Name: 動力学的成長試験のための温度、光およびpHモニタリングを有するベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築およびセットアップ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 8 s
Description: 学ぶベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築とセットアップ方法。pH・光・温度をリアルタイムモニタリングし、藻類の成長動態を定量化してバイオ燃料研究に貢献します。

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著者らは、この研究資金のために、研究とイノベーションの新興フロンティア（受賞番号1332341）を認めています。著者はまた、Andrew Grieshop博士と、LabJackとDAQFactoryのオンラインサポートコミュニティを支援し、このプロセス全体を通じて提供されている支援に感謝したいと思います。

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</ol>

著者は何も開示することはない。

このPBRシステムは、ベンチスケールの藻類の動力学的成長実験を監視および制御する能力を提供し、増殖を定量化するために用いられる実験的アッセイからのより反復可能な結果を​​可能にする。しかしながら、センサの測定値が反応器の状態を正確に反映することを保証するためには、センサ測定の限界と不確実性を理解することが重要です。この理解には、センサに関わる測定原理、校正のプロセスと頻度、測定の不確実性、およびセンサが測定できないものについての基本的な知識が含まれます。例えば、ここで説明した光センサの電気的応答は、可視スペクトル範囲にわたって均等に分配されず、このセンサデータがどのように分析されるかによって、特定の補正係数をセンサ出力に適用する必要があります。 温度の変化や変動も非常に重要です。センサー応答をフルエンスします。センサの読み値に影響を与える潜在的な干渉を理解することも非常に重要です。この干渉は、建物からの周囲の電気ノイズであるか、測定環境から生じる可能性があります（ 例えば、ナトリウムイオンはpH値が10を超えるとpHの読み取りに大きな影響を与える可能性があります） 12 。さらに、複数のプローブを溶液、特に高イオン伝導性の塩溶液に浸漬することも潜在的な干渉源である。 pH（またはイオン強度、溶存酸素、溶存CO 2 など ）を測定する電極は、周囲の電気ノイズに特に敏感であり、容易に摂動することができます。電極信号を保護するために使用される信号調整は、他の要因がプローブの読みを妨げないことを保証するものではありません。品質管理の一環として、ハンドヘルドpHプローブ、ハンドヘルド分光計、温度計などの他の実験装置を使用して、tセンサーの読み取り値を確認し、システムが正しくセットアップされ、正しく作動していることを確認してください。 取り組まなければならないもう1つの限界は、センサー上の藻類および/または培養環境の可能性のある影響である。例えば、藻類の破片または泡が光センサのフォトダイオードレセプタを覆う場合、測定値に影響が及ぶ。同様に、pH電極は非常に敏感で、正確な測定値を保証するために特別な注意が必要です。これらの電極は、H +イオンの蓄積による内部接合部の両端の電圧差を測定することによって機能する。正確な測定を維持するためには、プローブ内の水和バッファー層が必要です12 。反応器内の条件に依存して、この層は消耗し、プローブが沈んだ間にセンサの応答は実験の経過にわたって変化し得る。予備試験では、pH電圧出力は、20日間の実験の間に〜0.2pH単位を超えてドリフトしなかった、特にpHの微調整/定量が必要な場合には、センサ応答におけるこの変化を特徴づけ、最大の実験実行時間を確立するために、さらなる評価を実施すべきである。 藻類の成長を分析するために構築された現在のベンチスケールのPBRシステムの多くは、藻類の成長にどのような影響を与えているかを識別するために、必要に応じて内部培養環境を厳密に監視および制御していません。このプロトコルは、リアルタイムモニタリングを使用してPBRを構築するための段階的な指示を与えることにより、より制御された実験を容易にするのに役立ちます。さらに、このライブデータは、実験条件をよりよく制御するためだけでなく、潜在的に成長速度（ 例えば、一般的な成長速度の基準としての光学密度の読み）を推定するために利用することができる。 制御された実験システムは、藻類の研究をより再現性のあるものにするのに役立ちます。ベンチスケールのPBRモニタリングされ、制御されているエープルは、実験設計における意図しないアーチファクトを最小限に抑えることによって実験効率を高めることができ、藻類バイオ燃料を持続可能な代替燃料源にする努力を促進するのに役立つ。

地球規模の気候変動と有限の化石燃料資源への懸念が高まるにつれて、政府は化石燃料消費を削減し、新しい持続可能な輸送燃料の開発を促進する政策を策定している。米国環境保護庁（EPA）は、再生可能燃料規格（RFS）を策定しました。これは、米国輸送用燃料の年間混合物140億ガロンのうち36％が2022年までに再生可能な燃料源から得られることを要求しています。これらを満たすためには、将来の再生可能エネルギー基準1 。 微細藻類に基づくバイオ燃料の使用は、温室効果ガス排出量を削減しながら国内のRFSを満たすのに役立つ可能性を秘めている2 。 Microalgaeベースのバイオ燃料は、トウモロコシや大豆などの陸生食品作物に基づく第一世代のバイオ燃料に比べ、いくつかの利点があります。第一世代バイオ燃料とは異なり、藻類-b藻類は海水や排水を利用して年間を通じて耕作でき、不毛な土地で耕作することができるため、陸上、水、食糧関連の資源をほとんど消費しません。微細藻類は陸生作物と比較して高い成長率を有し、高レベルの脂質を蓄積する可能性があり、容易にバイオディーゼル3に変換することができる。現在、藻類の栽培、脂質分離、およびバイオディーゼルへの脂質精製からなる、エネルギー集約的な生産プロセスの高いコストのために、工業スケールの藻類 - バイオ燃料植物は存在しない。これらのプロセスをより効率的かつ持続可能にするためには、より多くの研究が必要です。 人工環境で光合成微生物を生産するための光学的に透明なPBRは、最も有望な栽培方法の1つと考えられている3 。しかし、現在の設計では、藻類からバイオ燃料への生産プロセスを行うために必要な容積生産性が依然として不十分であるより効率的かつ経済的に魅力的な4 。光の照射と減衰、栄養素とCO 2の輸送、微細藻類の成長を考慮する強力な数学モデルは、PBRの設計と操作の最適化を大幅に促進します。これらの最適化モデルの種特異的増殖パラメータを決定するためには、ベンチ規模の増殖実験が必要である。 運動学的試験は、意図しない増殖阻害剤を防ぐために、実験装置の注意深い監視および制御を必要とする。藻類の光合成特性（ すなわち、 CO 2の消費と光の吸収）を考慮すると、制御された条件を維持することはベンチスケールのPBRにおいて特に困難である。 式1に示すように、成長培地中の溶存CO 2の量は、一般に<img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> （ 方程式2 ）は、少なくとも、a1）CO 2分圧および溶液中に溶解するガスの量を決定するヘンリー平衡定数（ 式3 ）。 2）炭酸イオンおよびpHの種生成および活性に影響を及ぼす増殖培地の初期化学組成（ 式4および5 ）。 3） 式3-5 5に影響を与える温度 。 <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="式" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" />炭素の様々な段階および化学種別は、PBR内の一貫した溶存炭素濃度を測定および維持するための課題を生じさせる（ 例えば、藻類がCO 2を消費するにつれてpHが上昇し、溶解したCO 2基質を増加させると、成長を阻害する酸性環境につながる可能性がある） 6 。 藻類動態試験中の条件を制御するための追加の複雑さの層は、PBR内の光強度を含む。 PBR内の平均光強度は、入射光強度だけでなく、設計（ 例えば、材料、形状、深さ、混合）、藻類バイオマス成分（特にクロロフィル）の吸光度、藻類細胞の散乱特性を改善する。藻類が成長するにつれて、平均光度は減少する。このような光強度の変化は、全細胞およびバイオマスの増加、細胞あたりのクロロフィル含量の増加、またはその両方によって増加するかどうかにかかわらず、最終的にはクロロフィル生産の増加1細胞あたりの量、または炭水化物および脂質貯蔵物のエネルギー使用7 。原子炉内から光強度を連続的に監視することは、貴重な情報を提供する。このデータは、条件が特定の範囲内にあることを確実にするのに役立ち、他の測定値（バイオマス、クロロフィル濃度、反応器深さ、入射光など ）と組み合わされた場合、藻類増殖および吸光度パラメーターの推定に役立ちます。 特定の条件下で藻類がどのように増殖するかを理解するためには、pH、溶存CO 2 、光強度および温度をベンチスケールの動力学実験でモニターする必要がある。多くの藻類の生育設定は、動態モデルを較正するのに必要な程度まで条件を監視するために装備されておらず、モデリングプロセスは非常に困難です8 。多くの企業がベンチスケールのPBRを自動化および制御で提供していますが、ベンチスケールセットアップは非常に高価（〜20,000ドル）になる可能性があり、特定の研究課題の実験的な考慮事項すべてに対応できない可能性があります。 バッチ実験のためのコントロールフィードバックシステムを構築するための最初のステップは、ライブデータ取得です。本書では、連続光、pHおよび温度モニタリングを備えたベンチスケールのPBRを構築および設定する方法を示すことを目的としています。このリアルタイムのモニタリング設定は、実験者の裁量で、実験条件が所望の範囲内に留まることを確実にするのに役立つ。このプロトコルでは特定の制御メカニズムは詳しく説明されていませんが、これらのステップバイステップの手順は、より高度な制御フィードバックを実装する前に必要なデータ集録フレームワークの基礎を提供します。

<table><tbody><tr><td>キャストアクリルシート</td><td>マクマスターカー8560K244</td><td></td><td>7/8 ''厚さ、12 x 36 ''、光学的にクリア、購入したシートのサイズはリアクターの寸法によって異なります。</td></tr><tr><td>アクリルセメント</td>マク<td>マスター</td><td>カー7517A4</td><td>Scigripプラスチックパイプセメント、アクリルの #4SC 非白化。PBR組立にガスケットやネジを使用する場合は不要です。</td></tr><tr><td>アクリルセメントアプリケーターニードル</td>マクマスター<td>カー75165A136</td>アクリル<td></td><td>セメントアプリケーターニードル、25ゲージ、1インチ、ステンレス鋼、PTFEライニング。</td></tr><tr><td>アクリルセメント用プラスチックディスペンシングボトル</td><td>マクマスターカー7544A67</td><td></td><td>プラスチックディスペンシングボトル、2オンスサイズ、5個入りパック。</td></tr><tr><td>粘性アクリルセメント</td>マク<td>マスター</td><td>カー7515A11</td><td>Scigripプラスチックパイプセメント。ミディアムボディのアクリルセメントで、PBR本体の隙間をシールします。</td></tr><tr><td>PG-13.5 スレッドタップ</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>pH電極を蓋に固定するために使用できます(該当する場合)。</td></tr><tr><td>PBRと蓋</td><td>NCSU精密機械工場</td><td>カラム藻類 3.2L リアクターリビジョンE</td><td>この機械工場は一般に公開されています。ショップマネージャーに連絡してください。</td></tr><tr><td>pHセンサー</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120、オートクレーブ可能、ミリボルト出力。</td></tr><tr><td>光センサー</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>増幅 0-5 ボルト電気校正量子センサー、防水。</td></tr><tr><td>温度センサー</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>ステンレス製、防水温度センサー。</td></tr><tr><td>BNCエンド付きpHトランスミッターワイヤー</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>このワイヤーは、pHプローブの種類によって異なります。ワイヤがpHプローブと互換性があり、BNCコネクタの端があることを確認してください。</td></tr><tr><td>ユニティゲインプリアンプ</td><td>オメガエンジニアリング</td><td>PHTX-21</td><td>ハイインピーダンスpH測定に必要なpH電極用信号処理アンプです。</td></tr><tr><td>同軸アダプター、BNCメス-バインディングポスト</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>プリアンプからマイクロコントローラーへのpH信号の接続用。</td></tr><tr><td>コンデンサ (1000 uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>ローパスフィルター用。</td></tr><tr><td>抵抗器(1000Ω)</td><td>ラジオシャック</td><td>2711321</td><td>ローパスフィルター用。</td></tr><tr><td>フックアップワイヤー</td><td>ラジオシャック</td><td>2781222</td><td>ローパスフィルターの作成、センサーとマイコンの接続、モーターの配線に。</td></tr><tr><td>熱収縮チューブ</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>ローパスフィルターアセンブリ用。</td></tr><tr><td>データ収集・制御ユニット</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>センサーからの電気信号を処理し、データ収集・制御ソフトウェアと通信します。</td></tr><tr><td>DAQFactoryデータ収集ソフトウェア</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td><td>無料でダウンロードでき、最大10チャンネルまで対応。</td></tr><tr><td>ミニDCギアモーター</td><td>マクマスターカー</td><td>6331K31</td><td>ミキサーインペラ用モーター。</td></tr><tr><td>インペラとシャフト</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>3Dファイルの著者にメールを送ります。</td></tr><tr><td>可変DC電源</td><td>Amazon</td><td>Tekpower HY1803D</td><td>可変DC電源、0-18V @ 0-3A。</td></tr><tr><td>グローランプ</td><td>ハイドログロー</td><td>SOL-1</td><td>このモデルはもう入手できません。</td></tr><tr><td>インキュベーター</td><td>Thermo Scientific</td><td>Precision Model 818</td><td>この特定のインキュベーターは、温度設定に関係なくノンストップで作動するため、内部の熱源に耐えることができます。</td></tr></tbody></table>

動力学的成長試験のための温度、光およびphモニタリングを有するベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築およびセットアップ

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

微細藻類栽培のための光合成バイオリアクター（PBR）の最適な設計および操作は、微細藻類ベースのバイオ燃料生産の環境および経済的性能を改善するために不可欠である。異なる条件下で微細藻類の成長を推定するモデルは、PBRの設計と操作を最適化するのに役立ちます。効果的であるために、これらのモデルで使用される成長パラメータは正確に決定されなければならない。藻類の増殖実験は、培養環境の動的性質によって制限されることが多く、動力学的パラメーターを正確に決定するためには制御システムが必要である。制御されたバッチ実験を設定するための最初のステップは、生データの収集とモニタリングです。このプロトコルは、微小藻類増殖実験の実施に使用できるベンチスケールの光合成バイオリアクターの組み立ておよび操作のためのプロセスを概説している。このプロトコルでは、アクリル製の平板型、ベンチスケールのPBRのサイズおよび組み立て方法を説明します。また、設定方法についても詳しく説明していますデータ取得および制御ユニット、アナログセンサー、およびオープンソースのデータ収集ソフトウェアを使用して、pH、光、および温度を連続的に監視するPBRを提供します。

このリアルタイムモニタリングシステムのデータは、ベンチスケールのPBR内で藻類の動的培養環境を示し、システムの監視と制御の必要性を強調しています。記録された温度データ（ 図6 ）は、藻類の生育に伴う光照射、インキュベーターの空気温度、エネルギー散逸がPBR内の温度をどのように変化させるか、リアルタイムデータをインキュベーターの温度制御を調整するために使用する方法を示しています。 実験の過程で測定された光は、この成長する環境の動的性質をさらに強調する。 図7で観察されるように、光合成光子束密度（PPFD;μE-m -2 s -1 ）として測定された光センサーの読み取り値は、藻類が添加されてすぐに85 PPFDに落ちる前に約100 PPFDであった反応器に藻類培養物を接種する。光は、7日目に5PPFD未満に低下し続けた。この光度の減少は、バイオマスおよび細胞数の増加、および/またはクロロフィル含有量の増加による吸収の増加によるものであり、藻類は7日目まで活性が低い光レベル。さらなる推論を行うには、追加の生物学的測定が必要である。 連続的に記録されたpHデータは、全体として、実施されたpH制御アルゴリズム（ 図8 ）を用いてこの実験中にpHが適切に制御されたことを示している。このデータは、分ごとの示度と1時間の平均値を示しており、藻類の培養とリアルタイムでのpHのモニタリングに関する重要なポイントを示しています。最初に、PBRに藻類を接種した直後に、pHを所望の設定値7.6を上回って上昇させた。この変化は、PBRに添加された培養種子が、H値は、接種材料を増殖させるために使用されたフラスコがpH制御されていないため、設定値より高い。第2に、このライブデータは、どのように敏感なpH電極が外部電気ノイズに重大であるかを強調する。この感度は、1日目と2日目との間の電極値の急激な上昇によって示される。これらの突然のpH値の変化は、隣接する実験装置からの電磁弁からの電気的ノイズによって生じた可能性が高い。この電気的外乱は、pH制御アルゴリズムを早期に起動してCO 2をPBRに注入した。その結果、pHは所望の設定値以下に低下した。 pH電極の感度は極端な異常値をもたらし、制御システムを破壊する可能性があります。 <img alt="図3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> 図3：pH応答および較正の例グラフ。 （ a ）thの応答グラフの例e pHセンサー（ b ）pHセンサーの較正グラフの例。変換に使用する式があります。回帰分析は95％の信頼区間を示す。エラーバーは表示されません（標準エラーは0.03％未満です）。これらのグラフは、pHセンサが適切に接続され、その信号が非常に安定していることを示している。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> 図6：7日間の実験中のPBR内の温度測定濃い青色の点はセンサーデータの1時間の平均を表し、淡い青色の点は1分（取得タイミング1秒、平均長さ60）で得られたセンサー読み取り値を表し、メーカーが提供する変換係数を使用して温度に変換します。黒い矢<html>培養温度を25℃付近に保つようにインキュベーターの温度設定を調整したとき（この所望の設定点は赤い点線で示されている）。温度の変動は、藻類の成長およびインキュベーター温度の変化に起因する。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> 図7：7日間の実験中にPBR内の光の測定濃い青色の点はセンサーデータの1時間の平均を表し、淡い青色の点は1分（取得タイミング1秒、平均長さ60）で取得し、デフォルトの光センサー工場較正値を使用してPPFDに変換したセンサー読み取り値を表します。&quot;&gt;この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。 <img alt="図8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> 図8：7日間の実験中のPBR内のpH測定。濃い青色の点はセンサーデータの1時間の平均を表し、淡い青色の点は1分ごとに記録されたセンサーの読み取り値（0.1秒の獲得タイミング、平均長さ600）を表し、較正によって確立された変換式を使用してpHに変換される。 99％CO 2ガス注入を用いてpHを7.6〜7.5に維持した。赤い点線は、所望のpH範囲を示す。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a>

本稿では、他の方法と組み合わせて、適切な動態パラメータを推定するために使用できるベンチスケールの光合成バイオリアクターの組み立てプロセスと操作について説明します。このシステムは、センサー、データ収集および制御ユニット、およびオープンソースのデータ収集ソフトウェアを使用してpH、光および温度を連続的に監視します。

動力学的成長試験のための温度、光およびpHモニタリングを有するベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築およびセットアップ

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

この手順の全体的な目標は、藻類の成長実験を監視しながら、連続光、pH、および温度を備えたベンチスケールの光合成バイオリアクターを組み立てることです。したがって、監視および制御されたセットアップを使用して藻類の成長を定量化することで、研究者は藻類の成長をより適切に評価できます。これは、藻類ベースのバイオ燃料を実現するための重要な質問に答えるのに役立ちます。このアプローチの主な利点は、藻類の成長実験をリアルタイムで監視するための、カスタマイズ可能で、より手頃な価格の可能性があるセットアップであることです。このタイプの光合成バイオリアクターを開発したいと思ったのは、藻類のダイナミックな培養と環境の中で制御を維持することの重要性に気付いたときでした。この方法の地域的なデモンストレーションは、電気工学の用語や実践に精通していないと多くの手順を学ぶのが難しいため、非常に重要です。この手順を開始するには、ベンチスケールのPBRを構築します。テキストプロトコルで説明されているように、PBR本体と蓋のサイズ、形状、デザインを決定します。送信機のワイヤーを使用して、ユニティゲインを接続します amplifier pHプローブに。次に、プラスとマイナスのポート端子がある同軸アダプターをピックアップします。アダプターをユニティゲインのもう一方の端に接続します amplifier。ローパスフィルターを作成するには、ワイヤーストリッパーを使用して、15センチメートルの緑色のコネクタワイヤー2本と30センチメートルの黒いコネクタワイヤー1本をカットします。緑色の各ワイヤーの一方の端と黒いワイヤーの両端から約0.6センチメートルの絶縁体を剥がします。次に、緑色のワイヤーのもう一方の端から約1.25センチメートル剥がします。1000 Ω 抵抗の片方の脚を、緑色のコネクタ ワイヤの 1.25 cm の剥がされた部分に慎重に巻き付けます。もう一方の抵抗器の脚を、もう一方の緑色のワイヤの 1.25 cm のストリップ部分に巻き付けます。はんだごてと鉛フリーはんだを使用して、抵抗器の脚をワイヤにはんだ付けします。はんだを2〜5分間冷まします。この後、抵抗器とはんだ付けされたワイヤを4センチメートルの熱収縮チューブで覆います。ヒートガンを使用してチューブを熱収縮させ、プラスチックが抵抗器とワイヤにしっかりと巻き付くことを確認します。次に、黒いコネクタ ワイヤの一方の端を同軸アダプタのマイナス端子ポストに固定します。ワイヤのもう一方の端を、データ集録および制御ユニットのアース端子の1つに挿入します。緑色のコネクタ ワイヤの一方の端を同軸アダプタのプラス端子ポストに接続します。次に、もう一方の端をデータ集録および制御ユニットの空いているアナログ入力端子に挿入します。1000マイクロファラッドコンデンサの正極リード線を同じアナログ入力端子に挿入します。コンデンサのマイナスリード線を、黒いコネクタワイヤに使用されているものと同じアース端子に固定します。この後、テキストプロトコルで説明されているように、温度センサーをデータ収集および制御ユニットに接続します。ライブデータ取得と実験ファイルを設定した後、pH電極と温度プローブの両方をpHキャリブレーションバッファー7に挿入します。溶液がテキストプロトコルに概説されているように、目的の温度にあることを確認します。pH電極電圧出力が安定したら、温度とpH電気データの両方をファイルに記録します。pHチャネルに変換が適用されていないこと、およびチャネル平均化がオフになっていることを確認します。バッファー4と10のキャリブレーションを繰り返します。テキスト プロトコルで説明されているように変換方程式を生成し、実験ファイルでこの方程式を更新します。次に、このpH変換をpHチャネルに適用します。藻類の接種物と増殖培地を調製した後、実験の準備としてPBRをセットアップします。光センサーワイヤーを蓋のポートに通します。次に、光センサーヘッドをPBRリッドエクステンションマウントに取り付けます。次に、ゴム製のストッパーを使用して、蓋のポートを閉じます。インペラシャフトをDCミニギアモーターシャフトの上、PBRリッドの内側に置き、止めネジと六角レンチでシャフトを固定します。調製した藻類特異的増殖培地を添加する。この後、PBRに蓋をしてネジで固定します。摂氏25度のインキュベーターに入れます。温度プローブを指定されたポートに挿入し、ゴム栓で固定します。次に、pHプローブをリアクターの蓋のPG13.5ネジマウントに固定します。光センサーがデータ収集および制御ユニットに、テキストプロトコルで説明されているように、ローパスフィルターで接続されていることを確認してください。次に、ミキサーインペラを希望の速度にパワーオンします。PBRの隣に可変DC電源をセットアップします。電源をオンにし、電圧値にゼロボルトが示されるまで電圧を調整します。この後、電源を切ってください。インペラモーターの電力線を可変電源の正と負の出力端子に接続します。電源をオンにし、ゆっくりとボリュームを上げますtage希望の混合速度に達するまで。次に、グローランプをPBRの前面の中央に配置し、光路が光センサーに向けられることを確認します。グローランプをオンにし、必要に応じてランプをリアクターに近づけたり離したりして、光の強度を調整します。テキスト プロトコルで説明されているように、センサー データを 6 時間から 24 時間監視およびログに記録します。この後、トランスファーピペットを使用して、サンプリングポートを介して藻類の接種物を追加します。条件をモニタリングした後、条件が範囲内に収まるように、必要に応じてピペットを使用して、サンプリングポートから培養物を取り出して分析します。データディスプレイを使用して、水温を監視します。水温を一定に保つために、インキュベーターの空気温度設定値を手動で調整します。pH は、99%CO2 タンクに沿った 12 ボルトの電磁弁で制御されます。バルブは、データ収集および制御ユニットを介して開きます。この研究では、ベンチスケールの藻類動態成長実験を監視および制御するために、光合成バイオリアクターが構築されています。ログ温度データは、藻類の成長に関連する光照明、インキュベーターの空気温度、およびエネルギー散逸がバイオリアクター内の温度をどのように変化させるかを示しています。このリアルタイムデータは、必要に応じてインキュベーターの制御を調整し、ダイナミクス、培養、環境を制御するために使用されます。測定された光は、この成長環境のダイナミックな性質をさらに強調します。光センサーの読み取り値は約100 PPFDですが、藻類が発生する前は、原子炉に接種するとすぐに85に低下します。光は低下し続け、7日目には5PPFD未満に達します。光強度の低下は、バイオマスおよび細胞数の増加によるものであってもよいし、またはクロロフィル含有量の増加による吸収の増加によるものであってもよい。どちらのシナリオでも、これは、光レベルが低いにもかかわらず、藻類が7日目までまだ活動していることを示しています。連続的に記録されたデータは、実装された制御アルゴリズムを使用して、全体的なpHが適切に制御されていることを示しています。PBRに藻類を接種した直後はpHの上昇が予想されますが、システムによって迅速に制御されます。しかし、ライブデータでは、pH電極が外部の電気ノイズに対してどれほど敏感であるかが浮き彫りになり、極端な外れ値を引き起こし、制御システムを混乱させる可能性があります。この方法は藻類PBRに実装されていますが、これらのライブモニタリング技術は、pHまたは温度モニタリングを必要とする他の微生物リアクターにも適用できます。PBRが構築され、データ取得が完了すると、1〜2時間で実験用のライブモニタリング用のPBRをセットアップできるようになります。この手順を試行する際には、センサの動作の背後にある測定原理を読んで理解し、他のハンドヘルドデバイスで測定を検証することを忘れないでください。この手順に従うために、自動pH制御などの他の拡張機能をPBRセットアップに追加できます。これらの手順は、これらのより高度な制御フィードバックを実装する前に必要なデータ集録フレームワークの基礎を提供します。電気、フッ化物イオン、アクリルシリコーンを扱う作業は非常に危険であることを忘れないでください。したがって、常に予防策を講じる必要があります。このビデオを見れば、pH、温度、光のライブモニタリングのためのベンチスケールPBRを組み立ててセットアップできるようになるはずです。

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学ぶベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築とセットアップ方法。pH・光・温度をリアルタイムモニタリングし、藻類の成長動態を定量化してバイオ燃料研究に貢献します。

動力学的成長試験のための温度、光およびpHモニタリングを有するベンチスケール藻類光合成バイオリアクターの構築およびセットアップ

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