בנייה והתקנה של אלגורית מידה של אלגוריה ביאוריאקטור פוטוסינתטי עם טמפרטורה, אור, וניטור pH עבור בדיקות צמיחה קינטית
14 ביוני 2017
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.
המטרה הכוללת של הליך זה היא להרכיב ביו-ריאקטור פוטוסינתטי בקנה מידה ספסל עם אור, pH וטמפרטורה רציפים, וניטור לניסויי גידול אצות. לכן כימות צמיחת אצות באמצעות מערך מנוטר ומבוקר, מאפשר לחוקרים להעריך טוב יותר את צמיחת האצות. מה שיכול לעזור לענות על שאלות מפתח בהפיכת דלקים ביולוגיים מבוססי אצות למציאות.
היתרון העיקרי של גישה זו הוא שמדובר במערך הניתן להתאמה אישית ועשוי להיות זול יותר, לניטור ניסויי גידול אצות בזמן אמת. רצינו לפתח סוג זה של ביו-ריאקטור פוטוסינתטי כאשר הבנו את החשיבות של שמירה על שליטה בתוך התרבות והסביבה הדינמית של האצות. הדגמה אזורית של שיטה זו היא קריטית, מכיוון שקשה ללמוד רבים מהשלבים אם אינך מכיר את הטרמינולוגיה והפרקטיקות של הנדסת חשמל.
כדי להתחיל בהליך זה, בנה PBR בקנה מידה ספסל. קבע את הגודל, הצורה והעיצוב של גוף ה- PBR והמכסה, כמתואר בפרוטוקול הטקסט. באמצעות חוט משדר, חבר את מגבר רווח האחדות לבדיקת ה-pH.
לאחר מכן, הרם את המתאם הקואקסיאלי, שיש לו מסופי יציאה חיוביים ושליליים. חבר את המתאם לקצה השני של מגבר רווח האחדות. כדי ליצור מסנן מעביר נמוך, השתמש בחשפניות חוטים כדי לחתוך שתי חתיכות של 15 סנטימטר של חוט מחבר ירוק, וחתיכה אחת של 30 ס"מ של חוט מחבר שחור.
רצועה של כ- 0.6 סנטימטרים של בידוד מקצה אחד של כל אחד מהחוטים הירוקים, ומשני קצוות החוט השחור. לאחר מכן, הפשיטו כ -1.25 סנטימטרים מהקצה השני של החוטים הירוקים. בזהירות, עטפו רגל אחת של נגד 1000 אוהם סביב החלק המופשט של 1.25 סנטימטר של אחד מחוטי המחבר הירוקים.
עטפו את רגל הנגד השנייה סביב החלק המופשט של 1.25 סנטימטר של החוט הירוק השני. בעזרת מלחם והלחמה נטולת עופרת, הלחמו את רגלי הנגד לחוט. תנו להלחמה להתקרר במשך שתיים עד חמש דקות.
לאחר מכן, יש לכסות את הנגד ואת החוט המולחם בחתיכת צינורות לכווץ חום של ארבעה סנטימטרים. בעזרת אקדח חום, כווצו את הצינור בחום, וודאו שהפלסטיק עוטף היטב את הנגד והחוטים. לאחר מכן, אבטח קצה אחד של חוט המחבר השחור לעמוד המסוף השלילי של המתאם הקואקסיאלי.
הכנס את הקצה השני של החוט לאחד ממסופי ההארקה של יחידת איסוף הנתונים והבקרה. חבר קצה אחד של חוט המחבר הירוק לעמוד המסוף החיובי של המתאם הקואקסיאלי. לאחר מכן, הכנס את הקצה השני למסוף קלט אנלוגי חופשי ביחידת רכישת הנתונים והבקרה.
הכנס את המוליך החיובי של קבל 1000 מיקרו-פאראד לאותו הדקי כניסה אנלוגיים. אבטח את המוליך השלילי של הקבל לאותו מסוף הארקה המשמש עבור חוט המחבר השחור. לאחר מכן, חבר את חיישן הטמפרטורה ליחידת איסוף הנתונים והבקרה, כמתואר בפרוטוקול הטקסט.
לאחר הגדרת קובץ איסוף הנתונים והניסוי בשידור חי, הכנס גם את אלקטרודת ה-pH וגם את בדיקת הטמפרטורה למאגר כיול ה-pH שבע. ודא שהתמיסה נמצאת בטמפרטורה הרצויה, כמתואר בפרוטוקול הטקסט. לאחר שפלט מתח אלקטרודת ה-pH התייצב, רשום גם את הטמפרטורה וגם את הנתונים החשמליים של ה-pH, לקובץ.
ודא שלא הוחלו המרות על תעלת ה-pH ושממוצע הערוץ מבוטל. חזור על הכיול עבור מאגרים 4 ו-10. צור משוואת המרה, כמתואר בפרוטוקול הטקסט, ועדכן משוואה זו בקובץ הניסוי.
לאחר מכן, החל את המרת ה-pH הזו על תעלת ה-pH. לאחר הכנת חיסון האצות ומצע הגידול, הגדר את ה-PBR כהכנה לניסוי. השחילו את חוט חיישן האור דרך יציאת המכסה.
לאחר מכן, התקן את ראש חיישן האור על תושבת הארכת מכסה ה-PBR. לאחר מכן, השתמש בפקק גומי כדי לאטום את פתח המכסה סגור. הנח את פיר האימפלר מעל פיר מנוע ההילוכים המיני DC, בתוך מכסה ה-PBR, ואבטח את הפיר באמצעות בורג סט ומפתח אלן.
הוסף את מצע הגידול הספציפי לאצות המוכן. לאחר מכן, הנח את המכסה על ה- PBR ואבטח אותו באמצעות ברגים. מניחים בחממה בחום של 25 מעלות צלזיוס.
הכנס את בדיקת הטמפרטורה ליציאה המיועדת לו, ואבטח אותה עם פקק גומי. לאחר מכן, אבטח את בדיקת ה-pH בתושבת הברגה PG 13.5 של מכסה הכור. ודא שחיישן האור מחובר ליחידת קליטת הנתונים והבקרה, עם מסנן מעביר נמוך, כמתואר בפרוטוקול הטקסט.
לאחר מכן, הפעל את מאיץ המיקסר למהירות הרצויה. הגדר את ספק הכוח המשתנה DC, ליד ה-PBR. הפעל את ספק הכוח והתאם את המתח, עד שערך המתח קורא אפס וולט.
לאחר מכן, כבה את אספקת החשמל. חבר את קווי החשמל של מנוע האימפלר למסופי הפלט החיוביים והשליליים של ספק הכוח המשתנה. הפעל את ספק הכוח והגדל לאט את המתח עד שתגיע למהירות הערבוב הרצויה.
לאחר מכן, מרכז את מנורת הגידול לאורך הפן הקדמי של ה-PBR, וודא שנתיב האור מכוון לכיוון חיישן האור. הפעל את מנורת הגידול והתאם את עוצמת האור לפי הצורך, על ידי הזזת המנורה לכיוון הכור או הרחק ממנו. נטר ורשום את נתוני החיישן במשך שש עד 24 שעות, כמתואר בפרוטוקול הטקסט.
לאחר מכן, השתמש בפיפטה העברה כדי להוסיף חיסון אצות דרך יציאת הדגימה. לאחר ניטור התנאים, כדי להבטיח שהם יישארו בטווח, השתמש בפיפטה כדי להסיר את התרביות לניתוח, לפי הצורך, דרך פתח הדגימה. באמצעות תצוגת הנתונים, עקוב אחר טמפרטורת המים.
כוונן ידנית את נקודת ההגדרה של טמפרטורת האוויר בחממה, כדי לשמור על טמפרטורת מים קבועה. ה-pH נשלט באמצעות שסתום סולנואיד 12 וולט, בהתאם למיכל CO2 של 99%. המגוף פתוח באמצעות יחידת איסוף הנתונים והבקרה.
במחקר זה נבנה ביו-ריאקטור פוטוסינתטי לניטור ובקרה של ניסויי גידול קינטי של אצות בקנה מידה ספסל. נתוני טמפרטורת היומן מדגימים כיצד תאורת האור, טמפרטורת האוויר באינקובטור ופיזור האנרגיה הקשורים לגידול אצות, יכולים לשנות את הטמפרטורה בתוך הביוריאקטור. נתונים אלה בזמן אמת משמשים להתאמת בקרות החממה, לפי הצורך, כדי לשלוט בדינמיקה, בתרבות ובסביבה.
האור הנמדד מדגיש עוד יותר את האופי הדינמי של סביבת גידול זו. בעוד שקריאת חיישן האור היא כ-100 PPFD, לפני אצות, היא יורדת מיד ל-85, לאחר חיסון הכור. האור ממשיך לרדת, ומגיע לפחות מחמישה PPFD, ביום השביעי.
הירידה בעוצמת האור עשויה לנבוע מעלייה בביומסה ובספירת התאים, או מעלייה בספיגה, עקב עלייה בתכולת הכלורופיל. בכל אחד מהתרחישים, זה מראה שהאצות עדיין פעילות עד היום השביעי, למרות רמות אור נמוכות. הנתונים שנרשמים באופן רציף מראים שבסך הכל ה-pH נשלט כראוי, באמצעות אלגוריתם הבקרה המיושם.
אמנם יש עלייה צפויה ב-pH מיד לאחר חיסון ה-PBR באצות, אך היא נשלטת במהירות על ידי המערכת. עם זאת, הנתונים החיים מדגישים עד כמה אלקטרודות pH רגישות, לרעש חשמלי חיצוני, מה שעלול להוביל לחריגות קיצוניות, ועלול לשבש את מערכות הבקרה. למרות ששיטה זו מיושמת עבור PBR אצות, ניתן ליישם טכניקות ניטור חיות אלה גם על כורים מיקרוביאליים אחרים הדורשים ניטור pH או טמפרטורה.
לאחר בניית ה-PBR והשלמת רכישת הנתונים, אמור להיות מסוגל להגדיר PBR לניטור חי לניסוי תוך שעה עד שעתיים. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור לקרוא ולהבין את עקרונות המדידה, מאחורי אופן פעולת החיישנים שלך, ולאמת את המדידות שלך עם מכשירי כף יד אחרים. לביצוע הליך זה, ניתן להוסיף שיפורים אחרים, כגון בקרת pH אוטומטית, להגדרת ה- PBR שלך.
הוראות אלו מספקות בסיס למסגרת רכישת הנתונים, הנדרשת לפני יישום משובי בקרה מתוחכמים יותר. אל תשכח שעבודה עם חשמל, יון פלואוריד וסיליקון אקרילי עלולה להיות מסוכנת ביותר. אז תמיד צריך לנקוט באמצעי זהירות.
לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות מסוגל להרכיב ולהגדיר PBR בקנה מידה ספסל לניטור pH, טמפרטורה ואור חי.
סקירה כללית
מחקר זה מציג את ההרכבה וההפעלה של ביו-ראקטור פוטוסינתטי בקנה מידה מעבדתי המיועד לניסויי גידול אצות. הביו-ראקטור מנטר באופן רציף את ה-pH, האור והטמפרטורה, ובכך הוא מאפשר את הערכת קינטיקת הגדילה של האצות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- ביוראקטורים פוטוסינתטיים
- קינטיקה של צמיחת אצות
- ייצור דלק ביולוגי
רקע
- ביוראקטורים פוטוסינתטיים חיוניים לחקר צמיחת אצות.
- שמירה על שליטה בתנאי הסביבה היא קריטית לקבלת מדידות מדויקות.
- מערכות הניתנות להתאמה אישית יכולות לשפר את הנגישות הכלכלית של הניסויים.
- הבנת צמיחת אצות חיונית לקידום טכנולוגיות של דלק ביו.
מטרת המחקר
- פיתוח ביו-ראקטור המאפשר ניטור בזמן אמת של צמיחת אצות.
- כימות יעיל של פרמטרי צמיחת אצות.
- מתן מדריך מעשי להקמה של ביו-ראקטור פוטוסינתטי.
שיטות מעבדה שנעשה בהן שימוש
- הרכבה של ביו-ריאקטור פוטוסינתטי בקנה מידה מעבדתי.
- שילוב של חיישנים לניטור pH, אור וטמפרטורה.
- כיול של חיישנים ותיעוד נתונים לצורך ניתוח ניסויי.
- ביצוע התאמות בזמן אמת של תנאי הסביבה במהלך הניסויים.
תוצאות עיקריות
- הביוריאקטור ניטר ביעילות את צמיחת האצות תחת תנאים מבוקרים.
- רכישת הנתונים הדגימה את הקשר בין גורמים סביבתיים לבין צמיחת האצות.
- ניטור בזמן אמת אפשר ביצוע התאמות מהירות לשמירה על תנאי צמיחה אופטימליים.
מסקנות
- הביוראקטור שפותח מהווה כלי בעל ערך למחקר על גדילת אצות.
- ניטור רציף משפר את הדיוק של הערכות הגדילה.
- שיטה זו יכולה לתמוך בהתקדמות בתחום הדלקים הביולוגיים מבוססי אצות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך סיכום
הקמת מערכות מבוקרות לגידול מיקרואצות היא קריטית לקידום תהליכי הפיתוח של דלקים ביולוגיים ומוצרים ביולוגיים. ניטור בזמן אמת של pH, טמפרטורה ואור מאפשר קביעה מדויקת של פרמטרים קינטיים, ובכך תומך במידול חזוי ובבחירת זנים. גישה זו בקנה מידה מעבדתי מספקת פלטפורמה יעילה מבחינה כלכלית וניתנת להתאמה אישית לשלבי גילוי מוקדמים ולהפחתת סיכונים מכניסטיים במערכות ייצור פוטוסינתטיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של תגובות גדילת אצות למשתנים סביבתיים לצורך הבהרת מסלולים והערכה של מטרות תפקודיות.
- ערך תפעולי: תומך ביצירה של נתונים קינטיים הניתנים לשחזור תחת תנאים מבוקרים, ובכך מפחית שונות בשלבי סינון ראשוניים.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: מספק נתונים כמותיים בזמן אמת על קצב גידול, ניצול אור ויציבות pH לצורך סטנדרטיזציה של הבדיקה.
- ערך תפעולי: מאפשר הכנה ניתנת להרחבה (scalable) של מערכות ביולוגיות מתוקפות לצורך הערכה של תרכובות או זנים בשלבים הבאים.
מחקר תרגומי וטרום-קליני
- ערך מדעי: שומר על תנאי תרבית הרלוונטיים למחלה כדי לתמוך ברצף מהשלב הגילוי ועד לאישור פרה-קליני.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאם סיכונים על ידי קישור הבקרה הסביבתית לפרודוקטיביות ועקביות הביו-מסה.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת בזרימות עבודה של שלבי הגילוי המוקדמים על ידי אספקת מערכות תרבית מבוקרות, התורמות לזיהוי מובילים (leads) ולפיתוח פרה-קליני באמצעות נתוני קינטיקת צמיחה ותגובה סביבתית אמינים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות על מנגנוני צמיחה של אצות ושינוי מסלולים תחת משטרי אור, pH וטמפרטורה מוגדרים.
- סריקה: מספק תנאי תרבית סטנדרטיים וניתנים לשחזור עם פלטים כמותיים להשוואה מהימנה של זנים או תנאים.
- אנליטיקה: מייצר נתוני חיישנים רציפים ותועדים המאפשרים ניתוח סטטיסטי של קינטיקת צמיחה ואינטראקציות סביבתיות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין בקרה בקנה מידה מעבדתי להמשכיות פרה-קלינית על ידי הבטחת תנאי תרבית עקביים וניתנים להרחבה.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר לבדיקה איטרטיבית של זנים, מצעי גידול ופרמטרים סביבתיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במודלים של צמיחת אצות על ידי הפחתת העמימות המכניסטית באמצעות בקרה סביבתית בזמן אמת.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של ניסויי גידול מיקרו-אצות.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשכיות הפרויקט (go/no-go) בשרשראות אספקה של דלקים ביולוגיים ומוצרים ביולוגיים, על ידי מתן אפשרות לבחירת זנים ותנאים מבוססת נתונים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעוד עדיפויות מותאם סיכון באמצעות נתוני ביצועי צמיחה מדויקים וספציפיים לתנאים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בשילוב חיישנים, מערכות לרכישת נתונים ואלקטרוניקה בסיסית לצורך ההגדרה והכיול.
- תלוי בתאימות חיישנים אנלוגיים, בתוכנה לרישום נתונים ובתשתית יציבה לאספקת חשמל ובקרת סביבה.
- מצריך תיאום בין צוותים בנוגע לפרוטוקולי נתונים, תקני כיול ונקודות הגדרה סביבתיות לקבלת תוצאות הניתנות לשחזור.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבה לזני אצות שונים, מצעי גידול או גאומטריות של כלי הגידול.
- מוגבל על ידי תדירות הכיול הידני וסחף פוטנציאלי של החיישנים, דבר המצריך תיקוף תקופתי מול מכשירים ניידים.
