Name: 키네 성장 시험을위한 온도, 빛 및 pH 모니터링을 갖춘 벤치 규모의 조류 광합성 생물 반응기의 건설 및 설치 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 8 s
Description: 배우세요 조류 광합성 생물 반응기를 조립하여 pH, 온도, 빛을 실시간 모니터링하는 방법입니다. 이 기술은 조류 성장 동역학을 정량화하고 바이오연료 연구에 활용할 수 있습니다.

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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.

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</ol>

저자는 공개 할 것이 없습니다.

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.

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 <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( 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 . <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> 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.

<table><tbody><tr><td>캐스트 아크릴 시트</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K244</td><td>7/8'' 두께, 12 x 36'', 광학적으로 투명, 구매한 시트의 크기는 반응기 치수에 따라 다릅니다.</td></tr><tr><td>아크릴 시멘트</td><td>McMaster Carr</td><td>7517A4</td><td>Scigrip 플라스틱 파이프 시멘트, 아크릴 용 #4SC 비 백색화. 개스킷과 나사가 PBR 조립에 사용되는 경우 필요하지 않습니다.</td></tr><tr><td>아크릴 시멘트 어플리케이터 바늘</td><td>McMaster Carr</td><td>75165A136</td><td>아크릴 시멘트 어플리케이터 바늘, 25 게이지, 1", 스테인리스 스틸, PTFE 라이닝.</td></tr><tr><td>아크릴 시멘트용 플라스틱 디스펜싱 병</td><td>McMaster Carr</td><td>7544A67</td><td>플라스틱 디스펜싱 병, 2온스 크기, 5팩.</td></tr><tr><td>점성 아크릴 시멘트</td><td>McMaster Carr</td><td>7515A11</td><td>Scigrip 플라스틱 파이프 시멘트. PBR 본체 내의 모든 틈을 밀봉하는 미디엄 바디 아크릴 시멘트.</td></tr><tr><td>PG-13.5 스레드 탭</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>pH 전극을 뚜껑에 고정하는 데 사용할 수 있습니다(해당되는 경우).</td></tr><tr><td>PBR 및 뚜껑</td><td>NCSU 정밀 기계 공장</td><td>Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td><td>이 기계 공장은 일반인에게 공개됩니다. 매장 관리자에게 문의하십시오.</td></tr><tr><td>pH 센서</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120, 오토클레이브 가능, 밀리볼트 출력.</td></tr><tr><td>광 센서</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>증폭 0-5 볼트 전기 교정 양자 센서, 방수.</td></tr><tr><td>온도 센서</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>스테인리스 스틸, 방수 온도 센서.</td></tr><tr><td>BNC 끝이 있는 pH 트랜스미터 와이어</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>이 와이어는 pH 프로브 유형에 따라 다릅니다. 와이어가 pH 프로브와 호환되고 BNC 커넥터 끝이 있는지 확인하십시오.</td></tr><tr><td>단일 이득 프리앰프</td><td>Omega Engineering</td><td>PHTX-21</td><td>고임피던스 pH 판독에 필요한 pH 전극용 신호 처리 증폭기입니다.</td></tr><tr><td>동축 어댑터, BNC 암-바인딩 포스트</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>프리앰프에서 마이크로컨트롤러로 pH 신호를 연결하기 위한 용도입니다.</td></tr><tr><td>커패시터(1000uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>저역 통과 필터용.</td></tr><tr><td>저항기(1000옴)</td><td>라디오 판잣</td>집 <td>2711321</td><td>저역 통과 필터용.</td></tr><tr><td>훅업 와이어</td><td>RadioShack</td><td>2781222</td><td>저역 통과 필터 제작, 센서를 마이크로 컨트롤러에 연결, 모터 배선용.</td></tr><tr><td>열수축 튜브</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>저역 통과 필터 어셈블리용.</td></tr><tr><td>데이터 수집 및 제어 장치</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>센서의 전기 신호를 처리하고 데이터 수집 및 제어 소프트웨어와 통신합니다.</td></tr><tr><td>DAQFactory 데이터 수집 소프트웨어</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td><td>최대 10개 채널에 대해 무료로 다운로드할 수 있습니다.</td></tr><tr><td>믹서 임펠러용</td> <td>미니 DC 기어 모터</td><td>McMaster Carr</td><td>6331K31</td> 모터.</tr><tr><td>임펠러 및 샤프트</td><td>해당 없음</td><td>해당 없음</td><td>3D 파일 작성자에게 이메일을 보냅니다.</td></tr><tr><td>가변 DC 전원 공급 장치</td><td>Amazon</td><td>Tekpower HY1803D</td><td>가변 DC 전원 공급 장치, 0-18V @ 0-3A.</td></tr><tr><td>그로우 램프</td><td>HydroGrow</td><td>SOL-1</td><td>이 정확한 모델은 더 이상 사용할 수 없습니다.</td></tr><tr><td>인큐베이터</td><td>Thermo Scientific</td><td>Precision Model 818</td><td>이 특정 인큐베이터는 이 장치의 냉각 압축기가 온도 설정에 관계없이 논스톱으로 작동하기 때문에 내부 열원을 견딜 수 있습니다.</td></tr></tbody></table>

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

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

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.

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. <img alt="그림 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> 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<html> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> 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.&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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.

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

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

이 절차의 전반적인 목표는 연속적인 광, pH 및 온도를 갖춘 벤치 규모의 광합성 생물 반응기를 조립하여 조류 성장 실험을 모니터링하는 것입니다. 따라서 모니터링 및 제어된 설정을 사용하여 조류 성장을 정량화하면 연구자가 조류 성장을 더 잘 평가할 수 있습니다. 이는 조류 기반 바이오 연료를 현실화하는 데 있어 핵심 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.이 접근 방식의 주요 장점은 조류 성장 실험을 실시간으로 모니터링하기 위해 사용자 정의 가능하고 잠재적으로 더 저렴한 설정이라는 것입니다. 우리는 조류의 역동적인 배양과 환경 내에서 제어를 유지하는 것의 중요성을 깨달았을 때 이러한 유형의 광합성 생물 반응기를 개발하기를 원했습니다. 전기 공학 용어 및 관행에 익숙하지 않은 경우 많은 단계를 배우기 어렵기 때문에 이 방법의 지역별 시연이 중요합니다.이 절차를 시작하려면 벤치 스케일 PBR을 구성합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 PBR 본체와 덮개의 크기, 모양 및 디자인을 결정합니다. 송신기 와이어를 사용하여 단일 이득 증폭기를 pH 프로브에 연결합니다.그런 다음 양극 및 음극 포트 단자가 있는 동축 어댑터를 선택합니다. 어댑터를 유니티 게인 증폭기의 다른 쪽 끝에 연결합니다. 저역 통과 필터를 만들려면 와이어 스트리퍼를 사용하여 15cm 길이의 녹색 커넥터 와이어 2개와 30cm 길이의 검은색 커넥터 와이어 1개를 자릅니다.각 녹색 와이어의 한쪽 끝과 검은색 와이어의 양쪽 끝에서 약 0.6cm의 절연체를 벗겨냅니다. 그런 다음 녹색 와이어의 다른 쪽 끝에서 약 1.25cm 떨어진 곳을 벗겨냅니다. 1000옴 저항의 한쪽 다리를 녹색 커넥터 와이어 중 하나의 1.25cm 벗겨진 부분에 조심스럽게 감습니다.다른 저항 다리를 다른 녹색 와이어의 1.25cm 벗겨진 부분에 감습니다. 납땜 인두와 무연 땜납을 사용하여 저항기 다리를 전선에 납땜합니다. 땜납을 2-5분 동안 식히십시오.그런 다음 저항과 납땜 된 와이어를 4cm 길이의 열 수축 튜브로 덮습니다. 히트 건을 사용하여 튜브를 열 수축시키고 플라스틱이 저항기와 전선을 단단히 감싸도록 합니다. 그런 다음 검은색 커넥터 와이어의 한쪽 끝을 동축 어댑터의 음극 단자 포스트에 고정합니다.와이어의 다른 쪽 끝을 데이터 수집 및 제어 장치의 접지 터미널 중 하나에 삽입합니다. 녹색 커넥터 와이어의 한쪽 끝을 동축 어댑터의 양극 단자 포스트에 연결합니다. 그런 다음 다른 쪽 끝을 데이터 수집 및 제어 장치의 여유 아날로그 입력 터미널에 삽입합니다.1000 마이크로패럿 커패시터의 양극 리드를 동일한 아날로그 입력 단자에 삽입합니다. 커패시터의 음극 리드를 검은색 커넥터 와이어에 사용된 것과 동일한 접지 단자에 고정합니다. 그런 다음 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 온도 센서를 데이터 수집 및 제어 장치에 연결합니다.실시간 데이터 수집 및 실험 파일을 설정한 후 pH 전극과 온도 프로브를 모두 pH 교정 버퍼 7에 삽입합니다. 용액이 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 원하는 온도에 있는지 확인합니다. pH 전극 전압 출력이 안정화된 후 온도 및 pH 전기 데이터를 모두 파일에 기록합니다.pH 채널에 변환이 적용되지 않고 채널 평균화가 꺼져 있는지 확인합니다.버퍼 4 및 10에 대해 보정을 반복합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 변환 방정식을 생성하고 실험 파일에서 이 방정식을 업데이트합니다.다음으로, 이 pH 변환을 pH 채널에 적용합니다. 조류 접종물과 성장 배지를 준비한 후 실험을 준비하기 위해 PBR을 설정했습니다. 뚜껑 포트를 통해 광 센서 와이어를 끼웁니다.그런 다음 광 센서 헤드를 PBR 덮개 확장 마운트에 장착합니다. 그런 다음 고무 마개를 사용하여 뚜껑 포트를 밀봉합니다. 임펠러 샤프트를 PBR 뚜껑 내부의 DC 미니 기어 모터 샤프트 위에 놓고 고정 나사와 육각 렌치로 샤프트를 고정합니다.제조된 조류 특이적 성장 배지를 추가합니다. 그런 다음 PBR에 뚜껑을 놓고 나사로 고정합니다. 섭씨 25도의 인큐베이터에 넣습니다.온도 프로브를 지정된 포트에 삽입하고 고무 마개로 고정합니다. 다음으로, 반응기 뚜껑의 PG 13.5 나사산 마운트에 pH 프로브를 고정합니다. 광 센서가 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 저역 통과 필터를 사용하여 데이터 수집 및 제어 장치에 연결되어 있는지 확인하십시오.그런 다음 믹서 임펠러의 전원을 원하는 속도로 켭니다. PBR 옆에 가변 DC 전원 공급 장치를 설정합니다. 전원 공급 장치를 켜고 전압 값이 0볼트를 읽을 때까지 전압을 조정합니다.그런 다음 전원 공급 장치를 끄십시오. 임펠러 모터 전원 라인을 가변 전원 공급 장치의 양극 및 음극 출력 단자에 연결합니다. 전원 공급 장치를 켜고 원하는 혼합 속도에 도달할 때까지 전압을 천천히 높입니다.다음으로, PBR의 전면을 따라 성장 램프를 중앙에 배치하여 광 경로가 광 센서를 향하도록 합니다. 성장 램프를 켜고 램프를 반응기 쪽으로 또는 반응기에서 멀어지게 하여 필요에 따라 광도를 조정합니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 6시간에서 24시간 동안 센서 데이터를 모니터링하고 기록합니다.그런 다음 전사 피펫을 사용하여 샘플링 포트를 통해 조류 접종물을 추가합니다. 조건을 모니터링한 후 범위 내에 유지되도록 하려면 필요에 따라 피펫을 사용하여 샘플링 포트를 통해 분석을 위해 배양물을 제거합니다. 데이터 디스플레이를 사용하여 수온을 모니터링합니다.수온을 일정하게 유지하기 위해 인큐베이터 공기 온도 설정값을 수동으로 조정하십시오. pH는 99% CO2 탱크에 따라 12볼트 솔레노이드 밸브로 제어됩니다. 밸브는 데이터 수집 및 제어 장치를 통해 열립니다.이 연구에서는 벤치 규모의 조류 운동 성장 실험을 모니터링하고 제어하기 위해 광합성 생물 반응기를 구축합니다. 로그 온도 데이터는 조류 성장과 관련된 광 조명, 인큐베이터 공기 온도 및 에너지 소산이 생물 반응기 내부의 온도를 어떻게 변화시킬 수 있는지 보여줍니다. 이 실시간 데이터는 필요에 따라 인큐베이터 컨트롤을 조정하여 동적, 문화 및 환경을 제어하는 데 사용됩니다.측정된 빛은 이 성장하는 환경의 역동적인 특성을 더욱 강조합니다. 광 센서 판독값은 조류 전에 약 100PPFD이지만 반응기에 접종된 후 즉시 85로 떨어집니다. 빛은 계속 떨어지고 7일째에는 5PPFD 미만에 도달합니다.광 강도의 감소는 바이오매스와 세포 수의 증가 또는 엽록소 함량 증가로 인한 흡수 증가 때문일 수 있습니다. 두 시나리오 모두 이것은 조류가 낮은 조도에도 불구하고 7일째까지 여전히 활동하고 있음을 보여줍니다. 지속적으로 기록된 데이터는 구현된 제어 알고리즘을 사용하여 전반적으로 pH가 적절하게 제어되었음을 보여줍니다.PBR에 조류를 접종한 직후 pH 증가가 예상되지만 시스템에 의해 빠르게 제어됩니다. 그러나 실시간 데이터는 pH 전극이 외부 전기 노이즈에 얼마나 민감한지를 강조하며, 이는 극도의 이상치를 유발하고 잠재적으로 제어 시스템을 중단시킬 수 있습니다. 이 방법은 조류 PBR에 대해 구현되지만, 이러한 실시간 모니터링 기술은 pH 및/또는 온도 모니터링이 필요한 다른 미생물 반응기에도 적용할 수 있습니다.PBR이 구성되고 데이터 수집이 완료되면 1-2시간 내에 실험을 위한 실시간 모니터링을 위한 PBR을 설정할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 센서 작동 방식 뒤에 숨겨진 측정 원리를 읽고 이해하며 다른 휴대용 장치로 측정을 검증하는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차를 따르기 위해 자동 pH 제어와 같은 다른 개선 사항을 PBR 설정에 추가할 수 있습니다.이러한 지침은 이러한 보다 정교한 제어 피드백을 구현하기 전에 필요한 데이터 수집 프레임워크의 기초를 제공합니다. 전기, 불소 이온 및 아크릴 실리콘으로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있음을 잊지 마십시오. 따라서 항상 예방 조치를 취해야 합니다.이 비디오를 시청한 후에는 실시간 pH, 온도 및 광 모니터링을 위한 벤치 스케일 PBR을 조립하고 설정할 수 있을 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

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벤치 탑 생물 반응기의 운전

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