Budowa i konfiguracja laboratoryjnego bioreaktora fotosyntetycznego glonów z monitorowaniem temperatury, światła i pH do testów wzrostu kinetycznego
14 czerwca 2017
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.
Ogólnym celem tej procedury jest zmontowanie bioreaktora fotosyntetycznego w skali laboratoryjnej z ciągłym światłem, pH i temperaturą, monitorującego eksperymenty z rozwojem glonów. Tak więc ilościowe określenie wzrostu glonów przy użyciu monitorowanej i kontrolowanej konfiguracji pozwala naukowcom lepiej ocenić wzrost glonów. To może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące tworzenia biopaliw na bazie glonów.
Główną zaletą tego podejścia jest to, że jest to konfigurowalna i potencjalnie bardziej przystępna cenowo konfiguracja do monitorowania eksperymentów ze wzrostem glonów w czasie rzeczywistym. Chcieliśmy opracować ten typ bioreaktora fotosyntetycznego, gdy zdaliśmy sobie sprawę, jak ważne jest utrzymanie kontroli nad dynamiczną kulturą i środowiskiem glonów. Regionalna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ wiele kroków jest trudnych do nauczenia, jeśli nie jesteś zaznajomiony z terminologią i praktykami elektrotechnicznymi.
Aby rozpocząć tę procedurę, skonstruuj PBR w skali laboratoryjnej. Określ rozmiar, kształt i konstrukcję korpusu i pokrywy PBR, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Za pomocą przewodu nadajnika podłącz wzmacniacz wzmocnienia jedności do sondy pH.
Następnie podnieś adapter koncentryczny, który ma dodatnie i ujemne zaciski portów. Podłącz adapter do drugiego końca wzmacniacza wzmocnienia jedności. Aby zrobić filtr dolnoprzepustowy, użyj ściągaczy izolacji, aby przeciąć dwa 15-centymetrowe kawałki zielonego przewodu połączeniowego i jeden 30-centymetrowy kawałek czarnego przewodu połączeniowego.
Zdejmij około 0,6 centymetra izolacji z jednego końca każdego z zielonych przewodów i z obu końców czarnego przewodu. Następnie odizoluj około 1,25 centymetra od drugiego końca zielonych przewodów. Ostrożnie owiń jedną nogę rezystora 1000 omów wokół 1,25-centymetrowego odcinka jednego z zielonych przewodów połączeniowych.
Owiń drugą nogę rezystora wokół 1,25-centymetrowego odizolowanego odcinka drugiego zielonego przewodu. Za pomocą lutownicy i lutu bezołowiowego nóżki rezystora do drutu. Pozwól lutowi ostygnąć przez dwie do pięciu minut.
Następnie przykryj rezystor i przylutowany drut czterocentymetrowym kawałkiem rurki termokurczliwej. Za pomocą opalarki przekręć rurkę termokurczliwą, upewniając się, że folia ściśle owija się wokół rezystora i przewodów. Następnie przymocuj jeden koniec czarnego przewodu połączeniowego do ujemnego zacisku adaptera koncentrycznego.
Włóż drugi koniec przewodu do jednego z zacisków uziemiających jednostki akwizycji danych i sterowania. Podłącz jeden koniec zielonego przewodu złącza do dodatniego zacisku adaptera koncentrycznego. Następnie włóż drugi koniec do wolnego zacisku wejść analogowych na jednostce akwizycji i sterowania danymi.
Włóż dodatni przewód kondensatora 1000 mikrofaradów do tego samego analogowego zacisku wejściowego. Przymocuj ujemny przewód kondensatora do tego samego zacisku uziemienia, który jest używany do czarnego przewodu połączeniowego. Następnie podłącz czujnik temperatury do jednostki akwizycji i sterowania danymi, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Po skonfigurowaniu akwizycji danych na żywo i pliku eksperymentalnego włóż zarówno elektrodę pH, jak i sondę temperatury do siódmego bufora kalibracji pH. Upewnij się, że roztwór ma żądaną temperaturę, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Po ustabilizowaniu się napięcia wyjściowego elektrody pH zapisz w pliku zarówno temperaturę, jak i dane elektryczne pH.
Upewnij się, że do kanału pH nie są stosowane żadne konwersje, a uśrednianie kanałów jest wyłączone. Powtórz kalibrację dla 4 i 10. Wygeneruj równanie konwersji, zgodnie z opisem w protokole tekstowym, i zaktualizuj to równanie w pliku eksperymentalnym.
Następnie zastosuj tę konwersję pH do kanału pH. Po przygotowaniu inokulum glonów i pożywki wzrostowej należy ustawić PBR w ramach przygotowań do eksperymentu. Przeciągnij przewód czujnika światła przez port pokrywy.
Następnie zamontuj głowicę czujnika światła na uchwycie przedłużającym pokrywę PBR. Następnie użyj gumowego korka, aby uszczelnić port pokrywy. Umieść wałek wirnika na wale mini motoreduktora prądu stałego, wewnątrz pokrywy PBR i zabezpiecz wał śrubą ustalającą i kluczem imbusowym.
Dodaj przygotowane podłoże do wzrostu glonów. Następnie umieść pokrywę na PBR i zabezpiecz ją. Umieścić w inkubatorze w temperaturze 25 stopni Celsjusza.
Włóż sondę temperatury do wyznaczonego portu, zabezpieczając ją gumowym korkiem. Następnie zamocuj sondę pH w gwintowanym uchwycie pokrywy reaktora PG 13.5. Upewnij się, że czujnik światła jest podłączony do jednostki akwizycji i sterowania danymi z filtrem dolnoprzepustowym, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Następnie włącz wirnik miksera do żądanej prędkości. Ustaw zmienny zasilacz prądu stałego obok PBR. Włącz zasilanie i wyreguluj napięcie, aż wartość napięcia wskaże zero woltów.
Następnie wyłącz zasilanie. Podłącz przewody zasilające silnika wirnika do dodatnich i ujemnych zacisków wyjściowych zasilacza o zmiennym zasilaniu. Włącz zasilanie i powoli zwiększaj napięcie, aż do osiągnięcia żądanej prędkości mieszania.
Następnie wyśrodkuj lampę do uprawy wzdłuż przedniej powierzchni PBR, upewniając się, że ścieżka światła jest zorientowana w kierunku czujnika światła. Włącz lampę do uprawy i dostosuj natężenie światła w razie potrzeby, przesuwając lampę w kierunku lub od reaktora. Monitoruj i rejestruj dane z czujnika przez sześć do 24 godzin, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.
Następnie za pomocą pipety transferowej dodać inokulum glonów przez port pobierania próbek. Po monitorowaniu warunków, aby upewnić się, że pozostają one w zasięgu, użyj pipety, aby usunąć kultury do analizy, w razie potrzeby, przez port pobierania próbek. Korzystając z wyświetlacza danych, monitoruj temperaturę wody.
Ręcznie dostosuj nastawę temperatury powietrza w inkubatorze, aby utrzymać stałą temperaturę wody. pH jest kontrolowane za pomocą 12-woltowego zaworu elektromagnetycznego, w linii ze zbiornikiem 99% CO2. Zawór jest otwarty przez jednostkę akwizycji danych i sterowania.
W tym badaniu skonstruowano bioreaktor fotosyntetyczny do monitorowania i kontrolowania eksperymentów z kinetycznymi wzrostami glonów na skalę laboratoryjną. Dane dotyczące temperatury logarytmu pokazują, w jaki sposób oświetlenie światłem, temperatura powietrza w inkubatorze i rozpraszanie energii związane ze wzrostem glonów mogą zmieniać temperaturę w bioreaktorze. Te dane w czasie rzeczywistym są wykorzystywane do dostosowywania elementów sterujących inkubatora, w razie potrzeby, w celu kontrolowania dynamiki, kultury i środowiska.
Zmierzone światło dodatkowo podkreśla dynamiczny charakter tego rosnącego środowiska. Podczas gdy odczyt czujnika światła wynosi około 100 PPFD, przed glonami natychmiast spada do 85 po zaszczepieniu reaktora. Światło nadal słabnie, osiągając mniej niż pięć PPFD, w siódmym dniu.
Spadek natężenia światła może być spowodowany wzrostem biomasy i liczby komórek lub wzrostem absorpcji ze względu na zwiększoną zawartość chlorofilu. W obu scenariuszach pokazuje to, że glony są nadal aktywne do siódmego dnia, pomimo słabego poziomu światła. Stale rejestrowane dane pokazują, że ogólnie pH jest odpowiednio kontrolowane przy użyciu zaimplementowanego algorytmu sterowania.
Chociaż spodziewany jest wzrost pH natychmiast po zaszczepieniu PBR algami, jest on szybko kontrolowany przez system. Jednak dane na żywo podkreślają, jak wrażliwe są elektrody pH na zewnętrzne zakłócenia elektryczne, które mogą prowadzić do skrajnych wartości odstających i potencjalnie zakłócać działanie systemów sterowania. Chociaż ta metoda jest stosowana w przypadku PBR glonów, te techniki monitorowania na żywo można również zastosować do innych reaktorów mikrobiologicznych, które wymagają monitorowania pH i/lub temperatury.
Po skonstruowaniu PBR i zakończeniu akwizycji danych powinno być możliwe skonfigurowanie PBR do monitorowania na żywo w celu eksperymentu w ciągu jednej do dwóch godzin. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o przeczytaniu i zrozumieniu zasad pomiaru, sposobu działania czujników oraz walidacji pomiarów za pomocą innych urządzeń przenośnych. Aby postępować zgodnie z tą procedurą, do konfiguracji PBR można dodać inne ulepszenia, takie jak automatyczna kontrola pH.
Instrukcje te stanowią podstawę dla struktury pozyskiwania danych, wymaganej przed wdrożeniem tych bardziej wyrafinowanych kontrolnych sprzężeń zwrotnych. Nie zapominaj, że praca z elektrycznością, jonami fluoru i silikonem akrylowym może być niezwykle niebezpieczna. Dlatego zawsze należy podejmować środki ostrożności.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie zmontować i skonfigurować PBR w skali stołowej do monitorowania pH, temperatury i światła na żywo.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia montaż i eksploatację laboratoryjnego fotobioreaktora zaprojektowanego do eksperymentów nad wzrostem alg. Bioreaktor w sposób ciągły monitoruje pH, światło oraz temperaturę, co ułatwia ocenę kinetyki wzrostu alg.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Fotobioreaktory
- Kinetyka wzrostu alg
- Produkcja biopaliw
Wstęp
- Bioreaktory fotosyntetyczne są niezbędne do badania wzrostu alg.
- Utrzymanie kontroli nad warunkami środowiskowymi jest kluczowe dla uzyskania dokładnych pomiarów.
- Konfigurowalne układy mogą zwiększyć dostępność eksperymentalną pod względem kosztów.
- Zrozumienie wzrostu alg jest istotne dla rozwoju technologii biopaliw.
Cel badania
- Opracowanie bioreaktora umożliwiającego monitorowanie wzrostu alg w czasie rzeczywistym.
- Skuteczna kwantyfikacja parametrów wzrostu alg.
- Przedstawienie praktycznego przewodnika budowy fotobioreaktora.
Zastosowane metody
- Montaż laboratoryjnego fotobioreaktora.
- Integracja czujników do monitorowania pH, światła i temperatury.
- Kalibracja czujników i rejestracja danych do analizy eksperymentalnej.
- Korekty warunków środowiskowych w czasie rzeczywistym podczas eksperymentów.
Główne wyniki
- Bioreaktor skutecznie monitorował wzrost glonów w kontrolowanych warunkach.
- Pozyskanie danych wykazało związek między czynnikami środowiskowymi a wzrostem glonów.
- Monitorowanie w czasie rzeczywistym ułatwiło terminowe wprowadzanie korekt w celu utrzymania optymalnych warunków wzrostu.
Wnioski
- Opracowany bioreaktor stanowi cenne narzędzie w badaniach nad wzrostem alg.
- Ciągły monitoring zwiększa dokładność oceny wzrostu.
- Metoda ta może wspierać postępy w dziedzinie biopaliw opartych na algach.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ustanowienie kontrolowanych systemów hodowli mikroalg jest kluczowe dla rozwoju procesów wytwarzania biopaliw i bioproduktów. Monitorowanie pH, temperatury i światła w czasie rzeczywistym umożliwia dokładne określenie parametrów kinetycznych, co wspiera modelowanie predykcyjne i dobór szczepów. To podejście w skali laboratoryjnej zapewnia kosztowo efektywną i konfigurowalną platformę do wczesnych etapów odkryć oraz ograniczania ryzyka mechanistycznego w fotosyntetycznych systemach produkcyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie reakcji wzrostu alg na zmienne środowiskowe w celu wyjaśnienia szlaków metabolicznych oraz oceny celów funkcjonalnych.
- Wartość operacyjna: Wspiera powtarzalne generowanie danych kinetycznych w kontrolowanych warunkach, redukując zmienność w badaniach przesiewowych na wczesnym etapie.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza ilościowych danych w czasie rzeczywistym dotyczących szybkości wzrostu, wykorzystania światła i stabilności pH w celu standaryzacji analizy.
- Wartość operacyjna: Umożliwia skalowalne przygotowanie zwalidowanych układów biologicznych do późniejszej oceny związków lub szczepów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Utrzymuje warunki hodowli istotne dla przebiegu choroby, aby zapewnić ciągłość procesu od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju skorygowanych o ryzyko poprzez powiązanie kontroli środowiskowej z wydajnością i spójnością biomasy.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywania leków, zapewniając kontrolowane systemy hodowli, które wspierają identyfikację związków wiodących oraz rozwój przedkliniczny poprzez dostarczanie wiarygodnych danych dotyczących kinetyki wzrostu i odpowiedzi na bodźce środowiskowe.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących mechanizmów wzrostu glonów i modulacji szlaków w określonych reżimach świetlnych, pH i temperatury.
- Przesiewanie: Zapewnia zestandaryzowane, powtarzalne warunki hodowli z ilościowymi wynikami, co pozwala na wiarygodne porównanie szczepów lub warunków.
- Analityka: Generuje ciągłe, rejestrowane dane z czujników, umożliwiając analizę statystyczną kinetyki wzrostu i interakcji środowiskowych.
- Badania translacyjne: Łączy kontrolę w skali laboratoryjnej z ciągłością przedkliniczną poprzez zapewnienie spójnych, skalowalnych warunków hodowli.
- Wykorzystanie w skali przedsiębiorstwa: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do iteracyjnego testowania różnych szczepów, pożywek i parametrów środowiskowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną modeli wzrostu alg poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej dzięki kontroli środowiskowej w czasie rzeczywistym.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność eksperymentów z hodowlą mikroalg.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w procesach rozwoju biopaliw i bioproduktów poprzez umożliwienie wyboru szczepów i warunków w oparciu o dane.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko dzięki dokładnym danym dotyczącym wydajności wzrostu w konkretnych warunkach.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy w zakresie integracji czujników, systemów akwizycji danych oraz podstaw elektroniki w celu przeprowadzenia konfiguracji i kalibracji.
- Zależność od kompatybilności czujników analogowych, oprogramowania do rejestracji danych oraz stabilnej infrastruktury zasilania i kontroli środowiskowej.
- Konieczność uzgodnienia protokołów danych, standardów kalibracji i wartości zadanych dla środowiska między zespołami w celu uzyskania powtarzalnych wyników.
- Uwzględnienie kwestii adaptacji przy rozszerzaniu metody na inne szczepy alg, pożywki wzrostowe lub geometrie naczyń.
- Ograniczenie wynikające z częstotliwości ręcznej kalibracji i potencjalnego dryftu czujników, co wymaga okresowej walidacji przy użyciu urządzeń przenośnych.
