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

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.

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.