Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

إنشاء وتركيب مقياس حيوي مفاعل حيوي متعدد الطحالب مع درجة الحرارة والضوء ودرجة الحموضة رصد اختبارات النمو الحركية

Published: June 14, 2017 doi: 10.3791/55545
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 1
1Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering, North Carolina State University, 2Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University

Summary

وتصف هذه الورقة عملية التجميع وتشغيل مفاعل حيوي ضوئي يمكن استخدامه، بالاقتران مع أساليب أخرى، لتقدير بارامترات النمو الحركي ذات الصلة. هذا النظام يراقب باستمرار الرقم الهيدروجيني، والضوء، ودرجة الحرارة باستخدام أجهزة الاستشعار، والحصول على البيانات وحدة التحكم، وبرامج الحصول على البيانات مفتوحة المصدر.

Abstract

إن التصميم الأمثل والتشغيل الأمثل للمفاعلات الحيوية التمثيلية لزراعة الميكروغرال أمر ضروري لتحسين الأداء البيئي والاقتصادي لإنتاج الوقود الحيوي القائم على الطحالب الدقيقة. النماذج التي تقدر النمو الجزئي في ظروف مختلفة يمكن أن تساعد على تحسين تصميم بر وتشغيلها. ولكي تكون فعالة، يجب تحديد معايير النمو المستخدمة في هذه النماذج بدقة. وغالبا ما تقيد تجارب نمو الطحالب بالطبيعة الدينامية للبيئة الثقافية، وهناك حاجة لأنظمة التحكم لتحديد المعلمات الحركية بدقة. الخطوة الأولى في إعداد تجربة دفعة تسيطر عليها هو حيازة البيانات الحية والرصد. هذا البروتوكول يحدد عملية لتجميع وتشغيل مفاعل حيوي الضوئي على نطاق مقاعد البدلاء التي يمكن استخدامها لإجراء تجارب النمو ميكروغرغال. يصف هذا البروتوكول كيفية حجم وتجميع لوحة مسطحة، بر على نطاق مقاعد البدلاء من الاكريليك. كما أنها تفصل كيفية تكوينإعادة بر مع المستمر درجة الحموضة، والضوء، ودرجة الحرارة الرصد باستخدام وحدة الحصول على البيانات والتحكم، وأجهزة الاستشعار التناظرية، وبرامج الحصول على البيانات مفتوحة المصدر.

Introduction

وبسبب المخاوف المتزايدة بشأن تغير المناخ العالمي وموارد الوقود الأحفوري المحدودة، تقوم الحكومات بوضع سياسات للحد من استهلاك الوقود الأحفوري وتشجيع تطوير أنواع جديدة من وقود النقل المستدام. وقد وضعت وكالة حماية البيئة في الولايات المتحدة معيار الوقود المتجددة (رفس)، الذي يتطلب أن 36 من 140 مليار غالون السنوية من مزيج الوقود النقل الأمريكية تأتي من مصادر الوقود المتجددة بحلول عام 2022. سوف تكون التكنولوجيات المبتكرة والتحويلية اللازمة لتلبية هذه و معايير الطاقة المتجددة في المستقبل 1 .

إن استخدام الوقود الحيوي القائم على الطحالب الدقيقة لديه القدرة على المساعدة في تلبية الطلب على الطاقة الوطنية مع تقليل انبعاثات غازات الدفيئة 2 . والوقود الحيوي القائم على الطحالب الدقيقة له مزايا عديدة مقارنة بالجيل الأول من الوقود الحيوي استنادا إلى المحاصيل الغذائية الأرضية مثل الذرة وفول الصويا. خلافا للجيل الأول من الوقود الحيوي، الطحالب بحيث يستهلك الوقود الحيوي أقل كمية من الأراضي والمياه والموارد ذات الصلة بالأغذية، حيث يمكن زراعة الطحالب على مدار السنة وعلى الأراضي الجرداء التي تستخدم المياه المالحة أو مياه الصرف الصحي. الطحالب الدقيقة لديها معدلات نمو عالية مقارنة المحاصيل الأرضية ويمكن أن تتراكم مستويات عالية من الدهون، والتي يمكن تحويلها بسهولة إلى وقود الديزل الحيوي 3 . وفي الوقت الراهن، لا توجد مصانع على نطاق صناعي من الطحالب إلى الوقود الحيوي بسبب ارتفاع تكاليف عمليات الإنتاج كثيفة الاستهلاك للطاقة، والتي تتكون من زراعة الطحالب، وفصل الدهون، وتكرير الدهون في وقود الديزل الحيوي. ويلزم إجراء المزيد من البحوث لجعل هذه العمليات أكثر كفاءة واستدامة.

وتعتبر بر، التي هي واضحة بصريا، المنشآت المغلقة لإنتاج الكائنات الحية الدقيقة فوتوتروفيك في بيئة اصطناعية، واحدة من أكثر الطرق الواعدة زراعة 3 . ومع ذلك، فإن التصاميم الحالية لا تزال تفتقر إلى الإنتاجية الحجمية اللازمة لجعل إنتاج الطحالب إلى الوقود الحيويإس أكثر كفاءة وجاذبية اقتصاديا 4 . النماذج الرياضية القوية التي تأخذ في الاعتبار الإشعاع الخفيف والتوهين، ونقل المواد الغذائية و CO2، ونمو الطحالب الدقيقة يمكن أن يسهل إلى حد كبير تحسين تصميم بر وتشغيلها. ويلزم إجراء تجارب نمو على نطاق المقياس لتحديد بارامترات النمو الخاصة بالنوع بالنسبة إلى نماذج التحسين هذه.

الاختبارات الحركية تتطلب الرصد الدقيق والسيطرة على الاجهزة التجريبية لمنع مثبطات غير مقصودة للنمو. وبالنظر إلى طبيعة التمثيل الضوئي للطحالب ( أي استهلاكها من ثاني أكسيد الكربون وامتصاص الضوء)، فإن الحفاظ على الظروف الخاضعة للرقابة أمر صعب بوجه خاص في عمليات بر على نطاق المقعد. كما هو مبين في المعادلة 1 ، وكمية من ثاني أكسيد الكربون المذاب في وسط النمو، وعادة ما يشار إليها باسم معادلة ( المعادلة 2 )، على الأقل، أوظيفة: 1) الضغط الجزئي كو 2 والتوازن هنري، الذي يملي كمية الغاز التي سوف تذوب في حل ( المعادلة 3 ). 2) التركيب الكيميائي الأولي لمتوسط ​​النمو، مما يؤثر على انماء ونشاط أيونات الكربونات ودرجة الحموضة ( المعادلات 4 و 5 )؛ و 3) درجة الحرارة، مما يؤثر على المعادلات 3-5 5 .

معادلة
معادلة
معادلة
معادلة
معادلة

إن المراحل المختلفة والكيميائية من الكربون خلق تحديا لقياس والحفاظ على تركيز الكربون المذاب ثابت داخل بر وي(على سبيل المثال، يزيد الرقم الهيدروجيني مع الطحالب تستهلك ثاني أكسيد الكربون، وزيادة الركيزة ثاني أكسيد الكربون المذاب يمكن أن يؤدي إلى بيئة حمضية التي تمنع النمو) 6 .

طبقة إضافية من التعقيد للسيطرة على الظروف أثناء الاختبارات الحركية الطحالب ينطوي على شدة الضوء داخل بر. متوسط ​​شدة الضوء داخل بر هو وظيفة ليس فقط كثافة الضوء الساقط، ولكن أيضا التصميم (على سبيل المثال، المواد والشكل والعمق، والاختلاط)، وامتصاص مكونات الكتلة الحيوية الطحلبية (وخاصة الكلوروفيل) نثر خصائص الخلايا الطحالب. كما تنمو الطحالب، فإن متوسط ​​شدة الضوء تنخفض. هذا التغيير في شدة الضوء، سواء الناجمة عن زيادة في إجمالي الخلايا والكتلة الحيوية، وزيادة في محتوى الكلوروفيل في الخلية، أو كليهما، يمكن أن تحفز في نهاية المطاف الاستجابة الأيضية، مثل زيادة في بروتين الكلوروفيلكتيون لكل خلية أو استخدام الكربوهيدرات والدهون تخزين المنتجات للطاقة 7 . ويوفر الرصد المستمر لشدة الضوء من داخل المفاعل معلومات لا تقدر بثمن. ويمكن أن تساعد هذه البيانات في ضمان بقاء الظروف ضمن نطاق محدد، ويمكن استخدامها للمساعدة في تقدير نمو الطحالب ومعلمات الامتصاصية إذا ما تم دمجها مع قياسات أخرى ( أي الكتلة الحيوية، وتركيز الكلوروفيل، وعمق المفاعل، والضوء الحادث، وما إلى ذلك ).

فهم كيفية نمو الطحالب تحت مجموعة محددة من الظروف يتطلب أن يتم رصد الرقم الهيدروجيني، ذوبان كو 2 ، شدة الضوء، ودرجة الحرارة في التجارب الحركية على نطاق مقاعد البدلاء. العديد من الإعدادات الطحالب النمو ليست مجهزة لمراقبة الظروف إلى الحد المطلوب لمعايرة النماذج الحركية، مما يجعل عملية النمذجة صعبة للغاية 8 . على الرغم من أن العديد من الشركات تقدم مقاعد بر على نطاق واسع مع الأتمتة والسيطرة، وهذه مقاعد البدلاءيمكن أن تكون الأجهزة الإلكترونية مكلفة للغاية (~ 20،000 دولار أمريكي) وقد لا تستوعب جميع الاعتبارات التجريبية لمسألة بحثية معينة.

الخطوة الأولى في إنشاء نظام مراقبة ردود الفعل لتجربة الدفعة هي الحصول على البيانات الحية. وتهدف هذه الورقة إلى إظهار كيفية بناء وإنشاء بر على نطاق مقاعد البدلاء مجهزة ضوء المستمر، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة الرصد. هذا الإعداد رصد في الوقت الحقيقي يمكن أن تساعد على ضمان أن تبقى الظروف التجريبية ضمن النطاقات المطلوبة، وفقا لتقدير الباحث. في حين أن هذا البروتوكول لا تفاصيل آليات مراقبة محددة، وهذه التعليمات خطوة بخطوة توفر الأساس الأساسي لإطار الحصول على البيانات المطلوبة قبل تنفيذ التغذية المرتدة السيطرة أكثر تطورا.

Protocol

1. إنشاء مقعد على نطاق مقعد الجسم والغطاء

ملاحظة: لأغراض التوضيح ، دوناليلا سب. ، ~ 10 ميكرون الطحالب الدقيقة هالوتوليرانت تفتقر إلى جدار الخلية، وكان يستخدم كائن حي نموذج لبناء هذا بر.

  1. تحديد حجم بر المطلوبة للاحتياجات البحثية.
    1. تحديد الأهداف التجريبية لهذا بر.
    2. تقرر أي المقايسات قياس الطحالب، M ، ضرورية لتوصيف نمو أنواع الطحالب من الفائدة، بما في ذلك حجم المطلوبة لكل فحص، v . عدد المكررات التقنية، n ؛ تردد أخذ العينات، f ؛ ومدة التجارب، ر .
      ملاحظة: أسئلة البحث الخاصة بالمشروع، والأنواع الطحالب، والمعدات المتاحة تملي خصائص الطحالب قياسها، والأساليب المستخدمة لهذه القياسات، ومدى تكرار هذه القياسات. الكتلة الحيوية. عدد الخلايا؛ وإجماليكلوروفيل الصباغ والبروتين والدهون والكربوهيدرات، والقياسات تركيز نترات الخارجية هي طرق شائعة لتقييم النمو، وأخذ العينات اليومية أكثر من 5-14 يوما هو نهج مشترك لاختبارات النمو 9 ، 10 .
    3. احسب حجم الثقافة الكلية، V s ، المطلوب لأخذ العينات خلال تجربة واحدة باستخدام المعادلة 6 .
      معادلة
    4. استخدم المعادلة 7 لتقدير حجم بر المستهدف، p p ، باستخدام V s من الخطوة 1.1.3 والحد الأقصى لجزء إزالة الحجم، F.
      معادلة
      ملاحظة: إزالة أقل من جزء محدد مسبقا من إجمالي حجم الثقافة (على سبيل المثال، ~ 20٪) يمكن أن تساعد على ضمان أن الشروط داخل بر أي (قوة الخلط، وتوزيع الضوء، وما إلى ذلك ) لا جذريلي تختلف على مدار التجربة كما يتم إزالة حجم الثقافة.
      1. على افتراض تجربة لمدة 10 أيام حيث الكتلة الحيوية. عدد الخلايا؛ ويقاس الكلوروفيل الكلي والبروتين والدهون والكربوهيدرات، ونترات تركيزات يوميا في ثلاث نسخ، واستخدام حجم العينة الكلي من ~ 600 مل. إذا كانت تهدف إلى إزالة ما لا يزيد عن 18.75٪ من إجمالي حجم الثقافة، واستخدام مجموع حجم المفاعل العمل لا يقل عن 3.2 L.
  2. حدد أجهزة الاستشعار والملحقات للتجارب بر.
    1. حدد درجة الحموضة، الضوء، ودرجة الحرارة تحقيقات لاستخدامها لرصد مستمر.
      ملاحظة: يجب أن تكون أجهزة الاستشعار متوافقة مع وحدة الحصول على البيانات ويجب أن تحمل ظروف الثقافة الداخلية ( أي مدى درجة الحموضة، وعلى ضوء، والحرارة، الحطام الطحالب والملح، وما إلى ذلك ). تم اختيار تحقيقات الفولاذ المقاوم للصدأ والملح هنا منذ دناليلا سب. هي الطحالب الدقيقة البحرية.
    2. حدد تصميم المكره والحركية لتلبية السابقينمتطلبات الخلط.
      ملاحظة: على سبيل المثال، المنخفضة-- القص، المكره محوري هو خيار جيد ل دوناليلا الطحالب، لأنها تفتقر إلى جدار الخلية ويمكن بسهولة القص 11 . هذه الطحالب لديها تحرك فلاجيلار ولا تحتاج إلى خلط مكثفة 11 . يمكن تحقيق سرعات خلط منخفضة باستخدام محرك صغير 12 فولت. المكره و رمح يمكن 3d مطبوعة (3d الطباعة المعلومات يمكن العثور في قائمة المواد).
  3. تجميع الجسم بر والغطاء.
    1. تحديد أبعاد المفاعل، استنادا إلى حسابات حجم في الخطوة 1.1، مع الأخذ في الاعتبار الأهداف التجريبية والقيود المحتملة (على سبيل المثال، الفضاء).
      ملاحظة: يفضل تصميم بر مع نسبة سطح إلى حجم أقل، حيث يقلل هذا الشكل من توهين الضوء في جميع أنحاء بر، وتوفير توزيع ضوء أكثر اتساقا طوال التجربة.
    2. قطع خمس قطع من الصب واضح بصرياالاكريليك ورقة (~ 0.25-0.5 في سميكة) باستخدام منشار الجدول، وفقا لتصميم بر وحجم وضعت في الخطوة 1.3.1.
    3. تأكد من أن حواف مشتركة يتم تمهيد، ولكن لا تقريب، وذلك باستخدام 200-400 حصى الصنفرة.
    4. تأمين حواف قطع الاكريليك جنبا إلى جنب مع الشريط و / أو المشابك.
      ملاحظة: الاسمنت الاكريليك ليس الغراء. إذا كانت الأسطح الترابط الاكريليك الخام أو قطع الاكريليك ليست محاذاة بالتساوي، وهذا الاسمنت الترابط لن تكون فعالة.
    5. في منطقة جيدة التهوية، تطبيق الاسمنت الاكريليك على طول المفاصل باستخدام موزع إبرة. سوف السطوح البلاستيكية تلتزم فورا معا. السماح القطع للجلوس لمدة 24 ساعة.
      تحذير: يجب ارتداء قناع وقفازات لتجنب استنشاق وتعرض الجلد عند استخدام الاسمنت الاكريليك.
    6. تطبيق الأسمنت الاكريليك اللزج إلى المفاصل للتأكد من أن بر هو ماء. ترك الاسمنت لتجف لمدة 24-48 ساعة، وفقا لتعليمات الاسمنت. قد تختلف أوقات التجفيف.
    7. املأمفاعل مع الماء للتحقق من تسرب مرئية. إذا لم تكن هناك تسريبات واضحة، ضع المفاعل على المناشف الورقية وأعيد فحص علامات التسرب بعد 24-36 ساعة.
      ملاحظة: ورقة الاكريليك لا تقل عن ~ 0.5 في سميكة ينبغي أن تستخدم لتجميع برز عقد أكثر من ~ 2 L؛ قد تنحني أوراق أرق تحت ضغط المياه وتسبب التسريبات. يمكن استخدام الحشيات وإعادة تثبيت مسامير كبديل أكثر قوة للاسمنت الاكريليك ( الشكل 1 ). هذا النوع من التجمع يتطلب الآلات الدقيقة ويجب أن يتم بعناية فائقة، كما الاكريليك يمكن بسهولة الكراك.
    8. استخدام متجر آلة لتصميم غطاء بر، مع المنافذ لاستيعاب أجهزة الاستشعار وغيرها من الملحقات بر والاحتياجات ( أي المكره، وخطوط الغاز، ومنافذ أخذ العينات، وما إلى ذلك ). تأكد من أن المكونات الداخلية لا تتداخل مع بعضها البعض.
      ملاحظة: بر و بر التكوين / غطاء غطاء تعتمد على الملحقات المفاعل والأهداف التجريبية. انظر الشكل 1على سبيل المثال لمفاعل بر وتصميم غطاء (مزيد من التفاصيل يمكن العثور عليها في قسم المواد). سيتم الرجوع إلى هذا التصميم بر لبقية البروتوكول.

شكل 1
الشكل 1: صورة من إعداد مقعد مخصص بر الإعداد مع أجهزة الاستشعار وخلاط. هذا الإعداد يظهر خلاط، قطب الكهربائي المضمون للغطاء من خلال منفذ مترابطة في الغطاء، وجهاز استشعار الضوء تعلق على غطاء المصممة خصيصا. ويشمل هذا التصميم غطاء أيضا مرفق 12 فولت دس مصغرة والعتاد المحرك. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. إعداد وتهيئة أجهزة الاستشعار مع وحدة الحصول على البيانات والتحكم

ملاحظة: أجهزة الاستشعار تترجم التغييرات فيالعالم المادي إلى إشارة تناظرية قابلة للقياس، في كثير من الأحيان الجهد. وحدات الحصول على البيانات بمثابة واجهة بين العالم الرقمي والفيزيائي ويمكن استخدامها لقراءة هذه الإشارات التناظرية وتحويلها إلى قيم منفصلة، ​​وفقا للتعليمات من قبل الكمبيوتر. وحدة الحصول على البيانات الموصوفة هنا لديها قرار مدخلات تناظرية من 16 بت، ويمكن قراءة ما يصل إلى 14 إشارات التناظرية (± 10 V)، ويمكن توفير الطاقة المطلوبة من قبل بعض أجهزة الاستشعار (تصل إلى 5 V). توفر هذه التعليمات نظرة عامة حول كيفية إعداد وحدة الحصول على البيانات هذه وتحويلها لتحويل إشارة تناظرية إلى قيم أكثر وضوحا للضوء ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة داخل بر. هذه التعليمات لا تفصل المفاهيم الهامة ( أي التكميم، الدقة، زمن الاستجابة، وما إلى ذلك ) اللازمة لتفسير هذه القيم المقاسة بشكل كامل ولقياس عدم اليقين.

الشكل 2
الشكل 2: وحدة استشعار وحدة التحكم بالوصول إلى البيانات والتحكم فيها. ويبين هذا الرسم البياني كيفية إعداد درجة الحموضة، وعلى ضوء، وأجهزة استشعار درجة الحرارة إلى الحصول على البيانات وحدة التحكم المستخدمة لهذا البروتوكول. يتم عرض مكونات معالجة الإشارات لدرجة الحموضة ومستشعر الضوء. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. إعداد وتكوين جهاز استشعار الضوء مع الحصول على البيانات وحدة التحكم باستخدام مرشح تمريرة منخفضة.
    ملاحظة: يرجى الرجوع إلى الشكل 2 للمخططات المرجعية العامة. مواصفات جهاز استشعار الصانع تشير إلى الفرق بين إشارة، والطاقة، والأسلاك الأرضية على أساس اللون. مرشح تمرير منخفض هو دائرة بسيطة تستخدم المقاوم والمكثف لتصفية الضوضاء غير المرغوب فيها من الإشارات الكهربائية. هذا النوع من المرشحات يخفف الإشارات الكهربائية مع ترددات أعلى ثان تردد قطع كما يحددها المقاومة والسعة. هذا المرشح يساعد على إزالة أو سلاسة الضوضاء الكهربائية من إشارة الاستشعار.
    1. باستخدام المتعريات الأسلاك، وقطع ~ 2 بوصة قطعة من موصل موصل الأخضر. قطاع 0.25 في العزل من نهاية واحدة و ~ 0.5 في من الطرف الآخر من كلتا القطعتين.
    2. حدد سلك إخراج الإشارة التناظریة علی مستشعر الضوء. تأكد من أن ما لا يقل عن ~ 0.25-0.50 بوصة من الأسلاك المعدنية يتعرضون الماضي العزل الأسلاك.
    3. التفاف بعناية ساق واحدة من المقاوم 1000 around حول ~ 0.5 بوصة نهاية تجريده من سلك الموصل. التفاف الساق الأخرى من المقاوم حول القسم المكشوف من جهاز استشعار الضوء سلك إشارة التناظرية.
    4. استخدام لحام الحديد وخالية من الرصاص لحام لحام لحام الساقين إلى السلك. السماح لحام لتبرد لمدة 2-5 دقيقة.
      تحذير: لحام لحام الحديد الحصول على الساخن للغاية، ويمكن أن تكون خطيرة جدا إذا لم يتم تدريب المستخدمين بشكل صحيح. أشرطة الفيديو التعليمية يمكن العثور على الانترنت. نظارات السلامة والاحتياطات الأخرى هي في غاية الأهمية. يجب عدم توصيل الأسلاك بمصدر طاقة أو أجهزة أخرى أثناء هذه العملية.
    5. زلة ~ 1.5 بوصة قطعة من الحرارة يتقلص الأنابيب على طرف واحد من سلك موصل والانزلاق قطعة حتى يغطي الأسلاك ملحومة والمقاوم. تأكد من أن جميع القطع المعدنية مغطاة بالكامل.
    6. الحرارة يتقلص باستخدام بندقية الحرارة. تأكد من أن الأنابيب يلتف بإحكام حول المقاوم والأسلاك. لا ينبغي أن يتعرض سلك عارية.
    7. إرفاق سلك الأرض من جهاز استشعار الضوء إلى الأرض الحرة (غند) محطة على الحصول على البيانات وحدة التحكم باستخدام مفك البراغي.
    8. تأمين نهاية خالية من سلك موصل إشارة إلى مدخلات التناظرية الحرة (عين) محطة باستخدام مفك البراغي.
    9. تأمين الرصاص الموجب للمكثف 1000 μF ( أي، الساق أطول) إلى نفس محطة عين كما هو الحال في الخطوة 2.1.8 والرصاص السلبي ( أي الساق أقصر) إلى نفس محطة غند كما هو الحال في الخطوة 2.1.7.تأكد من أن كل من الساق مكثف والسلك ترتبط بقوة إلى المحطة.
    10. تحديد سلك مدخلات الطاقة لجهاز استشعار الضوء وتأمين هذا السلك إلى محطة امدادات التيار الكهربائي (فس) على الحصول على البيانات وحدة التحكم.
  2. إعداد وتكوين القطب درجة الحموضة مع وحدة الحصول على البيانات باستخدام مكبر وحدة مكسب ومرشح تمريرة منخفضة.
    ملاحظة: نظرا لطبيعة قياسات الرقم الهيدروجيني ( أي مقاومة عالية والجهد المنخفض)، وكثيرا ما يتطلب وحدة مكاسب عازلة تضخيم بين التحقيق الرقم الهيدروجيني وجهاز الحصول على البيانات. مرشح تمرير منخفض أيضا مفيد لقياس الرقم الهيدروجيني، لحماية إشارة من الضوضاء الكهربائية المحيطة.
    1. قم بتوصيل مكبر وحدة كسب إلى التحقيق الرقم الهيدروجيني باستخدام سلك الارسال.
    2. ربط المحوري المشارك المحوري، مع محطات الميناء الإيجابية والسلبية، إلى الطرف الآخر من مكبر وحدة مكسب.
    3. قطع اثنين 6-في قطعة من الأخضر و 1 ~ 12 بوصة بييسه من سلك موصل أسود باستخدام المتعريات الأسلاك. قطاع ~ 0.25 بوصة من العزل من طرفي سلك موصل أسود.
    4. قطاع ~ 0.25 بوصة و ~ 0.5 بوصة من العزل من نهايات الأسلاك موصل الأخضر باستخدام المتعريات الأسلاك.
    5. التفاف بعناية ساق واحدة من المقاوم 1000 around حول ~ 0.5 بوصة قسم جردت من واحد موصل الأسلاك الخضراء. التفاف الساق المقاوم الآخر حول ~ 0.5 بوصة قسم جردت من سلك موصل أخضر آخر.
    6. استخدام لحام الحديد وخالية من الرصاص لحام لحام لحام الساقين إلى السلك. السماح لحام لتبرد لمدة 2-5 دقيقة.
    7. زلة ~ 1.5 بوصة قطعة من الحرارة يتقلص الأنابيب على طرف واحد من سلك موصل والانزلاق قطعة حتى يغطي الأسلاك ملحومة والمقاوم. تأكد من أن جميع القطع المعدنية مغطاة بالكامل.
    8. الحرارة يتقلص باستخدام بندقية الحرارة. تأكد من أن البلاستيك يلتف بإحكام حول المقاوم والأسلاك؛ لا ينبغي أن يتعرض سلك عارية.
    9. تأمين نهاية واحدة من ج الأسودسلك موصل إلى سالب (أسود) آخر محطة على المحوري المشارك المحوري. إدراج الطرف الآخر من هذا السلك إلى محطة غند من الحصول على البيانات وحدة التحكم وآمنة باستخدام مفك البراغي.
    10. تأمين طرف واحد من سلك موصل الأخضر (مع المقاوم في سلسلة) إلى الإيجابية (الحمراء) آخر محطة على المحوري المشارك المحوري. قم بإدخال الطرف الآخر من سلك الموصل هذا في طرف آين مجاني على وحدة الحصول على البيانات والتحكم فيها.
    11. تحديد الرصاص الموجب للمكثف 1000 μF ( أي الساق أطول) وتأمين هذا الرصاص إلى نفس محطة عين كما هو الحال في الخطوة 2.2.9. تأكد من أن كل من الساق مكثف وسلك إشارة ترتبط بقوة إلى المحطة.
    12. تأمين الرصاص السلبي للمكثف 1000 μF ( أي الساق أقصر) إلى نفس محطة غند كما هو الحال في الخطوة 2.2.8.
  3. توصيل استشعار درجة الحرارة إلى الحصول على البيانات وحدة التحكم عن طريق ربط إشارة، الأرض، والسلطة ثإيريس من التحقيق لتحرير عين، غند، ومحطات فس.

3. إعداد اكتساب البيانات الحية والملف التجريبي

ملاحظة: الحصول على البيانات والتحكم البرمجيات الموصوفة هنا التواصل مع الحصول على البيانات وحدة التحكم لرصد وتسجيل بيانات الاستشعار في فترات زمنية محددة من قبل المستخدم. توضح الإرشادات أدناه كيفية إعداد ملف التحكم في هذا البرنامج لمراقبة وتسجيل الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة والضوء. هذه التعليمات هي محددة للبرنامج والحصول على البيانات وحدة التحكم المدرجة في قسم المواد. ويمكن الاطلاع على مزيد من التعليمات في أدلة المستخدم المنتج.

  1. ربط الحصول على البيانات وحدة التحكم إلى جهاز كمبيوتر بالقرب من الإعداد التجريبي باستخدام كابل أوسب وتحميل جميع السائقين المطلوبة.
  2. تحميل وفتح الحصول على البيانات والبرمجيات السيطرة.
  3. إعداد "التحويلات" لكل جهاز استشعار في البرنامج.
    ملاحظة: لتحويل فولت الماديةيجب أن يتم تطبيق بعض معامل التحويل، الذي تم إنشاؤه بواسطة المعايرة. العديد من أجهزة الاستشعار تأتي مع عوامل المعايرة مصنع وجدت داخل ورقة مواصفات المنتج محددة. معادلات التحويل محددة للإعداد وأجهزة الاستشعار. يجب تحديث العديد من معلمات معادلة التحويل، خاصة تلك المتعلقة بالأقطاب الكهربائية بشكل منتظم عن طريق المعايرة. يعتمد عمر جهاز استشعار ومعايرة التردد على مواصفات المنتج الخاص وبيئة العمل.
    ملاحظة: يجب على المستخدمين قراءة وفهم هذه المواصفات بالكامل. ويبين الجدول 1 تحويلات أجهزة الاستشعار الموجودة في قائمة المواد. ويرد مثال تحويل لمسبار درجة الحرارة أدناه.
    1. انتقل إلى "التحويلات" في مساحة عمل البرنامج، على الجانب الأيسر من الصفحة الرئيسية الرئيسية.
    2. أضف اسم تحويل، مثل "volts_to_celsius" واكتب معادلة التحويل: (55.56 x فالو) + 255.37 - 273.15.
اسم القناة اسم التحويل معادلة ملاحظات
درجة الحرارة volts_to_celsius (55.56 x فالو) + 255.37 - 273.15 تحويل تحويل المعادلة لتحويل فولت إلى مئوية.
ضوء volts_to_PPFD القيمة x 500 عامل تحويل الصانع لتحويل فولت إلى التمثيل الضوئي كثافة تدفق الفوتون (μmol م -2 ق -1 )، الشركة المصنعة ليد تصحيح لا تطبق.
الرقم الهيدروجيني volts_to_pH (-17.05 x قيمة) + 6.93 المعادلة تعتمد على المعادلة التحويل (الشكل 4B) لتحويل قراءات الجهد الكهربائي الرقم الهيدروجيني إلى قيم الرقم الهيدروجيني. تطبيق التحويل إلى قناة الرقم الهيدروجيني فقطفتر المعايرة.

الجدول 1: جدول تحويل القناة لملف الحصول على البيانات. أمثلة عن كيفية إدخال معلومات القناة والتحويل للمستشعرات في برامج الحصول على البيانات.

  1. إعداد القنوات المناسبة لكل جهاز استشعار داخل البرنامج للحصول على بيانات المستشعر.
    ملاحظة: يحتاج كل جهاز استشعار قناة التناظرية إلى الرقمية الخاصة بها في البرنامج ومحطة مدخلات التناظرية المعينة ضمن وحدة الحصول على البيانات والتحكم.
    1. انتقل إلى صفحة "القناة" داخل البرنامج.
    2. أضف اسم قناة جهاز استشعار. لا يسمح بوجود أحرف مساحة.
    3. حدد الجهاز المناسب لجمع البيانات للقناة المقابلة؛ وهذا الجهاز تتوافق مع جهاز الحصول على البيانات.
    4. إدخال رقم الجهاز المستخدمة للإشارة إلى الحصول على البيانات وحدة التحكم أو غيرهاجهاز الحصول على البيانات؛ إذا تم استخدام وحدة واحدة فقط، فإن الرقم الافتراضي غالبا ما يكون صفرا.
    5. حدد التناظرية إلى الرقمية، "من A إلى D"، لنوع الإدخال والمخرجات ("نوع الإدخال / الإخراج") وأدخل رقم القناة الذي يتوافق مع رقم المحطة الطرفية عين على وحدة الحصول على البيانات ووحدة التحكم
    6. إدخال العينات المطلوبة "توقيت" (ق)؛ تشير هذه القيمة إلى عدد مرات قراءة إشارة المستشعر. الإدخال 1.0 للحصول على قراءة كل 1 ثانية. لمتوسط ​​البيانات خلال فترات زمنية مدتها دقيقة واحدة قبل التسجيل، حدد المربع "متوسط" وحدد 60 لطول متوسط ​​الحساب.
    7. حدد التحويل المناسب من القائمة المنسدلة، إن أمكن (راجع الخطوة 3.3 لإنشاء التحويلات)؛ وإلا، سيتم عرض جميع بيانات القناة / سجلت كجهد.
  2. إعداد "تسجيل مجموعة" لتسجيل البيانات التجريبية.
    1. انتقل إلى "لوحة تسجيل" داخل مساحة عمل البرنامج، إضافةإو تسجيل مجموعة، واسم مجموعة وفقا لذلك. حدد نوع ملف الإخراج والموقع؛ فإن نوع ملف أسي سيوفر ملف قيمة مفصولة بفواصل إذا تم تحديد الملحق 'كسف' في اسم ملف الإخراج.
    2. قم بإضافة كل القنوات المطلوبة لتسجيلها إلى هذه المجموعة.
    3. بدء وإيقاف التسجيل كما هو مطلوب عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على تسلسل التسجيل في مساحة العمل وتحديد الخيار المناسب.
      ملاحظة: لا تحاول الوصول إلى الملف عند تسجيل البيانات بنشاط. يمكن أن يؤدي هذا الإجراء إلى تعطيل عملية التسجيل. يجب عدم حفظ / حفظ موقع الملف للملفات التي تم تسجيلها بشكل مستمر داخل دليل سحابة.
  3. إعداد "الصفحة" لعرض البيانات والرسوم البيانية.
    1. انتقل إلى شاشة "الصفحات" داخل مساحة عمل البرنامج. انقر على إحدى الصفحات الفارغة الافتراضية.
    2. لعرض إخراج استشعار قراءة عدديا على الصفحة، إضافة عرض "متغير القيمة" إلى الصفحة.
      1. اجهزةانقر فوق أي مكان داخل صفحة فارغة، حدد "عرض"، ثم انقر فوق الخيار "متغير القيمة"؛ سيظهر مربع صغير على الشاشة.
      2. انقر بزر الماوس الأيمن على هذا المربع الذي تم إنشاؤه حديثا وحدد "خصائص". اكتب التسمية التوضيحية للعرض (على سبيل المثال، "درجة الحرارة في المفاعل")، ومرجع القناة (على سبيل المثال، "درجة الحرارة [0]") والوحدات المرتبطة بها (على سبيل المثال، "مئوية"). انقر فوق "موافق" والعودة إلى صفحة العرض.
    3. لعرض بيانات المستشعر بيانيا وفي الوقت الحقيقي، أضف رسم بياني ثنائي الأبعاد إلى صفحة العرض.
      1. انقر بزر الماوس الأيمن في أي مكان داخل صفحة فارغة وحدد "الرسوم البيانية" ثم "الرسوم البيانية ثنائية الأبعاد". سوف تظهر مؤامرة صغيرة على الشاشة.
      2. انقر بزر الماوس الأيمن على الرسم البياني الذي تم إنشاؤه حديثا وحدد "خصائص". ضمن علامة التبويب "آثار"، اكتب اسم قناة جهاز الاستشعار المطلوب (على سبيل المثال، "درجة الحرارة") في المربع "التعبير Y:" وتأكد من أن "الوقت" هو وريتn في المربع "X إكسبريسيون:". انقر فوق "موافق" والعودة إلى صفحة العرض.

4. معايرة التحقيق الرقم الهيدروجيني

ملاحظة: يجب أن يتم معايرة الرقم الهيدروجيني قبل كل تجربة، في درجة الحرارة المقصود من التجربة، والتحديثات قناة الرقم الهيدروجيني يجب تحديث وفقا لذلك. يمكن للقراءات القطبية الرقم الهيدروجيني الانجراف خلال التجارب. لتحديد مدى هذا الانجراف، كرر عملية المعايرة بعد تشغيل الإعداد التجريبي ومقارنة القراءات. وينبغي أن يتم تخزين أقطاب الرقم الهيدروجيني بشكل صحيح في حل التخزين المناسب قبل وبعد التجريب، وفقا لتوجيهات الشركة المصنعة.

  1. توصيل درجة الحموضة وأجهزة استشعار درجة الحرارة، كما هو موضح في الخطوة 2.
  2. إدراج كل من الرقم الهيدروجيني القطب ودرجة الحرارة التحقيق في الرقم الهيدروجيني المعايرة المعايرة 7.
  3. تحقق من عرض رسومية لضمان قراءة درجة الحرارة من التحقيق هو في درجة الحرارة المطلوبةلتشغيل التجارب (الخطوة 3.6.2.2).
  4. السماح الناتج الجهد درجة الحموضة القطب لتحقيق الاستقرار ( أي، وقراءات الجهد لم تعد تتغير في اتجاه واحد). استخدام عرض رسومية لتأكيد الاستقرار.
  5. تسجيل كل من درجة الحرارة ودرجة الحموضة البيانات الكهربائية إلى ملف (الخطوة 3.5) لمدة 30-60 ق. وخلال هذه العملية، لا ينبغي أن يكون لقناة الرقم الهيدروجيني أي تحويلات مطبقة أو تتضمن أي متوسط.
    ملاحظة: نظرا لأن أقطاب الموجات الحموضة حساسة للضوضاء الكهربائية، قد يكون من الأفضل استخدام توقيت اقتناء أقل (أي أخذ عينات أسرع) لقناة الرقم الهيدروجيني (على سبيل المثال "التوقيت" = 0،1 ثانية). ضع في اعتبارك أن توقيتا أقل سيتطلب المزيد من الموارد الحسابية.
  6. كرر المعايرة للمخازن المؤقتة 4 و 10. تأكد من أن استجابة جهاز استشعار بين -57 و -59 مف / الرقم الهيدروجيني ( الشكل 3A ).
  7. توليد معادلة التحويل عن طريق التآمر قيمة الرقم الهيدروجيني العازلة مقابل الجهد وتركيب خط ( الشكل 3B >). قم بتحديث معادلة التحويل كما هو موضح في الخطوة 3.3.
  8. تطبيق هذا التحويل إلى قناة الرقم الهيدروجيني وتحديث إعدادات القناة لتشمل المتوسط ​​كما هو مطلوب لتسجيل.

5. إعداد بر لتجربة الطحالب

ملاحظة: الخطوات أدناه هي محددة ل دوناليلا و بر حسب الطلب هو مبين في الشكل 1 . وعلاوة على ذلك، فإن هذه التعليمات الإعداد ليست وفقا للبروتوكولات العقيمة، حيث لم يتم تصميم هذا النظام في مثل هذه الطريقة.

  1. إعداد اللقاح الطحالب ووسط النمو، حسب الحاجة للتجربة والأهداف التجريبية.
  2. ربط درجة الحموضة وأسلاك درجة الحرارة إلى الحصول على البيانات وحدة التحكم، كما هو موضح في الخطوات 2.2-2.3.
  3. معايرة وتحديث معادلة التحويل لقناة الرقم الهيدروجيني، كما هو موضح في الخطوات 3.3 و 4.

إيجيمغ "سرك =" / فيليز / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/>
الشكل 4: مخطط الأسلاك للخلاط. يوضح هذا الرسم البياني كيفية إعداد جهاز الخلط ل بر باستخدام محرك صغير والعتاد، وإمدادات الطاقة، و المكره المطبوعة 3D و رمح. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. إعداد بر داخل حاضنة التحكم في درجة الحرارة مع الملحقات وأجهزة الاستشعار. ارجع إلى الشكل 4 للتصور.
    1. إعداد جهاز استشعار الضوء داخل بر عن طريق خيوط سلك استشعار الضوء من خلال منفذ الغطاء ومن ثم تركيب رأس الاستشعار على جبل تمديد غطاء باستخدام المسمار المقدمة. استخدام سدادة مطاطية أو جروميت للحفاظ على هذا المنفذ مغلقة إلى الغلاف الجوي.
    2. إرفاق وتأمين المكره خلاط على غطاء بر عن طريق وضع رمح المكره على العاصمة مصغرة والعتاد المحركرمح داخل غطاء بر؛ تأمين رمح مع مجموعة المسمار وجع ألين.
    3. إضافة المتوسطة نمو الطحالب، ووضع الغطاء، وتأمين الغطاء مع مسامير. وضع بر داخل الحاضنة (مجموعة في 25 درجة مئوية أو درجة الحرارة المطلوبة).
    4. أدخل مسبار درجة الحرارة في الميناء المعين وتأمينه في الميناء باستخدام سدادة مطاطية.
    5. تأمين التحقيق الرقم الهيدروجيني في منفذ غطاء المفاعل باستخدام جبل بغ-13.5 الخيوط.
    6. توصيل أسلاك استشعار الضوء لوحدة الحصول على البيانات، كما هو موضح في الخطوة 2.1.
  2. قوة المكره خلاط إلى السرعة المطلوبة.
    1. إعداد متغير التيار المستمر دس المتاخمة للإعداد. بدوره على امدادات الطاقة وضبط مقبض الجهد حتى قيمة الجهد يقرأ 0 فولت. أوقف تشغيل مصدر الطاقة.
    2. توصيل خطوط الطاقة موتور المكره إلى محطات الانتاج الإيجابية والسلبية للإمدادات الطاقة المتغيرة ( الشكل 5 تحذير: لا تقم أبدا بتوصيل أو لمس الأسلاك أو الدوائر الحية. تأكد من إيقاف تشغيل جميع إمدادات الطاقة قبل توصيل أي أسالك. اقرأ دائما تعليمات / مواصفات المصنع لضمان التوافق بين المحرك وإمدادات الطاقة والأسلاك.
    3. بدوره على امدادات الطاقة وزيادة ببطء الجهد عن طريق تحويل مقبض الجهد حتى يتم التوصل إلى سرعة الخلط المطلوب. حساب سرعة الخلط عن طريق قياس دوران في الدقيقة.

الشكل 5
الشكل 5: مخطط الإعداد التجريبي للمفاعل. تصور الإعداد التجريبي بر داخل حاضنة تسيطر عليها درجة الحرارة. هذا الإعداد يتضمن مصباح النمو و بر، مع أجهزة الاستشعار وخلاط المضمون داخل غطاء بر. الرجاء النقر هناعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. إعداد مصباح النمو لإلقاء الضوء على بر.
    ملاحظة: تم اختيار مصباح ليد ينمو في الطيف الأزرق والأحمر عالية الطاقة، لتحقيق مستويات شدة الضوء الضوئي الضوئي المطلوبة لهذا البحث دوناليلا محددة. يجب اختيار حجم وشكل الإضاءة الخفيفة بحيث الضوء يضيء بالتساوي سطح الحادث من بر. تحقق من أن الحاضنة يمكن التعامل مع مصدر الحرارة الداخلي. عدم القيام بذلك يمكن أن تقصر عمر الحاضنة و / أو يمكن أن يسبب الضرر أو التسخين المفرط داخل الحاضنة.
    1. مركز مصباح النمو على طول الوجه الأمامي لل بر. تأكد من توجيه مسار الضوء مباشرة نحو مستشعر الضوء الموجود على الجزء الخلفي من المفاعل.
    2. بدوره على ضوء وضبط شدة الضوء حسب الحاجة عن طريق تحريك مصباح النمو مباشرة نحو أو بعيدا عن المفاعل. تحقق من عرض متغير استشعار للضوءقراءات.
  2. رصد وتسجيل بيانات الاستشعار لمدة 6 - 24 ساعة لضمان أن الضوء، ودرجة الحرارة، وقراءات الرقم الهيدروجيني داخل بر مستقرة وضمن النطاق المطلوب. ضبط حسب الحاجة.
    ملاحظة: يمكن ملاحظة الضوضاء الكهربائية في كثير من الأحيان عن طريق كذاب، قراءات غير مستقرة، و / أو التحولات المفاجئة في القيم، من دون تغييرات واضحة في بيئة بر.
  3. إزالة سدادة مطاطية على ميناء أخذ العينات لإضافة الطحالب اللقاح عن طريق ماصة نقل.
  4. إزالة العينات ومراقبة الظروف للتأكد من أنها تبقى ضمن النطاق المطلوب للتجربة.
    1. إزالة الثقافات لتحليل حسب الحاجة من ميناء أخذ العينات باستخدام ماصة.
      ملاحظة: حجم العينة، تردد، ومدة التجربة سوف تعتمد على الخطوة 1.1.2.
    2. مراقبة درجة حرارة الماء داخل بر عن طريق التحقق من عرض البيانات في البرنامج وضبط يدويا درجة حرارة الهواء حاضنة مجموعة للحفاظ على تيمب المياهثابت ثابت.
      ملاحظة: هذا التعديل يعتمد على تعليمات الشركة المصنعة الحاضنة.
    3. مراقبة وضبط الرقم الهيدروجيني داخل بر، على النحو المطلوب، لضمان أن درجة الحموضة يبقى ضمن النطاق المتوقع للتجارب.
      ملاحظة: هنا، تم التحكم في درجة الحموضة مع صمام الملف اللولبي 12 V (عادة مغلقة) في خط مع خزان CO2 مضغوط (99.99٪). تم فتح الصمام على النحو المطلوب باستخدام وظيفة التحكم في الحصول على البيانات وحدة التحكم والبرمجيات. هذا الإعداد يتطلب وحدة تتابع التبعي وحدات دس وتم تنفيذها باستخدام برمجة الكمبيوتر المخصصة مصممة خصيصا لأهداف بحثية محددة.

Representative Results

البيانات من هذا النظام رصد في الوقت الحقيقي تظهر بيئة زراعة ديناميكية للطحالب ضمن بر على نطاق مقاعد البدلاء وتسليط الضوء على الحاجة إلى مراقبة ومراقبة النظام. وتظهر بيانات درجة الحرارة المسجلة ( الشكل 6 ) كيف الإضاءة الخفيفة، ودرجة حرارة الهواء الحاضنة، وتبديد الطاقة المرتبطة نمو الطحالب يمكن أن تغير درجة الحرارة داخل بر وكيف يمكن استخدام البيانات في الوقت الحقيقي لضبط ضوابط درجة حرارة الحاضنة، حسب الحاجة.

الضوء المقاس على مدى التجربة يؤكد كذلك على الطبيعة الديناميكية لهذه البيئة المتنامية. وكما لوحظ في الشكل 7 ، فإن قراءة مستشعر الضوء، المقاسة ككثافة تدفق الفوتون الضوئي (بفد؛ μE-m -2 s -1 ) كانت 100 ~ بفد قبل إضافة الطحالب وإسقاطها على الفور إلى 85 بفد أفتر بتطعيم المفاعل مع ثقافة الطحالب. استمر انخفاض الضوء إلى أقل من 5 بفد في اليوم 7. ويعزى هذا الانخفاض في شدة الضوء إلى زيادة الكتلة الحيوية وتعداد الخلايا، و / أو زيادة الامتصاص عن طريق زيادة محتوى الكلوروفيل، مما يدل على أن الطحالب نشطة من خلال يوم 7، على الرغم من انخفاض وعلى ضوء مستويات. وهناك حاجة إلى قياسات بيولوجية إضافية لإجراء مزيد من الاستدلالات.

وتظهر بيانات الرقم الهيدروجيني المسجلة باستمرار أنه بشكل عام، تم التحكم في الرقم الهيدروجيني بشكل كاف خلال هذه التجربة مع خوارزمية التحكم في درجة الحموضة المنفذة ( الشكل 8 ). هذه البيانات، والتي تظهر على حد سواء قراءات دقيقة تلو الأخرى ومتوسطات ساعة، تظهر بضع نقاط رئيسية حول زراعة الطحالب ورصد درجة الحموضة في الوقت الحقيقي. أولا، ارتفع الرقم الهيدروجيني فوق نقطة مجموعة المطلوب من 7.6 مباشرة بعد تطعيم بر مع الطحالب. وكان من المتوقع حدوث هذا التغيير، حيث أن بذور الثقافة التي أضيفت إلى بر كانت أبH قيمة أعلى من نقطة مجموعة، منذ قارورة المستخدمة في نمو اللقاح لم يتم التحكم في درجة الحموضة. ثانيا، هذه البيانات الحية يسلط الضوء على كيفية أقطاب حساسية الرقم الهيدروجيني هي الضوضاء الكهربائية الخارجية. ويلاحظ هذه الحساسية من خلال قفزة جذرية في قيم القطب بين يوم 1 واليوم 2. هذه التغيرات المفاجئة في قيم الرقم الهيدروجيني من المرجح أن تنشأ عن الضوضاء الكهربائية من صمام الملف اللولبي من الإعداد التجريبي المجاور. أدى هذا الاضطراب الكهربائي قبل الأوان خوارزمية السيطرة الرقم الهيدروجيني لحقن كو 2 في بر. ونتيجة لذلك، انخفض الرقم الهيدروجيني أقل من نقطة مجموعة المطلوب. حساسية أقطاب الرقم الهيدروجيني يمكن أن يؤدي إلى المتطرفة المتطرفة ويمكن أن يحتمل أن تعطل أنظمة التحكم.

الشكل 3
الشكل 3: استجابة الرقم الهيدروجيني والمعايرة مثال الرسوم البيانية. ( أ ) مثال على الرسم البياني للاستجابة ل( ب ) مثال الرسم البياني المعايرة لمستشعر الرقم الهيدروجيني، مع معادلة لاستخدامها للتحويل. يظهر تحليل الانحدار فاصل الثقة 95٪. أشرطة الخطأ غير مرئية (خطأ قياسي أقل من 0.03٪). وتظهر هذه الرسوم البيانية أن أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني متصلة بشكل صحيح وأن إشارة لها كانت ثابتة جدا. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6
الشكل 6: قياسات درجة الحرارة داخل بر خلال تجربة لمدة 7 أيام. وتمثل النقاط الزرقاء الداكنة متوسطات ساعة واحدة لبيانات الاستشعار، وتمثل النقاط الزرقاء الفاتحة قراءات أجهزة الاستشعار المكتسبة خلال دقيقة واحدة (توقيت اقتناء 1 ثانية، ومتوسط ​​طول 60)، وتحويلها إلى درجة حرارة باستخدام عوامل التحويل التي توفرها الشركة المصنعة. السهام السوداء شو ث عندما تم ضبط إعداد درجة حرارة الحاضنة للحفاظ على درجة حرارة الاستزراع حول 25 درجة مئوية (يتم تعيين هذه النقطة المطلوبة مع خط أحمر، منقط). وتعود التقلبات في درجة الحرارة إلى نمو الطحالب والتغيرات في درجة حرارة الحاضنة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7
الشكل 7: القياسات الخفيفة ضمن بر خلال تجربة لمدة 7 أيام. تمثل النقاط الزرقاء الداكنة معدل 1 h من بيانات أجهزة الاستشعار، وتمثل النقاط الزرقاء الفاتحة قراءات أجهزة الاستشعار المكتسبة على مدى دقيقة واحدة (توقيت اقتناء 1 ثانية، ومتوسط ​​طول 60)، وتحويلها إلى بفد باستخدام قيم المعايرة الافتراضية لجهاز استشعار الضوء."> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8
الشكل 8: قياسات الرقم الهيدروجيني داخل بر خلال تجربة 7 أيام. تمثل النقاط الزرقاء الداكنة متوسطات ساعة واحدة من بيانات أجهزة الاستشعار، وتمثل النقاط الزرقاء الفاتحة قراءات أجهزة الاستشعار المسجلة كل دقيقة واحدة (توقيت اقتناء 0.1 ثانية، متوسط ​​طول 600) وتحويلها إلى الرقم الهيدروجيني باستخدام معادلة التحويل المنشأة عبر المعايرة. تم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني بين 7.6 و 7.5 باستخدام 99٪ كو 2 حقن الغاز. وتشير الخطوط الحمراء المنقطة إلى مدى درجة الحموضة المرغوبة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

يوفر هذا النظام بر القدرة على رصد والتحكم على نطاق واسع الطحالب التجارب النمو الحركية، مما يسمح لمزيد من النتائج للتكرار من المقايسات التجريبية المستخدمة لقياس النمو. ومع ذلك، فهم القيود وعدم اليقين من قياسات أجهزة الاستشعار أمر بالغ الأهمية لضمان أن قراءات أجهزة الاستشعار تعكس بدقة ظروف المفاعل. ويشمل هذا الفهم المعرفة الأساسية لمبادئ القياس المعنية مع أجهزة الاستشعار، وعملية وتواتر المعايرة، وعدم اليقين القياس، وما يمكن استشعار لا يمكن قياس. على سبيل المثال، الاستجابة الكهربائية لمستشعر الضوء الموصوفة هنا ليست موزعة بالتساوي عبر نطاق الطيف المرئي، وقد تحتاج بعض عوامل التصحيح إلى تطبيقها على خرج المستشعر، وهذا يتوقف على كيفية تحليل بيانات الاستشعار هذه.

مستويات درجة الحرارة والاختلافات هي أيضا في غاية الأهمية، والتغيرات في درجة الحرارة يمكن بشكل كبير فيفلوينس استجابة الاستشعار. فهم التداخلات المحتملة التي يمكن أن تؤثر على قراءات أجهزة الاستشعار أمر بالغ الأهمية أيضا؛ يمكن أن يكون هذا التداخل ضوضاء كهربائية محيطة من المبنى أو يمكن أن ينبع من بيئة القياس (على سبيل المثال، يمكن أن تؤثر أيونات الصوديوم بشكل كبير على قراءات الرقم الهيدروجيني عند قيم الرقم الهيدروجيني أكثر من 10) 12 . وعلاوة على ذلك، غمر تحقيقات متعددة في حل، وخاصة محلول الملح الأيونية للغاية وموصل، هو أيضا مصدر محتمل للتدخل. الأقطاب الكهربائية التي تقيس الرقم الهيدروجيني (أو القوة الأيونية، الأوكسجين المذاب، الذائب CO2، الخ ) حساسة بشكل خاص للضوضاء الكهربائية المحيطة ويمكن بسهولة المضطربة. تكييف إشارة المستخدمة لحماية إشارة القطب لا يمكن أن تضمن أن عوامل أخرى لن تتداخل مع قراءات التحقيق. وكجزء من مراقبة الجودة، ينبغي استخدام معدات مختبرية أخرى، مثل مسبار الرقم الهيدروجيني الذي يديره باليد، ومقياس الطيف باليد، ومقياس الحرارة للتحقق من tوقال انه الاستشعار قراءات وضمان أن يتم إعداد النظام وتشغيلها بشكل صحيح.

ومن القيود الأخرى التي يجب معالجتها التأثير المحتمل للطحالب و / أو بيئة الاستزراع على أجهزة الاستشعار. على سبيل المثال، إذا غطت الحطام أو الفقاعات الطحلبية مستقبلات الصمام الضوئي لمستشعر الضوء، سوف تتأثر القراءات. وبالمثل، الأقطاب درجة الحموضة حساسة للغاية وتتطلب المزيد من الرعاية لضمان قراءات دقيقة. تعمل هذه الأقطاب عن طريق قياس فرق الجهد عبر تقاطع داخلي بسبب تراكم الأيونات H + . مطلوب طبقة عازلة رطبة داخل التحقيق للحفاظ على قياسات دقيقة 12 . اعتمادا على الظروف داخل المفاعل، سوف تختفي هذه الطبقة، وقد تتغير استجابة جهاز الاستشعار على مدار التجربة أثناء غمر المجس. في الاختبارات الأولية، خرج الجهد الرقم الهيدروجيني لم ينجرف من قبل أكثر من 0.2 ~ وحدة درجة الحموضة على مدى تجربة لمدة 20 يوما، ولكن ينبغي إجراء المزيد من التقييمات لتوصيف هذا التغيير في استجابة أجهزة الاستشعار ولتحديد أقصى زمن تشغيل تجريبي، خاصة إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات / كميات حموضة دقيقة.

العديد من النظم الحالية على نطاق واسع بر التي بنيت لتحليل نمو الطحالب لا رصد ومراقبة بيئة الثقافة الداخلية كما هو محكم عند الضرورة لمعرفة كيف تؤثر العوامل المختلفة النمو الطحالب، منذ وضع نظم بهذه الطريقة يمكن أن يكون تحديا. هذا البروتوكول يمكن أن تساعد في تسهيل التجارب أكثر تسيطر من خلال إعطاء تعليمات خطوة بخطوة لبناء بر مع رصد في الوقت الحقيقي. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذه البيانات الحية ليس فقط لتحسين السيطرة على الظروف التجريبية، ولكن يمكن أن تستخدم لتقدير حركية النمو (على سبيل المثال، قراءات الكثافة البصرية كمرجع لمعدلات النمو العامة).

يمكن أن تساعد النظم التجريبية التي تسيطر عليها لجعل البحوث الطحالب أكثر استنساخه. مقعد مقياس بر sإتوبس التي يتم مراقبتها والسيطرة عليها يمكن أن تزيد من الكفاءة التجريبية من خلال التقليل من القطع الأثرية غير المقصودة في التصميم التجريبي ويمكن أن تساعد على دفع الجهود المبذولة لجعل الوقود الحيوي الطحالب مصدر الوقود البديل المستدام.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

يقر المؤلفون المؤسسة الوطنية للعلوم الحدود الناشئة في مجال البحث والابتكار (جائزة رقم 1332341) لتمويل هذا البحث. ويود الكتاب أيضا أن يعترف الدكتور أندرو غريشوب، وكذلك لابجاك و داكفاكتوري المجتمعات الدعم على الانترنت لمساعدتهم والمساعدة المقدمة في جميع أنحاء هذه العملية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cast acrylic sheets McMaster Carr 8560K244 7/8'' thick, 12 x 36'', optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions.
Acrylic cement McMaster Carr 7517A4 Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly.
Acrylic cement applicator needle McMaster Carr 75165A136 Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1", Stainless steel, PTFE lined.
Plastic dispensing bottle for acrylic cement McMaster Carr 7544A67 Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5.
Viscous acrylic cement McMaster Carr 7515A11 Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body.
PG-13.5 thread tap McMaster Carr 2485A14 Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable).
PBR and lid NCSU Precision Machine Shop Karam Algae 3.2L Reactor Revision E This machine shop is open to public for business. Contact shop manager.
pH sensor Hamilton 238643 EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output.
Light sensor Apogee Instruments SQ-225 Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof.
Temperature sensor LabJack EI1034 Stainless steel, water-proof temperature sensor.
pH transmitter wire with BNC end Sigma-Aldrich HAM355173-1EA This wire will vary with type of pH probe. Make sure wire is compatible with pH probe and has BNC connector end.
Unity gain pre-amplifier Omega Engineering PHTX-21 Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings.
Coaxial adapter, BNC female-to-binding post Amazon SMAKN B00NGD5K80 For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller.
Capacitor (1000 uF) Amazon Nichicon BCBI4950 For low-pass filter.
Resistor (1000 ohm) Radio Shack 2711321 For low-pass filter.
Hookup wire RadioShack 2781222 For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor.
Heat shrink tubing RadioShack 2781611 For low-pass filter assembly.
Data acquisition and control unit LabJack LabJack U6 To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software.
DAQFactory data acquisition software DAQFactory DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050 Free to download, for up to 10 channels.
Mini DC-gearmotor McMaster Carr 6331K31 Motor for mixer impeller.
Impeller and shaft N/A N/A Email authors for 3D files.
Variable DC power supply Amazon Tekpower HY1803D Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A.
Grow Lamp HydroGrow SOL-1 This exact model is no longer available.
Incubator Thermo Scientific Precision Model 818 This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit's cooling compressors run non-stop regardless of temperature setting.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 124، المفاعلات الحيوية التمثيلية، الطحالب الدقيقة، حركية النمو، الوقود الحيوي، درجة الحرارة، الضوء، الرقم الهيدروجيني، الرصد الآلي
إنشاء وتركيب مقياس حيوي مفاعل حيوي متعدد الطحالب مع درجة الحرارة والضوء ودرجة الحموضة رصد اختبارات النمو الحركية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Karam, A. L., McMillan, C. C., Lai,… More

Karam, A. L., McMillan, C. C., Lai, Y. C., de los Reyes III, F. L., Sederoff, H. W., Grunden, A. M., Ranjithan, R. S., Levis, J. W., Ducoste, J. J. Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests. J. Vis. Exp. (124), e55545, doi:10.3791/55545 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter