מליטה אקרילי הם מחוספסים או חתיכות אקריליק אינם מיושרים באופן שווה, זה מלט מליטה לא יהיה יעיל.
    5. באזור מאוורר היטב, יש ליישם מלט אקרילי לאורך המפרקים באמצעות מתקן מחט. משטחי הפלסטיק מיד לדבוק יחד. אפשר חתיכות לשבת במשך 24 שעות.
      אזהרה: מסכה וכפפות יש ללבוש כדי למנוע שאיפה וחשיפה העור בעת שימוש במלט אקרילי.
    6. החל צמנט אקרילי צמיג על המפרקים כדי להבטיח כי PBR הוא אטום למים. השאירו את המלט להתייבש במשך 24-48 שעות, על פי הוראות מלט; ייבוש פעמים עשוי להשתנות.
    7. מלא את ההכור עם מים כדי לבדוק דליפות גלוי. אם אין דליפות ניכרות, במקום הכור על מגבות נייר לבדוק שוב עבור סימני דליפה לאחר 24-36 שעות.
      הערה: גיליונות אקריליק לא פחות מ ~ 0.5 בעובי צריך לשמש כדי להרכיב PBRs מחזיק יותר מ ~ 2 L; סדינים דקים עשויים להשתחוות תחת לחץ מים ולגרום לדליפות. אטמים מחדש אכיפת ברגים ניתן להשתמש כחלופה חזקה יותר למלט אקרילי ( איור 1 ). סוג זה של הרכבה דורש מכונות דיוק צריך להיעשות בזהירות רבה, כמו אקריליק יכול בקלות לפצח.
    8. השתמש בחנות מכונות כדי לעצב את מכסה PBR, עם יציאות כדי להתאים חיישנים ואביזרים PBR אחרים וצרכים ( כלומר, אימפלר, קווי גז, יציאות דגימה, וכו ' ). ודא שהרכיבים הפנימיים אינם מפריעים זה לזה.
      הערה: הגדרת PBR ו- PBR מכסה / עיצוב יהיה תלוי אביזרים הכור ויעדים ניסיוניים. ראה איור 1לדוגמה של כור PBR ועיצוב המכסה (פרטים נוספים ניתן למצוא בסעיף החומרים). עיצוב PBR זה יהיה הפניה עבור שאר הפרוטוקול.

figure-protocol-3
איור 1: תמונה של הגדרת ספסל מותאם אישית PBR בקנה מידה עם חיישנים ומערבב. התקנה זו מציגה מערבל, אלקטרודה מאובטחת למכסה דרך יציאה משורשרת במכסה, וחיישן אור מחובר למכסה שתוכנן במיוחד. זה מכסה מכסה גם את המצורפת של 12 DC DC מיני מנוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

.2 הגדר והגדר חיישנים באמצעות יחידת רכישת הנתונים ובקרתה

הערה: חיישנים מתרגמים שינוייםאת העולם הפיזי לתוך אות אנלוגי למדידה, לעתים קרובות מתח. יחידות רכישת נתונים משמשות כממשק בין העולם הדיגיטלי והפיזי וניתן להשתמש בהן כדי לקרוא אותות אנלוגיים אלה ולהמיר אותם לערכים נפרדים, בהתאם להנחיות של מחשב. יחידת רכישת הנתונים המתוארת כאן כוללת רזולוציית כניסה אנלוגית של 16 סיביות, יכולה לקרוא עד 14 אותות אנלוגיים (± 10 וולט), ויכולה לספק את הכוח הנדרש על ידי כמה חיישנים (עד 5 וולט). הנחיות אלה מספקות סקירה כללית על אופן הגדרת רכישת נתונים זה יחידת שליטה להמיר אות אנלוגי לערכים משמעותיים יותר עבור אור, pH, וטמפרטורה בתוך PBR. הנחיות אלו אינן מפרטות מושגים חשובים ( כלומר , קוונטיזציה, דיוק, זמן תגובה וכו ' ), הדרושים לפרש באופן מלא ערכים נמדדים אלה וכדי לכמת את אי-הוודאות.

figure-protocol-4
איור 2: חיישן ל-נתונים רכישת יחידת בקרה יחידת דיאגרמה. תרשים זה מראה כיצד להגדיר חיישנים pH, אור, טמפרטורה לרכישת נתונים יחידת שליטה המשמש פרוטוקול זה. רכיבי עיבוד אותות עבור ה- pH וחיישן האור מוצגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. הגדר וקבע את חיישן האור עם רכישת הנתונים ואת יחידת הבקרה באמצעות מסנן נמוך לעבור.
    הערה: עיין באיור 2 עבור דיאגרמות התייחסות כלליות. מפרטים חיישן היצרן מצביעים על ההבדל בין האות, חשמל, חוטי הקרקע מבוסס על צבע. מסנן מעבר נמוך הוא מעגל פשוט המשתמש בנגד ובקבל כדי לסנן רעש לא רצוי מאותות חשמליים. סוג זה של מסנן מקטין אותות חשמליים עם תדרים גבוה יותר thaN תדר החתך כפי שנקבע על ידי ההתנגדות ואת הקיבול. מסנן זה מסייע להסיר או להחליק רעש חשמלי מהחיישן.
    1. באמצעות חוט חשפנות, לחתוך חתיכת ~ 2 אינץ 'של חוט מחבר ירוק; רצועת 0.25 ב בידוד של קצה אחד ~ ~ 0.5 מהקצה השני של שתי חתיכות.
    2. זהה את חוט יציאת האות האנלוגי לחיישן האור. ודא כי לפחות 0.25-0.50 אינץ 'של חוט מתכת חשופים מעבר לבידוד החוט.
    3. בזהירות לעטוף רגל אחת של הנגד 1000 Ω סביב ~ 0.5 אינץ 'קצה סוף חוט המחבר. לעטוף את הרגל השנייה של הנגד סביב החלק החשוף של חוט אות אנלוגי חוט האות.
    4. השתמש הלחמה הלחמה להוביל ללא הלחמה לרתך את הרגלים הנגד על חוט. אפשר לרתך להתקרר 2-5 דקות.
      אזהרה: הלחמה ואת הלחמה מגהצים לקבל חם מאוד יכול להיות מסוכן מאוד אם משתמשים לא מאומן כראוי. קטעי וידאו הדרכה ניתן למצוא באינטרנט. משקפי בטיחות ואמצעי זהירות אחרים הם חשובים ביותר. חוטים לא צריך להיות מחובר ספק כוח או מכשירים אחרים במהלך תהליך זה.
    5. להחליק ~ 1.5 אינץ 'חתיכה של חום להתכווץ צינורות מעל קצה אחד של חוט המחבר להחליק את חתיכת עד שהיא מכסה את התיל מולחם הנגד. ודא שכל חלקי המתכת מכוסים במלואם.
    6. מחממים להתכווץ באמצעות אקדח חום. ודא צינורות עוטף בחוזקה סביב הנגד חוטים; אין לחשוף חוט חשוף.
    7. חבר את חוט הקרקע של חיישן האור למסוף קרקע חופשי (GND) על יחידת רכישת הנתונים ויחידת הבקרה באמצעות מברג.
    8. אבטח את הקצה החופשי של חוט מחבר האות למסוף כניסה אנלוגי חינם (AIN) באמצעות מברג.
    9. לאבטח את ההובלה החיובית של הקבלן 1000 μF ( כלומר, את הרגל הארוכה יותר) למסוף AIN זהה לזו שבסעיף 2.1.8 ואת העומס השלילי ( כלומר, הרגל הקצרה) לאותה מסוף GND כמו בשלב 2.1.7.ודא כי הן רגל הקבל ואת חוט מחוברים היטב אל הטרמינל.
    10. זהה את חוט הקלט של חיישן האור ואבטח את החוט למסוף מתח (VS) על יחידת רכישת הנתונים ויחידת הבקרה.
  2. הגדרת ולהגדיר את האלקטרודה pH עם יחידת רכישת נתונים באמצעות מגבר אחדות אחדות ומסנן נמוך לעבור.
    הערה: בשל אופי מדידות ה- pH ( כלומר , עכבה גבוהה ומתח נמוך), נדרש חיץ מגביר של אחדות-יחידה בין בדיקת ה- pH לבין התקן רכישת הנתונים. מסנן נמוך לעבור הוא גם מועיל למדידת pH, כדי להגן על האות מפני רעש חשמלי הסביבה.
    1. חבר את המגבר אחדות-רווח כדי בדיקה ה- pH באמצעות חוט המשדר.
    2. חבר את המתאם הצירתי, עם מסופי יציאות חיוביים ושליליים, לקצה השני של מגבר האחדות.
    3. חותכים שני 6 חתיכות של ירוק אחד ~ 12 אינץ 'piecחוט מחבר שחור באמצעות חוט חשפנות. רצועת ~ 0.25 אינץ 'של בידוד משני הקצוות של חוט מחבר שחור.
    4. רצועת ~ 0.25 אינץ '~ ~ 0.5 אינץ' בידוד את הקצוות של חוטי המחבר הירוק באמצעות חשפנות חוט.
    5. בזהירות לעטוף רגל אחת של הנגד 1000 Ω סביב ~ 0.5 אינץ 'קטע חשוף של חוט אחד מחבר ירוק. לעטוף את הרגל הנגד השני סביב ~ 0.5 ס"מ קטע חשוף של חוט מחבר ירוק אחרים.
    6. השתמש הלחמה הלחמה להוביל ללא הלחמה לרתך את הרגלים הנגד על חוט. אפשר לרתך להתקרר 2-5 דקות.
    7. להחליק ~ 1.5 אינץ 'חתיכה של חום להתכווץ צינורות מעל קצה אחד של חוט המחבר להחליק את חתיכת עד שהיא מכסה את התיל מולחם הנגד. ודא שכל חלקי המתכת מכוסים במלואם.
    8. מחממים להתכווץ באמצעות אקדח חום. ודא כי פלסטיק עוטף בחוזקה סביב הנגד חוטים; אין לחשוף חוט חשוף.
    9. מאובטח קצה אחד של שחור cחבר את התושבת לפוסט המסוף השלילי (השחור) על המתאם השורי. הכנס את הקצה השני של חוט זה לתוך מסוף GND של רכישת נתונים יחידת שליטה מאובטח באמצעות מברג.
    10. אבטח קצה אחד של חוט המחבר הירוק (עם הנגד בסדרה) אל ההודעה הסופית החיובית (האדומה) על המתאם השורי. הכנס את הקצה השני של חוט מחבר זה לתוך מסוף AIN חינם על רכישת נתונים יחידת הבקרה.
    11. זיהוי להוביל חיובי של 1000 μF קבלים ( כלומר , את הרגל יותר) ולהבטיח להוביל אותו מסוף AIN כמו בשלב 2.2.9; ודא שרגלי הקבל וחוט האות מחוברים היטב למסוף.
    12. מאובטח להוביל שלילי של 1000 μF קבלים ( כלומר , את הרגל הקצרה) לאותו מסוף GND כמו בשלב 2.2.8.
  3. חבר את חיישן הטמפרטורה לרכישת הנתונים ולבקרת היחידה על-ידי חיבור האות, הקרקע והכוח wIre של בדיקה כדי חינם AIN, GND, VS מסופי.

3. הגדר את רכישת נתונים חיים ו קובץ ניסיוני

הערה: תוכנת רכישת הנתונים ותוכנת הבקרה המתוארת כאן מתקשרת עם רכישת הנתונים ויחידת הבקרה כדי לפקח ולנתח נתוני חיישנים במרווחי זמן שצוין על ידי המשתמש. ההוראות שלהלן מסבירות כיצד להגדיר קובץ בקרה בתוכנה זו כדי לפקח ולהקליט pH, טמפרטורה ואור. הוראות אלו הן ספציפיות ליחידת רכישת התוכנה והנתונים המפורטים בסעיף החומרים. הוראות נוספות ניתן למצוא במדריך למשתמש של המוצר.

  1. חבר את רכישת הנתונים ואת יחידת הבקרה למחשב ליד ההתקנה הניסוי באמצעות כבל USB ולהוריד את כל מנהלי ההתקנים הנדרשים.
  2. הורד ופתח את רכישת נתונים ושליטה בתוכנה.
  3. הגדר 'המרות' עבור כל חיישן בתוכנה.
    הערה: כדי להמיר את וולט פיזיאות גיל לערך בעל משמעות, יש ליישם מקדם המרה כלשהו, ​​שנקבע על ידי כיול. חיישנים רבים מגיעים עם גורמים כיול במפעל שנמצאו בתוך המוצר מפרט ספציפי גיליונות. משוואות ההמרה ספציפיות להתקנה ולחיישנים. פרמטרים רבים של משוואת המרה, במיוחד אלו של אלקטרודות, חייבים להתעדכן באופן שוטף באמצעות כיול. אורך החיים של תדר חיישן וכיול יהיה תלוי במפרט הספציפי למוצר ובסביבת העבודה.
    הערה: על המשתמשים לקרוא ולהבין מפרטים אלה במלואם. טבלה 1 מציגה המרות לחיישנים המצויים ברשימת החומרים. דוגמה המרה עבור בדיקה טמפרטורה מוצג להלן.
    1. נווט אל "המרות" בסביבת העבודה של התוכנה, בצד ימין של דף הבית הראשי.
    2. הוסף שם המרה, כגון "volts_to_celsius" והקלד את משוואת ההמרה: (55.56 x value) + 255.37 - 273.15.
שם הערוץ שם ההמרה משוואה הערות
טֶמפֶּרָטוּרָה Volts_to_celsius (55.56 x ערך) + 255.37 - 273.15 משוואת המרה יצרן להמיר וולט כדי צלזיוס.
אוֹר Volts_to_PPFD ערך x 500 יצרן גורם ההמרה כדי להמיר וולט כדי פוטוסינתטי צפיפות פוטון פוטון (μmol מ -2 s -1 ), יצרן LED תיקון לא הוחל.
PH Volts_to_pH (-17.05 x ערך) + 6.93 כיול תלות המרה משוואה (איור 4 ב) להמיר pH אלקטרודות מתח קריאות לתוך ערכי pH. רק להחיל המרה לערוץ pH aכיול.

טבלה 1: טבלת המרת ערוצים עבור קובץ רכישת הנתונים. דוגמאות של איך קלט ערוץ מידע המרה עבור חיישנים לתוך תוכנת רכישת נתונים.

  1. הגדר את הערוצים המתאימים לכל חיישן בתוכנה כדי לרכוש נתוני חיישן.
    הערה: כל חיישן זקוק לערוץ אנלוגי - דיגיטלי משלו בתוכנה ומסוף כניסה אנלוגי ייעודי בתוך יחידת רכישת הנתונים והבקרה.
    1. נווט אל הדף "ערוץ" בתוכנה.
    2. הוסף שם ערוץ חיישן. אין תווים חלופיים מותרים.
    3. בחר את המכשיר המתאים לאיסוף נתונים עבור הערוץ המתאים; התקן זה יתאים להתקן רכישת הנתונים.
    4. הזן את מספר המכשיר המשמש כדי להפנות את רכישת הנתונים ואת יחידת הבקרה או אחריםהתקן רכישת נתונים; אם רק יחידה אחת נמצאת בשימוש, מספר ברירת המחדל הוא אפס.
    5. בחר אנלוגי לדיגיטלי, "A ל D", עבור סוג קלט קלט ("I / O סוג") ולהזין את מספר הערוץ המתאים למספר מסוף AIN על רכישת נתונים יחידת הבקרה
    6. קלט את הדגימה הרצויה "תזמון" (ים); ערך זה מציין באיזו תדירות ייקרא אות החיישן. קלט 1.0 לרכוש קריאה כל 1 s. לנתונים ממוצעים של מעל 1 דקות לפני הרישום, סמן את התיבה "ממוצע" וציין 60 עבור אורך ממוצע.
    7. בחר את ההמרה המתאימה מהתפריט הנפתח, אם רלוונטי (ראה שלב 3.3 ליצירת המרות); אחרת, כל נתוני הערוץ יוצגו / יירשמו כמתח.
  2. הגדר את "קבוצת הרישום" כדי להיכנס לנתונים הניסיוניים.
    1. נווט אל "לוח רישום" בתוך סביבת העבודה של התוכנה, הוסףEw רישום הגדר, שם את ערכת בהתאם. בחר את סוג הקובץ ומיקום היציאה; סוג הקובץ ASCII יספק קובץ ערך מופרד באמצעות פסיק אם התוסף '.csv' מצוין בשם קובץ הפלט.
    2. הוסף את כל הערוצים הרצויים כדי להיכנס לערכה זו.
    3. התחל והפסיק את הרישום לפי הצורך בלחיצה ימנית על רצף הרישום בסביבת העבודה ובחירה באפשרות המתאימה.
      הערה: אל תנסה לגשת לקובץ בעת רישום נתונים באופן פעיל. פעולה זו יכולה לשבש את תהליך הרישום. אין לשמור / לכתוב את קובץ הקובץ עבור קבצים שנרשמו ברציפות בספריית ענן.
  3. הגדר את "דף" כדי להציג את הנתונים ואת התרשימים.
    1. נווט לתצוגה "דפים" בתוך סביבת העבודה של התוכנה. לחץ על אחד מדפי ברירת המחדל הריקים.
    2. כדי להציג פלט חיישן קריאה מספרית בדף, להוסיף "ערך משתנה" לדף.
      1. לבושHt-click בכל מקום בתוך דף ריק, בחר "מציג", ולחץ על האפשרות "ערך משתנה"; תיבה קטנה תופיע על המסך.
      2. לחץ לחיצה ימנית על התיבה החדשה שנוצרה ובחר "מאפיינים". הקלד את הכיתוב לתצוגה (לדוגמה, "טמפרטורה בכור"), הפניה לערוץ (למשל, "טמפרטורה [0]") והיחידות הנלוות (למשל, "צלזיוס"). לחץ על "אישור" וחזור לדף התצוגה.
    3. כדי להציג את נתוני החיישן בצורה גרפית ובזמן אמת, הוסף תרשים דו-ממדי לדף התצוגה.
      1. לחץ לחיצה ימנית במקום כלשהו בתוך דף ריק ובחר "גרפים" ולאחר מכן "גרפים 2-D"; על המסך יופיע עלילה קטנה.
      2. לחץ לחיצה ימנית על הגרף החדש שנוצר ובחר "מאפיינים". בתוך הכרטיסייה "עקבות", הקלד את שם ערוץ החיישן הרצוי (לדוגמה, "טמפרטורה") בתיבה עבור "Y Expression:" וודא כי "Time" הוא writteN בתיבה "X Expression :." לחץ על "אישור" וחזור לדף התצוגה.

4. לכייל את ה- pH בדיקה

הערה: כיול pH צריך להיעשות לפני כל ניסוי, בטמפרטורה המיועדת של הניסוי, ואת המרות ערוץ ה- pH צריך להיות מעודכן בהתאם. PH אלקטרודות קריאות יכול להיסחף במהלך הניסויים; כדי לקבוע את מידת סחף זה, לחזור על תהליך הכיול לאחר הפעלת ההתקנה הניסוי ולהשוות את הקריאות. אלקטרודות pH צריך להיות מאוחסן כראוי פתרון אחסון מתאים לפני ואחרי הניסוי, בהתאם להוראות היצרן.

  1. חבר את ה- pH וחיישני טמפרטורה, כפי שמתואר בשלב 2.
  2. הכנס הן את האלקטרודה pH ואת בדיקה טמפרטורה לתוך חיץ כיול pH 7.
  3. בדוק את התצוגה הגרפית כדי להבטיח את הטמפרטורה הקריאה של בדיקה הוא בטמפרטורה הרצויהלהפעלת ניסויים (שלב 3.6.2.2).
  4. אפשר את יציאת מתח האלקטרודה של pH לייצוב ( כלומר, קריאות המתח אינן משנות עוד בכיוון אחד). השתמש בתצוגה גרפית כדי לאשר את הייצוב.
  5. התחבר הן את הטמפרטורה ואת הנתונים pH חשמל לקובץ (שלב 3.5) עבור 30-60 s. במהלך תהליך זה, ערוץ ה- pH אינו אמור לכלול המרות כלשהן או לכלול כל ממוצע.
    הערה: מאחר ואלקטרודות pH רגישות לרעש חשמלי, תזמון רכישה נמוך יותר (לדוגמה, דגימה מהירה יותר) עבור ערוץ ה - pH עשוי להיות עדיף ( לדוגמה, 'Timing' = 0.1 s). זכור, תזמון נמוך יותר ידרוש משאבים חישוביים יותר.
  6. חזור על הכיול עבור המאגרים 4 ו 10. לאשר את התגובה של החיישן הוא בין -57 ל -59 mV / pH ( איור 3 א ).
  7. יצירת משוואת המרה על ידי זומם את ערך חיץ pHer לעומת המתח ואת התאמת שורה ( איור 3 ב >). עדכן את משוואת ההמרה כמתואר בשלב 3.3.
  8. החל המרה זו לערוץ ה- pH ולעדכן הגדרות ערוץ כדי לכלול ממוצע לפי הצורך עבור רישום.

5. הגדרת PBR עבור ניסוי אלגל

הערה: הצעדים הבאים הם ספציפיים Dunaliella ואת PBR בהתאמה אישית שמוצג באיור 1 . יתר על כן, הוראות התקנה אלה אינן בהתאם לפרוטוקולים סטריליים, שכן מערכת זו לא תוכננה בצורה כזו.

  1. הכן את inoculum אצות וצמיחה בינוני, בהתאם לצורך הניסוי מטרות הניסוי.
  2. חבר את החומציות ואת חוטי הטמפרטורה ליחידת רכישת הנתונים והבקרה, כפי שמתואר בשלבים 2.2-2.3.
  3. כייל ולעדכן את משוואת ההמרה עבור ערוץ ה- pH , כמתואר בשלבים 3.3 ו -4.

Igimg "src =" / files / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/>
איור 4: תרשים חיווט עבור מיקסר. תרשים זה מראה כיצד להגדיר התקן ערבוב עבור PBR באמצעות מיני-הילוך המנוע, ספק כוח, ו -3 מודפס אימפלר ו פיר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. הגדרת PBR בתוך חממה בשליטת טמפרטורה עם אביזרים וחיישנים. עיין בתרשים 4 להדמיה.
    1. הגדר את חיישן האור בתוך ה- PBR על-ידי השחלת חוט חיישן האור דרך יציאת המכסה ולאחר מכן הרכבה מחדש של ראש החיישן על מכסה האחיזה באמצעות הבורג המצורף. השתמש פקק גומי או grommet לשמור יציאה זו סגורה לאטמוספירה.
    2. חבר וחבר את אימפלר המערבל על מכסה PBR על ידי הנחת מוט האימפרס על מנוע מיני מיניפיר בתוך מכסה PBR; לאבטח את פיר עם בורג להגדיר ומפתח אלן.
    3. הוסף בינוני צמיחה ספציפית אצות, למקם את המכסה, ולאבטח את המכסה עם ברגים. מניחים את PBR בתוך האינקובטור (מוגדר על 25 מעלות צלזיוס או הטמפרטורה הרצויה).
    4. הכנס את טמפרטורת החלל ליציאה המיועדת שלה והכנס אותה ליציאה באמצעות פקק גומי.
    5. אבטח את ה- pH בדיקה לתוך היציאה מכסה הכור באמצעות PG-13.5 מושחל הר.
    6. חבר את חוטי חיישן האור ליחידת רכישת הנתונים, כמתואר בשלב 2.1.
  2. הפעל את מיקסר המשווק במהירות הרצויה.
    1. הגדר את ספק הכוח DC המשתנה הסמוך להתקנה. הפעל את ספק הכוח והתאם את כפתור המתח עד ששווי המתח יקרא 0 וולט. כבה את ספק הכוח.
    2. חבר את קווי הכוח של מנוע האימפלר למסופי הפלט החיובי והשלילי של ספק הכוח המשתנה ( איור 5) ).
      אזהרה: אין לחבר או לגעת בחוטים או במעגלים חיים. ודא שכל ספקי הכוח כבויים לפני חיבור כל החוטים. תמיד לקרוא את הוראות היצרן / מפרטים כדי להבטיח תאימות בין המנוע, אספקת החשמל, ואת החוטים.
    3. הפעל את ספק הכוח והגדל לאט את המתח על ידי סיבוב כפתור המתח עד לקבלת מהירות הערבוב הרצויה; לחשב את מהירות ערבוב ידי מדידת סיבובים לדקה.

figure-protocol-5
איור 5: תרשים ההתקנה הניסוי של כורן. ויזואליזציה של תוכנית ניסיונית PBR בתוך חממה בשליטת טמפרטורה. התקנה זו כוללת מנורת לגדול PBR, עם חיישנים ומערבל מאובטח בתוך מכסה PBR. אנא לחץ כאןלהציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. הגדר את המנורה לגדול להאיר את PBR.
    הערה: גבוה, LED לגדול המנורה כי פולטים בספקטרום כחול ואדום נבחר כדי להשיג את עוצמת עוצמת האור פוטוסינתטית הנדרשת עבור מחקר זה דונלילה ספציפי. גודל וצורה של מתקן האור צריך להיות נבחר כך שהאור מאיר באופן שווה את פני השטח של האירוע של PBR. ודא כי החממה יכולה להתמודד עם מקור חום פנימי. לא עושה זאת יכול לקצר את חייו של החממה ו / או לגרום נזק או חימום מוגזמות בתוך האינקובטור.
    1. מרכז את מנורת לגדול לאורך הפנים הקדמיות של PBR. ודא כי הנתיב האור מכוונת ישירות לכיוון חיישן האור רכוב על הגב של הכור.
    2. להדליק את האור ולהתאים את עוצמת האור לפי הצורך על ידי הזזת המנורה לגדול ישירות לעבר או מחוץ לכור. בדוק את תצוגת משתנה החיישן עבור האורקריאה.
  2. לפקח ולרשום את הנתונים חיישן עבור 6 - 24 שעות על מנת להבטיח כי אור, טמפרטורה, קריאות pH בתוך PBR יציבים ובתוך טווח הרצוי. התאם לפי הצורך.
    הערה: לעתים קרובות ניתן להבחין ברעש חשמלי על ידי הקפצה, קריאה לא יציבה ו / או שינויים פתאומיים בערכים, ללא שינויים לכאורה בסביבת PBR.
  3. הסר את פקק גומי על יציאת דגימה להוסיף inoculum אצות באמצעות פיפטה העברת.
  4. הסר את דגימות לפקח על התנאים כדי להבטיח שהם נשארים בטווח הרצוי עבור הניסוי.
    1. הסר את התרבויות לניתוח לפי הצורך מנמל הדגימה באמצעות פיפטה.
      הערה: נפח המדגם, תדירות ומשך הניסוי יהיו תלויים בשלב 1.1.2.
    2. לפקח על טמפרטורת המים בתוך PBR על ידי בדיקת תצוגת הנתונים בתוכנה באופן ידני להתאים את אינקובטור טמפרטורת האוויר נקודת להגדיר לשמור על מים tempeקבוע קבוע.
      הערה: התאמה זו תהיה תלויה בהוראות יצרן החממה.
    3. לפקח ולהתאים את ה- pHR בתוך PBR, לפי הצורך, על מנת להבטיח כי ה- pH נשאר בטווח הצפוי עבור הניסויים.
      הערה: כאן, ה- pH היה נשלט עם שסתום סולנואיד 12 V (סגור בדרך כלל) בקנה אחד עם טנק CO2 דחוס (99.99%). שסתום פותח כנדרש באמצעות פונקציונליות הבקרה של רכישת נתונים יחידת בקרה ותוכנה. התקנה זו דורשת לוח ממסר אביזר מודולים DC ו יושמה באמצעות תכנות מחשב מותאם אישית המותאמים למטרות מחקר ספציפיים.

תוצאות

נתונים אלה מערכת ניטור בזמן אמת להראות את הסביבה culturing דינמי עבור אצות בתוך ספסל בקנה מידה PBR ו להדגיש את הצורך במעקב ובקרה על המערכת. נתוני הטמפרטורה המחוברים ( איור 6 ) מדגימים כיצד התאורה האור, טמפרטורת האוויר של החממה ופיזור האנרגיה הקשורים לצמיחת האצות יכולים לשנות את הטמפרטורה בתוך ה- PBR וכיצד ניתן להשתמש בנתונים בזמן אמת כדי לכוונן את בקרת הטמפרטורה בחממה, לפי הצורך.

האור הנמדד במהלך הניסוי מדגיש עוד יותר את האופי הדינמי של סביבה הולכת וגדלה זו. כפי שניתן לראות בתרשים 7 , קריאת חיישן האור, הנמדדת כצפיפות השטף פוטוסינתטית פוטון (PPFD, μE-m -2 s -1 ), היה ~ 100 PPFD לפני אצות נוספה ו ירד מיד ל 85 PPFD afטר מחסן את הכור עם תרבות האצות. האור המשיך לרדת לפחות מ 5 PPFD ביום 7. ירידה זו בעוצמת האור נובעת מגידול ביומסה וספירת תאים, ו / או הגדלת הספיגה על ידי תוכן מוגבר כלורופיל, מראה כי אצות פעילים עד יום 7, למרות נמוך רמות האור. נדרשות מדידות ביולוגיות נוספות כדי להסיק מסקנות נוספות.

נתוני ה- pH שנרשמו ברציפות מראים כי, באופן כללי, ה- pH היה בשליטה מספקת במהלך הניסוי הזה עם אלגוריתם בקרת ה- pH המיושם ( איור 8 ). נתונים אלה, המראים שתי קריאות של דקות ודקות וממוצעים ארוכי-שעה, מדגימים כמה נקודות מפתח על אצות מתרבית ועל ניטור ה- pH בזמן אמת. ראשית, ה- pH עלה מעל נקודת המוצא הרצויה של 7.6 מיד לאחר חיסון ה- PBR עם אצות. שינוי זה היה צפוי, שכן זרע התרבות שנוסף ל- PBR היה apH ערך גבוה יותר מאשר נקודת מוגדר, מאז הבקבוק המשמש לגדל את inoculum לא נשלט pH. שנית, נתונים אלה חיים מדגיש כיצד רגישים אלקטרודות pH הם רעש חשמלי חיצוני. רגישות זו נצפתה על ידי קפיצה דרסטית בערכים אלקטרודה בין יום 1 לבין יום 2. אלה שינויים פתאומיים בערכי ה- pH נוצרו ככל הנראה על ידי רעש חשמלי מתוך שסתום סולנואיד מן ההתקנה הניסוי הסמוך. זה הפרעה חשמלית בטרם עת מופעלת אלגוריתם בקרת pH להזריק CO 2 לתוך PBR. כתוצאה מכך, pH ירד מתחת לנקודת להגדיר הרצוי. הרגישות של האלקטרודות pH יכול להוביל חריגים קיצוניים יכול לשבש מערכות בקרה.

figure-results-1
איור 3: תגובת pH וגרפים לדוגמה כיול. ( א ) תרשים תגובה לדוגמה שלE pH חיישן ( ב ) דוגמה כיול גרף של חיישן pH, עם משוואה לשימוש עבור ההמרה. ניתוח רגרסיה מראה רווח סמך של 95%. ברים שגיאה אינם גלויים (שגיאת תקן פחות מ 0.03%). גרפים אלה מראים כי חיישנים pH היה מחובר כראוי וכי האות שלה היה יציב מאוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-2
איור 6: מדידות טמפרטורה בתוך PBR במהלך ניסוי 7 יום. נקודות כחולות כהות מייצגות ממוצעים של 1 שעות של נתוני חיישן, ונקודות כחולות בהירות מייצגות קריאות חיישנים שנרכשו במשך דקה אחת (תזמון רכישה של 1 s, אורך ממוצע של 60) והוסבו לטמפרטורה באמצעות גורמי המרה שסופקו על ידי היצרן. חצים שחורים W כאשר ההגדרה טמפרטורת חממה הותאם כדי לשמור על טמפרטורת התרבות סביב 25 מעלות צלזיוס (נקודה זו הרצוי מוגדר עם קו אדום מנוקד). תנודות הטמפרטורה נובעות מגידול אצות ושינויים בטמפרטורת החממה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-3
איור 7: מדידות אור בתוך PBR במהלך ניסוי 7 יום. נקודות כחולות כהות מייצגות ממוצעים של 1 שעות של נתוני חיישן, ונקודות כחולות בהירות מייצגות קריאות חיישנים שנרכשו במשך דקה אחת (תזמון רכישה של 1 s, אורך ממוצע של 60) והוסבו ל- PPFD באמצעות ערכי ברירת מחדל לכיול חיישן אור."> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-4
איור 8: מדידות pH בתוך PBR במהלך ניסוי של 7 ימים. נקודות כחולות כהות מייצגות ממוצעים של 1 שעות של נתוני חיישן, ונקודות כחולות בהירות מייצגות קריאות חיישנים שנרשמו מדי דקה אחת (תזמון רכישה של 0.1 s, אורך ממוצע של 600) והוסבו ל- pH באמצעות משוואת המרה שהוקמה באמצעות כיול. ה- pH נשמר בין 7.6 ל -7.5 באמצעות הזרמת גז של 99% CO2. הקווים האדומים, המנוקדים, מציינים את טווח ה- pH הרצוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

דיון

מערכת PBR זו מציעה את היכולת לפקח ולשלוט בקנה מידה הספסל אצות קינטי ניסויים הצמיחה, המאפשר תוצאות חוזרות יותר מן מבחני ניסיוני המשמש לכמת צמיחה. עם זאת, הבנה של מגבלות ואי וודאויות של מדידות חיישן הוא קריטי כדי להבטיח את קריאות חיישן לשקף במדויק את תנאי הכור. הבנה זו כוללת ידע בסיסי בעקרונות המדידה הכרוכים בחיישנים, בתהליך ובכיול של הכיול, באי הוודאות של המדידה, ומה החיישן יכול ולא ניתן למדוד. לדוגמה, התגובה החשמלית של חיישן האור המתואר כאן אינה מופצת באופן שווה על פני טווח הספקטרום הגלוי, ויש צורך ליישם גורמי תיקון מסוימים על פלט החיישן, בהתאם לאופן ניתוח נתוני החיישן.

רמות טמפרטורה וריאציות הם גם מאוד חשוב, כמו שינויים בטמפרטורה יכול באופן דרסטי פנימהשוטפים את תגובת החיישן. הבנת הפרעות פוטנציאליות שעלולות להשפיע על קריאות החיישנים חשובה אף היא. הפרעה זו יכולה להיות רעש חשמלי סביב הבניין או עלולה לנבוע מסביבת המדידה ( למשל, יונים נתרן יכול להשפיע באופן דרסטי על קריאות pH בערכי pH מעל 10) 12 . יתר על כן, הטמנת בדיקות מרובות לפתרון, במיוחד תמיסת מלח יונית ומוליכה, היא גם מקור פוטנציאלי להפרעה. אלקטרודות למדידת ה- pH (או כוח יונית, חמצן מומס, מומס CO 2 , וכו ' ) רגישים במיוחד רעש חשמל הסביבה יכול להיות מוטרד בקלות. מיזוג אותות המשמש להגנה על אות האלקטרודה אינו יכול להבטיח כי גורמים אחרים לא יפריעו לקריאה בדיקה. במסגרת בקרת איכות, ציוד מעבדה אחר, כגון בדיקה הידנית pH, ספקטרומטר ביד, ומדחום, יש להשתמש כדי לאמתהוא קריאות חיישן כדי להבטיח כי המערכת היא להגדיר ולהפעיל כראוי.

מגבלה נוספת שיש לטפל בה היא ההשפעה האפשרית של אצות ו / או הסביבה culturing על החיישנים. לדוגמה, אם פסולת אגל או בועות לכסות את הקולטן photodiode של חיישן האור, הקריאות יושפעו. באופן דומה, אלקטרודות pH רגישים מאוד ודורשים טיפול נוסף כדי להבטיח קריאה מדויקת. אלקטרודות אלה פועלות על ידי מדידת הפרש מתח על פני צומת פנימית עקב הצטברות של יונים H; שכבת חיץ hydrated בתוך בדיקה נדרש לשמור על מדידות מדויקות 12 . בהתאם לתנאים בתוך הכור, שכבה זו תתפוגג, ותגובת החיישן עשויה להשתנות במהלך הניסוי בזמן שהשקע שקוע. בבדיקות מקדימות, התפוקה של מתח ה- pH לא נסחפה על ידי יותר מ -0 ~ 0.2 יחידות pH במהלך הניסוי של 20 יום, אך יש לבצע הערכות נוספות כדי לאפיין את השינוי בתגובת החיישן ולהקים זמני ריצה ניסיוניים מקסימליים, במיוחד אם יש צורך בהתאמות / כימות עדינות.

רבים מהמערכות הנוכחיות של ספקטרום ה- PBR שנבנו כדי לנתח את התפתחות האצות, אינם מפקחים על סביבת התרבות הפנימית ומבקרים אותה, כפי שנדרש כדי להבחין בין גורמים שונים המשפיעים על צמיחת האצות, שכן הקמת מערכות בדרך זו יכולה להיות מאתגרת. פרוטוקול זה יכול לסייע בניסויים מבוקרים יותר על ידי מתן הוראות שלב אחר שלב לבניית PBR עם ניטור בזמן אמת. יתר על כן, נתונים אלה חיים ניתן להשתמש לא רק כדי לשלוט טוב יותר בתנאים ניסיוניים, אבל זה יכול להיות מנוצל כדי להעריך קינטיקה הצמיחה ( למשל, קריאות צפיפות אופטית כמו התייחסות לשיעורי צמיחה כללית).

מערכות ניטור מבוקר יכול לעזור לעשות מחקר אצות לשעתקו יותר. ספסל PBR בקנה מידה של sEtups כי הם בפיקוח ומבוקר יכול להגביר את היעילות הניסויית על ידי מזעור חפצים לא רצויים בעיצוב ניסיוני יכול לעזור לקדם את המאמצים להפוך דלק ביולוגי אלק, מקור דלק חלופי בר קיימא.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

המחברים מודים הקרן הלאומית למדע מתעוררים גבולות במחקר וחדשנות (פרס # 1332341) למימון מחקר זה. המחברים היו גם רוצים להודות ד"ר אנדרו Grieshop, כמו גם LabJack ו DAQfactory קהילות תמיכה מקוונות על העזרה שלהם וסיוע המוצעים לאורך כל התהליך הזה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
יריעות אקריליק יצוקותMcMaster Carr8560K244בעובי 7/8 אינץ', 12 x 36 אינץ', ברור אופטית, גודל היריעות שנרכשו יהיה תלוי במידות הכור.
צמנט אקריליMcMaster Carr7517A4Scigrip פלסטיק צינור צמנט, #4SC ללא הלבנה לאקריליק. אין צורך אם משתמשים באטמים וברגים להרכבת PBR.
מחט מוליך צמנט אקרילימקמאסטר קאר75165A136מחט מוליך צמנט אקרילי, 25 מד, 1 אינץ', נירוסטה, מצופה PTFE.
בקבוק חלוקת פלסטיק למלט אקריליMcMaster Carr7544A67בקבוק חלוקת פלסטיק, גודל 2 אונקיות, חבילות של 5.
צמנט אקרילי צמיגMcMaster Carr7515A11Scigrip צינור פלסטיק צמנט. מלט אקרילי בעל גוף בינוני לאיטום כל רווח בגוף ה-PBR.
ברז חוט PG-13.5McMaster Carr2485A14יכול לשמש כדי לסייע באבטחת אלקטרודת ה-pH למכסה (אם רלוונטי).
PBR ומכסהNCSU Precision Machine ShopKaram Algae 3.2L Reactor Revision Eחנות מכונות זו פתוחה לציבור לעסקים. צור קשר עם מנהל החנות.
חיישן pHהמילטון238643EasyFerm Plus 120, פלט מילי-וולט הניתן לחיטוי.
חיישן אורApogee InstrumentsSQ-225חיישן קוונטי כיול חשמלי מוגבר 0-5 וולט, עמיד במים.
חיישן טמפרטורהLabJackEI1034נירוסטה, חיישן טמפרטורה עמיד במים.
חוט משדר pH עם קצה BNCSigma-AldrichHAM355173-1EAחוט זה ישתנה בהתאם לסוג בדיקת ה-pH. ודא שהחוט תואם לבדיקת pH ויש לו קצה מחבר BNC.
מגבר קדם רווח אחדותOmega EngineeringPHTX-21מגבר עיבוד אותות לאלקטרודת pH הדרושה לקריאות pH בעלות עכבה גבוהה.
מתאם קואקסיאלי, BNC נקבה לכריכה פוסטאמזוןSMAKN B00NGD5K80לחיבור אות pH מקדם-מגבר למיקרו-בקר.
קבל (1000 uF)AmazonNichicon BCBI4950למסנן מעביר-נמוך.
נגד (1000 אוהם)רדיו שאק2711321למסנן מעביר נמוך.
חוט חיבורRadioShack2781222לייצור מסננים נמוכים, חיבור חיישנים למיקרו-בקר ומנוע חיווט.
צינורות כיווץ חוםRadioShack2781611להרכבת מסנן במעבר נמוך.
יחידת איסוף ובקרה של נתוניםLabJackLabJack U6לעיבוד אות חשמלי מחיישנים ותקשורת עם תוכנת איסוף ובקרת נתונים.
תוכנת רכישת נתונים DAQFactoryDAQFactoryDAQFactory Express מהדורה 5.87c Build: 2050להורדה בחינם, עבור עד 10 ערוצים.
מנוע הילוכים מיני DCMcMaster Carr6331K31מנוע לאימפלר מערבל.
אימפלר ופירN/AN/Aדוא"ל למחברים עבור קבצי תלת מימד.
ספק כוח DC משתנהAmazonTekpower HY1803Dספק כוח DC משתנה, 0-18V @ 0-3A.
מנורת גידולHydroGrowSOL-1הדגם המדויק הזה כבר לא זמין.
חממהThermo ScientificPrecision דגם 818החממה הספציפית הזו יכולה לעמוד במקור חום פנימי מכיוון שמדחסי הקירור של יחידה זו פועלים ללא הפסקה ללא קשר להגדרת הטמפרטורה.

מקורות

  1. EPA Office of Transportation and Air Quality. Renewable Fuel Standard Program. , Available from: http://www.epa.gov/OTAQ/fuels/renewablefuels/ (2013).
  2. Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. Algae biodiesel has potential despite inconclusive results to date. Bioresour. Technol. 104, 803-806 (2012).
  3. Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Oren, A. A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005. Saline Systems. 1, 2(2005).
  12. Hach Company. What is pH and How is it Measured?. , Available from: http://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984488 (2010).

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

PBR
בנייה והתקנה של אלגורית מידה של אלגוריה ביאוריאקטור פוטוסינתטי עם טמפרטורה, אור, וניטור pH עבור בדיקות צמיחה קינטית
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.