用于动态生长测试的温度，光照和pH监测的台式藻类光合生物反应器的构建和设置

Summary

本文介绍了可以与其他方法一起使用的台式光合生物反应器的装配过程和操作，以估计相关的动力学生长参数。该系统使用传感器，数据采集和控制单元以及开源数据采集软件连续监控pH，光和温度。

Abstract

用于微藻培养的光合生物反应器（PBR）的最佳设计和操作对于改善微藻类生物燃料生产的环境和经济性能至关重要。在不同条件下估计微藻生长的模型有助于优化PBR设计和操作。为了有效，必须准确确定这些模型中使用的生长参数。藻类生长实验通常受到培养环境的动态性质的限制，需要控制系统来准确地确定动力学参数。实施受控批量实验的第一步是实时数据采集和监测。该协议概述了可用于进行微藻生长实验的台式光合生物反应器的装配和操作的过程。该协议描述了如何从亚克力尺寸和组装平板，台式规模的PBR。它还详细说明了如何配置使用数据采集和控制单元，模拟传感器和开源数据采集软件，连续进行pH，光和温度监测的PBR。

Introduction

由于对全球气候变化和有限化石燃料资源的担忧日益增加，各国政府一直在制定减少化石燃料消费政策并鼓励开发新的可持续运输燃料。美国环境保护局制定了可再生能源燃料标准（RFS），要求到2022年，每年1400亿加仑的美国运输燃料组合中有36个来自可再生燃料。创新和转型技术将是必要的，以满足这些和未来可再生能源标准¹ 。

使用微藻类生物燃料具有帮助满足国家RFS同时减少温室气体排放的潜力² 。与基于陆地粮食作物的第一代生物燃料相比，微藻类生物燃料具有几个优点，如玉米和大豆。与第一代生物燃料不同，藻类b生物燃料消耗较少的土地，水和与食物有关的资源，因为藻类可以全年耕种，在荒地上使用盐水或废水。微藻与陆地作物相比具有较高的生长速率，可以积聚高水平的脂质，可以容易地转化为生物柴油³ 。目前，由于由藻类培养，脂质分离和脂质精炼成生物柴油的能源密集型生产过程的高成本，不存在工业规模的藻类 - 生物燃料工厂。需要更多的研究来使这些过程更有效率和可持续性。

用于在人造环境中生产光营养微生物的光学透明封闭装置的PBR被认为是最有希望的培养方法之一³ 。然而，目前的设计仍然缺乏使藻类对生物燃料生产过程所需的体积生产力ess更有效率和经济吸引力⁴ 。强大的数学模型，考虑光照辐射和衰减，营养物质和二氧化碳的运输，以及微藻的生长可以极大地促进PBR设计和操作的优化。为了确定这些优化模型的物种特异性生长参数，需要进行大规模生长实验。

动力学测试需要仔细监测和控制实验装置，以防止意外的生长抑制剂。鉴于藻类的光合特性（ 即它们的二氧化碳消耗和光的吸收），维持受控条件在实验室规模的PBR中特别困难。如等式1所示 ，生长培养基中溶解的CO ₂的量通常表示为 （ 等式2 ）将至少为a功能：1）CO ₂分压和亨利均衡常数，这决定了溶解在溶液中的气体量（ 等式3 ）; 2）生长培养基的初始化学成分，影响碳酸根离子的形态和活性，pH值（ 等式4和5 ）。和3）温度，影响等式3-5 ⁵ 。

碳的各个阶段和化学形态对测量和维持PBR中溶解碳浓度一致性构成挑战保持其他条件不变（ 例如，随着藻类消耗CO ₂ ，pH增加，并且增加溶解的CO ₂底物可能导致抑制生长的酸性环境）。

在藻类动力学测试中控制条件的另外一层复杂性涉及PBR内的光强度。 PBR内的平均光强度不仅是入射光强度，还包括设计（ 如材料，形状，深度和混合），藻类生物量成分（特别是叶绿素）的吸光度，藻细胞的散射性质。随着藻类生长，平均光强度将会降低。光强度的这种变化，无论是由总细胞和生物量的增加，每个细胞的叶绿素含量的增加还是两者引起的，都可能最终诱导代谢反应，如叶绿素产量的增加细胞每个细胞或使用碳水化合物和脂质储存产品的能量⁷ 。连续监测反应堆内的光强，提供了宝贵的信息。该数据有助于确保条件保持在指定范围内，如果与其他测量（ 即生物量，叶绿素浓度，反应器深度，入射光等 ）结合使用，可用于帮助估计藻类生长和吸光度参数。

了解藻类在指定条件下如何生长需要在实验室规模的动力学实验中监测pH，溶解的CO ₂ ，光强度和温度。许多藻类生长设置没有装备来监测校准动力学模型所需的条件，使建模过程非常具有挑战性⁸ 。虽然许多公司提供具有自动化和控制功能的台式PBR，但这些台式机e设置可能非常昂贵（约$ 20,000），并且可能不适应给定研究问题的所有实验考虑。

建立批量实验的控制反馈系统的第一步是实时数据采集。本文旨在演示如何构建和设置配备连续光，pH和温度监测的工作台式PBR。这种实时监控设置可以帮助确保实验条件保持在所需范围内，由研究者自行决定。尽管该协议没有详细说明具体的控制机制，但是这些分步指令为更高级的控制反馈可以实现所需的数据采集框架提供了基础。

Protocol

1.构建台秤PBR体和盖

注：为说明目的， 杜氏藻属 ，一个约10μm的耐盐性微藻缺乏细胞壁，被用作构建该PBR的模型生物体。

1. 确定研究需要所需的PBR量。
   1. 确定此PBR的实验目标。
   2. 确定哪些藻类测量测定法M是必需的，以表征感兴趣的藻类物种的生长，包括每个测定所需的体积v ;技术重复的数量， n ;采样频率f和实验的持续时间， t 。
      注意：项目特定的研究问题，藻类和可用设备决定了测量的藻类属性，用于这些测量的方法以及这些测量的频率。生物质;细胞计数和总数叶绿素色素，蛋白质，脂质，碳水化合物和外部硝酸盐浓度测量是评估生长的常用方法，5-14天的每日采样是生长试验^9,10的常见方法。
   3. 使用公式6计算一个实验中采样所需的总培养体积V _s 。
      
   4. 使用公式7使用步骤1.1.3的V _s和最大体积去除分数F来估计目标PBR体积V _p 。
      
      注意：除少于总培养体积的预先确定的分数（ 例如 〜20％）可以帮助确保PBR内的条件即混合功率，配光等不会剧烈在实验过程中，lly随着培养体积被去除而变化。
      1. 假设有10天的生物质实验;细胞计数并且每天测量一式三份的总叶绿素，蛋白质，脂质，碳水化合物和硝酸盐浓度，使用〜600mL的总取样体积。如果旨在去除不超过总培养体积的18.75％，则使用总工作反应器体积至少3.2L。
2. 选择PBR实验的传感器和附件。
   1. 选择pH，光和温度探头用于连续监测。
      注意：传感器应与数据采集单元兼容，并应承受内部培养条件（ 即 pH范围，光，热，藻类碎屑，盐等 ）。这里选择不锈钢和耐盐探针，因为杜氏盐藻是海洋微藻。
   2. 选择叶轮设计和电机，以满足前面的要求溶液混合要求。
      注意：例如，低剪切轴向叶轮是杜氏盐藻藻类的不错选择，因为它们缺乏细胞壁并易于剪切¹¹ 。这些藻类具有鞭毛运动，不需要强烈的混合¹¹ 。使用12 V微型齿轮电机可以实现低混合速度。叶轮和轴可以3D打印（3D打印信息可以在材料清单中找到）。
3. 组装PBR机身和盖子。
   1. 根据步骤1.1中的体积计算确定反应堆的尺寸，牢记实验目标和潜在的约束（ 例如空间）。
      注意：具有较低表面与体积比的PBR设计是首选，因为这种形状使整个PBR中的光衰减最小化，从而在整个实验中提供更一致的光分布。
   2. 切割5片光学透明铸件根据在步骤1.3.1中建立的PBR设计和尺寸，使用台锯的亚克力板（约0.25-0.5英寸厚）。
   3. 使用200至400粒度砂纸确保接缝边缘平整，但不能圆滑。
   4. 将丙烯酸片的边缘与胶带和/或夹具一起固定。
      注意：丙烯酸胶水不是胶水。如果丙烯酸粘合表面粗糙或丙烯酸酯片不均匀排列，则该粘结胶水将无效。
   5. 在通风良好的区域，使用针头分配器在接缝处涂抹丙烯酸胶泥。塑料表面将立即粘在一起。让这些片断坐24小时。
      警告：使用丙烯酸胶水时，应佩戴面罩和手套以避免吸入和皮肤接触。
   6. 将粘性丙烯酸水泥涂在接头上，以确保PBR防水。根据水泥说明，将水泥干燥24-48小时;干燥时间可能会有所不同。
   7. 填补反应器用水检查可见的泄漏。如果没有明显的泄漏，请将反应器放在纸巾上，并在24-36小时后重新检查是否有泄漏迹象。
      注意：应使用不小于〜0.5英寸厚度的丙烯酸片，以装配大于〜2L的PBR;更薄的纸张可能在水压下弯曲并导致泄漏。垫圈和重新执行的螺丝可用作丙烯酸类水泥的更强大的替代品（ 图1 ）。这种类型的组件需要精密机械，并且必须非常仔细地进行，因为丙烯酸可以容易地破裂。
   8. 使用机加工车间设计PBR盖，配有端口以适应传感器和其他PBR附件和需求（ 即叶轮，气体管线，取样口等 ）。确保内部组件不会相互干扰。
      注意：PBR和PBR盖子配置/设计将取决于反应堆配件和实验目标。参见图1例如PBR反应器和盖子设计（进一步的细节可以在材料部分找到）。该PBR设计将在协议的其余部分被引用。

图1：使用传感器和混合器定制的台式PBR设置的图像。该设置显示混合器，通过盖中的螺纹孔固定到盖的电极，以及连接到专门设计的盖的光传感器。该盖设计还包括一个12 V DC微型齿轮电机的连接。 请点击此处查看此图的较大版本。

2.使用数据采集和控制单元设置和配置传感器

注意：传感器翻译更改物理世界变成可测量的模拟信号，经常是电压。数据采集​​单元作为数字和物理世界之间的接口，可以用于读取这些模拟信号，并将其转换为离散值，如计算机所示。本文描述的数据采集单元具有16位的模拟输入分辨率，可读取最多14个模拟信号（±10 V），并可提供某些传感器所需的电源（最高5 V）。这些说明提供了如何设置该数据采集和控制单元以将模拟信号转换为PBR中光，pH和温度更有意义的值的概述。这些指令不详细说明完全解释这些测量值并量化不确定性所需的重要概念（ 即量化，精度，响应时间等 ）。

图2：传感器到数据采集和控制单元连接图。该图显示了如何将pH，光和温度传感器设置到本协议使用的数据采集和控制单元。显示pH和光传感器的信号处理组件。 请点击此处查看此图的较大版本。

1. 使用低通滤波器，使用数据采集和控制单元设置和配置光传感器。
   注：有关一般参考图，请参考图2 。制造商传感器规格表示基于颜色的信号，电源和接地线之间的差异。低通滤波器是一种简单的电路，使用电阻和电容来滤除电信号中的不必要的噪声。这种类型的滤波器衰减频率更高的电信号n是由电阻和电容确定的截止频率。该滤波器有助于消除或平滑传感器信号的电噪声。
   1. 使用剥线钳切割〜2寸绿色连接线;从一端剥离0.25英寸的绝缘，并从两块的另一端剥离约0.5英寸。
   2. 识别光传感器上的模拟信号输出线。确保至少约0.25-0.50英寸的金属线暴露在电线绝缘层外。
   3. 在连接器线的〜0.5英寸剥离端周围小心地缠绕1,000Ω电阻的一条腿。将电阻器的另一条线缠绕在光传感器模拟信号线的裸露部分周围。
   4. 使用烙铁和无铅焊料将电阻脚焊接到电线。让焊料冷却2-5分钟。
      警告：焊接和烙铁变得非常热，如果用户没有得到适当的培训，可能会非常危险。教学视频可以在网上找到。安全眼镜和其他预防措施非常重要。在此过程中，电线不应连接到电源或其他设备。
   5. 在连接器导线的一端滑动约1.5英寸的热收缩管，并滑动该件，直到其覆盖焊接的电线和电阻。确保所有金属件完全被覆盖。
   6. 使用热枪热收缩。确保管子紧紧围绕电阻和电线缠绕;不要露出裸线。
   7. 使用螺丝刀将光传感器的接地线连接到数据采集和控制单元上的自由地（GND）端子。
   8. 使用螺丝刀将信号连接器线的自由端固定到空闲模拟输入（AIN）端子。
   9. 将1,000μF电容器（ 即较长的支脚）的正极引脚固定到与步骤2.1.8中相同的AIN端子，将负极引线（ 即较短的支脚）固定到与步骤2.1.7中相同的GND端子。确保电容器脚和导线牢固地连接到端子。
   10. 识别光传感器的电源输入线，并将其固定在数据采集和控制单元上的电源（VS）端子上。
2. 使用单位增益放大器和低通滤波器，使用数据采集单元设置和配置pH电极。
   注意：由于pH测量的性质（ 即高阻抗和低电压），pH探头和数据采集设备之间经常需要单位增益放大缓冲器。低通滤波器也有利于测量pH值，以保护信号免受环境电噪声的影响。
   1. 使用变送器线将单位增益放大器连接到pH探头。
   2. 将同轴适配器，正负端子端子连接到单位增益放大器的另一端。
   3. 切割两个6英寸的绿色和一个〜12英寸的皮埃尔e使用脱线器的黑色连接器线。从黑色连接线两端剥去〜0.25英寸的绝缘。
   4. 使用剥线钳剥离绿色连接器电线的端部〜0.25英寸和约0.5英寸的绝缘。
   5. 在一个绿色连接器导线的〜0.5英寸剥离部分周围小心地缠绕1000Ω电阻的一条腿。将另一个电阻腿缠绕在另一个绿色连接器导线的〜0.5英寸剥离部分。
   6. 使用烙铁和无铅焊料将电阻脚焊接到电线。让焊料冷却2-5分钟。
   7. 在连接器导线的一端滑动约1.5英寸的热收缩管，并滑动该件，直到其覆盖焊接的电线和电阻。确保所有金属件完全被覆盖。
   8. 使用热枪热收缩。确保塑料环绕电阻和导线缠绕;不要露出裸线。
   9. 确保黑色的一端c连接线连接到同轴适配器上的负极（黑色）端子柱。将该线的另一端插入数据采集和控制单元的GND端子，并用螺丝刀固定。
   10. 将绿色连接器导线（电阻器串联）的一端固定在同轴适配器上的正（红色）端子柱上。将此连接器导线的另一端插入数据采集和控制单元上的空闲AIN端子。
   11. 识别1,000μF电容器的正极（ 即较长的支脚），并将此导线固定到与2.2.9中相同的AIN端子;确保电容器支脚和信号线都牢固地连接到端子。
   12. 将1,000μF电容（ 即较短的支脚）的负极引脚固定到与步骤2.2.8中相同的GND端子。
3. 通过连接信号，接地和电源w将温度传感器连接到数据采集和控制单元探头可以释放AIN，GND和VS端子。

3.设置实时数据采集和实验文件

注意：此处描述的数据采集和控制软件与数据采集和控制单元进行通信，以用户指定的时间间隔监测和记录传感器数据。下面的说明说明如何在此软件中设置控制文件来监视和记录pH，温度和光。这些说明特定于材料部分中列出的软件和数据采集和控制单元。有关产品用户手册中可以找到更多说明。

1. 使用USB电缆将数据采集和控制单元连接到实验设备附近的计算机，并下载所有需要的驱动程序。
2. 下载并打开数据采集和控制软件。
3. 为软件中的每个传感器设置“转换”。
   注意：转换物理电压年龄信号变成有意义的值，必须应用通过校准建立的一些转换因子。许多传感器带有在产品特定规格表内找到的工厂校准因子。转换公式特定于设置和传感器。许多转换方程参数，特别是电极的转换方程参数必须通过校准定期更新。传感器的寿命和校准频率将取决于产品特定的规格和工作环境。
   注意：用户应全面阅读并了解这些规格。 表1显示了材料列表中找到的传感器的转换。温度探头的示例转换如下所示。
   1. 导航到主页面右侧的软件工作区中的“转换”。
   2. 添加一个转换名称，如“volt_to_celsius”，并输入转换方程式： （55.56 x 值）+ 255.37 - 273.15。

频道名称	转换名称	方程	笔记
温度	volts_to_celsius	（55.56 x值）+ 255.37 - 273.15	制造商转换方程式将伏特转换成摄氏。
光	volts_to_PPFD	价值x 500	制造商将电压转换为光合光子通量密度（μmolm -2 s -1 ）的转换因子，未应用制造商LED校正。
pH值	volts_to_pH	（-17.05 x值）+ 6.93	校准依赖转换方程（图4b），将pH电极电压读数转换为pH值。仅适用于pH通道的转化校准。

表1：数据采集文件的通道转换表。如何将传感器的通道和转换信息输入到数据采集软件中。

4. 为软件中的每个传感器设置适当的通道 ，以获取传感器数据。
   注意：每个传感器在软件中需要自己的模拟数字通道和数据采集和控制单元中指定的模拟输入端子。
   1. 导航到软件中的“频道”页面。
   2. 添加传感器通道名称。不允许有空格。
   3. 选择适当的设备收集相应通道的数据;该设备将对应于数据采集设备。
   4. 输入用于参考数据采集和控制单元或其他设备的编号数据采集​​设备;如果只使用一个单元，则默认值通常为零。
   5. 为输入输出类型（“I / O类型”）选择模拟数字“A到D”，并输入与数据采集和控制单元上的AIN端子号对应的通道号
   6. 输入所需的采样“定时”;该值表示传感器信号将被读取的频率。输入1.0，每1秒读取一次读数。要在记录之前以1分钟间隔平均数据，请选中“平均”框，并指定平均长度为60。
   7. 如果适用，请从下拉菜单中选择适当的转换（参见步骤3.3生成转换）;否则，所有通道数据将被显示/记录为电压。
5. 设置“记录集”记录实验数据。
   1. 导航到软件工作区中的“日志面板”，添加一个ew日志记录集，并相应地命名该集合。选择输出文件类型和位置;如果在输出文件名中指定了扩展名“.csv”，则ASCII文件类型将提供逗号分隔的值文件。
   2. 添加所有期望的频道以登录到此集。
   3. 通过右键单击工作区中的日志记录顺序并选择适当的选项，根据需要启动和停止日志记录。
      注意：在主动记录数据时，不要尝试访问该文件。此操作可能会中断日志记录过程。连续记录的文件的文件位置不应该保存/写入云目录中。
6. 设置“页面”显示数据和图形。
   1. 导航到软件工作区中的“页面”显示。单击其中一个默认空白页。
   2. 要在页面上以数字方式显示传感器输出，请在页面中添加“变量值”显示。
      1. 操纵单击空白页面中的任意位置，选择“显示”，然后单击“变量值”选项;屏幕上会出现一个小盒子。
      2. 右键单击此新创建的框，然后选择“属性”。输入显示标题（例如，“反应器中的温度”），通道参考（例如“Temperature [0]”）和相关单位（例如“摄氏”）。单击“确定”并返回到显示页面。
   3. 要以图形和实时的方式显示传感器数据，请将2D图形添加到显示页面。
      1. 右键单击空白页面中的任意位置，然后选择“图形”，然后选择“2-D图形”。屏幕上会出现一个小小的情节。
      2. 右键单击新创建的图形，然后选择“属性”。在“跟踪”选项卡中，在“Y表达式”框中键入所需的传感器通道名称（例如“温度”），并确保“时间”被写入在“X表达式：”的框中的n。单击“确定”并返回到显示页面。

4.校准pH探头

注意：在每个实验之前，应在实验的预期温度下进行pH校准，并且相应地更新pH通道转换。 pH电极读数在实验过程中会漂移;确定这种漂移的程度，运行实验设置后重复校准过程并比较读数。根据制造商的指示，pH电极应在实验前后经适当储存在适当的储存溶液中。

1. 连接pH和温度传感器，如步骤2所述。
2. 将pH电极和温度探头都插入pH校准缓冲液7。
3. 检查图形显示，以确保探头的温度读数处于所需温度用于运行实验（步骤3.6.2.2）。
4. 允许pH电极电压输出稳定（ 即，电压读数不再在一个方向上改变）。使用图形显示来确认稳定。
5. 将温度和pH电数据记录到文件（步骤3.5）30-60秒。在此过程中，pH通道不应有任何转换应用或包括任何平均值。
   注意：由于pH电极对电气噪声敏感，因此pH通道的采集时间（即采样速度较快）可能较好（ 例如 “Timing”= 0.1s）。请记住，较低的时间将需要更多的计算资源。
6. 对缓冲液4和10重复校准。确认传感器的响应在-57和-59 mV / pH之间（ 图3a ）。
7. 通过绘制pH缓冲器值对电压并拟合一条线来产生转化方程（ 图3b >）。按照步骤3.3所述更新转换方程式。
8. 将此转换应用于pH通道，并更新通道设置，以包括要进行平均记录。

5.设置藻类实验的PBR

注意：以下步骤特定于杜鹃花和定制的PBR， 如图1所示 。此外，这些设置指令不符合无菌协议，因为该系统没有以这种方式设计。

1. 根据实验和实验目标的要求准备藻类接种物和生长培养基。
2. 将pH和温度线连接到数据采集和控制单元，如步骤2.2-2.3所述。
3. 校准和更新pH通道的转化方程，如步骤3.3和4所述。

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图4：搅拌机接线图。该图显示了如何使用微型齿轮电机，电源和3D打印的叶轮和轴设置PBR的混合装置。 请点击此处查看此图的较大版本。

4. 将PBR设置在带有附件和传感器的温度控制的孵化器中。参见图4可视化。
   1. 通过将光传感器线穿过盖子端口，然后使用提供的螺丝将传感器头安装到盖子延伸座上，在PBR内设置光传感器。使用橡胶塞或索环将该口关闭至大气。
   2. 通过将叶轮轴放置在直流微型齿轮电机上，将混合器叶轮连接并固定到PBR盖上轴内PBR盖;用固定螺丝和内六角扳手固定轴。
   3. 加入藻类特异生长培养基，放置盖子，用螺丝固定盖子。将PBR置于培养箱内（设定在25°C或所需温度）。
   4. 将温度探头插入其指定的端口，并使用橡胶塞将其固定到端口中。
   5. 使用PG-13.5螺纹安装座将pH探头固定到反应器盖的端口。
   6. 将光传感器线连接到数据采集单元，如步骤2.1所述。
5. 给混合器叶轮提供所需的速度。
   1. 设置与设置相邻的可变直流电源。打开电源并调整电压旋钮，直到电压值读取0伏。关闭电源。
   2. 将叶轮电机电源线连接到可变电源的正极和负极输出端子（ 图5） 警告：切勿连接或触摸实时电线或电路。在连接任何电线之前，请确保所有电源都已关闭。请务必阅读制造商的说明/规格，以确保电机，电源和电线之间的兼容性。
   3. 打开电源，通过转动电压旋钮缓慢升高电压，直到达到所需的混合速度;通过测量每分钟的转数来计算混合速度。

图5：反应器实验设置图。在温度控制的孵化器中显示PBR实验装置。该设置包括增长灯和PBR，传感器和混合器固定在PBR盖内。 请点击这里查看此图的较大版本。

6. 设置增长灯以照亮PBR。
   注意：选择蓝色和红色光谱发射的大功率LED发光灯，以实现该杜氏盐藻特异性研究所需的光合光强度水平。应选择灯具的尺寸和形状，使得光均匀地照射PBR的入射表面。验证培养箱可以处理内部热源。不这样做可以缩短孵化器的寿命和/或可能导致培养箱内的损坏或过度加热。
   1. 将生长灯沿着PBR的正面对中。确保光路直接朝向安装在反应堆背面的光传感器定向。
   2. 打开灯光并根据需要调整光强度，直接将生长灯直接移向或远离反应堆。检查传感器变量显示灯是否亮起读数。
7. 监测和记录传感器数据6 - 24小时，以确保PBR内的光，温度和pH读数稳定并处于所需范围内。根据需要进行调整
   注意：电气噪声通常可以通过弹跳，不稳定读数和/或值的突然变化来观察，而PBR环境没有明显变化。
8. 取出采样口上的橡胶塞，通过移液器加入藻类接种物。
9. 取出样品并监测条件，以确保其保持在实验所需的范围内。
   1. 使用移液器从取样口移除培养物以进行分析。
      注意：实验的样品体积，频率和持续时间将取决于步骤1.1.2。
   2. 通过检查软件中的数据显示来监控PBR内的水温，并手动调节培养箱空气温度设定点以保持水温rature常数。
      注意：此调整将取决于培养箱制造商的说明。
   3. 根据需要监测和调整PBR内的pH，以确保pH保持在实验的预期范围内。
      注意：在这里，使用12伏电磁阀（常闭）控制pH值，与压缩的CO2罐（99.99％）一致。使用数据采集和控制单元和软件的控制功能，根据需要打开阀门。该设置需要一个附件继电器板和直流模块，并使用针对特定研究目标的定制计算机程序实现。

Representative Results

来自该实时监测系统的数据显示了台式PBR中藻类的动态培养环境，并突出了对系统进行监测和控制的需要。记录的温度数据（ 图6 ）显示了如何照明，孵化器空气温度和与藻类生长相关的能量耗散可以改变PBR内的温度，以及如何根据需要使用实时数据来调节孵化器温度控制。

在实验过程中测量的光进一步强调了这种不断增长的环境的动态性质。 如图7所示 ，作为光合光子通量密度（PPFD;μE-m ^-2 s ^-1 ）测量的光传感器读数在加入藻类之前为〜100PPFD，立即下降到85PPFD af接着用藻类培养物接种反应器。光照强度在第7天持续下降到5PPFD以下。光照强度的下降是由于生物量和细胞数量的增加，和/或增加叶绿素含量的吸收，表明藻类在第7天活跃，尽管低光照水平。需要额外的生物测量来进一步推断。

连续记录的pH数据显示，总体而言，使用实施的pH控制算法在该实验过程中充分控制pH值（ 图8 ）。这些数据显示了每分钟读数和小时平均值，显示了关于培养藻类和实时监控pH的几个关键点。首先，在用藻类接种PBR之后，pH增加到高于所需设定点7.6。预期这种变化，因为添加到PBR中的培养种子有apH值高于设定值，因为用于培养接种物的烧瓶不进行pH控制。其次，这个实时数据显示了pH电极对外部电气噪声的敏感程度。这种灵敏度由第1天和第2天之间的电极值急剧上升所引起。这些pH值的突然变化很可能是由来自相邻实验装置的电磁阀的电噪声引起的。这种电气干扰过早地触发了pH控制算法，以将CO ₂注入到PBR中。因此，pH降低到所需的设定点以下。 pH电极的灵敏度可能导致极端的异常值，并且可能会破坏控制系统。

图3：pH响应和校准示例图。 （ a ）实施例的响应图e pH传感器（ b ）pH传感器的示例校准图，用于转换的方程式。回归分析显示95％置信区间。误差条不可见（标准误差小于0.03％）。这些图表显示pH传感器正确连接，其信号非常稳定。 请点击此处查看此图的较大版本。

图6：7天实验期间PBR内的温度测量。深蓝色点表示传感器数据的1小时平均值，浅蓝色点表示在1分钟内获取的传感器读数（采集时间为1秒，平均长度为60），并使用制造商提供的转换因子转换为温度。黑色箭头当调节培养箱温度设置以维持培养温度在25℃左右时（这个所需的设定点用红色，虚线表示）。温度波动是由于藻类生长和培养箱温度的变化。 请点击此处查看此图的较大版本。

图7：7天实验期间PBR内的光测量。深蓝色点表示传感器数据的1小时平均值，浅蓝色点表示在1分钟内获取的传感器读数（采集时间为1秒，平均长度为60），并使用默认光传感器出厂校准值转换为PPFD。“>请点击此处查看此图的较大版本。

图8：7天实验期间PBR内的pH测量。深蓝色点表示传感器数据的1小时平均值，浅蓝色点表示每1分钟记录的传感器读数（采集时间为0.1秒，平均长度为600），并使用通过校准建立的转换方程转换为pH。使用99％CO ₂气体注入，将pH值保持在7.6至7.5之间。红色的虚线表示所需的pH范围。 请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

该PBR系统提供监测和控制实验室规模的藻类动力学生长实验的能力，允许来自用于量化生长的实验测定的更多可重复的结果。然而，了解传感器测量的局限性和不确定性对于确保传感器读数准确反映反应器条件至关重要。这种理解包括与传感器相关的测量原理的基本知识，校准的过程和频率，测量不确定度以及传感器可以测量甚至不能测量的内容。例如，这里描述的光传感器的电响应不是均匀地分布在可见光谱范围内，并且可能需要将某些校正因子应用于传感器输出，这取决于如何分析该传感器数据。

温度水平和变化也是非常重要的，因为温度的变化可以大大的变化注意传感器响应。了解可能影响传感器读数的潜在干扰也至关重要;这种干扰可能是来自建筑物的环境电气噪声，或者可能来自测量环境（ 例如，钠离子可以大大影响pH值超过10的pH读数）。此外，将多个探针浸入溶液中，特别是高度离子和导电的盐溶液也是潜在的干扰源。测量pH（或离子强度，溶解氧，溶解的CO ₂ 等 ）的电极对环境电气噪声特别敏感，并且可以容易地扰动。用于保护电极信号的信号调理不能保证其他因素不会干扰探头读数。作为质量控制的一部分，应使用其他实验室设备，如手持式pH探针，手持光谱仪和温度计，以验证t他的传感器读数，并确保系统设置和运行正常。

必须解决的另一个限制是藻类和/或培养环境对传感器的可能影响。例如，如果藻类碎片或泡沫覆盖光传感器的光电二极管接收器，读数将受到影响。类似地，pH电极是非常敏感的，需要特别小心以确保准确的读数。这些电极通过测量由于H ⁺离子的积聚而在内部连接处的电压差而起作用;需要探针内的水合缓冲层以保持精确的测量¹² 。取决于反应器内的条件，该层将会脱落，并且当探头浸没时，传感器的响应可能会在实验过程中发生变化。在初步测试中，在20天的实验过程中，pH电压输出没有漂移超过约0.2个pH单位，但应进行进一步评估，以表征传感器响应的这种变化，并建立最大的实验运行时间，特别是如果需要精细的pH调节/定量。

许多现有的用于分析藻类生长的实验室规模的PBR系统不会像需要一样严密地监控和控制内部文化环境，以确定不同因素如何影响藻类生长，因为以这种方式建立系统可能具有挑战性。该协议可以通过提供用于构建具有实时监控的PBR的分步说明来帮助实现更多的受控实验。此外，这种实时数据不仅可以用于更好地控制实验条件，而且可以用于估计生长动力学（ 例如，光密度读数作为一般生长速率的参考）。

受控的实验系统可以帮助藻类研究更加可重现。台秤PBR监测和控制的水蛭可以通过最小化实验设计中的非预期人为因素来提高实验效率，并有助于推动使藻类生物燃料成为可持续的替代燃料来源。

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.