방법 논문

키네 성장 시험을위한 온도, 빛 및 pH 모니터링을 갖춘 벤치 규모의 조류 광합성 생물 반응기의 건설 및 설치

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DOI:

10.3791/55545

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2017년 6월 14일

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

이 논문에서

요약

이 논문은 다른 방법과 관련하여 적절한 운동 성장 매개 변수를 추정하기 위해 사용할 수있는 벤치 규모의 광합성 생물 반응기의 조립 공정 및 작동에 대해 설명합니다. 이 시스템은 센서, 데이터 수집 및 제어 장치 및 오픈 소스 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 pH, 빛 및 온도를 지속적으로 모니터링합니다.

초록

미세 조류 배양을위한 광합성 생물 반응기 (PBR)의 최적 설계 및 작동은 미세 조류 기반 바이오 연료 생산의 환경 및 경제적 성능을 향상 시키는데 필수적이다. 다른 조건에서 미세 조류 성장을 추정하는 모델은 PBR 설계 및 작동을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 효과적이기 위해서는 이러한 모델에 사용 된 성장 매개 변수가 정확하게 결정되어야합니다. 조류 성장 실험은 종종 문화 환경의 역동적 인 특성에 의해 제한되며, 제어 시스템은 동역학 매개 변수를 정확하게 결정하는 데 필요합니다. 제어 배치 실험을 설정하는 첫 번째 단계는 실시간 데이터 수집 및 모니터링입니다. 이 프로토콜은 미세 조류 성장 실험을 수행하는 데 사용할 수있는 벤치 스케일 광합성 생물 반응기의 조립 및 작동 과정을 설명합니다. 이 프로토콜은 아크릴에서 플랫 플레이트, 벤치 스케일 PBR의 크기를 결정하고 조립하는 방법을 설명합니다. 또한 구성하는 방법을 자세히 설명합니다.데이터 수집 및 제어 장치, 아날로그 센서 및 오픈 소스 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 지속적으로 pH, 빛 및 온도 모니터링 기능을 갖춘 PBR을 제공합니다.

서론

지구 기후 변화와 유한 화석 연료 자원에 대한 우려가 커지면서 정부는 화석 연료 소비를 줄이고 새롭고 지속 가능한 운송 연료 개발을 장려하는 정책을 개발해 왔습니다. 미국 환경 보호국 (US Environmental Protection Agency)은 재생 가능한 연료 표준 (RFS)을 개발했습니다.이 연료 시스템은 2022 년까지 연간 1400 억 갤런의 미국 운송 연료 혼합물 중 36 개를 재생 가능 연료 원에서 생산할 것을 요구합니다.이를 충족시키기 위해서는 혁신적이고 혁신적인 기술이 필요합니다. 미래의 신 재생 에너지 표준 1 .

미세 조류 기반 바이오 연료의 사용은 온실 가스 배출을 줄이면서 국가 RFS를 충족시킬 수있는 가능성을 제공합니다 2 . Microalgae 기반의 바이오 연료는 옥수수와 대두와 같은 육식 식품 작물을 기반으로하는 1 세대 바이오 연료에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 1 세대 바이오 연료와 달리 해조류 - b해조류 바이오 연료는 해수와 폐수를 사용하여 일년 내내 그리고 불모의 땅에서 재배 될 수 있기 때문에 적은 토지, 물 및 식품 관련 자원을 소비합니다. Microalgae는 육상 작물에 비해 높은 성장률을 보이며 높은 수준의 지질을 축적 할 수 있으며 이는 쉽게 바이오 디젤 3 으로 전환 될 수 있습니다. 현재 조류 재배, 지질 분리 및 바이오 디젤로의 지질 정제로 구성된 에너지 집약적 인 생산 공정의 높은 비용 때문에 산업 규모의 조류 - 바이오 연료 플랜트가 존재하지 않습니다. 이러한 프로세스를보다 효율적이고 지속 가능하게 만들기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

인공 환경에서 광 영양 미생물을 생산하기위한 광학적으로 투명한 PBR은 가장 유망한 재배 방법 중 하나이다. 그러나 현재의 설계는 여전히 조류 - 바이오 연료 생산 과정을 만드는데 필요한 체적 생산성이 부족하다더 효율적이고 경제적으로 매력적인 4 . 광 조사량과 감쇠, 영양염과 이산화탄소의 수송 및 미세 조류의 성장을 고려한 강력한 수학적 모델은 PBR 설계 및 작동의 최적화를 크게 촉진 할 수 있습니다. 벤치 스케일 성장 실험은 이러한 최적화 모델의 종별 성장 파라미터를 결정하는 데 필요합니다.

운동 학적 테스트는 의도하지 않은 성장 억제제를 방지하기 위해 실험 설정을 신중하게 모니터링하고 제어해야합니다. 조류의 광합성 특성 ( 즉, 이산화탄소의 소비와 빛의 흡수)을 감안할 때 통제 된 조건을 유지하는 것은 벤치 규모의 PBR에서 특히 어렵습니다. 수학 식 1 에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 figure-introduction-1 ( 방정식 2 ), 적어도 a함수 : 1) CO 2 분압과 헨리의 평형 상수. 이는 용액에 용해 될 가스의 양을 지시합니다 ( 식 3 ). 2) 탄산 이온 및 pH의 종 분화 및 활성에 영향을주는 성장 배지의 초기 화학적 조성 ( 식 4 및 5 ); 3) 식 3-5에 영향을주는 온도 .

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다양한 단계와 탄소의 화학적 특성은 PBR 내의 일정한 용존 탄소 농도를 측정하고 유지하는 데 어려움을 낳습니다( 예, 조류가 이산화탄소를 소비함에 따라 pH가 증가하고, 용해 된 이산화탄소 기질을 증가 시키면 성장을 억제하는 산성 환경으로 이어질 수있다) 6 .

해조 동력 시험 중 조건을 제어하기위한 추가 복잡성 계층은 PBR 내의 광 강도를 포함합니다. PBR 내부의 평균 광도는 입사광 강도뿐 아니라 설계 ( 예 : 재질, 모양, 깊이 및 혼합), 조류 바이오 매스 구성 요소 (특히 엽록소)의 흡광도, 조류 세포의 산란 특성. 조류가 자라면서 평균 광도가 감소합니다. 총 세포와 바이오 매스의 증가, 세포 당 엽록소 함량의 증가 또는 둘 모두에 기인 한 빛의 강도의 변화는 결국 엽록소 생산의 증가와 같은 대사 반응을 유도 할 수있다세포 당 탄수화물 또는 에너지를위한 탄수화물 및 지질 저장 제품의 사용 7 . 원자로 내에서 광 강도를 지속적으로 모니터링하면 매우 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 이 데이터는 조건이 특정 범위 내에 머무르도록 도와 주며 다른 측정 ( 예 : 바이오 매스, 엽록소 농도, 반응기 깊이, 입사광 등 )과 결합하여 조류 성장 및 흡광도 매개 변수를 추정하는 데 사용될 수 있습니다.

특정 조건 하에서 조류가 자라는 방법을 이해하기 위해서는 pH, 용존 CO 2 , 광도 및 온도를 벤치 규모의 운동 실험에서 모니터링해야합니다. 많은 조류 성장 설정은 동역학 모델을 보정하는 데 필요한 정도로 조건을 모니터링 할 수있는 기능이 없으므로 모델링 프로세스가 매우 어려워집니다. 많은 기업들이 자동화 및 제어 기능을 갖춘 벤치 규모의 PBR을 제공하지만 벤치 스케일셋업은 극도로 비싸며 (~ 20,000 달러) 주어진 연구 문제에 대한 실험적 고려 사항을 모두 수용하지 못할 수도 있습니다.

배치 실험을위한 제어 피드백 시스템을 설정하는 첫 번째 단계는 실시간 데이터 수집입니다. 이 백서는 지속적인 광, pH 및 온도 모니터링이 가능한 벤치 스케일 PBR을 구축하고 설정하는 방법을 보여줍니다. 이 실시간 모니터링 설정은 연구자의 재량에 따라 실험 조건이 원하는 범위 내에서 유지되도록하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 프로토콜은 특정 제어 메커니즘을 자세히 설명하지는 않지만보다 정교한 제어 피드백을 구현하려면 데이터 수집 프레임 워크의 기본 토대를 제공해야합니다.

프로토콜

1. 벤치 스케일 PBR 바디 및 뚜껑 만들기

참고 : 설명을 위해 Dunaliella sp. , 세포벽이없는 약 10 μm의 내염성 미세 조류가이 PBR의 구성을위한 모델 유기체로 사용되었다.

  1. 연구 필요에 필요한 PBR 볼륨을 결정합니다.
    1. 이 PBR에 대한 실험 목적을 결정합니다.
    2. 분석에 필요한 부피를 포함하여 관심있는 조류 종의 성장을 특성화하기 위해 어느 조류 측정 분석 ( M )이 필요한지 결정; 기술 복제 횟수, n ; 샘플링 주파수, f ; 실험 기간, t .
      참고 : 프로젝트 별 연구 질문, 조류 종 및 사용 가능한 장비는 측정 된 조류 특성, 이러한 측정에 사용 된 방법 및 이러한 측정의 빈도를 결정합니다. 바이오 매스; 세포 수; 총엽록소 색소, 단백질, 지질, 탄수화물 및 외부 질산염 농도 측정은 성장을 평가하는 일반적인 방법이며 5-14 일 간의 일일 샘플링은 성장 테스트 9 , 10 에 대한 일반적인 접근법입니다.
    3. 식 6을 사용하여 한 번의 실험에서 샘플링에 필요한 총 배양량 V s 를 계산 합니다.
      figure-protocol-1
    4. 방정식 7 을 사용하여 단계 1.1.3 의 Vs 와 최대 부피 제거 분수 F 를 사용하여 목표 PBR 양 Vp 를 추정합니다.
      figure-protocol-2
      참고 : 전체 배양량 ( 예 : ~ 20 %)의 사전 지정된 분율 미만을 제거하면 PBR 내 조건 (혼합력, 광 분포 등 )을 확실하게 유지하는 데 도움이됩니다lly는 배양액이 제거 될 때 실험 과정에 따라 다릅니다.
      1. 바이오 매스가 10 일 동안 실험 된 것으로 가정합니다. 세포 수; 총 엽록소, 단백질, 지질, 탄수화물 및 질산염 농도를 매일 3 회 측정하여 ~ 600 mL의 총 시료 채취량을 사용하십시오. 총 배양 체적 중 18.75 % 이상을 제거하려고하지 않는 경우, 최소 3.2L의 총 작업 원자로 체적을 사용하십시오.
  2. PBR 실험을위한 센서 및 액세서리를 선택하십시오.
    1. 지속적인 모니터링에 사용할 pH, 빛 및 온도 프로브를 선택하십시오.
      참고 : 센서는 데이터 수집 장치와 호환되어야하며 내부 배양 조건 (pH 범위, 빛, 열, 조류 찌꺼기, 소금 등 )을 견뎌야합니다. 스테인레스 스틸 및 내염성 탐침은 Dunaliella sp. 해양 미세 조류입니다.
    2. Ex를 만족시키는 임펠러 설계 및 모터 선택인공위성 혼합 요구 사항.
      참고 : 예를 들어, 낮은 전단력의 축 방향 임펠러는 Dunaliella 조류에 좋은 선택입니다. 세포벽 이 없어 쉽게 쉽게 전단 할 수 있기 때문입니다. 이 조류들은 깃털 모양의 이동을하며 강렬한 혼합을 필요로하지 않습니다. 낮은 혼합 속도는 12V 미니 기어 모터를 사용하여 달성 할 수 있습니다. 임펠러와 샤프트는 3D로 인쇄 할 수 있습니다 (3D 인쇄 정보는 재료 목록에서 찾을 수 있습니다).
  3. PBR 몸체와 뚜껑을 조립하십시오.
    1. 실험 목적 및 잠재적 인 제약 ( 예 : 공간)을 염두에두고 단계 1.1의 부피 계산을 기반으로 원자로의 크기를 결정합니다.
      참고 :이 모양은 PBR 전체의 광 감쇠를 최소화하여 실험 전반에 걸쳐보다 일관된 광 분포를 제공하므로 표면 대 부피 비율이 낮은 PBR 디자인이 바람직합니다.
    2. 광학적으로 투명한 모형 5 조각을 자른다.1.3.1 단계에서 설정 한 PBR 설계 및 크기에 따라 테이블 톱을 사용하여 아크릴 시트 (~ 0.25-0.5 두께)를 만듭니다.
    3. 200에서 400 그릿 샌드페이퍼를 사용하여 조인트 모서리가 매끄럽지 만 둥글 ​​지 말아야합니다.
    4. 테이프 및 / 또는 클램프와 함께 아크릴 조각의 가장자리를 고정하십시오.
      참고 : 아크릴 시멘트는 접착제가 아닙니다. 아크릴 결합 표면이 거칠거나 아크릴 조각이 고르게 정렬되지 않으면이 결합 시멘트가 효과적이지 않습니다.
    5. 통풍이 잘되는 곳에서 바늘 디스펜서를 사용하여 관절을 따라 아크릴 시멘트를 바르십시오. 플라스틱 표면은 즉시 접착됩니다. 조각을 24 시간 동안 그대로 두십시오.
      경고 : 아크릴 시멘트를 사용할 때 흡입 및 피부 노출을 피하기 위해 마스크와 장갑을 착용해야합니다.
    6. PBR이 수밀인지 확인하기 위해 관절에 점성 아크릴 시멘트를 바르십시오. 시멘트 지시에 따라 시멘트를 24-48 h 동안 건조 상태로 두십시오. 건조 시간은 다를 수 있습니다.
    7. 채우기반응기에 물이 새어 보이는지 확인하십시오. 누출이 분명하지 않으면 반응기를 종이 수건에 놓고 24-36 시간 후 누출 흔적이 없는지 다시 확인하십시오.
      참고 : 두께가 ~ 0.5 인치 미만인 아크릴 시트는 ~ 2 L 이상을 유지하는 PBR을 조립하는 데 사용해야합니다. 얇은 시트는 수압 하에서 굴러 누출 될 수 있습니다. 가스켓과 재 시행 스크류는 아크릴 시멘트에 대한보다 견고한 대안으로 사용될 수 있습니다 ( 그림 1 ). 이러한 유형의 조립에는 정밀 기계가 필요하며 아크릴이 쉽게 부수기 때문에 조심스럽게 다뤄야합니다.
    8. 기계 공장을 사용하여 센서 및 기타 PBR 액세서리 및 필요 ( 즉, 임펠러, 가스관, 샘플링 포트 등 )를 수용 할 수있는 포트가있는 PBR 덮개를 설계하십시오. 내부 구성 요소가 서로 간섭하지 않는지 확인하십시오.
      참고 : PBR 및 PBR 뚜껑 구성 / 디자인은 원자로 부속품 및 실험 목적에 따라 다릅니다. 그림 1 참조PBR 반응기 및 뚜껑 디자인의 예를 들어보십시오 (자세한 내용은 재료 섹션에서 찾을 수 있습니다). 이 PBR 설계는 나머지 프로토콜에 대해 참조됩니다.

figure-protocol-3
그림 1 : 센서 및 혼합기가있는 사용자 정의 된 벤치 스케일 PBR 설정 이미지 이 설정은 믹서, 뚜껑의 스레드 포트를 통해 뚜껑에 고정 된 전극 및 특수 설계된 뚜껑에 부착 된 광 센서를 보여줍니다. 이 뚜껑 설계에는 12 V DC 미니 기어 모터의 부착도 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 데이터 수집 및 제어 장치로 센서 설정 및 구성

참고 : 센서는 다음과 같은 변경 사항을 해석합니다.측정 가능한 아날로그 신호로 실제 세계, 종종 전압. 데이터 수집 유닛은 디지털 및 물리적 세계 간의 인터페이스 역할을하며 이러한 아날로그 신호를 읽고 컴퓨터의 지시에 따라 이산 신호로 변환 할 수 있습니다. 여기에 설명 된 데이터 수집 장치는 16 비트의 아날로그 입력 해상도를 가지고 있으며 최대 14 개의 아날로그 신호 (± 10V)를 판독 할 수 있으며 일부 센서 (최대 5V)에 필요한 전력을 공급할 수 있습니다. 이 지침은 아날로그 신호를 PBR 내의 빛, pH 및 온도에 대해보다 의미있는 값으로 변환하기 위해이 데이터 수집 및 제어 장치를 설정하는 방법에 대한 개요를 제공합니다. 이 지침에서는 이러한 측정 된 값을 완전히 해석하고 불확실성을 정량화하는 데 필요한 중요한 개념 ( 예 : 양자화, 정밀도, 응답 시간 등 )을 자세히 설명하지 않습니다.

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그림 2 : 센서 - 데이터 수집 및 제어 장치 연결 다이어그램. 이 다이어그램은 pH, 빛 및 온도 센서를이 프로토콜에 사용되는 데이터 수집 및 제어 장치에 설정하는 방법을 보여줍니다. pH 및 광 센서 용 신호 처리 구성 요소가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 저역 통과 필터를 사용하여 데이터 수집 및 제어 장치로 광 센서를 설치하고 구성하십시오.
    참고 : 일반적인 참조 다이어그램은 그림 2 를 참조하십시오. 제조업체 센서 사양은 색상을 기준으로 신호, 전원 및 접지 와이어의 차이를 나타냅니다. 로우 패스 필터는 저항과 커패시터를 사용하여 전기 신호에서 원하지 않는 노이즈를 필터링하는 간단한 회로입니다. 이 유형의 필터는 주파수가 높은 전기 신호를 감쇠시킵니다n 저항 및 커패시턴스에 의해 결정되는 차단 주파수. 이 필터는 센서 신호에서 전기 노이즈를 제거하거나 부드럽게하는 데 도움이됩니다.
    1. 와이어 스트리퍼를 사용하여 ~ 2 인치 녹색 커넥터 와이어를 자릅니다. 0.25 in의 한쪽 끝을 단열시키고 다른 쪽 끝을 0.5 in 벗겨 낸다.
    2. 광 센서에서 아날로그 신호 출력 선을 식별하십시오. 적어도 0.25-0.50 인치의 금속 와이어가 와이어 절연을지나 노출되어 있는지 확인하십시오.
    3. 조심스럽게 1000 Ω 저항의 한쪽 다리를 커넥터 와이어의 ~ 0.5 인치 벗겨진 끝 부분에 감습니다. 광 센서 아날로그 신호선의 노출 된 부분 주위에 저항기의 다른 다리를 감싸십시오.
    4. 납땜 철 및 무연 솔더를 사용하여 저항 다리를 와이어에 납땜하십시오. 솔더가 2-5 분 동안 냉각되도록하십시오.
      경고 : 납땜 및 납땜 인두는 극도로 뜨겁고 사용자가 제대로 훈련을받지 않으면 매우 위험 할 수 있습니다. 수업 비디오는 온라인에서 찾을 수 있습니다.. 안전 안경 및 기타주의 사항은 매우 중요합니다. 이 과정에서 전선을 전원 공급 장치 또는 다른 장치에 연결하면 안됩니다.
    5. 커넥터 와이어의 한쪽 끝에 1.5 인치 정도의 열 수축 튜브를 끼워 넣고 납땜 된 와이어와 저항을 덮을 때까지 밀어냅니다. 모든 금속 조각이 완전히 덮여 있는지 확인하십시오.
    6. 히트 건을 사용하여 열 수축. 튜빙이 저항 및 전선 주위를 단단히 감싸는 지 확인하십시오. 노출 된 선이 노출되지 않아야합니다.
    7. 스크루 드라이버를 사용하여 광 센서의 접지선을 데이터 수집 및 제어 장치의 자유 접지 (GND) 단자에 연결하십시오.
    8. 스크류 드라이버를 사용하여 신호 커넥터 와이어의 자유 단을 자유 아날로그 입력 (AIN) 터미널에 고정하십시오.
    9. 1000μF 커패시터 ( 즉, 긴 다리)의 양극 리드를 2.1.8 단계와 동일한 AIN 터미널에 연결하고 음극 리드 ( 즉 짧은 리드)를 2.1.7 단계와 동일한 GND 터미널에 고정합니다.콘덴서 다리와 전선이 터미널에 단단히 연결되어 있는지 확인하십시오.
    10. 광 센서의 전원 입력 선을 확인하고이 선을 데이터 수집 및 제어 장치의 전압 공급 (VS) 단자에 고정하십시오.
  2. 단일 이득 증폭기와 저역 통과 필터를 사용하여 데이터 획득 장치로 pH 전극을 설정하고 구성하십시오.
    참고 : pH 측정의 특성 ( 즉 , 높은 임피던스 및 낮은 전압)으로 인해 pH 프로브와 데이터 획득 장치 사이에 단일 이득 증폭 버퍼가 종종 필요합니다. 로우 패스 필터는 주위의 전기적 노이즈로부터 신호를 보호하기 위해 pH를 측정 할 때도 유용합니다.
    1. 트랜스미터 와이어를 사용하여 단일 이득 증폭기를 pH 프로브에 연결하십시오.
    2. 양극 및 음극 포트 단자가있는 동축 어댑터를 단일 이득 증폭기의 다른 쪽 끝에 연결하십시오.
    3. 6 인치 그린 2 개와 1 인치 ~ 12 인치 piec을 자릅니다.와이어 스트립퍼를 사용하는 검은 색 커넥터 와이어 검은 색 커넥터 선의 양 끝에서 ~ 0.25 인치의 절연체를 벗 깁니다.
    4. 와이어 스트립퍼를 사용하여 녹색 커넥터 와이어 끝에서 ~ 0.25 인치 및 ~ 0.5 인치 절연체를 벗 깁니다.
    5. 조심스럽게 1000 Ω 저항의 한쪽 다리를 녹색 커넥터 와이어의 0.5 인치 벗겨 낸 부분 주위에 감습니다. 다른 녹색 커넥터 와이어의 ~ 0.5 인치 스트립 섹션 주위에 다른 저항 다리를 감 쌉니다.
    6. 납땜 철 및 무연 솔더를 사용하여 저항 다리를 와이어에 납땜하십시오. 솔더가 2-5 분 동안 냉각되도록하십시오.
    7. 커넥터 와이어의 한쪽 끝에 1.5 인치 정도의 열 수축 튜브를 끼워 넣고 납땜 된 와이어와 저항을 덮을 때까지 밀어냅니다. 모든 금속 조각이 완전히 덮여 있는지 확인하십시오.
    8. 히트 건을 사용하여 열 수축. 플라스틱이 저항과 전선 주위를 단단히 감싸는 지 확인하십시오. 노출 된 선이 노출되지 않아야합니다.
    9. 검은 색 C의 한쪽 끝을 고정하십시오.(동축 어댑터의 음극 (검은 색) 단자에 연결). 이 와이어의 다른 쪽 끝을 데이터 수집 및 제어 장치의 GND 터미널에 삽입하고 스크류 드라이버를 사용하여 고정하십시오.
    10. 동축 어댑터의 양극 (빨간색) 터미널 포스트에 녹색 커넥터 와이어 (저항이 직렬로 연결된)의 한쪽 끝을 고정하십시오. 이 커넥터 와이어의 다른 쪽 끝을 데이터 수집 및 제어 장치의 무료 AIN 터미널에 삽입하십시오.
    11. 1000 μF 커패시터의 양극 리드 ( 즉 , 더 긴 레그)를 확인하고이 리드를 단계 2.2.9에서와 동일한 AIN 터미널에 고정합니다. 커패시터 레그와 신호선이 터미널에 단단히 연결되어 있는지 확인하십시오.
    12. 1000μF 커패시터의 음극 도선 ( 즉 , 짧은 다리)을 2.2.8 단계에서와 동일한 GND 터미널에 고정합니다.
  3. 신호, 접지 및 전원을 연결하여 온도 센서를 데이터 수집 및 제어 장치에 연결하십시오.AIN, GND 및 VS 단자를 제거하는 프로브의 위치.

3. 라이브 데이터 수집 및 실험 파일 설정

참고 : 여기에 설명 된 데이터 수집 및 제어 소프트웨어는 사용자가 지정한 시간 간격으로 센서 데이터를 모니터링하고 기록하기 위해 데이터 수집 및 제어 장치와 통신합니다. 아래 지침은 pH, 온도 및 빛을 모니터링하고 기록하기 위해이 소프트웨어에서 제어 파일을 설정하는 방법을 설명합니다. 이 지침은 재료 섹션에 나열된 소프트웨어 및 데이터 수집 및 제어 장치에만 적용됩니다. 자세한 지침은 제품 사용자 설명서에서 찾을 수 있습니다.

  1. USB 케이블을 사용하여 실험 설정 근처의 컴퓨터에 데이터 수집 및 제어 장치를 연결하고 필요한 모든 드라이버를 다운로드하십시오.
  2. 데이터 수집 및 제어 소프트웨어를 다운로드하여 엽니 다.
  3. 소프트웨어의 각 센서에 대해 '전환'을 설정하십시오.
    참고 : 실제 전압을 변환하려면연령 신호를 의미있는 값으로 바꾸려면 교정을 통해 설정된 일부 변환 요소를 적용해야합니다. 많은 센서에는 제품 별 사양 시트에있는 공장 교정 계수가 있습니다. 변환 방정식은 설정과 센서에 따라 다릅니다. 많은 변환 방정식 매개 변수, 특히 전극에 대한 매개 변수는 보정을 통해 정기적으로 업데이트해야합니다. 센서 및 교정 주파수의 수명은 제품 별 사양 및 작업 환경에 따라 달라집니다.
    참고 : 사용자는이 사양을 완전히 읽고 이해해야합니다. 표 1 은 재료 목록에있는 센서의 변환을 보여줍니다. 온도 프로브에 대한 변환 예가 아래에 나와 있습니다.
    1. 메인 홈페이지의 오른쪽에있는 소프트웨어 작업 공간에서 '전환'으로 이동하십시오.
    2. 'volts_to_celsius'와 같은 전환 이름을 추가하고 전환 수식 (55.56 x 값) + 255.37-27을 입력하십시오.3.15.
채널 이름 전환 이름 방정식 노트
온도 volts_to_celsius (55.56 x 값) + 255.37 - 273.15 볼트를 섭씨로 변환하는 제조업체 변환 공식
빛 volts_to_PPFD 가치 x 500 광합성 광자 자속 밀도 (μmol m -2 s -1 )로 전압을 변환하는 제조업체 변환 계수, 제조업체 LED 보정이 적용되지 않았습니다.
pH volts_to_pH (-17.05 x 값) + 6.93 pH 전극 전압 판독 값을 pH 값으로 변환하는 교정 의존 변환 공식 (그림 4b). pH 채널로 변환 만 적용교정.

표 1 : 데이터 수집 파일에 대한 채널 변환 표. 센서의 채널 및 변환 정보를 데이터 수집 소프트웨어에 입력하는 방법의 예.

  1. 센서 데이터를 수집하려면 소프트웨어 내의 각 센서에 적합한 채널 을 설정하십시오.
    참고 : 각 센서에는 소프트웨어의 자체 아날로그 - 디지털 채널과 데이터 수집 및 제어 장치 내의 지정된 아날로그 입력 단자가 필요합니다.
    1. 소프트웨어 내의 "채널"페이지로 이동하십시오.
    2. 센서 채널 이름을 추가하십시오. 공백 문자는 허용되지 않습니다.
    3. 해당 장치를 선택하여 해당 채널에 대한 데이터를 수집하십시오. 이 장치는 데이터 수집 장치에 해당합니다.
    4. 데이터 수집 및 제어 장치 또는 다른 장치를 참조하는 데 사용되는 장치 번호를 입력하십시오데이터 취득 장치; 단 하나의 장치 만 사용되는 경우 기본 번호는 종종 0입니다.
    5. 입 / 출력 유형 ( "I / O 유형")에 대해 아날로그 - 디지털 "A에서 D"를 선택하고 데이터 수집 및 제어 장치에서 AIN 터미널 번호에 해당하는 채널 번호를 입력하십시오
    6. 원하는 샘플링 "타이밍"을 입력하십시오. 이 값은 센서 신호를 얼마나 자주 읽는 지 나타냅니다. 1 초마다 판독 값을 얻기 위해 1.0을 입력하십시오. 기록하기 전에 1 분 간격으로 평균 데이터를 얻으려면 "평균"상자를 선택하고 평균 길이를 60으로 지정하십시오.
    7. 해당하는 경우 드롭 다운 메뉴에서 적절한 전환을 선택하십시오 (전환을 생성하려면 3.3 단계 참조). 그렇지 않으면 모든 채널 데이터가 전압으로 표시 / 기록됩니다.
  2. 실험 데이터를 기록하려면 "로깅 설정"을 설정하십시오.
    1. 소프트웨어 작업 공간에서 "로깅 패널"을 탐색하고로깅 설정을하고, 그에 따라 세트 이름을 지정하십시오. 출력 파일 유형과 위치를 선택하십시오. 확장자 '.csv'가 출력 파일 이름에 지정된 경우 ASCII 파일 유형은 쉼표로 구분 된 값 파일을 제공합니다.
    2. 원하는 채널을 모두 추가하여이 세트에 기록하십시오.
    3. 작업 공간에서 로깅 순서를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 적절한 옵션을 선택하여 원하는대로 로깅을 시작하고 중지하십시오.
      참고 : 데이터를 활발하게 로깅 할 때는 파일에 액세스하지 마십시오. 이 작업으로 인해 로깅 프로세스가 중단 될 수 있습니다. 지속적으로 기록 된 파일의 파일 위치는 클라우드 디렉토리에 저장 / 작성되어서는 안됩니다.
  3. "페이지"를 설정하여 데이터와 그래프를 표시하십시오.
    1. 소프트웨어 작업 공간 내의 "페이지"디스플레이로 이동하십시오. 기본 빈 페이지 중 하나를 클릭하십시오.
    2. 페이지에 숫자로 표시된 센서 출력을 표시하려면 페이지에 "변수 값"디스플레이를 추가하십시오.
      1. 도구빈 페이지 내의 아무 곳이나 클릭하고 "디스플레이"를 선택한 다음 "변수 값"옵션을 클릭하십시오. 작은 상자가 화면에 나타납니다.
      2. 이 새로 생성 된 상자를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 "속성"을 선택하십시오. 디스플레이 캡션 (예 : "Temperature in Reactor"), 채널 참조 (예 : "Temperature [0]") 및 관련 단위 (예 : "Celsius")를 입력하십시오. "확인"을 클릭하고 디스플레이 페이지로 돌아갑니다.
    3. 센서 데이터를 그래픽 및 실시간으로 표시하려면 디스플레이 페이지에 2D 그래프를 추가하십시오.
      1. 빈 페이지 내의 아무 곳이나 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "그래프"를 선택한 다음 "2 차원 그래프"를 선택하십시오. 작은 음모가 화면에 나타납니다.
      2. 새로 생성 된 그래프를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 "Properties"를 선택하십시오. "Traces"탭에서 "Y Expression :"상자에 원하는 센서 채널 이름 (예 : "Temperature")을 입력하고 "Time"이 writte인지 확인하십시오"X Expression :"상자에 n을 입력하십시오. "확인"을 클릭하고 디스플레이 페이지로 돌아갑니다.

4. pH 프로브 보정

참고 : pH 보정은 모든 실험 전에 실험의 의도 된 온도에서 수행되어야하며 그에 따라 pH 채널 전환도 업데이트되어야합니다. pH 전극 판독 값은 실험 중에 드리프트 할 수 있습니다. 이 드리프트의 정도를 결정하려면 실험 설정을 실행 한 후 보정 과정을 반복하고 판독 값을 비교하십시오. pH 전극은 제조사의 지시에 따라 실험 전과 후에 적절한 저장 용액에 적절히 보관해야한다.

  1. 2 단계에서 설명한대로 pH 및 온도 센서를 연결하십시오.
  2. pH 전극과 온도 프로브를 pH 보정 버퍼 7에 삽입하십시오.
  3. 프로브의 온도 판독 값이 원하는 온도인지 확인하려면 그래픽 디스플레이를 확인하십시오실험을 실행하기 위해 (3.6.2.2 단계).
  4. pH 전극 전압 출력이 안정화되도록하십시오 ( 즉, 전압 판독 값이 더 이상 한 방향으로 변하지 않음). 안정화를 확인하려면 그래픽 디스플레이를 사용하십시오.
  5. 30-60 초 동안 온도 및 pH 전기 데이터를 파일에 기록하십시오 (3.5 단계). 이 과정에서 pH 채널에는 어떠한 변환도 적용되거나 평균화가 포함되어서는 안됩니다.
    참고 : pH 전극은 전기 노이즈에 민감하므로 pH 채널의 획득 타이밍을 낮추면 (즉, 빠른 샘플링) 더 바람직 할 수 있습니다 ( 예 : '타이밍'= 0.1 초). 타이밍을 낮추려면 더 많은 계산 리소스가 필요합니다.
  6. 버퍼 4와 10에 대해 보정을 반복하십시오. 센서의 응답이 -57 ~ -59 mV / pH 사이인지 확인하십시오 ( 그림 3a ).
  7. 전압 대 pH 버퍼 값을 플롯하고 선을 맞추어서 변환 방정식을 생성하십시오 ( 그림 3b >). 단계 3.3에서 설명한대로 변환 공식을 업데이트하십시오.
  8. 이 변환을 pH 채널에 적용하고 채널 설정을 업데이트하여 로깅에 필요한 평균을 포함시킵니다.

5. 조류 실험을위한 PBR 설정

참고 : 아래의 단계는 Dunaliella 및 사용자 정의 PBR ( 그림 1) 에만 적용됩니다. 더욱이 이러한 설정 지침은 이러한 방식으로 설계되지 않았기 때문에 무균 프로토콜과 일치하지 않습니다.

  1. 실험 및 실험 목적에 따라 필요에 따라 조류 접종 및 성장 배지를 준비하십시오.
  2. 단계 2.2-2.3에서 설명한대로 pH 및 온도 전선을 데이터 수집 및 제어 장치에 연결하십시오.
  3. 3.3 및 4 단계에서 설명한대로 pH 채널의 변환 공식을 보정하고 업데이트하십시오.

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그림 4 : 믹서의 배선 다이어그램. 이 다이어그램은 미니 기어 모터, 전원 공급 장치, 3D 인쇄 임펠러 및 샤프트를 사용하여 PBR 용 혼합 장치를 설정하는 방법을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 액세서리 및 센서가있는 온도 제어 인큐베이터 내부에 PBR을 설치하십시오. 시각화에 대해서는 그림 4 를 참조하십시오.
    1. 광 센서 선을 뚜껑 포트에 끼 우고 제공된 나사를 사용하여 뚜껑 연장 마운트에 센서 헤드를 장착하여 PBR 내에 광 센서를 설치하십시오. 이 포트를 대기와 밀폐 시키려면 고무 마개 또는 그로밋을 사용하십시오.
    2. DC 미니 기어 모터 위에 임펠러 샤프트를 놓고 PBR 뚜껑에 믹서 임펠러를 부착하고 고정 시키십시오PBR 뚜껑 안의 샤프트; 고정 나사와 육각 렌치로 샤프트를 고정하십시오.
    3. 조류 전용 성장 배지를 넣고 뚜껑을 덮고 나사로 뚜껑을 고정시킵니다. 인큐베이터 내부에 PBR을 놓습니다 (25 ° C 또는 원하는 온도로 설정).
    4. 온도 프로브를 지정된 포트에 삽입하고 고무 스토퍼를 사용하여 포트에 고정하십시오.
    5. PG-13.5 threaded mount를 사용하여 반응기 뚜껑 포트에 pH probe를 고정시킨다.
    6. 2.1 단계에서 설명한대로 광 센서 와이어를 데이터 수집 장치에 연결합니다.
  2. 믹서 임펠러에 원하는 속도로 전원을 공급합니다.
    1. 가변 DC 전원 공급 장치를 설정 옆에 설치하십시오. 전원 공급 장치를 켜고 전압 값이 0 볼트가 될 때까지 전압 손잡이를 조정하십시오. 전원 공급 장치를 끕니다.
    2. 임펠러 모터 전원 선을 가변 전원 공급 장치의 양극 및 음극 출력 단자에 연결하십시오 ( 그림 5 ).
      경고 : 활선이나 회로를 연결하거나 만지지 마십시오. 전선을 연결하기 전에 모든 전원 공급 장치가 꺼져 있는지 확인하십시오. 모터, 전원 공급 장치 및 전선 간의 호환성을 보장하려면 항상 제조업체 지침 / 사양을 읽으십시오.
    3. 전원 공급 장치를 켜고 원하는 혼합 속도에 도달 할 때까지 전압 손잡이를 돌려서 전압을 천천히 올리십시오. 분당 회전 수를 측정하여 혼합 속도를 계산하십시오.

figure-protocol-5
그림 5 : Reactor 실험 설정 다이어그램. 온도 제어 인큐베이터 내에서 PBR 실험 설정 시각화. 이 설정에는 성장 램프 및 PBR이 포함되어 있으며 센서와 믹서가 PBR 뚜껑 안에 고정되어 있습니다. 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전을보십시오.

  1. 성장 램프를 설정하여 PBR을 밝게하십시오.
    참고 :이 Dunaliella 특정 연구에 필요한 광합성 광 강도 수준을 달성하기 위해 청색 및 적색 스펙트럼에서 방출되는 고출력 LED 발광 램프가 선택되었습니다. 조명 장치의 크기와 모양은 빛이 PBR의 입사면을 균일하게 비추도록 선택해야합니다. 인큐베이터가 내부 열원을 처리 할 수 ​​있는지 확인하십시오. 그렇게하지 않으면 배양기 수명이 단축되고 배양기 내에서 과도한 열이 발생할 수 있습니다.
    1. 램프를 PBR의 앞면을 따라 중앙에 배치하십시오. 광 통로가 반응기 후면에 장착 된 광 센서쪽으로 직접 향하도록하십시오.
    2. 빛을 켜고 성장 램프를 원자로쪽으로 또는 원자로에서 직접 이동하여 필요에 따라 광도를 조정합니다. 빛에 대한 센서 변수 디스플레이 확인독서.
  2. PBR 내의 빛, 온도 및 pH 판독 값이 안정적이고 원하는 범위 내인지 확인하기 위해 센서 데이터를 6 - 24 시간 동안 모니터링하고 기록하십시오. 필요에 따라 조정하십시오.
    참고 : 전기적 잡음은 PBR 환경에서 명백한 변화없이 튀어 오름, 불안정한 판독 및 / 또는 급격한 값 변화로 종종 관찰 될 수 있습니다.
  3. 샘플링 포트에 고무 마개를 제거하여 전송 피펫을 통해 조류 접종 물을 추가합니다.
  4. 샘플을 제거하고 실험을 위해 원하는 범위 내에 머물 수 있도록 조건을 모니터링하십시오.
    1. 피펫을 사용하여 샘플링 포트에서 필요에 따라 분석을위한 문화를 제거하십시오.
      참고 : 샘플 볼륨, 빈도 및 실험 기간은 1.1.2 단계에 따라 다릅니다.
    2. 소프트웨어의 데이터 표시를 확인하고 수중 온도를 유지하기 위해 인큐베이터 공기 온도를 수동으로 조정하여 PBR 내의 수온을 모니터링하십시오성숙한 상수.
      참고 :이 조정은 인큐베이터 제조업체 지침에 따라 다릅니다.
    3. 원하는대로 pH를 모니터링하고 PBR 내의 pH를 조정하여 pH가 실험 범위 내에 있도록하십시오.
      참고 : 여기에서 pH는 압축 된 CO2 탱크 (99.99 %)와 일치하는 12V 솔레노이드 밸브 (일반적으로 닫힘)로 제어되었습니다. 필요에 따라 밸브는 데이터 수집 및 제어 장치 및 소프트웨어의 제어 기능을 사용하여 열었습니다. 이 설정에는 액세서리 릴레이 보드 및 DC 모듈이 필요하며 특정 연구 목표에 맞춘 사용자 정의 컴퓨터 프로그래밍을 사용하여 구현되었습니다.

결과

이 실시간 모니터링 시스템의 데이터는 벤치 스케일 PBR 내에서 조류에 대한 동적 인 배양 환경을 보여 주며 시스템 모니터링 및 제어의 필요성을 강조합니다. 기록 된 온도 데이터 ( 그림 6 )는 빛의 조명, 인큐베이터 공기 온도 및 조류 성장과 관련된 에너지 소산이 PBR 내의 온도를 어떻게 바꿀 수 있는지, 필요에 따라 실시간 데이터를 인큐베이터 온도 컨트롤을 조정하는 데 어떻게 사용할 수 있는지를 보여줍니다.

실험 과정에서 측정 된 빛은이 성장 환경의 역동적 인 성격을 더욱 강조합니다. 그림 7 에서 볼 수 있듯이, 광합성 광자 자속 밀도 (PPFD, μE-m -2 s -1 )로 측정 된 광 센서 판독 값은 조류가 추가되기 전에 ~ 100 PPFD이었고 즉시 85 PPFD로 떨어졌습니다. af반응조에 조류 배양 물을 접종하는 것. 빛은 7 일째에 5 PPFD 미만으로 계속 떨어졌습니다.이 빛의 강도 감소는 바이오 매스와 세포 수 증가 및 / 또는 증가 된 엽록소 함량에 의한 흡수 증가에 기인합니다. 빛 수준. 추가적인 추론을 위해서는 추가의 생물학적 측정이 필요합니다.

연속적으로 기록 된 pH 데이터는 전반적으로 pH가 구현 된 pH 제어 알고리즘 ( 그림 8 )으로이 실험 동안 적절하게 제어되었음을 보여줍니다. 분별 판독 값과 시간별 평균값을 보여주는이 데이터는 조류를 배양하고 실시간으로 pH를 모니터링하는 데 대한 몇 가지 핵심 포인트를 보여줍니다. 먼저, PBR에 해조류를 접종 한 직후 원하는 pH 7.6 이상으로 pH가 상승했다. 이 변화는 PBR에 추가 된 문화 종자가H 값은 설정 값보다 높았다. 왜냐하면 접종 물을 성장 시키는데 사용 된 플라스크는 pH 조절되지 않았기 때문이다. 둘째,이 생생한 데이터는 민감한 pH 전극이 외부 전기 노이즈에 얼마나 민감한지를 강조합니다. 이 민감도는 1 일부터 2 일 사이에 전극 값이 급격히 증가함에 따라 나타납니다.이 pH 값의 급격한 변화는 인접한 실험 장치의 솔레노이드 밸브에서 발생하는 전기 노이즈로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 전기적 교란은 조기에 pH 제어 알고리즘이 CO2를 PBR에 주입하도록 촉발시켰다. 결과적으로, pH는 원하는 설정 점 이하로 떨어졌습니다. pH 전극의 감도는 극단적 인 특이 치를 유발할 수 있으며 잠재적으로 제어 시스템을 방해 할 수 있습니다.

figure-results-1
그림 3 : pH 반응 및 보정 예제 그래프. ( a ) th의 응답 그래프의 예e pH 센서 ( b ) pH 센서의 보정 그래프의 예. 변환에 사용할 수식이 나와 있습니다. 회귀 분석은 95 % 신뢰 구간을 보여줍니다. 오류 막대는 표시되지 않습니다 (표준 오류 0.03 % 미만). 이 그래프는 pH 센서가 적절히 연결되었고 신호가 매우 안정했다는 것을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 6 : 7 일간의 실험 동안 PBR 내의 온도 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 1h 평균을 나타내며 옅은 파란색 점은 1 분 (획득 타이밍 1 초, 평균 길이 60) 동안 획득 한 센서 판독 값을 나타내며 제조업체가 제공 한 변환 계수를 사용하여 온도로 변환합니다. 검은 화살 쏘 w 인큐베이터 온도 설정이 배양 온도 약 25 ℃를 유지하도록 조정되었을 때 (이 원하는 설정 포인트는 빨간색 점선으로 표시됨). 온도의 변동은 조류의 성장과 인큐베이터 온도의 변화로 인한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 7 : 7 일간의 실험 동안 PBR 내에서의 가벼운 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 평균 1 시간을 나타내며 옅은 파란색 점은 1 분 (획득 시간 1 초, 평균 길이 60)에 획득 된 센서 판독 값을 나타내며 기본 광 센서 공장 보정 값을 사용하여 PPFD로 변환됩니다.">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 8 : 7 일 실험 동안 PBR 내 pH 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 1-h 평균을 나타내고 밝은 파란색 점은 보정을 통해 설정된 변환 방정식을 사용하여 1 분마다 수집 된 센서 판독 값 (획득 시간 0.1 초, 평균 길이 600)을 나타내며 pH로 변환됩니다. 99 % CO 2 기체 주입을 사용하여 pH를 7.6 내지 7.5로 유지시켰다. 빨간색 점선은 원하는 pH 범위를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

이 PBR 시스템은 벤치 규모의 조류의 운동 성장 실험을 모니터링하고 제어 할 수있는 능력을 제공하여 성장을 계량하는 데 사용되는 실험 분석에서보다 반복 가능한 결과를 허용합니다. 그러나 센서 측정의 한계와 불확실성에 대한 이해는 센서 판독 값이 원자로 조건을 정확하게 반영하도록하는 데 중요합니다. 이 이해에는 센서와 관련된 측정 원리, 교정 프로세스 및 빈도, 측정 불확도 및 센서가 측정 할 수 있고 측정 할 수없는 것에 대한 기본 지식이 포함됩니다. 예를 들어, 여기에 설명 된 광 센서에 대한 전기적 응답은 가시 스펙트럼 범위에 균등하게 분배되지 않으며이 센서 데이터가 분석되는 방법에 따라 특정 보정 요인을 센서 출력에 적용해야 할 수 있습니다.

온도 변화와 변화는 또한 매우 중요합니다.센서 응답을 강조합니다. 센서 판독 값에 영향을 줄 수있는 잠재적 인 간섭을 이해하는 것도 매우 중요합니다. 이 간섭은 건물에서 발생하는 주변의 전기 노이즈이거나 측정 환경에 기인 할 수 있습니다 ( 예 : 나트륨 이온은 pH 값이 10 이상일 때 pH 수치에 큰 영향을 줄 수 있음) 12 . 또한 여러 프로브를 용액, 특히 고 이온 및 전도성 염 용액에 담그면 잠재적 인 간섭 원이 될 수 있습니다. pH (또는 이온 강도, 용존 산소, 용존 CO 2 등 )를 측정하는 전극은 주위의 전기 소음에 특히 민감하며 쉽게 섭동 될 수 있습니다. 전극 신호를 보호하기 위해 사용되는 신호 컨디셔닝은 다른 요소가 프로브 판독 값을 간섭하지 않는다고 보장 할 수 없습니다. 품질 관리의 일환으로 휴대용 pH 프로브, 휴대용 분광계 및 온도계와 같은 다른 실험 장비를 사용하여 t센서 판독 값을 확인하고 시스템이 올바르게 설정되고 실행되는지 확인합니다.

해결해야 할 또 다른 한계는 조류 및 / 또는 배양 환경이 센서에 미칠 수있는 영향입니다. 예를 들어, 조류 파편이나 기포가 광 센서의 광 다이오드 수용체를 덮는 경우 판독 값이 영향을받습니다. 마찬가지로 pH 전극은 극도로 민감하므로 정확한 판독을 보장하기 위해 특별한주의가 필요합니다. 이 전극은 H + 이온의 축적으로 인해 내부 접합부의 전압 차를 측정하여 작동합니다. 정확한 측정을 유지하려면 프로브 내의 수화 된 버퍼층이 필요합니다 12 . 반응기 내의 조건에 따라,이 층은 마모되어 프로브가 잠긴 동안 실험 과정 동안 센서의 반응이 변할 수 있습니다. 예비 시험에서 pH 전압 출력은 20 일 실험 동안 ~ 0.2 pH 단위 이상으로 표류하지 않았다., 특히 pH 조정 / 정량화가 필요한 경우에는 센서 반응의 변화를 특성화하고 최대 실험 실행 시간을 설정하기위한 추가 평가가 수행되어야합니다.

조류 성장을 분석하기 위해 구축 된 현재 벤치 스케일의 많은 PBR 시스템은 이런 방식으로 시스템을 구성하는 것이 어려울 수 있기 때문에 다른 요인이 조류 성장에 어떻게 영향을 미치는지 식별하는 데 필요한만큼 내부 문화 환경을 모니터링하고 제어하지 않습니다. 이 프로토콜은 실시간 모니터링을 통해 PBR을 구성하기위한 단계별 지침을 제공함으로써보다 제어 된 실험을 용이하게합니다. 또한,이 라이브 데이터는 실험 조건을보다 잘 제어하는 ​​데 사용할 수있을뿐만 아니라 성장 동역학 ( 예 : 일반적인 성장 속도에 대한 참조로 광학 밀도 판독 값)을 추정하는 데 잠재적으로 활용할 수 있습니다.

통제 된 실험 시스템은 조류 연구를보다 재현 할 수있게 도와줍니다. 벤치 규모의 PBR모니터링되고 통제되는 폐수는 실험 설계에서 의도하지 않은 인공물을 최소화함으로써 실험 효율을 증가시킬 수 있으며, 조류 바이오 연료를 지속 가능한 대체 연료 원으로 만들기위한 노력을 진전시키는 데 도움이 될 수있다.

공개 사항

저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

저자는이 연구에 대한 자금 지원을 위해 연구 및 혁신 분야의 신흥 개척지 (Award # 1332341)를 인정합니다. 저자는 또한 Andrew Grieshop 박사와 LabJack 및 DAQFactory 온라인 지원 커뮤니티가이 과정에서 제공하는 도움과 도움을 인정하고자합니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
캐스트 아크릴 시트McMaster Carr8560K2447/8'' 두께, 12 x 36'', 광학적으로 투명, 구매한 시트의 크기는 반응기 치수에 따라 다릅니다.
아크릴 시멘트McMaster Carr7517A4Scigrip 플라스틱 파이프 시멘트, 아크릴 용 #4SC 비 백색화. 개스킷과 나사가 PBR 조립에 사용되는 경우 필요하지 않습니다.
아크릴 시멘트 어플리케이터 바늘McMaster Carr75165A136아크릴 시멘트 어플리케이터 바늘, 25 게이지, 1", 스테인리스 스틸, PTFE 라이닝.
아크릴 시멘트용 플라스틱 디스펜싱 병McMaster Carr7544A67플라스틱 디스펜싱 병, 2온스 크기, 5팩.
점성 아크릴 시멘트McMaster Carr7515A11Scigrip 플라스틱 파이프 시멘트. PBR 본체 내의 모든 틈을 밀봉하는 미디엄 바디 아크릴 시멘트.
PG-13.5 스레드 탭McMaster Carr2485A14pH 전극을 뚜껑에 고정하는 데 사용할 수 있습니다(해당되는 경우).
PBR 및 뚜껑NCSU 정밀 기계 공장Karam Algae 3.2L Reactor Revision E이 기계 공장은 일반인에게 공개됩니다. 매장 관리자에게 문의하십시오.
pH 센서Hamilton238643EasyFerm Plus 120, 오토클레이브 가능, 밀리볼트 출력.
광 센서Apogee InstrumentsSQ-225증폭 0-5 볼트 전기 교정 양자 센서, 방수.
온도 센서LabJackEI1034스테인리스 스틸, 방수 온도 센서.
BNC 끝이 있는 pH 트랜스미터 와이어Sigma-AldrichHAM355173-1EA이 와이어는 pH 프로브 유형에 따라 다릅니다. 와이어가 pH 프로브와 호환되고 BNC 커넥터 끝이 있는지 확인하십시오.
단일 이득 프리앰프Omega EngineeringPHTX-21고임피던스 pH 판독에 필요한 pH 전극용 신호 처리 증폭기입니다.
동축 어댑터, BNC 암-바인딩 포스트AmazonSMAKN B00NGD5K80프리앰프에서 마이크로컨트롤러로 pH 신호를 연결하기 위한 용도입니다.
커패시터(1000uF)AmazonNichicon BCBI4950저역 통과 필터용.
저항기(1000옴)라디오 판잣2711321저역 통과 필터용.
훅업 와이어RadioShack2781222저역 통과 필터 제작, 센서를 마이크로 컨트롤러에 연결, 모터 배선용.
열수축 튜브RadioShack2781611저역 통과 필터 어셈블리용.
데이터 수집 및 제어 장치LabJackLabJack U6센서의 전기 신호를 처리하고 데이터 수집 및 제어 소프트웨어와 통신합니다.
DAQFactory 데이터 수집 소프트웨어DAQFactoryDAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050최대 10개 채널에 대해 무료로 다운로드할 수 있습니다.
믹서 임펠러용미니 DC 기어 모터McMaster Carr6331K31
임펠러 및 샤프트해당 없음해당 없음3D 파일 작성자에게 이메일을 보냅니다.
가변 DC 전원 공급 장치AmazonTekpower HY1803D가변 DC 전원 공급 장치, 0-18V @ 0-3A.
그로우 램프HydroGrowSOL-1이 정확한 모델은 더 이상 사용할 수 없습니다.
인큐베이터Thermo ScientificPrecision Model 818이 특정 인큐베이터는 이 장치의 냉각 압축기가 온도 설정에 관계없이 논스톱으로 작동하기 때문에 내부 열원을 견딜 수 있습니다.
집 모터.

참고문헌

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재인쇄 및 허가

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