Name: Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 8 s
Description: Leer hoe je een fotosynthetische bioreactor op bankschaal bouwt voor algenkinetiek met continue monitoring van pH, licht en temperatuur. Deze methode ondersteunt onderzoek naar algenbiobrandstoffen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs erkennen de National Science Foundation Emerging Frontiers in Research and Innovation (Award # 1332341) om dit onderzoek te financieren. De auteurs zouden ook graag Dr. Andrew Grieshop, alsook de LabJack en DAQFactory online support communities willen erkennen voor hun hulp en hulp aangeboden in dit proces.

<ol><li>EPA Office of Transportation and Air Quality. Renewable Fuel Standard Program. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.epa.gov/OTAQ/fuels/renewablefuels/">http://www.epa.gov/OTAQ/fuels/renewablefuels/</a> (2013).</li>
<li>Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Algae+biodiesel+has+potential+despite+inconclusive+results+to+date%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Algae biodiesel has potential despite inconclusive results to date.</a> Bioresour. Technol. 104, 803-806 (2012).</li>
<li>Chisti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biodiesel+from+microalgae%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Adv%22%5BJournal%5D)">Biodiesel from microalgae.</a> Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).</li>
<li>Lardon, L., Hélias, A., Sialve, B., Steyer, J. -P., Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Life-cycle+assessment+of+biodiesel+production+from+microalgae%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Life-cycle assessment of biodiesel production from microalgae.</a> Environ. Sci. Technol. 43 (17), 6475-6481 (2009).</li>
<li>Henry, W. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/107068">Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water, at Different Temperatures, and under Different Pressures.</a> Philos. Trans. R. Soc. London. 93 (1803), 29(1803).</li>
<li>Wang, X., Hao, C., Zhang, F., Feng, C., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inhibition+of+the+growth+of+two+blue-green+algae+species+%28Microsystis+aruginosa+and+Anabaena+spiroides%29+by+acidification+treatments+using+carbon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Inhibition of the growth of two blue-green algae species (Microsystis aruginosa and Anabaena spiroides) by acidification treatments using carbon dioxide.</a> Bioresour. Technol. 102 (10), 5742-5748 (2011).</li>
<li>Juneja, A., Ceballos, R. M., Murthy, G. S. <a target="_blank" href="http://www.mdpi.com/1996-1073/6/9/4607">Effects of Environmental Factors and Nutrient Availability on the Biochemical Composition of Algae for Biofuels Production: A Review.</a> Energies. 6 (9), 4607-4638 (2013).</li>
<li>Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959152411001533">Hurdles and challenges for modelling and control of microalgae for CO 2 mitigation and biofuel production.</a> J. Process Control. 21 (10), 1378-1389 (2011).</li>
<li>Guest, J. S., van Loosdrecht, M. C. M., Skerlos, S. J., Love, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lumped+Pathway+Metabolic+Model+of+Organic+Carbon+Accumulation+and+Mobilization+by+the+Alga+Chlamydomonas+reinhardtii%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Lumped Pathway Metabolic Model of Organic Carbon Accumulation and Mobilization by the Alga Chlamydomonas reinhardtii.</a> Environ. Sci. Technol. 47 (7), 3258-3267 (2013).</li>
<li>Packer, A., Li, Y., Andersen, T., Hu, Q., Kuang, Y., Sommerfeld, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+and+neutral+lipid+synthesis+in+green+microalgae%3A+A+mathematical+model%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Growth and neutral lipid synthesis in green microalgae: A mathematical model.</a> Bioresour. Technol. 102 (1), 111-117 (2011).</li>
<li>Oren, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hundred+years+of+Dunaliella+research%3A+1905-2005%5BTitle%5D)+AND+%22Saline+Systems%22%5BJournal%5D)">A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005.</a> Saline Systems. 1, 2(2005).</li>
<li>Hach Company. What is pH and How is it Measured?. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984488">http://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984488</a> (2010).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dit PBR systeem biedt de mogelijkheid om bench-scale algal kinetische groei experimenten te monitoren en te beheersen, waardoor meer herhaalbare resultaten uit experimentele analyses kunnen worden gebruikt om de groei te kwantificeren. Een begrip van de beperkingen en onzekerheden van sensormetingen is echter van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de sensorlezingen de reactoromstandigheden nauwkeurig reflecteren. Dit begrip omvat basiskennis van de meetbeginselen die betrokken zijn bij sensoren, het proces en de frequentie van de kalibratie, de meetonzekerheid en wat de sensor kan en niet kan meten. De elektrische reactie van de hier beschreven lichtreactor is bijvoorbeeld niet even verspreid over het zichtbare spectrumbereik, en er kunnen bepaalde correctiefactoren nodig zijn op de sensoruitgang, afhankelijk van hoe deze sensorgegevens geanalyseerd zullen worden. Temperatuurniveaus en variaties zijn ook uiterst belangrijk, aangezien de temperatuurverandering drastisch kan durenFluctueren de sensorrespons. Het begrijpen van mogelijke interferenties die de sensorlesingen kunnen beïnvloeden is ook kritisch belangrijk; Deze storing kan omgevingselektronisch geluid van het gebouw zijn of kan afkomstig zijn van de meetomgeving ( bijv. Natriumionen kunnen de pH-waarden bij pH-waarden over 10) drastisch beïnvloeden . 12 . Bovendien is het onderdompelen van meerdere probes in een oplossing, in het bijzonder een zeer ionische en geleidende zoutoplossing, ook een potentiële bron van interferentie. Elektroden die de pH (of ionische sterkte, opgeloste zuurstof, opgeloste CO 2 , enz. ) Meten, zijn bijzonder gevoelig voor omgevingsgeluid en kunnen gemakkelijk verstoord raken. Signalconditionering die gebruikt wordt om het elektrodesignaal te beschermen kan niet garanderen dat andere factoren de sondeaflesingen niet inmengen. Als onderdeel van de kwaliteitscontrole moet andere laboratoriumuitrusting, zoals een handhoudende pH-sonde, een handspektrometer en een thermometer, gebruikt worden om tHij sensor aflesingen en om ervoor te zorgen dat het systeem goed opgestart en uitgevoerd is. Een andere beperking die moet worden aangepakt, is de mogelijke invloed van de algen en / of cultuuromgeving op de sensoren. Bijvoorbeeld, als algvuil of bellen de fotodiode-receptor van de lichtsensor bedekken, worden de aflezingen beïnvloed. Op dezelfde manier zijn pH-elektroden uiterst gevoelig en hebben extra zorg nodig om nauwkeurige aflezingen te waarborgen. Deze elektroden werken door het meten van een spanningsverschil over een inwendige verbinding als gevolg van de opbouw van H + ionen; Een gehydrateerde bufferlaag in de sonde is nodig om nauwkeurige metingen 12 te handhaven. Afhankelijk van de omstandigheden in de reactor zal deze laag slijten en kan de respons van de sensor tijdens de loop van het experiment veranderen terwijl de sonde onderdompelt. In de voorlopige testen dreef de pH-spanningsuitgang niet meer dan ~ 0,2 pH eenheden in de loop van een 20-daags experiment, Maar verdere evaluaties moeten worden uitgevoerd om deze verandering in sensorrespons te karakteriseren en maximale experimentele looptijden te bepalen, vooral als er fijne pH-aanpassingen / kwantificaties nodig zijn. Veel huidige PBR-systemen op basis van PBR, die zijn gebouwd om algegroei te analyseren, volgen de interne cultuuromgeving niet zo strikt als nodig om te onderscheiden hoe verschillende factoren de algegroei beïnvloeden, aangezien het opstellen van systemen op deze manier uitdagend kan zijn. Dit protocol kan helpen om meer gecontroleerde experimenten te vergemakkelijken door stap-voor-stap instructies te geven voor het opbouwen van een PBR met real-time monitoring. Bovendien kunnen deze levende data gebruikt worden om niet alleen de experimentele omstandigheden beter te beheersen, maar kan ook worden gebruikt om groeikinetiek te schatten ( bijv. Optische dichtheidswaarden als referentie voor algemene groeitempo&#39;s). Gecontroleerde experimentele systemen kunnen helpen om het algenonderzoek meer reproduceerbaar te maken. Benchschaal PBR sEtups die worden gecontroleerd en gecontroleerd kunnen de experimentele efficiëntie verhogen door onbedoelde artefacten in experimentele vormgeving te minimaliseren en kunnen bijdragen tot de voortzetting van de inspanningen om algenbiobrandstoffen een duurzame, alternatieve brandstofbron te maken.

Door de toenemende bezorgdheid over de wereldwijde klimaatverandering en eindige fossiele brandstoffen hebben regeringen regeringen ontwikkeld om het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen en de ontwikkeling van nieuwe duurzame transportbrandstoffen aan te moedigen. Het Amerikaanse Milieubeschermingsagentschap heeft de Hernieuwbare Brandstofstandaard (RFS) ontwikkeld, die vereist dat 36 van de jaarlijkse 140 miljard liter van de Amerikaanse transportbrandstofmix afkomstig zijn uit hernieuwbare brandstoffen in 2022. Innovatieve en transformatieve technologieën zullen nodig zijn om deze en Toekomstige hernieuwbare energie normen 1 . Het gebruik van biobrandstoffen op basis van microalgae heeft het potentieel om te helpen bij de nationale RFS, terwijl de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd 2 . Microbiologische biobrandstoffen hebben meerdere voordelen in vergelijking met biobrandstoffen van de eerste generatie, gebaseerd op aardse voedingsgewassen, zoals maïs en sojabonen. In tegenstelling tot de eerste generatie biobrandstoffen, algen-bAangezien biobrandstoffen minder land-, water- en voedselgerelateerde hulpbronnen verbruiken, aangezien algen het hele jaar door en op onvruchtbaar gebied kunnen worden gebruikt met zoutwater of afvalwater. Microalgen hebben hoge groeitempo&#39;s in vergelijking met aardse gewassen en kunnen hoge lipidengehalten ophalen, die gemakkelijk omgezet kunnen worden naar biodiesel 3 . Momenteel bestaan ​​er geen industriële schaal algen-biobrandstoffen planten door de hoge kosten van de energie-intensieve productieprocessen, die bestaan ​​uit algencultivatie, lipidseparatie en lipide-raffinage in biodiesel. Meer onderzoek is nodig om deze processen efficiënter en duurzamer te maken. PBR&#39;s, die optisch heldere, afgesloten installaties zijn voor de productie van fototrofe micro-organismen in een kunstmatige omgeving, worden beschouwd als een van de meest veelbelovende teeltmethoden 3 . Echter, in huidige ontwerpen ontbreekt nog steeds de volumetrische productiviteit die nodig is om de productie van algen-tot-biobrandstoffen te makenEss efficiënter en economisch aantrekkelijker 4 . Krachtige wiskundige modellen die lichtstraling en verzwakking, het transport van voedingsstoffen en CO 2 overwegen en de groei van de microalgen kunnen de optimalisatie van het ontwerp en de werking van PBR sterk vergemakkelijken. Bench-scale groei experimenten zijn nodig om specifieke soorten groeiparameters voor deze optimalisatie modellen te bepalen. Kinetische tests vereisen de zorgvuldige controle en controle van experimentele opstellingen om onbedoelde remmers van groei te voorkomen. Gezien de fotosynthetische aard van algen ( dat wil zeggen hun verbruik van CO 2 en absorptie van licht), is het onderhouden van gecontroleerde omstandigheden bijzonder moeilijk in de PBR&#39;s op bankschaal. Zoals afgebeeld in vergelijking 1 , wordt de hoeveelheid opgelost CO 2 in het groeimedium, gewoonlijk aangeduid als <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Vergelijking 2 ), zal minimaal a zijnFunctie van: 1) de CO 2 partiële druk en Henry&#39;s evenwichtskonstante, die de hoeveelheid gas dat in oplossing oplossen ( vergelijking 3 ) dicteert; 2) de initiële chemische samenstelling van het groeimedium, dat de speciatie en activiteit van de carbonaationen en pH beïnvloedt ( vergelijkingen 4 en 5 ); En 3) de temperatuur, die de vergelijkingen 3-5 beïnvloedt . <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> De verschillende fasen en de chemische samenstelling van koolstof vormen een uitdaging voor het meten en handhaven van een constante concentratie van opgeloste koolstof binnen een PBR whiLe houden andere condities constant ( bijv. De pH stijgt als de algen CO 2 verbruiken en het verhogen van het opgeloste CO 2 -substraat kan mogelijk leiden tot een zure omgeving die de groei remt) 6 . Een extra laag van complexiteit om de condities te beheersen tijdens de alge-kinetische tests omvat de lichtintensiteit binnen de PBR. De gemiddelde lichtintensiteit in een PBR is een functie van niet alleen de lichtintensiteit van het incident, maar ook het ontwerp ( bijv. Materiaal, vorm, diepte en mengen), de absorptie van componenten van algenbiomassa (in het bijzonder chlorofyl) Verstrooiingseigenschappen van de algcellen. Naarmate de algen groeien, zal de gemiddelde lichtintensiteit afnemen. Deze verandering in lichtintensiteit, hetzij veroorzaakt door een toename van de totale cellen en biomassa, een toename van het gehalte aan chlorofyl per cel, of beide, kan uiteindelijk een metabolische reactie veroorzaken, zoals een toename van chlorofylproducentCtion per cel of het gebruik van koolhydraten en lipidopslagproducten voor energie 7 . Doorlopende controle van de lichtintensiteit van binnen de reactor levert waardevolle informatie. Deze gegevens kunnen ervoor zorgen dat de omstandigheden binnen een gespecificeerd bereik blijven en kunnen worden gebruikt om de alggroei en absorptieparameters te kunnen schatten, gecombineerd met andere metingen (biomassa, chlorofylconcentratie, reactordiepte, incidentielicht, enz. ). Om te begrijpen hoe algen groeien onder een bepaalde set voorwaarden, moet de pH, opgeloste CO 2 , lichtintensiteit en temperatuur worden gecontroleerd in bench-scale kinetische experimenten. Veel algengroei setups zijn niet uitgerust om de condities te monitoren voor zover nodig voor het kalibreren van kinetische modellen, waardoor het modelleringsproces uiterst uitdagend is 8 . Hoewel veel bedrijven PBR&#39;s met automatisering en controle bieden, deze bench-scalE-opstellingen kunnen extreem duur zijn (~ $ 20.000) en kunnen niet alle experimentele overwegingen van een gegeven onderzoeksvraag tegemoet komen. De eerste stap in het opzetten van een controle-feedback systeem voor een batch-experiment is live data acquisitie. Dit document beoogt aan te tonen hoe u een PBR opbouwt en instelt die uitgerust is met continu licht, pH en temperatuurbewaking. Deze real-time monitoring setup kan ervoor zorgen dat de experimentele omstandigheden binnen de gewenste reeksen blijven, naar de beoordelaar van de onderzoeker. Hoewel dit protocol geen specifieke beheersmechanismen specificeert, geven deze stap-voor-stap instructies een fundamentele basis voor het benodigde gegevensverzamelingsraamwerk voordat meer geavanceerde controle-feedbacks kunnen worden geïmplementeerd.

<table><tbody><tr><td>Cast acrylplaten</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K244</td><td>7/8'' dik, 12 x 36'', optisch helder, de grootte van de gekochte platen hangt af van de reactorafmetingen.</td></tr><tr><td>Acryllijm</td><td>McMaster Carr</td><td>7517A4</td><td>Scigrip plastic pijpcement, #4SC niet-verkleurend voor acryl. Niet nodig als pakkingen en schroeven worden gebruikt voor PBR-samenstelling.</td></tr><tr><td>Acrylijmplicatienaald</td><td>McMaster Carr</td><td>75165A136</td><td>Acrylijmplicatienaald, 25 Gauge, 1", Roestvrij staal, PTFE gevoerd.</td></tr><tr><td>Kunststof doseerfles voor acrylcement</td><td>McMaster Carr</td><td>7544A67</td><td>Kunststof doseerfles, 2-oz maat, verpakkingen van 5.</td></tr><tr><td>Viscositeit acrylcement</td><td>McMaster Carr</td><td>7515A11</td><td>Scigrip plastic pijpcement. Middelgrote acrylcement om eventuele openingen in de PBR-behuizing te verzegelen.</td></tr><tr><td>PG-13.5 draadverbinder</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>Kan worden gebruikt om de pH-elektrode op het deksel te bevestigen (indien van toepassing).</td></tr><tr><td>PBR en deksel</td><td>NCSU Precision Machine Shop</td><td>Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td><td>Deze machinewerkplaats staat open voor het publiek voor zaken. Neem contact op met de winkelmanager.</td></tr><tr><td>pH-sensor</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120, autoklaveerbaar, millivolt uitgang.</td></tr><tr><td>Lichtsensor</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>Versterkte 0-5 volt elektrische kalibratie quantumsensor, waterdicht.</td></tr><tr><td>Temperatuursensor</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>Roestvrij staal, waterdichte temperatuursensor.</td></tr><tr><td>pH-zenderdraad met BNC-uiteind</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>Deze draad zal variëren met het type pH-sonde. Zorg ervoor dat de draad compatibel is met de pH-sonde en een BNC-connector heeft.</td></tr><tr><td>Unity gain voorversterker</td><td>Omega Engineering</td><td>PHTX-21</td><td>Signaalverwerkingsversterker voor pH-elektrode, nodig voor hoge-impedantie pH-metingen.</td></tr><tr><td>Coaxiale adapter, BNC-vrouw-naar-bindpost</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>Voor het aansluiten van het pH-signaal van de voorversterker naar de microcontroller.</td></tr><tr><td>Condensator (1000 uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>Voor lage-doorlaatfilter.</td></tr><tr><td>Weerstand (1000 ohm)</td><td>Radio Shack</td><td>2711321</td><td>Voor lage-doorlaatfilter.</td></tr><tr><td>Verbindingsdraad</td><td>RadioShack</td><td>2781222</td><td>Voor het maken van lage-doorlaatfilters, het aansluiten van sensoren op de microcontroller en het bedrading van de motor.</td></tr><tr><td>Thermoslinkfolie</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>Voor de assemblage van lage-doorlaatfilters.</td></tr><tr><td>Gegevensverzameling en besturingseenheid</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>Om het elektrische signaal van sensoren te verwerken en te communiceren met gegevensverzameling en besturingssoftware.</td></tr><tr><td>DAQFactory gegevensverzameling software</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td><td>Gratis te downloaden, voor maximaal 10 kanalen.</td></tr><tr><td>Mini DC-tandwielmotor</td><td>McMaster Carr</td><td>6331K31</td><td>Motor voor mixerimpeller.</td></tr><tr><td>Impeller en as</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Stuur een e-mail naar de auteurs voor 3D-bestanden.</td></tr><tr><td>Variabele DC-voeding</td><td>Amazon</td><td>Tekpower HY1803D</td><td>Variabele DC-voeding, 0-18V @ 0-3A.</td></tr><tr><td>Kweeklamp</td><td>HydroGrow</td><td>SOL-1</td><td>Dit exacte model is niet langer beschikbaar.</td></tr><tr><td>Incubator</td><td>Thermo Scientific</td><td>Precision Model 818</td><td>Deze specifieke incubator kan een interne warmtebron weerstaan, aangezien de koelcompressoren van dit apparaat ononderbroken draaien, ongeacht de temperatuurinstelling.</td></tr></tbody></table>

constructie en opstelling van een benchschaal alg photosynthetic bioreactor met temperatuur, licht en ph monitoring voor kinetische groeitesten

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

Het optimale ontwerp en de werking van fotosynthetische bioreactoren (PBR&#39;s) voor microalgenteelt is essentieel voor het verbeteren van de milieu- en economische prestaties van biobrandstofproductie op basis van microalgae. Modellen die microalgegroei onder verschillende omstandigheden schatten, kunnen helpen om het ontwerp en de werking van PBR te optimaliseren. Om effectief te zijn, moeten de groeiparameters die in deze modellen worden gebruikt nauwkeurig bepaald worden. Algalgroei experimenten worden vaak beperkt door de dynamische aard van de cultuuromgeving, en controlesystemen zijn nodig om de kinetische parameters nauwkeurig te bepalen. De eerste stap in het opzetten van een gecontroleerde batch-experiment is live data acquisitie en monitoring. Dit protocol beschrijft een proces voor de montage en werking van een bench-scale fotosynthetische bioreactor die gebruikt kan worden om microalgegroei-experimenten uit te voeren. Dit protocol beschrijft hoe u een platte, platte PBR van acryl kunt opbouwen en monteren. Het geeft ook informatie over hoe u kunt configurerenRe een PBR met continue pH, licht en temperatuur monitoring met behulp van een data-acquisitie en controle-eenheid, analoge sensoren en open-source data acquisitie software.

Gegevens uit dit real-time monitoring systeem tonen de dynamische cultuuromgeving voor algen binnen een PBR-benchmark en wijzen op de noodzaak om het systeem te controleren en te controleren. De opgeslagen temperatuurgegevens ( Figuur 6 ) tonen aan hoe lichtverlichting, incubatorluchttemperatuur en energieverlies in verband met algegroei de temperatuur binnen de PBR kunnen veranderen en hoe de real-time data kan worden gebruikt om de incubatortemperatuurcontroles aan te passen. Het gemeten licht in de loop van het experiment benadrukt verder het dynamische karakter van deze groeiomgeving. Zoals waargenomen in figuur 7 , was de leessensorlezing, gemeten als fotosynthetische fotonfluxdichtheid (PPFD; μE-m -2s -1 ), ~ 100 PPFD voordat algen toegevoegd en onmiddellijk werden gevallen op 85 PPFD afTer inoculeren van de reactor met de algencultuur. Het licht bleef op dag 7 dalen tot minder dan 5 PPFD. Deze daling van de lichtintensiteit is te danken aan de toenemende biomassa en celtelling en / of aan de stijging van de absorptie door verhoogd chlorofylgehalte, waarbij blijkt dat algen actief zijn op dag 7, ondanks lage Lichte niveaus. Extra biologische metingen zijn nodig om verdere afleidingen te maken. De doorlopende gelogde pH-gegevens tonen aan dat de pH over het algemeen voldoende werd gecontroleerd tijdens dit experiment met het geïmplementeerde pH-controle-algoritme ( Figuur 8 ). Deze gegevens, die zowel de minuut-op-minuut-aflezingen als de uurlange gemiddelden tonen, laten een paar belangrijke punten zien over het kweken van algen en het monitoren van de pH in realtime. Ten eerste verhoogde de pH boven het gewenste ingestelde punt van 7,6 direct na het inoculeren van de PBR met algen. Deze verandering werd verwacht, aangezien het kweekzaad dat aan de PBR was toegevoegd ap hadH waarde hoger dan het instelpunt, aangezien de kolf die gebruikt werd om het inoculum te groeien niet pH-gecontroleerd was. Ten tweede wijzen deze live data op hoe gevoelige pH-elektroden zijn op extern elektrisch geluid. Deze gevoeligheid wordt genoteerd door een drastische sprong in de elektrode waarden tussen dag 1 en dag 2. Deze plotselinge veranderingen in pH-waarden werden waarschijnlijk veroorzaakt door elektrische geluiden van een magneetklep van een aangrenzende experimentele opstelling. Deze elektrische storing heeft voortdurend het pH-controlealgoritme geactiveerd om CO 2 in de PBR te injecteren. Bijgevolg daalde de pH onder het gewenste instelpunt. De gevoeligheid van de pH-elektroden kan leiden tot extreme afwijkers en kunnen de besturingssystemen mogelijk storen. <img alt="Figuur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figuur 3: Grafieken voor pH-respons en kalibratie. (A) Voorbeeld respons grafiek van thE pH-sensor ( b ) Voorbeeld kalibratiegrafiek van de pH-sensor, met een vergelijking die moet worden gebruikt voor de conversie. Regressie analyse toont een 95% vertrouwen interval. Foutstaven zijn niet zichtbaar (standaard fout minder dan 0,03%). Deze grafieken tonen aan dat de pH-sensoren goed aangesloten waren en dat het signaal zeer stabiel was. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Figuur 6: Temperatuurmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van sensorgegevens en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut zijn verworven (acquisitietijd van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en worden omgezet naar temperatuur met gebruikmaking van door fabrikanten geleverde omrekeningsfactoren. Zwarte pijlen sho<html> W wanneer de temperatuur van de incubator is ingesteld om de kweek temperatuur rond 25 ° C te behouden (dit gewenste instelpunt wordt aangeduid met een rode streeplijn). Temperatuurschommelingen zijn te wijten aan algegroei en veranderingen in de incubatortemperatuur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Figuur 7: Lichtmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1 uur gemiddelden sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut worden verworven (acquisitie timing van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en omgezet in PPFD met behulp van standaard fabrieks kalibratie waarden van de lichtgevoelige sensor.&quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te zien. <img alt="Figuur 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Figuur 8: pH-metingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van de sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlesingen die elke 1 minuut worden geregistreerd (acquisitie timing van 0,1 s, gemiddelde lengte 600) en omgezet in pH met behulp van conversievergelijking die via kalibratie is vastgesteld. De pH werd tussen 7,6 en 7,5 gehandhaafd onder toepassing van een 99% CO2-injectie. De rode gestippelde lijnen geven het gewenste pH-bereik aan. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

Dit document beschrijft het montageproces en de werking van een fotokinetische biotactor met een schaalvergroting, die in combinatie met andere methoden kan worden gebruikt om de relevante kinetische groeiparameters te schatten. Dit systeem controleert de pH, het licht en de temperatuur voortdurend met behulp van sensoren, een dataverzamelings- en besturingseenheid en open-source data acquisition software.

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten

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

Het algemene doel van deze procedure is om een bench-scale fotosynthetische bioreactor samen te stellen met continue licht-, pH- en temperatuurbewaking voor experimenten met algengroei. Dus het kwantificeren van algengroei met behulp van een bewaakte en gecontroleerde setup, stelt onderzoekers in staat om de algengroei beter te beoordelen. Wat kan helpen om belangrijke vragen te beantwoorden om algen gebaseerde biobrandstoffen een realiteit te maken.Het belangrijkste voordeel van deze aanpak is dat het een aanpasbare en mogelijk goedkopere setup is, voor het bewaken van algengroei-experimenten in real-time. We wilden dit type fotosynthetische bioreactor ontwikkelen toen we de belangrijkheid inzagen van het handhaven van controle binnen de dynamische cultuur en omgeving van de algen. Regionale demonstratie van deze methode is cruciaal, aangezien veel van de stappen moeilijk te leren zijn als je niet vertrouwd bent met de terminologie en praktijken van elektrotechniek.Om met deze procedure te beginnen, bouw je een bench-scale PBR. Bepaal de grootte, vorm en ontwerp van de PBR-behuizing en het deksel, zoals beschreven in het tekstprotocol. Gebruik een zenderdraad om de eenheidsversterker te verbinden met de pH-sonde.Pak vervolgens de coaxiale adapter met positieve en negatieve poortterminals op. Verbind de adapter met het andere uiteinde van de eenheidsversterker. Om een laagdoorlaatfilter te maken, gebruik je draadstrippers om twee 15 centimeter stukken groen aansluitdraad en één 30 centimeter stuk zwarte aansluitdraad af te snijden.Strip ongeveer 0,6 centimeter isolatie van het ene uiteinde van elk van de groene draden en van beide uiteinden van de zwarte draad. Strip vervolgens ongeveer 1,25 centimeter van het andere uiteinde van de groene draden. Wikkel voorzichtig één poot van de 1000 ohm weerstand om de 1,25 centimeter afgestreepte sectie van een van de groene aansluitdraden.Wikel de andere weerstandspoot om de 1,25 centimeter afgestreepte sectie van de andere groene draad. Gebruik een soldeerbout en loodvrij soldeer om de weerstandspooten aan de draad te solderen. Laat het soldeer twee tot vijf minuten afkoelen.Bedek vervolgens de weerstand en de gesoldereerde draad met een vier centimeter stuk hitteslinkfolie. Verwarm de folie met een hittepistool, zodat de folie strak om de weerstand en draden wikkelt. Zet vervolgens een uiteinde van de zwarte aansluitdraad vast op de negatieve terminalpost van de coaxiale adapter.Steek het andere uiteinde van de draad in een van de grondterminals van de data-acquisitie- en controle-eenheid. Verbind een uiteinde van de groene aansluitdraad met de positieve terminalpost van de coaxiale adapter. Steek vervolgens het andere uiteinde in een vrije analoge ingangsterminal op de data-acquisitie- en controle-eenheid.Steek de positieve draad van de 1000 microfarad condensator in dezelfde analoge ingangsterminal. Zet de negatieve draad van de condensator vast aan dezelfde grondterminal die voor de zwarte aansluitdraad werd gebruikt. Verbind vervolgens de temperatuursensor met de data-acquisitie- en controle-eenheid, zoals beschreven in het tekstprotocol.Na het instellen van de live data-acquisitie en het experimentele bestand, plaats je zowel de pH-elektrode als de temperatuursonde in pH-kalibratiebuffer zeven. Bevestig dat de oplossing de gewenste temperatuur heeft, zoals beschreven in het tekstprotocol. Nadat de spanningsuitgang van de pH-elektrode is gestabiliseerd, log je zowel de temperatuur als de elektrische pH-gegevens naar een bestand.Zorg ervoor dat er geen conversies worden toegepast op het pH-kanaal en dat het gemiddeld maken van kanalen is uitgeschakeld. Herhaal de kalibratie voor buffers vier en tien. Genereer een conversievergelijking, zoals beschreven in het tekstprotocol, en werk deze vergelijking bij in het experimentele bestand.Pas vervolgens deze pH-conversie toe op het pH-kanaal. Na het voorbereiden van het algen-inoculum en de groeimediumopstelling, zet je de PBR op voor het experiment. Draai de draad van de lichtsensor door de dekselpoort.Monteer vervolgens de lichtsensorkop op de PBR-dekseluitbreidingsmontage. Dicht vervolgens de dekselpoort met een rubberen stop. Plaats de waaswellas over de as van de DC-mini-tandwielmotor, binnen de PBR-deksel, en zet de as vast met een schroef en een inbussleutel.Voeg het voorbereide, voor algen specifieke groeimedium toe. Plaats vervolgens het deksel op de PBR en zet het vast met schroeven. Plaats het in een incubator op 25 graden Celsius.Steek de temperatuursonde in de aangewezen poort en zet hem vast met een rubberen stop. Zet vervolgens de pH-sonde in de PG 13.5 draadmontage van het reactordeksel. Zorg ervoor dat de lichtsensor is verbonden met de data-acquisitie- en controle-eenheid, met een laagdoorlaatfilter, zoals beschreven in het tekstprotocol.Zet vervolgens de waaswellas op de gewenste snelheid aan. Zet de variabele DC-voeding op, naast de PBR. Zet de voeding aan en pas de spanning aan tot de spanningswaarde nul volt aangeeft.Na dit, zet de voeding uit. Verbind de waaswellas motorkrachtlijnen met de positieve en negatieve uitgangsterminals van de variabele voeding. Zet de voeding aan en verhoog langzaam de spanning tot de gewenste mengsnelheid is bereikt.Centreer vervolgens de kweeklamp langs de voorkant van de PBR, zorg ervoor dat de lichtstraal gericht is op de lichtsensor. Zet de kweeklamp aan en pas de lichtintensiteit aan zoals nodig is, door de lamp dichterbij of verder weg van de reactor te verplaatsen. Bewaak en log de sensorgegevens gedurende zes tot 24 uur, zoals beschreven in het tekstprotocol.Gebruik vervolgens een overdrachtspijpje om algen-inoculum toe te voegen via de bemonsteringspoort. Na het bewaken van de omstandigheden, om ervoor te zorgen dat ze binnen het bereik blijven, gebruik je een pijpje om de culturen te verwijderen voor analyse, indien nodig, via de bemonsteringspoort. Gebruik de dataweergave om de watertemperatuur te bewaken.Stel handmatig de ingestel

construction-setup-bench-scale-algal-photosynthetic-bioreactor-with

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Fermentoren worden gebruikt voor cultuur opbrengst en productiviteit van bioengineered cellen te verhogen. Na het screenen van meerdere microbiële en dierlijke celkweek kandidaten in schudflessen, de volgende logische stap is om biomassa de geselecteerde cultuur met de vergister te verhogen. Deze video toont de installatie en bediening van een typisch benchtop bioreactor systeem.

Exploitatie van een tafelmodel Bioreactor

Rookgas van energiecentrales is een goedkope CO 2 bron voor algengroei. We hebben prototype "rookgas teelt van algen" gebouwd systemen en beschreef hoe de opschaling van de algen teeltproces. We hebben het gebruik van een massa-overdracht bio-reactie model te simuleren en het ontwerp van de optimale werking van rookgas voor de groei van Chlorella sp aangetoond. in algen foto-bioreactoren.

Optimaliseer Rookgas instellingen ter bevordering van microalgen groei in fotobioreactoren via Computersimulaties

Integratie van microalgencultivatiek met industrieel rookgas zal uiteindelijk zware metalen en andere anorganische verbindingen in de groeimedia introduceren. Deze studie presenteert een procedure die wordt gebruikt om het eindlot en de impact van zware metalen en anorganische verontreinigingen op de groei van Nannochloropsis salina gekweekt in fotobioreactoren te bepalen.

Kwantificering van zware metalen en andere anorganische contaminanten op de productiviteit van microalgen

Een experimentele methode wordt voorgesteld om de prestaties van kleine (100 L) en grote (1000 L) vergelijken schaal reactoren ontworpen voor algen sanering van de stortplaats afvalwater. Systeemkenmerken, zoals specifiek oppervlak tot volumeverhouding, retentietijd biomassa dichtheid en afvalwater voer concentraties kan worden aangepast op basis van toepassing.

Vergelijking van de schaal in een Photosynthetic Reactor System for Algen sanering van afvalwater

Hier presenteren we een protocol om te bouwen van lab-schaal zeepbel kolom photobioreactors en ze gebruiken om cultuur microalgen. Het biedt ook een methode voor de bepaling van de groeisnelheid van de cultuur en de neutrale vetgehalte.

Teelt van groene microalgen in Bubble kolom Photobioreactors en een kwantitatieve analyse voor neutrale lipiden

Bench-Scale, Axenische teelt vergemakkelijkt microalgal karakterisering en productiviteit optimalisatie voor verdere proces scale-up. Photobioreactoren zorgen voor de nodige controle voor betrouwbare en reproduceerbaar microalgal experimenten en kunnen worden aangepast om microalgen veilig te cultiveren met de corrosieve gassen (CO2, dus2, No2) van gemeentelijke of industriële verbrandingsemissies.

Microalgen teelt en biomassa kwantificering in een Fotobioreactor met een tafel schaal met corrosieve rookgas

We demonstreren algentoxiciteitstests voor moeilijke stoffen (bijvoorbeeld gekleurde stoffen of nanomaterialen) met behulp van een opstelling die verticaal met een LED wordt verlicht.

Een kleinschalige setup voor algentoxiciteitstesten van nanomaterialen en andere moeilijke stoffen

Er wordt een protocol beschreven om de koolstofdioxide in het rookgas van aardgascentrales te gebruiken om microalgen te cultiveren in open raceway-vijvers. Rookgasinjectie wordt geregeld met een pH-sensor en de groei van microalgen wordt gemonitord met realtime metingen van de optische dichtheid.

Koppeling van koolstofafvang uit een energiecentrale met semi-geautomatiseerde open racewayvijvers voor de teelt van microalgen

Deze publicatie beschrijft het ontwerp van laboratoriumfotobioreactoren (PBR's) met aanpasbare lichtregimes. De groei van cyanobacteriën of microalgen, met bicarbonaat als koolstofbron, wordt continu bewaakt door de volumetrische zuurstofproductie te meten. Deze PBR's maken snelle, gerepliceerde laboratoriumgroeivergelijkingen mogelijk met weinig tussenkomst van de gebruiker tijdens experimenten.

Werking van laboratoriumfotobioreactoren met online groeimetingen en aanpasbare lichtregimes

Optogenetische controle van microbieel metabolisme biedt flexibele dynamische controle over fermentatieprocessen. Het protocol hier laat zien hoe blauw licht-gereguleerde fermentaties voor chemische en eiwitproductie op verschillende volumetrische schalen kunnen worden opgezet.

Lichtgestuurde fermentaties voor microbiële chemische en eiwitproductie

Luchtverontreiniging heeft invloed op de kwaliteit van leven van alle organismen. Hier beschrijven we het gebruik van microalgenbiotechnologie voor de behandeling van biogas (gelijktijdige verwijdering van kooldioxide en waterstofsulfide) en de productie van biomethaan door middel van semi-industriële open algenvijvers met hoge snelheid en de daaropvolgende analyse van behandelingsefficiëntie, pH, opgeloste zuurstof en microalgengroei.

Biogaszuivering door het gebruik van een microalgenbacterieel systeem in semi-industriële algenvijvers met hoge snelheid

Leer hoe je een fotosynthetische bioreactor op bankschaal bouwt voor algenkinetiek met continue monitoring van pH, licht en temperatuur. Deze methode ondersteunt onderzoek naar algenbiobrandstoffen.

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten (Video) | JoVE Journal

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten

Meer video's verkennen