Budowa i konfiguracja laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego glonów z monitorowaniem temperatury, światła i pH do testów wzrostu kinetycznego

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje proces montażu i działania laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego, który może być użyty, w połączeniu z innymi metodami, do oszacowania odpowiednich parametrów wzrostu kinetycznego. System ten stale monitoruje pH, światło i temperaturę za pomocą czujników, jednostki akwizycji i sterowania danymi oraz oprogramowania do akwizycji danych typu open source.

Streszczenie

Optymalna konstrukcja i działanie bioreaktorów fotosyntetycznych (PBR) do hodowli mikroalg jest niezbędne do poprawy efektywności środowiskowej i ekonomicznej produkcji biopaliw na bazie mikroalg. Modele, które szacują wzrost mikroglonów w różnych warunkach, mogą pomóc w optymalizacji projektu i działania PBR. Aby były skuteczne, parametry wzrostu stosowane w tych modelach muszą być dokładnie określone. Eksperymenty z hodowlą glonów są często ograniczone przez dynamiczny charakter środowiska hodowlanego, a do dokładnego określenia parametrów kinetycznych potrzebne są systemy kontroli. Pierwszym krokiem do skonfigurowania kontrolowanego eksperymentu wsadowego jest pozyskiwanie i monitorowanie danych na żywo. Protokół ten określa proces montażu i eksploatacji laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego, który może być używany do przeprowadzania eksperymentów dotyczących wzrostu mikroglonów. Protokół ten opisuje, jak wymiarować i składać płaski PBR w skali stołowej z akrylu. Szczegółowo opisano również, jak skonfigurować PBR z ciągłym monitorowaniem pH, światła i temperatury za pomocą jednostki akwizycji danych i sterowania, czujników analogowych i oprogramowania do akwizycji danych typu open source.

Wprowadzenie

W związku z rosnącymi obawami dotyczącymi globalnych zmian klimatycznych i ograniczonych zasobów paliw kopalnych, rządy opracowują politykę mającą na celu zmniejszenie zużycia paliw kopalnych oraz zachęcenie do rozwoju nowych, zrównoważonych paliw transportowych. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (Environmental Protection Agency) opracowała Standard Paliw Odnawialnych (Renewable Fuel Standard, RFS), który wymaga, aby do 2022 roku 36 z rocznych 140 miliardów galonów mieszanki paliw transportowych w USA pochodziło z odnawialnych źródeł paliw. Aby sprostać obecnym i przyszłym standardom energii odnawialnej, konieczne będzie zastosowanie innowacyjnych i przełomowych technologii¹.

Wykorzystanie biopaliw opartych na mikroalgach ma potencjał, aby pomóc w spełnieniu krajowego standardu RFS, przy jednoczesnym ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych². Biopaliwa na bazie mikroalg posiadają kilka zalet w porównaniu z biopaliwami pierwszej generacji opartymi na lądowych uprawach spożywczych, takich jak kukurydza i soja. W przeciwieństwie do biopaliw pierwszej generacji, biopaliwa algowe zużywają mniej zasobów gruntowych, wodnych i żywnościowych, ponieważ algi mogą być hodowane przez cały rok na nieużytkach, z wykorzystaniem słonej wody lub ścieków. Mikroalgi charakteryzują się wysokim tempem wzrostu w porównaniu z uprawami lądowymi i mogą gromadzić wysokie poziomy lipidów, które mogą być łatwo przekształcone w biodiesel³. Obecnie nie istnieją zakłady produkcji biopaliw z alg na skalę przemysłową ze względu na wysokie koszty energochłonnych procesów produkcyjnych, które obejmują hodowlę alg, separację lipidów oraz rafinację lipidów do biodiesla. Konieczne są dalsze badania, aby uczynić te procesy bardziej efektywnymi i zrównoważonymi.

Fotobioreaktory (PBR), które są optycznie przejrzystymi, zamkniętymi instalacjami do hodowli mikroorganizmów fototroficznych w środowisku sztucznym, uznaje się za jedną z najbardziej obiecujących metod uprawy³. Jednak obecne konstrukcje wciąż nie wykazują wydajności objętościowej niezbędnej do tego, aby proces produkcji biopaliw z alg był bardziej efektywny i atrakcyjny ekonomicznie⁴. Zaawansowane modele matematyczne, uwzględniające natężenie i tłumienie światła, transport składników odżywczych i CO₂ oraz wzrost mikroalg, mogą znacznie ułatwić optymalizację konstrukcji i eksploatacji PBR. Do wyznaczenia specyficznych dla danego gatunku parametrów wzrostu dla tych modeli optymalizacyjnych niezbędne są eksperymenty wzrostowe w skali laboratoryjnej.

Testy kinetyczne wymagają starannego monitorowania i kontrolowania układów eksperymentalnych, aby zapobiec pojawieniu się niepożądanych inhibitorów wzrostu. Ze względu na fotosyntetyczną naturę alg (tj. ich konsumpcję CO₂ i absorpcję światła), utrzymanie kontrolowanych warunków jest szczególnie trudne w fotobioreaktorach (PBR) w skali laboratoryjnej. Jak przedstawiono w Równaniu 1, ilość rozpuszczonego CO₂ w pożywce wzrostowej, powszechnie oznaczana jako (Równanie 2), będzie co najmniej funkcją: 1) ciśnienia parcjalnego CO₂ oraz stałej równowagi Henry'ego, która określa ilość gazu rozpuszczalną w roztworze (Równanie 3); 2) początkowego składu chemicznego pożywki wzrostowej, który wpływa na specjację i aktywność jonów węglanowych oraz pH (Równania 4 i 5); oraz 3) temperatury, która wpływa na Równania 3-5⁵.

Różne fazy i specjacja chemiczna węgla stanowią wyzwanie przy pomiarze i utrzymaniu stałego stężenia węgla rozpuszczonego w PBR przy zachowaniu innych stałych warunków (np. pH wzrasta w miarę jak algi pochłaniają CO₂, a zwiększenie ilości rozpuszczonego podłoża CO₂ może doprowadzić do powstania kwaśnego środowiska hamującego wzrost)⁶.

Dodatkowy poziom złożoności w kontrolowaniu warunków podczas testów kinetycznych alg wiąże się z natężeniem światła wewnątrz PBR. Średnie natężenie światła w PBR jest funkcją nie tylko natężenia światła padającego, ale także konstrukcji (np. materiału, kształtu, głębokości i mieszania), absorbancji składników biomasy algalnej (w szczególności chlorofilu) oraz właściwości rozpraszania światła przez komórki alg. Wraz ze wzrostem alg średnie natężenie światła będzie spadać. Ta zmiana natężenia światła, wywołana wzrostem całkowitej liczby komórek i biomasy, wzrostem zawartości chlorofilu w komórce lub obiema tymi przyczynami, może ostatecznie wywołać odpowiedź metaboliczną, taką jak zwiększenie produkcji chlorofilu na komórkę lub wykorzystanie zapasów węglowodanów i lipidów jako źródła energii⁷. Ciągłe monitorowanie natężenia światła z wnętrza reaktora dostarcza bezcennych informacji. Dane te mogą pomóc zapewnić utrzymanie warunków w określonym zakresie i mogą być wykorzystane do szacowania parametrów wzrostu alg oraz absorbancji, jeśli zostaną zestawione z innymi pomiarami (tj. biomasy, stężenia chlorofilu, głębokości reaktora, światła padającego itp.).

Zrozumienie sposobu wzrostu alg w określonym zestawie warunków wymaga monitorowania pH, rozpuszczonego CO₂, natężenia światła oraz temperatury w kinetycznych eksperymentach w skali laboratoryjnej. Wiele układów do hodowli alg nie jest wyposażonych w systemy monitorowania warunków w stopniu wymaganym do kalibracji modeli kinetycznych, co sprawia, że proces modelowania jest niezwykle trudny⁸. Chociaż wiele firm oferuje laboratoryjne fotobioreaktory (PBR) z automatyzacją i sterowaniem, takie układy mogą być niezwykle kosztowne (~$20,000) i mogą nie uwzględniać wszystkich aspektów eksperymentalnych związanych z danym pytaniem badawczym.

Pierwszym krokiem w konfiguracji systemu sterowania z pętlą sprzężenia zwrotnego dla eksperymentu okresowego jest akwizycja danych w czasie rzeczywistym. Celem niniejszej pracy jest zademonstrowanie sposobu konstrukcji i konfiguracji laboratoryjnego bioreaktora z fotobioreaktorem (PBR) wyposażonego w system ciągłego monitorowania światła, pH oraz temperatury. Taki układ monitorowania w czasie rzeczywistym pozwala zapewnić, że warunki eksperymentalne pozostają w pożądanych zakresach, zgodnie z decyzją badacza. Chociaż niniejszy protokół nie opisuje szczegółowo konkretnych mechanizmów sterowania, te instrukcje krok po kroku stanowią podstawę struktury akwizycji danych, która jest wymagana przed wdrożeniem bardziej zaawansowanych sprzężeń zwrotnych sterowania.

Protokół

1. Konstrukcja korpusu i pokrywy laboratoryjnego PBR

UWAGA: W celach ilustracyjnych jako organizm modelowy do konstrukcji tego PBR wykorzystano Dunaliella sp., halotolerancyjne mikroalgi o wielkości ~10 µm, które nie posiadają ściany komórkowej.

1. Określenie objętości PBR wymaganej dla potrzeb badawczych.
   1. Określenie celów eksperymentalnych dla tego PBR.
   2. Zdecydowanie, które analizy pomiarowe alg, M, są niezbędne do charakterystyki wzrostu interesującego gatunku alg, w tym objętości wymaganej na jedną analizę, v; liczby powtórzeń technicznych, n; częstotliwości pobierania próbek, f; oraz czasu trwania eksperymentów, t.
      UWAGA: Specyficzne dla projektu pytania badawcze, gatunki alg oraz dostępny sprzęt determinują mierzone właściwości alg, metody stosowane do tych pomiarów oraz częstotliwość ich przeprowadzania. Pomiary biomasy, liczby komórek oraz całkowitej zawartości pigmentu chlorofilu, białek, lipidów, węglowodanów i stężenia zewnętrznych azotanów są powszechnymi sposobami oceny wzrostu, a codzienne pobieranie próbek przez okres od 5 do 14 dni jest standardowym podejściem w testach wzrostu^9,10.
   3. Obliczenie całkowitej objętości hodowli, V_s, wymaganej do pobierania próbek w trakcie jednego eksperymentu przy użyciu Równania 6.
      
   4. Użycie Równania 7 do oszacowania docelowej objętości PBR, V_p, wykorzystując V_s z kroku 1.1.3 oraz maksymalną frakcję usuwanej objętości, F.
      
      UWAGA: Usuwanie mniejszej niż określona frakcja całkowitej objętości hodowli (np. ~20%) może pomóc zapewnić, że warunki wewnątrz PBR tj. (moc mieszania, rozkład światła itp.) nie będą ulegać drastycznym zmianom w trakcie eksperymentu w miarę usuwania objętości hodowli.
      1. Zakładając 10-dniowy eksperyment, w którym biomasa, liczba komórek oraz stężenia całkowitego chlorofilu, białek, lipidów, węglowodanów i azotanów są mierzone codziennie w trzech powtórzeniach, należy przyjąć całkowitą objętość pobierania próbek na poziomie ~600 mL. Jeśli celem jest usunięcie nie więcej niż 18,75% całkowitej objętości hodowli, należy zastosować całkowitą roboczą objętość reaktora wynoszącą co najmniej 3,2 L.
2. Wybór czujników i akcesoriów do eksperymentów z PBR.
   1. Wybór sond pH, natężenia światła i temperatury do ciągłego monitorowania.
      UWAGA: Czujniki powinny być kompatybilne z jednostką akwizycji danych i odporne na wewnętrzne warunki hodowli (tj. zakres pH, światło, ciepło, zanieczyszczenia algami, sól itp.). Wybrano sondy ze stali nierdzewnej i odporne na sól, ponieważ Dunaliella sp. są mikroalgami morskimi.
   2. Wybór konstrukcji mieszadła i silnika w celu spełnienia eksperymentalnych wymagań dotyczących mieszania.
      UWAGA: Na przykład mieszadło osiowe o niskim ścinaniu jest dobrym wyborem dla alg Dunaliella, ponieważ nie posiadają one ściany komórkowej i mogą zostać łatwo uszkodzone mechanicznie¹¹. Algi te wykazują ruch flagelarny i nie wymagają intensywnego mieszania¹¹. Niskie prędkości mieszania można osiągnąć za pomocą minisilnika przekładniowego 12 V. Mieszadło i wał mogą zostać wydrukowane w 3D (informacje o druku 3D znajdują się w liście materiałów).
3. Montaż korpusu i pokrywy PBR.
   1. Określenie wymiarów reaktora na podstawie obliczeń objętości z kroku 1.1, biorąc pod uwagę cele eksperymentalne i potencjalne ograniczenia (np. miejsce).
      UWAGA: Preferowana jest konstrukcja PBR z niższym stosunkiem powierzchni do objętości, ponieważ taki kształt minimalizuje tłumienie światła w całym PBR, zapewniając bardziej spójny rozkład światła w trakcie eksperymentu.
   2. Wycięcie pięciu kawałków optycznie przejrzystych płyt z akrylu odlewanego (grubość ~0,25-0,5 cala) za pomocą piły stołowej, zgodnie z konstrukcją i rozmiarem PBR ustalonym w kroku 1.3.1.
   3. Upewnienie się, że krawędzie łączenia są wygładzone, ale nie zaokrąglone, przy użyciu papieru ściernego o ziarnistości od 200 do 400.
   4. Zabezpieczenie krawędzi elementów akrylowych za pomocą taśmy i/lub zacisków.
      UWAGA: Cement akrylowy nie jest klejem. Jeśli powierzchnie wiążące akrylu są szorstkie lub elementy akrylowe nie są równo wyrównane, cement wiążący nie będzie skuteczny.
   5. W dobrze wentylowanym pomieszczeniu nałożyć cement akrylowy wzdłuż połączeń za pomocą dozownika igłowego. Powierzchnie plastikowe natychmiast się ze sobą połączą. Pozostawić elementy na 24 h.
      OSTRZEŻENIE: Podczas stosowania cementu akrylowego należy nosić maseczkę i rękawiczki, aby uniknąć wdychania oparów i kontaktu z skórą.
   6. Nałożyć lepki cement akrylowy na połączenia, aby zapewnić szczelność PBR. Pozostawić cement do wyschnięcia na 24-48 h, zgodnie z instrukcją cementu; czasy schnięcia mogą się różnić.
   7. Napełnić reaktor wodą, aby sprawdzić, czy nie ma widocznych wycieków. Jeśli nie stwierdzono wycieków, umieścić reaktor na ręcznikach papierowych i ponownie sprawdzić oznaki przeciekania po 24-36 h.
      UWAGA: Do montażu PBR o pojemności powyżej ~2 L należy używać płyt akrylowych o grubości nie mniejszej niż ~0,5 cala; cieńsze płyty mogą wyginać się pod ciśnieniem wody i powodować wycieki. Uszczelki i śruby wzmacniające mogą być zastosowane jako bardziej solidna alternatywa dla cementu akrylowego (Rysunek 1). Tego rodzaju montaż wymaga precyzyjnych maszyn i musi być przeprowadzany niezwykle ostrożnie, ponieważ akryl może łatwo pęknąć.
   8. Zlecenie warsztatowi zaprojektowania pokrywy PBR z portami dla czujników oraz innych akcesoriów i potrzeb PBR (tj. mieszadła, linii gazowych, portów do pobierania próbek itp.). Upewnienie się, że komponenty wewnętrzne nie kolidują ze sobą.
      UWAGA: Konfiguracja i projekt PBR oraz jego pokrywy będą zależeć od akcesoriów reaktora i celów eksperymentalnych. Przykład projektu reaktora PBR i pokrywy przedstawiono na Rysunku 1 (szczegóły znajdują się w sekcji materiałów). Projekt PBR ten będzie przywoływany w dalszej części protokołu.

Rysunek 1: Zdjęcie dostosowanej aparatury PBR w skali laboratoryjnej z czujnikami i mieszadłem. Przedstawiony układ zawiera mieszadło, elektrodę zamocowaną do pokrywy poprzez gwintowany otwór oraz czujnik światła przytwierdzony do specjalnie zaprojektowanej pokrywy. Konstrukcja tej pokrywy obejmuje również montaż miniaturowego silnika zębnikowego 12 V DC. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Instalacja i konfiguracja czujników z jednostką akwizycji i sterowania danymi

UWAGA: Czujniki przekształcają zmiany w świecie fizycznym w mierzalny sygnał analogowy, często w postaci napięcia. Jednostki akwizycji danych służą jako interfejs między światem cyfrowym a fizycznym i mogą być wykorzystywane do odczytu tych sygnałów analogowych oraz ich konwersji na wartości dyskretne zgodnie z instrukcjami komputera. Opisana tutaj jednostka akwizycji danych posiada rozdzielczość wejścia analogowego wynoszącą 16 bitów, może odczytywać do 14 sygnałów analogowych (±10 V) oraz dostarczać zasilanie wymagane przez niektóre czujniki (do 5 V). Niniejsze instrukcje stanowią przegląd sposobu konfiguracji tej jednostki akwizycji i sterowania danymi w celu konwersji sygnału analogowego na bardziej znaczące wartości natężenia światła, pH oraz temperatury wewnątrz PBR. Instrukcje te nie szczegółowo omawiają istotnych pojęć (t.j. kwantyzacji, precyzji, czasu odpowiedzi itp.), które są niezbędne do pełnej interpretacji tych zmierzonych wartości i ilościowego określenia niepewności.

Rycina 2: Schemat połączenia czujników z jednostką akwizycji danych i sterowania. Na tym schemacie przedstawiono sposób podłączenia czujników pH, światła i temperatury do jednostki akwizycji danych i sterowania wykorzystywanej w tym protokole. Pokazano również komponenty przetwarzania sygnału dla czujnika pH oraz czujnika światła. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

1. Należy zainstalować i skonfigurować czujnik światła z jednostką akwizycji danych i sterowania, stosując filtr dolnoprzepustowy.
   UWAGA: Należy odnieść się do Rysunek 2 do ogólnych schematów referencyjnych. Specyfikacje czujnika producenta pozwalają rozróżnić przewody sygnałowe, zasilające i uziemiające na podstawie ich koloru. Filtr dolnoprzepustowy to prosty obwód wykorzystujący rezystor i kondensator do odfiltrowania niepożądanych zakłóceń z sygnałów elektrycznych. Ten rodzaj filtra tłumi sygnały elektryczne o częstotliwościach wyższych niż częstotliwość odcięcia, określona przez wartość rezystancji i pojemności. Filtr ten pomaga usunąć lub wygładzić szumy elektryczne z sygnału czujnika.
   1. Za pomocą ściągacza do izolacji odciąć fragment zielonego przewodu połączeniowego o długości około 2 cali; zdjąć izolację z jednego końca na długości 0,25 cala oraz z drugiego końca na długości około 0,5 cala z obu odcinków.
   2. Zidentyfikuj przewód wyjściowy sygnału analogowego w czujniku światła. Upewnij się, że poza izolacją odsłonięto co najmniej ok. 0,25–0,50 cala metalowego drutu.
   3. Starannie owiń jedną nóżkę 1 000 Ω owiń rezystor wokół ok. 0,5 cala odizolowanego końca przewodu złącza. Drugą nóżkę rezystora owiń wokół odsłoniętego odcinka przewodu sygnału analogowego czujnika światła.
   4. Używając lutownicy i bezołowiowego spoiwa, przylutuj wyprowadzenia rezystora do przewodu. Pozostaw luty do ostygnięcia na 2–5 min.
      OSTRZEŻENIE: Cyna oraz lutownice nagrzewają się do bardzo wysokich temperatur i mogą stanowić poważne zagrożenie, jeśli użytkownicy nie zostali odpowiednio przeszkoleni. Filmy instruktażowe są dostępne w internecie. Okulary ochronne i inne środki ostrożności są niezwykle ważne. Przewody nie powinny być podłączone do zasilania ani innych urządzeń podczas tego procesu.
   5. Nasunąć kawałek rurki termokurczliwej o długości ok. 1,5 cala na jeden koniec przewodu łączącego i przesunąć go tak, aby pokrył przylutowany drut i rezystor. Należy upewnić się, że wszystkie metalowe elementy są całkowicie zakryte.
   6. Kurczyć rurkę termokurczliwą za pomocą opalarki. Należy upewnić się, że rurka ściśle opasła rezystor i przewody; żaden goły drut nie może pozostać odsłonięty.
   7. Za pomocą śrubokręta podłącz przewód uziemiający czujnika światła do wolnego zacisku uziemiającego (GND) w jednostce akwizycji danych i sterowania.
   8. Przymocuj wolny koniec przewodu złącza sygnałowego do wolnego terminala wejścia analogowego (AIN) za pomocą śrubokręta.
   9. Przymocuj dodatni przewód do 1,000 µF kondensator (t. j. dłuższą nóżkę) do tego samego terminala AIN, co w kroku 2.1.8, a przewód ujemny (t. j. (krótszą nóżkę) do tego samego zacisku GND, co w kroku 2.1.7. Należy upewnić się, że zarówno nóżka kondensatora, jak i przewód są mocno przyłączone do zacisku.
   10. Zidentyfikuj przewód zasilający czujnik światła i podłącz go do zacisku zasilania (VS) w jednostce akwizycji danych i sterowania.
2. Należy podłączyć i skonfigurować elektrodę pH z jednostką akwizycji danych, wykorzystując wzmacniacz o jedności wzmocnienia oraz filtr dolnoprzepustowy.
   UWAGA: Ze względu na charakter pomiarów pH (t.j., wysoka impedancja i niskie napięcie), pomiędzy sondą pH a urządzeniem do akwizycji danych często wymagany jest bufor wzmacniający o wzmocnieniu jednostkowym. W pomiarach pH korzystne jest również zastosowanie filtra dolnoprzepustowego w celu ochrony sygnału przed zakłóceniami elektrycznymi z otoczenia.
   1. Podłącz wzmacniacz z jednostkowym wzmocnieniem do sondy pH za pomocą przewodu transmisyjnego.
   2. Podłącz adapter współosiowy, z dodatnim i ujemnym zaciskiem portu, do drugiego końca wzmacniacza z jednostkowym wzmocnieniem.
   3. Za pomocą ściągacza do izolacji odetnij dwa 6-calowe odcinki zielonego przewodu łączącego i jeden odcinek czarnego przewodu łączącego o długości ok. 12 cali. Usuń ok. 0,25 cala izolacji z obu końców czarnego przewodu łączącego.
   4. Za pomocą ściągacza do izolacji należy zdjąć izolację z końców zielonych przewodów konektora na długości ok. 0,25 cala i ok. 0,5 cala.
   5. Starannie owiń jeden odnoga z 1 000 Ω owinąć jeden wyprowadzenie rezystora wokół odizolowanego odcinka o długości ok. 0,5 cala jednego zielonego przewodu złącza. Owinąć drugie wyprowadzenie rezystora wokół odizolowanego odcinka o długości ok. 0,5 cala drugiego zielonego przewodu złącza.
   6. Używając lutownicy i bezołowiowego spoiwa lutowniczego, przylutuj wyprowadzenia rezystora do przewodu. Pozostaw lut do wystygnięcia na 2–5 min.
   7. Nasunąć kawałek rurki termokurczliwej o długości ok. 1,5 cala na jeden koniec przewodu łączącego i przesunąć go tak, aby zakrył przylutowany drut i rezystor. Należy upewnić się, że wszystkie metalowe elementy są całkowicie zakryte.
   8. Kurcz rurkę termokurczliwą za pomocą opalarki. Upewnij się, że plastik ściśle opasuje rezystor i przewody; żadna goła część przewodu nie powinna pozostać odsłonięta.
   9. Przymocuj jeden koniec czarnego przewodu łączącego do ujemnego (czarnego) bieguna adaptera współosiowego. Włóż drugi koniec tego przewodu do zacisku GND jednostki akwizycji i sterowania danymi, a następnie zabezpiecz go za pomocą śrubokręta.
   10. Przymocuj jeden koniec zielonego przewodu łączącego (z rezystorem szeregowym) do dodatniego (czerwonego) zacisku adaptera współosiowego. Włóż drugi koniec tego przewodu łączącego do wolnego terminala AIN w jednostce akwizycji i kontroli danych.
   11. Zidentyfikuj dodatni przewód 1,000 µF kondensator (t. j.(dłuższą nóżkę) i przymocuj ten przewód do tego samego terminala AIN, co w kroku 2.2.9; upewnij się, że zarówno nóżka kondensatora, jak i przewód sygnałowy są mocno podłączone do terminala.
   12. Przymocuj ujemny przewód do 1,000 µF kondensator (t. j.(krótszą nóżkę) do tego samego zacisku GND, co w kroku 2.2.8.
3. Podłącz czujnik temperatury do jednostki kontroli i akwizycji danych, przytwierdzając przewody sygnałowy, uziemiający oraz zasilający sondy do wolnych zacisków AIN, GND i VS.

3. Konfiguracja akwizycji danych na żywo i pliku eksperymentalnego

UWAGA: Opisane tutaj oprogramowanie do akwizycji i sterowania danymi komunikuje się z jednostką akwizycji i sterowania danymi w celu monitorowania i rejestrowania danych z czujników w określonych przez użytkownika odstępach czasu. Poniższe instrukcje wyjaśniają, jak skonfigurować plik sterujący w tym oprogramowaniu, aby monitorować i zapisywać pH, temperaturę oraz światło. Instrukcje te dotyczą konkretnego oprogramowania oraz jednostki akwizycji i sterowania danymi wymienionych w sekcji materiałów. Dalsze instrukcje można znaleźć w instrukcjach obsługi produktów.

1. Podłącz jednostkę kontrolną i akwizycji danych do komputera znajdującego się w pobliżu zestawu doświadczalnego za pomocą kabla USB i pobierz wszystkie wymagane sterowniki.
2. Pobierz i uruchom oprogramowanie do kontroli i akwizycji danych.
3. Skonfiguruj „Konwersje” (Conversions) dla każdego czujnika w oprogramowaniu.
   UWAGA: Aby przekształcić fizyczny sygnał napięcia w znaczącą wartość, należy zastosować odpowiedni współczynnik konwersji ustalony podczas kalibracji. Wiele czujników posiada fabryczne współczynniki kalibracji, które znajdują się w arkuszach specyfikacji konkretnego produktu. Równania konwersji są specyficzne dla danej konfiguracji i czujników. Wiele parametrów równań konwersji, zwłaszcza w przypadku elektrod, musi być regularnie aktualizowanych poprzez kalibrację. Okres użytkowania czujnika i częstotliwość kalibracji zależą od specyfikacji produktu oraz środowiska pracy.
   UWAGA: Użytkownicy powinni w pełni przeczytać i zrozumieć te specyfikacje. Tabela 1 przedstawia konwersje dla czujników wymienionych na liście materiałów. Poniżej pokazano przykładową konwersję dla sondy temperatury.
   1. Przejdź do sekcji „Conversions” w obszarze roboczym oprogramowania, znajdującej się po prawej stronie strony głównej.
   2. Dodaj nazwę konwersji, np. „volts_to_celsius” i wpisz równanie konwersji: (55.56 x value) + 255.37 - 273.15.

Nazwa kanału	Nazwa konwersji	Równanie	Uwagi
Temperatura	wolty_na_celsjusze	(55,56 x wartość) + 255,37 - 273,15	Równanie konwersji producenta służące do przeliczenia woltów na stopnie Celsjusza.
Światło	volty_na_PPFD	wartość x 500	współczynnik konwersji producenta służący do przeliczania wartości napięcia (w woltach) na gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznych (µmol m-2s-1), nie zastosowano korekcji LED producenta.
pH	wolty_na_pH	(-17,05 x wartość) + 6,93	Równanie konwersji zależne od kalibracji (Rysunek 4b), służące do przeliczania odczytów napięcia elektrody pH na wartości pH. Konwersję kanału pH należy stosować wyłącznie po przeprowadzeniu kalibracji.

Tabela 1: Tabela konwersji kanałów dla pliku akwizycji danych.Przykłady wprowadzania informacji o kanałach i konwersji dla czujników do oprogramowania do akwizycji danych.

4. Skonfiguruj odpowiednie Kanały (Channels) dla każdego czujnika w oprogramowaniu, aby móc pozyskiwać dane z czujników.
   UWAGA: Każdy czujnik wymaga osobnego kanału analogowo-cyfrowego w oprogramowaniu oraz wyznaczonego wejścia analogowego w jednostce akwizycji danych i sterowania. 
   1. Przejdź do strony „Channel” (Kanał) w oprogramowaniu.
   2. Wprowadź nazwę kanału czujnika. Nie wolno używać znaków odstępu.
   3. Wybierz odpowiednie urządzenie do zbierania danych dla danego kanału; urządzenie to musi odpowiadać urządzeniu akwizycyjnemu.
   4. Wprowadź numer urządzenia służący do identyfikacji jednostki akwizycji danych i sterowania lub innego urządzenia akwizycyjnego; jeśli używana jest tylko jedna jednostka, numer domyślny to zazwyczaj zero.
   5. Dla typu wejścia-wyjścia („I/O Type”) wybierz konwerter analogowo-cyfrowy „A to D” i wprowadź numer kanału odpowiadający numerowi terminala AIN w jednostce akwizycji danych i sterowania.
   6. Wprowadź pożądany czas próbkowania „Timing” (s); wartość ta określa częstotliwość odczytu sygnału z czujnika. Wprowadź 1.0, aby uzyskać odczyt co 1 s. Aby uśrednić dane w interwałach 1-minutowych przed zapisem, zaznacz pole „Avg” i określ wartość 60 dla długości uśredniania.
   7. Jeśli dotyczy, wybierz odpowiednią konwersję z menu rozwijanego (patrz krok 3.3 w celu wygenerowania konwersji); w przeciwnym razie wszystkie dane z kanałów będą wyświetlane/rejestrowane jako napięcie.
5. Skonfiguruj „Zestaw rejestracji” (Logging Set), aby zapisywać dane eksperymentalne.
   1. Przejdź do „Panelu rejestracji” (Logging Panel) w obszarze roboczym oprogramowania, dodaj nowy zestaw rejestracji i odpowiednio go nazwij. Wybierz typ i lokalizację pliku wyjściowego; typ pliku ASCII zapewni plik wartości rozdzielonych przecinkami, jeśli w nazwie pliku wyjściowego zostanie określone rozszerzenie „.csv”.
   2. Dodaj do tego zestawu wszystkie kanały, z których dane mają być rejestrowane.
   3. Uruchamiaj i zatrzymuj rejestrację według uznania, klikając prawym przyciskiem myszy na sekwencji rejestracji w obszarze roboczym i wybierając odpowiednią opcję.
      UWAGA: Nie próbuj otwierać pliku podczas aktywnej rejestracji danych. Może to zakłócić proces zapisu. Lokalizacja plików rejestrowanych w sposób ciągły nie powinna znajdować się w katalogu chmury.
6. Skonfiguruj „Stronę” (Page), aby wyświetlać dane i wykresy.
   1. Przejdź do widoku „Pages” (Strony) w obszarze roboczym oprogramowania. Kliknij jedną z domyślnych pustych stron.
   2. Aby numerycznie wyświetlić odczyt z czujnika na stronie, dodaj do niej element wyświetlania „Variable Value” (Wartość zmiennej).
      1. Kliknij prawym przyciskiem myszy w dowolnym miejscu na pustej stronie, wybierz „Displays” (Wyświetlacze), a następnie kliknij opcję „Variable Value”; na ekranie pojawi się małe pole.
      2. Kliknij prawym przyciskiem myszy na nowo utworzonym polu i wybierz „Properties” (Właściwości). Wpisz podpis wyświetlacza (np. „Temperatura w reaktorze”), referencję kanału (np. „Temperature[0]”) oraz powiązaną jednostkę (np. „Celsius”). Kliknij „OK” i wróć do strony wyświetlania.
   3. Aby graficznie i w czasie rzeczywistym wyświetlać dane z czujnika, dodaj do strony wyświetlania wykres 2D.
      1. Kliknij prawym przyciskiem myszy w dowolnym miejscu na pustej stronie, wybierz „Graphs” (Wykresy), a następnie „2-D graphs”; na ekranie pojawi się mały wykres.
      2. Kliknij prawym przyciskiem myszy na nowo utworzonym wykresie i wybierz „Properties” (Właściwości). W zakładce „Traces” (Ślady) wpisz pożądaną nazwę kanału czujnika (np. „Temperature”) w polu „Y Expression:” i upewnij się, że w polu „X Expression:” wpisane jest „Time”. Kliknij „OK” i wróć do strony wyświetlania.

4. Kalibracja sondy pH

UWAGA: Kalibracja pH powinna być przeprowadzana przed każdym eksperymentem, w temperaturze planowanego doświadczenia, a konwersje kanału pH powinny być odpowiednio zaktualizowane. Odczyty elektrody pH mogą ulegać dryftowi podczas eksperymentów; aby określić zakres tego dryftu, należy powtórzyć proces kalibracji po uruchomieniu układu doświadczalnego i porównać odczyty. Elektrody pH powinny być prawidłowo przechowywane w odpowiednim roztworze do przechowywania przed i po badaniach, zgodnie z wytycznymi producenta.

1. Podłącz czujniki pH i temperatury zgodnie z opisem w kroku 2.
2. Zanurz zarówno elektrodę pH, jak i sondę temperatury w buforze kalibracyjnym pH 7.
3. Sprawdź wyświetlacz graficzny, aby upewnić się, że odczyt temperatury z sondy odpowiada temperaturze wymaganej do przeprowadzenia eksperymentów (krok 3.6.2.2).
4. Należy odczekać do stabilizacji napięcia wyjściowego elektrody pH (t.j. odczyty napięcia nie zmieniają się już w jednym kierunku). Należy użyć wyświetlacza graficznego, aby potwierdzić stabilizację.
5. Zapisz dane elektryczne dotyczące temperatury i pH do pliku (krok 3.5) przez 30–60 s. W trakcie tego procesu kanał pH nie powinien podlegać żadnym konwersjom ani uśrednianiu.
   Uwaga: Ponieważ elektrody pH są wrażliwe na zakłócenia elektryczne, w przypadku kanału pH korzystniejsze może być zastosowanie krótszego czasu akwizycji (tj. szybszego próbkowania) (np. „Timing” = 0,1 s).  Należy pamiętać, że krótszy czas próbkowania będzie wymagał większych zasobów obliczeniowych.
6. Powtórz kalibrację dla buforów 4 i 10. Potwierdź, że odpowiedź sensora mieści się w zakresie od -57 do -59 mV/pH (Rycina 3a).
7. Wygeneruj równanie konwersji poprzez wykreślenie wartości buforu pH w funkcji napięcia i dopasowanie linii (Rycina 3b). Zaktualizuj równanie konwersji zgodnie z opisem w kroku 3.3.
8. Zastosuj tę konwersję do kanału pH i zaktualizuj ustawienia kanału, aby uwzględnić uśrednianie zgodnie z wymaganiami rejestracji danych.

5. Przygotowanie fotobioreaktora (PBR) do eksperymentu z algami

UWAGA: Poniższe kroki dotyczą gatunku Dunaliella oraz wykonanego na zamówienie fotobioreaktora (PBR) przedstawionego na Rysunku 1. Co więcej, niniejsze instrukcje konfiguracji nie są zgodne z protokołami sterylnymi, ponieważ system ten nie został zaprojektowany w taki sposób.

1. Przygotować inokulum glonów oraz pożywkę do wzrostu, zgodnie z potrzebami eksperymentu i celami badawczymi.
2. Podłączyć przewody pomiaru pH i temperatury do jednostki akwizycji i sterowania danymi, zgodnie z opisem w krokach 2.2-2.3.
3. Zkalibrować i zaktualizować równanie konwersji dla kanału pH, zgodnie z opisem w krokach 3.3 i 4.

Rysunek 4: Schemat połączeń mieszadła. Ten schemat przedstawia sposób konfiguracji urządzenia mieszającego dla PBR z wykorzystaniem miniaturowego silnika z przekładnią, zasilacza oraz wydrukowanego w technologii 3D wirnika i wału. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

4. Ustaw fotobioreaktor (PBR) wewnątrz inkubatora z kontrolą temperatury wraz z akcesoriami i czujnikami. Wizualizację przedstawiono na Rysunku 4.
   1. Zainstaluj czujnik światła wewnątrz PBR, przeciągając przewód czujnika przez otwór w pokrywie, a następnie montując głowicę czujnika na uchwycie przedłużającym pokrywy za pomocą dołączonej śruby. Użyj gumowego korka lub przelotki, aby zapCięć ten otwór przed kontaktem z atmosferą.
   2. Zamontuj i zabezpiecz wirnik mieszadła na pokrywie PBR, umieszczając wał wirnika nad wałem miniaturowego silnika przekładniowego DC wewnątrz pokrywy PBR; zabezpiecz wał za pomocą śruby ustalającej i klucza imbusowego.
   3. Dodaj specyficzne dla alg pożywki wzrostowe, nałóż pokrywę i zabezpiecz ją śrubami. Umieść PBR wewnątrz inkubatora (ustawionego na 25 °C lub inną pożądaną temperaturę).
   4. Włóż sondę temperatury do wyznaczonego otworu i zabezpiecz ją w nim za pomocą gumowego korka.
   5. Zabezpiecz sondę pH w otworze pokrywy reaktora, używając mocowania z gwintem PG-13.5.
   6. Podłącz przewody czujnika światła do jednostki akwizycji danych, zgodnie z opisem w kroku 2.1.
5. Uruchom wirnik mieszadła z pożądaną prędkością.
   1. Ustaw regulowany zasilacz DC obok zestawu. Włącz zasilacz i dostosuj pokrętło napięcia, aż wartość napięcia wyniesie 0 V. Wyłącz zasilacz.
   2. Podłącz przewody zasilające silnik wirnika do dodatniego i ujemnego zacisku wyjściowego regulowanego zasilacza (Rysunek 5).
      OSTRZEŻENIE: Nigdy nie podłączaj i nie dotykaj przewodów lub obwodów pod napięciem. Przed podłączeniem jakichkolwiek przewodów upewnij się, że wszystkie zasilacze są wyłączone. Zawsze czytaj instrukcje/specyfikacje producenta, aby zapewnić kompatybilność między silnikiem, zasilaczem a przewodami.
   3. Włącz zasilacz i powoli zwiększaj napięcie, obracając pokrętło napięcia, aż do osiągnięcia pożądanej prędkości mieszania; oblicz prędkość mieszania, mierząc liczbę obrotów na minutę.

Rycina 5: Schemat eksperymentalnej konfiguracji reaktora. Wizualizacja eksperymentalnej konfiguracji PBR w inkubatorze z kontrolą temperatury. Układ ten obejmuje lampę do hodowli oraz PBR, z czujnikami i mieszadłem zamocowanymi w pokrywie PBR. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

6. Ustaw lampę do wzrostu roślin tak, aby oświetlała PBR.
   UWAGA: Aby uzyskać poziomy natężenia światła fotosyntetycznego wymagane dla tych badań nad Dunaliella, wybrano mocną lampę LED do wzrostu roślin emitującą światło w widmie niebieskim i czerwonym. Rozmiar i kształt oprawy oświetleniowej należy dobrać tak, aby światło równomiernie oświetlało powierzchnię padania PBR. Należy upewnić się, że inkubator może obsłużyć wewnętrzne źródło ciepła. Niedopełnienie tego wymogu może skrócić żywotność inkubatora i/lub spowodować uszkodzenia lub nadmierne nagrzanie wnętrza inkubatora.
   1. Wycentruj lampę do wzrostu roślin wzdłuż przedniej ścianki PBR. Upewnij się, że droga światła jest skierowana bezpośrednio na czujnik światła zamontowany z tyłu reaktora.
   2. Włącz światło i dostosuj jego natężenie w razie potrzeby, przesuwając lampę bezpośrednio w stronę reaktora lub w przeciwnym kierunku. Odczyty światła sprawdzaj na wyświetlaczu zmiennych czujnika.
7. Monitoruj i rejestruj dane z czujników przez 6 - 24 h, aby upewnić się, że odczyty światła, temperatury i pH wewnątrz PBR są stabilne i mieszczą się w żądanym zakresie. W razie potrzeby dokonaj korekty.
   UWAGA: Zakłócenia elektryczne często objawiają się skaczącymi, niestabilnymi odczytami i/lub gwałtownymi zmianami wartości, bez widocznych zmian w środowisku PBR.
8. Usuń gumowy korek z portu poboru próbek, aby dodać inokulum alg za pomocą pipety transferowej.
9. Pobieraj próbki i monitoruj warunki, aby upewnić się, że pozostają one w zakresie pożądanym dla eksperymentu.
   1. Pobieraj kultury do analizy w razie potrzeby z portu poboru próbek za pomocą pipety.
      UWAGA: Objętość próbki, częstotliwość oraz czas trwania eksperymentu będą zależeć od kroku 1.1.2.
   2. Monitoruj temperaturę wody wewnątrz PBR, sprawdzając wyświetlacz danych w oprogramowaniu i ręcznie korygując wartość zadania temperatury powietrza w inkubatorze, aby utrzymać stałą temperaturę wody.
      UWAGA: Sposób tej korekty zależy od instrukcji producenta inkubatora.
   3. Monitoruj i dostosuj pH wewnątrz PBR zgodnie z potrzebami, aby upewnić się, że pH pozostaje w zakresie przewidywanym dla eksperymentów.
      UWAGA: W tym przypadku pH było kontrolowane za pomocą elektrozaworu 12 V (normalnie zamknięty) podłączonego do zbiornika z CO2 (99.99%). Zawór otwierano w razie potrzeby, korzystając z funkcji sterowania jednostki akwizycji i kontroli danych oraz oprogramowania. Układ ten wymagał pomocniczej karty przekaźnikowej oraz modułów DC i został wdrożony przy użyciu specjalistycznego programowania komputerowego dostosowanego do konkretnych celów badawczych.

Wyniki

Dane z tego systemu monitorowania w czasie rzeczywistym ukazują dynamiczne środowisko hodowli alg w PBR w skali laboratoryjnej i podkreślają potrzebę monitorowania oraz kontrolowania systemu. Zapisane dane dotyczące temperatury (Rycina 6>) pokazują, w jaki sposób oświetlenie, temperatura powietrza w inkubatorze oraz rozpraszanie energii związane ze wzrostem alg mogą zmieniać temperaturę wewnątrz PBR i jak dane w czasie rzeczywistym mogą być wykorzystywane do korygowania ustawień temperatury inkubatora w razie potrzeby.

Natężenie światła mierzone w trakcie eksperymentu dodatkowo podkreśla dynamiczny charakter tego środowiska wzrostu. Jak zaobserwowano na Rysunku 7, odczyt czujnika światła, mierzony jako gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznych (PPFD; µE-m⁻²s⁻¹), wynosił ~100 PPFD przed dodaniem alg i spadł natychmiast do 85 PPFD po zaszczepieniu reaktora kulturą alg. Natężenie światła nadal spadało, osiągając mniej niż 5 PPFD w dniu 7. Ten spadek natężenia światła wynika ze wzrostu biomasy i liczby komórek oraz/lub ze zwiększonej absorpcji spowodowanej wyższą zawartością chlorofilu, co pokazuje, że algi pozostają aktywne do 7. dnia, mimo niskiego poziomu oświetlenia. Do wyciągnięcia dalszych wniosków wymagane są dodatkowe pomiary biologiczne.

Ciągle rejestrowane dane pH wykazują, że w ogólnym ujęciu pH było odpowiednio kontrolowane podczas tego eksperymentu przy zastosowaniu zaimplementowanego algorytmu sterowania pH (Rysunek 8). Dane te, prezentujące zarówno odczyty minutowe, jak i średnie godzinne, wykazują kilka kluczowych kwestii dotyczących hodowli alg oraz monitorowania pH w czasie rzeczywistym. Po pierwsze, pH wzrosło powyżej pożądanego punktu nastawy 7,6 natychmiast po zaszczepieniu PBR algami. Zmiana ta była spodziewana, ponieważ szczepionka dodana do PBR miała wartość pH wyższą od punktu nastawy, gdyż kolba użyta do namnożenia inokulum nie była poddana kontroli pH. Po drugie, te dane na żywo podkreślają, jak wrażliwe są elektrody pH na zewnętrzne zakłócenia elektryczne. Wrażliwość tę zauważono w postaci gwałtownego skoku wartości elektrod między 1. a 2. dniem. Te nagłe zmiany wartości pH zostały prawdopodobnie spowodowane zakłóceniami elektrycznymi pochodzącymi z elektrozaworu sąsiedniego zestawu eksperymentalnego. Zakłócenie elektryczne to przedwcześnie wywołało działanie algorytmu sterowania pH, prowadząc do wtrysku CO₂ do PBR. W rezultacie pH spadło poniżej pożądanego punktu nastawy. Wrażliwość elektrod pH może prowadzić do wystąpienia ekstremalnych wartości odstających i może potencjalnie zakłócać działanie systemów sterowania.

Rysunek 3: Przykładowe wykresy odpowiedzi na pH i kalibracji. (a) Przykładowy wykres odpowiedzi czujnika pH (b) Przykładowy wykres kalibracji czujnika pH wraz z równaniem służącym do konwersji. Analiza regresji wykazuje 95% przedział ufności. Słupki błędów nie są widoczne (błąd standardowy poniżej 0,03%). Wykresy te wskazują, że czujniki pH zostały podłączone prawidłowo, a ich sygnał był bardzo stabilny. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 6: Pomiary temperatury wewnątrz PBR podczas 7-dniowego eksperymentu.Ciemnoniebieskie punkty reprezentują średnie z danych z czujników w odstępach 1-godzinnych, a jasnoniebieskie punkty reprezentują odczyty z czujników pozyskane w ciągu 1 min (częstotliwość próbkowania 1 s, średnia długość 60) i przeliczone na temperaturę przy użyciu współczynników konwersji dostarczonych przez producenta. Czarne strzałki wskazują momenty, w których dostosowano ustawienie temperatury inkubatora, aby utrzymać temperaturę hodowli w okolicy 25 °C (pożądana wartość zadana jest oznaczona czerwoną, przerywaną linią). Wahania temperatury wynikają ze wzrostu alg oraz zmian temperatury w inkubatorze. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 7: Pomiary natężenia światła wewnątrz PBR podczas 7-dniowego eksperymentu. Ciemnoniebieskie punkty reprezentują średnie z 1 h danych z czujnika, a jasnoniebieskie punkty reprezentują odczyty z czujnika pozyskane w ciągu 1 min (częstotliwość próbkowania 1 s, średnia długość 60) i przeliczone na PPFD przy użyciu domyślnych fabrycznych wartości kalibracyjnych czujnika światła. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 8: Pomiary pH wewnątrz PBR podczas 7-dniowego eksperymentu. Ciemnoniebieskie punkty reprezentują średnie 1-godzinne z danych z czujników, a jasnoniebieskie punkty reprezentują odczyty z czujników rejestrowane co 1 min (czas akwizycji 0,1 s, średnia długość 600) i przeliczone na pH za pomocą równania konwersji ustalonego podczas kalibracji. pH utrzymywano w zakresie od 7,6 do 7,5 poprzez wtryskiwanie gazu CO₂ o stężeniu 99%. Czerwone, przerywane linie wskazują pożądany zakres pH. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Ten system PBR oferuje możliwość monitorowania i kontrolowania eksperymentów kinetycznego wzrostu glonów na skalę laboratoryjną, co pozwala na uzyskanie bardziej powtarzalnych wyników z testów eksperymentalnych stosowanych do ilościowego określania wzrostu. Jednak zrozumienie ograniczeń i niepewności pomiarów czujników ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że odczyty czujnika dokładnie odzwierciedlają warunki panujące w reaktorze. Zrozumienie to obejmuje podstawową wiedzę na temat zasad pomiaru związanych z czujnikami, procesu i częstotliwości kalibracji, niepewności pomiaru oraz tego, co czujnik może, a czego nie może mierzyć. Na przykład odpowiedź elektryczna dla opisanego tutaj czujnika światła nie jest równomiernie rozłożona w zakresie widma widzialnego i może być konieczne zastosowanie pewnych współczynników korekcyjnych do wyjścia czujnika, w zależności od tego, jak te dane czujnika będą analizowane.

Poziomy i wahania temperatury są również niezwykle ważne, ponieważ zmiany temperatury mogą drastycznie wpłynąć na reakcję czujnika. Zrozumienie potencjalnych zakłóceń, które mogą wpływać na odczyty czujników, jest również niezwykle ważne; zakłócenia te mogą być szumem elektrycznym otoczenia dochodzącym z budynku lub mogą wynikać ze środowiska pomiarowego (np . jony sodu mogą drastycznie wpływać na odczyty pH przy wartościach pH powyżej 10)¹². Co więcej, zanurzanie wielu sond w roztworze, zwłaszcza w roztworze soli o wysokim poziomie jonowym i przewodzącym, jest również potencjalnym źródłem zakłóceń. Elektrody mierzące pH (lub siłę jonową, rozpuszczony tlen, rozpuszczony CO₂ itp.) są szczególnie wrażliwe na zakłócenia elektryczne otoczenia i mogą być łatwo zakłócone. Kondycjonowanie sygnału stosowane do ochrony sygnału elektrody nie może zagwarantować, że inne czynniki nie będą zakłócać odczytów sondy. W ramach kontroli jakości należy używać innego sprzętu laboratoryjnego, takiego jak ręczna sonda pH, ręczny spektrometr i termometr, do weryfikacji odczytów czujnika i zapewnienia, że system jest skonfigurowany i działa prawidłowo.

Kolejnym ograniczeniem, którym należy się zająć, jest możliwy wpływ glonów i/lub środowiska hodowli na czujniki. Na przykład, jeśli szczątki glonów lub pęcherzyki zakryją receptor fotodiody czujnika światła, wpłynie to na odczyty. Podobnie, elektrody pH są niezwykle czułe i wymagają szczególnej ostrożności, aby zapewnić dokładne odczyty. Elektrody te działają poprzez pomiar różnicy napięcia na wewnętrznym złączu spowodowanej nagromadzeniem jonów H⁺ ; Uwodniona warstwa buforowa wewnątrz sondy jest wymagana do utrzymania dokładnych pomiarów¹². W zależności od warunków panujących w reaktorze, warstwa ta będzie się ścierać, a reakcja czujnika może się zmieniać w trakcie eksperymentu, gdy sonda jest zanurzona. We wstępnych testach napięcie wyjściowe pH nie odchyliło się o więcej niż ~0,2 jednostki pH w trakcie 20-dniowego eksperymentu, ale należy przeprowadzić dalsze oceny, aby scharakteryzować tę zmianę w odpowiedzi czujnika i ustalić maksymalny czas trwania eksperymentu, zwłaszcza jeśli potrzebne są drobne korekty/kwantyfikacje pH.

Wiele obecnych systemów PBR na skalę laboratoryjną zbudowanych do analizy wzrostu glonów nie monitoruje i nie kontroluje wewnętrznego środowiska hodowli tak ściśle, jak to konieczne, aby dostrzec, w jaki sposób różne czynniki wpływają na wzrost glonów, ponieważ konfiguracja systemów w ten sposób może być trudna. Protokół ten może ułatwić bardziej kontrolowane eksperymenty, podając instrukcje krok po kroku dotyczące konstruowania PBR z monitorowaniem w czasie rzeczywistym. Co więcej, te dane na żywo mogą być wykorzystane nie tylko do lepszej kontroli warunków eksperymentalnych, ale mogą być potencjalnie wykorzystane do oszacowania kinetyki wzrostu (np. odczyty gęstości optycznej jako odniesienie dla ogólnych wskaźników wzrostu).

Kontrolowane systemy eksperymentalne mogą pomóc w zwiększeniu powtarzalności badań nad glonami. Konfiguracje PBR na skalę laboratoryjną, które są monitorowane i kontrolowane, mogą zwiększyć wydajność eksperymentów poprzez zminimalizowanie niezamierzonych artefaktów w projekcie eksperymentalnym i mogą pomóc w postępie wysiłków na rzecz uczynienia biopaliw z alg zrównoważonym, alternatywnym źródłem paliw.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Odlewane arkusze akrylowe	McMaster Carr	8560K244	o grubości 7/8'', 12 x 36'', optycznie przezroczyste, rozmiar zakupionych arkuszy będzie zależał od wymiarów reaktora.
Cement akrylowy	McMaster Carr	7517A4	Scigrip plastikowy cement rurowy, #4SC niewybielający do akrylu. Nie jest potrzebne, jeśli do montażu PBR używane są uszczelki i.
Igła do aplikatora cementu akrylowego	McMaster Carr	75165A136	Igła do aplikatora cementu akrylowego, 25 Gauge, 1", Stal nierdzewna, Wyłożona PTFE.
Plastikowa butelka dozująca do cementu akrylowego	McMaster Carr	7544A67	Plastikowa butelka dozująca, rozmiar 2 uncji, opakowania po 5 sztuk.
Lepki cement akrylowy	McMaster Carr	7515A11	Scigrip plastikowy cement rurowy. Średnio mocny cement akrylowy do uszczelniania wszelkich szczelin w korpusie PBR.
Gwintownik z gwintem PG-13.5	McMaster Carr	2485A14	Może być używany do mocowania elektrody pH do pokrywy (jeśli dotyczy).
PBR i pokrywa	NCSU Precyzyjny warsztat mechaniczny	Karam Algae 3.2L Reactor E	Ten warsztat mechaniczny jest otwarty dla publiczności dla biznesu. Skontaktuj się z kierownikiem sklepu.
Czujnik pH	Hamilton	238643	EasyFerm Plus 120, autoklawowalny, moc miliwoltowa.
Czujnik światła	Apogee Instruments	SQ-225	Wzmocniony czujnik kwantowy do kalibracji elektrycznej 0-5 V, wodoodporny.
Czujnik temperatury	LabJack	EI1034	Wodoodporny czujnik temperatury ze stali nierdzewnej.
Przewód przetwornika pH z końcówką BNC	Sigma-Aldrich	HAM355173-1EA	Ten przewód będzie się różnić w zależności od typu sondy pH. Upewnij się, że przewód jest kompatybilny z sondą pH i ma końcówkę złącza BNC.
Przedwzmacniacz	Unity Gain Omega Engineering	PHTX-21	Wzmacniacz przetwarzania sygnału do elektrody pH potrzebnej do odczytów pH o wysokiej impedancji.
Adapter koncentryczny, BNC żeński-zaciskowy Amazon		SMAKN B00NGD5K80	Do podłączenia sygnału pH z przedwzmacniacza do mikrokontrolera.
Kondensator (1000 uF)	Amazon	Nichicon BCBI4950	Do filtra dolnoprzepustowego.
Rezystor (1000 omów)	Radio Shack	2711321	Do filtra dolnoprzepustowego.
Przewód połączeniowy	RadioShack	2781222	Do wykonywania filtrów dolnoprzepustowych, podłączania czujników do mikrokontrolera i okablowania silnika.
Rurka termokurczliwa	RadioShack	2781611	Do montażu filtra dolnoprzepustowego.
Jednostka akwizycji i sterowania	danymi LabJack	LabJack U6	Do przetwarzania sygnału elektrycznego z czujników i komunikacji z oprogramowaniem do akwizycji i sterowania danymi.
Oprogramowanie do akwizycji danych DAQFactory	DAQFactory	Express Release 5.87c Kompilacja: 2050	do pobrania za darmo, dla maksymalnie 10 kanałów.
Mini motoreduktor prądu stałego	McMaster Carr	6331K31	Silnik do wirnika mieszalnika.
Wirnik i wał	NIE DOTYCZY		NIE DOTYCZY Autorzy wiadomości e-mail dla plików 3D.
Zmienny zasilacz prądu stałego	Amazon	Tekpower HY1803D	Zmienny zasilacz prądu stałego, 0-18V @ 0-3A.
Lampa do uprawy	HydroGrow	SOL-1	Ten konkretny model nie jest już dostępny.
Inkubator	Thermo Scientific	Precision Model 818	Ten konkretny inkubator może wytrzymać wewnętrzne źródło ciepła, ponieważ sprężarki chłodzące tego urządzenia pracują bez przerwy, niezależnie od ustawienia temperatury.