Kinetik Büyüme Testleri için Sıcaklık, Işık ve pH İzleme ile Bir Bench Ölçekli Algal Fotosentetik Biyoreaktörün Kurulması ve Kurulması

Summary

Bu makale, ilgili kinetik büyüme parametrelerini tahmin etmek için diğer yöntemlerle birlikte kullanılabilen bir tez ölçekli fotosentetik biyoreaktörün montaj işlemi ve çalışmasını açıklamaktadır. Bu sistem, sensörleri, veri toplama ve kontrol birimi ve açık kaynaklı veri toplama yazılımı kullanarak pH, ışık ve sıcaklığı sürekli olarak izler.

Abstract

Mikroalgal ekimi için fotosentetik biyoreaktörlerin (PBR) optimum tasarımı ve işletilmesi, mikroalg esaslı biyoyakıt üretiminin çevresel ve ekonomik performansının geliştirilmesi için gereklidir. Farklı koşullar altında mikroalgal büyümesini tahmin eden modeller, PBR tasarımını ve operasyonunu optimize etmeye yardımcı olabilir. Etkili olabilmesi için, bu modellerde kullanılan büyüme parametreleri doğru bir şekilde belirlenmelidir. Algal büyüme deneyleri sıklıkla kültür ortamının dinamik doğası ile sınırlanır ve kinetik parametreleri doğru bir şekilde tespit etmek için kontrol sistemleri gereklidir. Kontrollü bir toplu deney hazırlamanın ilk adımı, canlı veri toplama ve denetleme işlemidir. Bu protokol, mikroalgal büyüme deneyleri yapmak için kullanılabilecek bir tezgah ölçekli fotosentetik biyoreaktör montajı ve işletimi için bir süreci özetlemektedir. Bu protokol, akrilikten tezgah ölçekli bir PBR malzemesinin nasıl boyutlandırılacağını ve monte edileceğini açıklamaktadır. Ayrıca yapılandırmanın nasıl yapıldığı ayrıntılarıBir veri toplama ve kontrol ünitesi, analog sensörler ve açık kaynaklı veri toplama yazılımı kullanarak sürekli pH, ışık ve sıcaklık izleme özelliğine sahip bir PBR.

Introduction

Küresel iklim değişikliği ve sonlu fosil yakıt kaynakları ile ilgili endişeler arttığı için, hükümetler fosil yakıt tüketimini azaltmak ve yeni, sürdürülebilir ulaştırma yakıtlarının geliştirilmesini teşvik etmek için politikalar geliştirmektedir. Birleşik Devletler Çevre Koruma Ajansı, yıllık 200 milyar galon ABD nakliye yakıtının 36'sının 2022 yılına kadar yenilenebilir yakıt kaynaklarından sağlanmasını gerektiren Yenilenebilir Yakıt Standardı'nı (RFS) geliştirdi. Yenilikçi ve dönüşüm teknolojileri bu ve Gelecekteki yenilenebilir enerji standartları ¹ .

Mikroalg esaslı biyoyakıtların kullanımı sera gazı emisyonlarını azaltarak ulusal RFS'yi karşılama potansiyeline sahiptir ² . Mikroalj esaslı biyoyakıtların mısır ve soya fasulyesi gibi karasal gıda ürünlerine dayalı birinci nesil biyoyakıtlara kıyasla birçok avantajları vardır. Birinci nesil biyoyakıtların aksine algler-bYosunların tuzlu su veya atık su kullanarak yılın her mevsiminde ve çorak topraklarda yetiştirilebilmesinden dolayı, biyoyakıtlar daha az toprak, su ve gıda kaynaklı kaynak tüketiyor. Mikroalgler, karasal ürünlere kıyasla yüksek büyüme oranlarına sahiptirler ve kolayca biyodizele dönüştürülebilen yüksek lipid seviyeleri biriktirebilirler ³ . Halen, alg yetiştiriciliğinden, lipid ayrımından ve biyodizele lipit arıtımından oluşan enerji yoğun üretim proseslerinin maliyetinin yüksek olması nedeniyle, endüstriyel ölçekli algler-biyoyakıtlı bitkiler mevcut değildir. Bu süreçleri daha verimli ve sürdürülebilir kılmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Yapay bir ortamda fototrofik mikroorganizmaların üretimi için optik açıdan temiz, kapalı tesisler olan PBR'ler en umut verici ekim yöntemlerinden biri olarak düşünülmektedir ³ . Bununla birlikte, mevcut tasarımlar hala yosunları biyoyakıt üretim procesine dönüştürmek için gerekli olan hacimsel verimlilikten yoksundur.Daha etkin ve ekonomik açıdan çekici ⁴ . Işık ışınımını ve zayıflamasını, besin maddeleri ve CO2'nin taşınmasını ve mikroalgelerin büyümesini göz önüne alan güçlü matematiksel modeller, PBR tasarımının ve operasyonunun optimizasyonunu büyük ölçüde kolaylaştırabilir. Bu optimizasyon modelleri için türe özgü büyüme parametrelerini belirlemek için tez ölçekli büyüme deneyleri gereklidir.

Kinetik testler, istenmeyen büyüme inhibitörlerini önlemek için deneysel kurulumların dikkatli bir şekilde izlenmesini ve kontrol edilmesini gerektirir. Yosunların fotosentetik doğası ( yani, CO ₂ tüketimi ve ışığın emilmesi) göz önüne alındığında, kontrollü koşulların sürdürülmesi, tezgah ölçekli PBR'lerde özellikle zordur. Denklem 1'de gösterildiği üzere, büyüme ortamındaki çözünmüş CO ₂ miktarı, yaygın olarak ( Eşitlik 2 ), en azından birFonksiyonu: 1) çözeltide çözülecek olan gaz miktarını belirleyen ( Eşitlik 3 ) CO ₂ kısmi basıncı ve Henry denge sabiti; 2) karbonat iyonlarının ve pH'sının türlenmesini ve aktivitesini etkileyen büyüme ortamının başlangıç ​​kimyasal bileşimi ( Denklem 4 ve 5 ); Ve 3) Denklemler 3-5'i etkileyen sıcaklık .

Karbonun çeşitli safhaları ve kimyasal türleşmesi, bir PBR içerisinde tutarlı bir çözünmüş karbon konsantrasyonunun ölçülmesi ve sürdürülmesi için zorluk yaratmaktadırLe, diğer koşulları sabit tutar ( örn., Yosun CO _2'yi tüketirken pH artar ve çözünmüş CO2 substratının arttırılması muhtemelen büyümeyi engelleyen asidik bir ortama neden olabilir) ⁶ .

Algal kinetik testler sırasında koşulların kontrol edilmesi için ilave bir karmaşıklık katmanı, PBR içindeki ışık yoğunluğunu içerir. Bir PBR içerisindeki ortalama ışık yoğunluğu, yalnızca olay ışığı yoğunluğunun değil aynı zamanda tasarımın ( örn. Malzeme, şekil, derinlik ve karıştırma), algal biyokütle bileşenlerinin (özellikle klorofilin) ​​absorbsiyonunun bir fonksiyonudur ve ışık- Algal hücrelerin dağılma özellikleri. Algler büyüdükçe, ortalama ışık yoğunluğu azalacaktır. Toplam hücre ve biyokütlenin artması, hücre başına klorofil içeriğinin artması veya her ikisinin birden ortaya çıkmasına bağlı olsun, ışık yoğunluğundaki bu değişiklik sonunda klorofil üretiminde bir artış gibi metabolik bir tepkiye neden olabilirHücre başına veya enerji için karbonhidrat ve lipid depolama ürünlerinin kullanımı ⁷ . Reaktör içinden ışık yoğunluğunun sürekli izlenmesi paha biçilmez bilgiler sağlar. Bu veriler, koşulların belirli bir aralıkta kalmasını sağlamak için yardımcı olabilir ve diğer ölçümlerle ( yani , biyokütle, klorofil konsantrasyonu, reaktör derinliği, olay ışığı, vb. ) Birleştirildiğinde alglerin büyüme ve emilim parametrelerinin tahmin edilmesine yardımcı olmak için kullanılabilir.

Yosunların belirli koşullar altında nasıl büyüdüğünü anlamak, pH, çözünmüş CO ₂ , ışık şiddeti ve sıcaklığın bench-scale kinetik deneylerde izlenmesini gerektirir. Birçok alg büyüme düzeneği, kinetik modellerin kalibre edilmesi için gerekli olan koşulları izlemek için donanımlı değildir ve modelleme sürecini son derece zorlayıcı hale getirir ⁸ . Birçok şirket otomasyon ve kontrol ile tez ölçekli PBR'ler sunsa da, bu tezgah ölçekliKurulumlar son derece pahalı olabilir (~ $ 20,000) ve belirli bir araştırma sorusunun deneysel tüm hususlarını karşılayamayabilir.

Bir toplu deney için bir kontrol-geribildirim sistemi kurmanın ilk adımı, canlı veri toplama yöntemidir. Bu makale, sürekli ışık, pH ve sıcaklık denetimi ile donatılmış bir tezgah ölçekli PBR'nin nasıl kurulacağını ve kurulacağını göstermeyi amaçlıyor. Bu gerçek zamanlı izleme ayarı, deneysel koşulların araştırmacının takdirine bağlı olarak arzulanan aralıklarda kalmasını sağlamaya yardımcı olabilir. Bu protokol, spesifik kontrol mekanizmalarını ayrıntılı olarak anlatmamakla birlikte, bu adım adım talimatlar daha karmaşık kontrol geri bildirimleri uygulanmadan önce gerekli olan veri toplama çerçevesi için temel bir temel sağlar.

Protocol

1. Tezgah üstü PBR Gövdesi ve Kapağı Yapın

NOT: Resimde, Dunaliella sp. , Bir hücre duvarı bulunmayan ~ 10 μm'lik bir halo-çözünür mikroalga, bu PBR'nin oluşturulması için model organizma olarak kullanılmıştır.

1. Araştırma ihtiyaçları için gerekli PBR miktarını belirleyin.
   1. Bu PBR için deneysel hedefleri belirleyin.
   2. Hangi alg ölçüm deneylerinin ( M) , alâr türlerinin büyümesini karakterize etmek için gerekli olduğuna karar verin; buna, tahlil başına gereken hacim, v ; Teknik çoğaltmaların sayısı, n ; Örnekleme frekansı, f ; Ve deneylerin süresi, t .
      NOT: Projeye özgü araştırma soruları, yosun türleri ve mevcut teçhizatlar ölçülen yosun özelliklerini, bu ölçümler için kullanılan yöntemleri ve bu ölçümlerin ne sıklıkla yapıldığını belirtir. biyokütle; Hücre sayıları; Ve toplamKlorofil pigmenti, protein, lipid, karbonhidrat ve dış nitrat konsantrasyonu ölçümleri büyümenin değerlendirilmesinde yaygın yollardır ve 5- 14 gün boyunca günlük örnekleme büyüme testleri için ortak bir yaklaşımdır ^{9 , 10} .
   3. Denklem 6 kullanarak bir deney boyunca örnekleme için gereken toplam kültür hacmi Vs'yi hesaplayın.
      
   4. Eşitlik 7'yi adım 1.1.3'teki V _s ve bir maksimum hacim giderme fraksiyonu, F kullanarak bir hedef PBR hacmi V _p'yi hesaplamak için kullanın.
      
      NOT: Toplam kültür hacminin önceden belirlenmiş bir bölümünü ( örn. ~% 20) kaldırmak, PBR içindeki koşulların (karışım gücü, ışık dağılımı, vb. ) Drastica olmamasını sağlamaya yardımcı olabilirKültür hacmi kaldırıldığı için deneyin seyrinde değişiklik gösterebiliriz.
      1. Biyomasın bulunduğu 10 günlük bir deney varsayarsak; Hücre sayıları; Ve toplam klorofil, protein, lipid, karbonhidrat ve nitrat konsantrasyonları üçer defa günlük olarak ölçülür, toplam numune hacmi ~ 600 mL kullanılır. Toplam kültür hacminin% 18.75'inden fazlasını kaldırmayı hedeflemiyorsa, toplam çalışan reaktör hacmi en az 3.2 L olmalıdır.
2. PBR denemeleri için sensörleri ve aksesuarları seçin.
   1. Sürekli izleme için kullanılacak pH, ışık ve sıcaklık problarını seçin.
      NOT: Sensörler, veri toplama ünitesiyle uyumlu olmalı ve dahili kültür koşullarına ( yani, pH aralığı, ışık, ısı, yosun döküntüsü, tuz, vb. ) Dayanıklı olmalıdır. Paslanmaz çelik ve tuz toleranslı problar burada Dunaliella sp. Deniz mikroalgidir.
   2. İsteğinizi karşılamak için bir pervane tasarımı ve motor seçinÇevreyle karıştırma şartları.
      NOT: Örneğin, düşük hücreli, eksenel bir pervane, bir hücre duvarı bulunmadığı ve kolayca kesilebildiği için, Dunaliella algleri için iyi bir seçimdir. Bu algler, bayraklı hareket ederler ve yoğun karıştırmaya ihtiyaç duymazlar ¹¹ . Düşük karıştırma hızları, 12 V mini dişli motor kullanılarak elde edilebilir. Çark ve mil 3D baskılı olabilir (3D baskı bilgileri malzeme listesinde bulunabilir).
3. PBR gövdesi ve kapağı birleştirin.
   1. Deneysel hedefleri ve potansiyel kısıtlamaları ( örn., Alan) göz önüne alarak adım 1.1'deki hacim hesaplamalarına dayanarak reaktör boyutlarını belirleyin.
      NOT: Bu şekil, deney boyunca daha tutarlı bir ışık dağılımı sağlayan PBR boyunca ışık zayıflamasını en düşük seviyeye indirdiği için daha düşük bir yüzey-hacim oranı olan bir PBR tasarımı tercih edilir.
   2. Beş parçayı optik olarak temiz dökümden kesAdım 1.3.1'de belirlenen PBR tasarımına ve boyutuna göre bir masa testeresi kullanarak akrilik levhalar (~ 0.25-0.5 kalınlığında).
   3. 200-400 zımpara kağıdı kullanarak, eklem kenarlarının düzeltildiğinden, ancak yuvarlak olmadığından emin olun.
   4. Akrilik parçaların kenarlarını bant ve / veya kelepçelerle birlikte sabitleyin.
      NOT: Akrilik çimento tutkal değildir. Akrilik birleştirme yüzeyleri pürüzlü veya akrilik parçalar eşit şekilde hizalanmıyorsa, bu bağlama çimentosu etkili olmayacaktır.
   5. İyi havalandırılan bir bölgede, bir iğne dağıtıcı kullanarak derzler boyunca akrilik çimento uygulayın. Plastik yüzeyler hemen birleşecektir. Parçaların 24 saat oturmasına izin verin.
      UYARı: Akrilik çimento kullanırken solunumu ve deri ile temastan kaçınmak için bir maske ve eldiven giyilmelidir.
   6. PBR'nin su geçirmez olduğundan emin olmak için derzlere viskoz akrilik çimento uygulayın. Çimento talimatlarına göre çimentoyu 24-48 saat kurumaya bırakın; Kuruma süreleri değişebilir.
   7. DoldurReaktörün su ile görünür sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Herhangi bir kaçak görülmezse, reaktörü kağıt havlu üzerine yerleştirin ve 24-36 saat sonra sızıntı belirtilerini tekrar kontrol edin.
      NOT: Yaklaşık 2 L'den fazla tutan PBR'leri birleştirmek için ~ 0,5 inçten daha az akrilik levhalar kullanılmalıdır; İnce tabakalar su basıncında eğilebilir ve sızıntılara neden olabilir. Contalar ve yeniden sıkıştırma vidaları akrilik çimentoya karşı daha sağlam bir alternatif olarak kullanılabilir ( Şekil 1 ). Bu tür bir montaj hassas makine gerektirir ve akrilik kolayca çatlayabileceğinden son derece dikkatli yapılmalıdır.
   8. PBR kapağını tasarımlamak için, algılayıcıları ve diğer PBR aksesuarlarını ve ihtiyaçlarını ( örneğin, pervane, gaz hatları, örnekleme bağlantı noktaları, vb. ) Barındıracak bağlantı noktaları bulunan bir makine mağazası kullanın. İç bileşenlerin birbirine karışmadığından emin olun.
      NOT: PBR ve PBR kapak konfigürasyonu / tasarımı, reaktör aksesuarlarına ve deneysel hedeflere bağlı olacaktır. Bkz. Şekil 1PBR reaktör ve kapak tasarımı örneği için (daha fazla ayrıntılar malzemeler bölümünde bulunabilir). Bu PBR tasarımı, protokolün geri kalanı için referans alınacaktır.

Şekil 1: Sensörler ve bir Karıştırıcı ile Özelleştirilmiş Tezgah ölçekli PBR Kurulumunun Görüntüsü. Bu kurulum, bir mikseri, kapağın dişli bir portu vasıtasıyla kapağa sabitlenmiş bir elektrodu ve özel olarak tasarlanmış bir kapağa tutturulmuş bir ışık sensörünü gösterir. Bu kapak tasarımı ayrıca 12 V DC mini dişli motorun bağlantısını da içerir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

2. Veri Toplama ve Kontrol Birimi ile Sensörleri Ayarlayın ve Yapılandırın

NOT: Sensörler değişiklikleri tercüme ederFiziksel dünyayı ölçülebilir bir analog sinyale, genellikle voltaja dönüştürür. Veri toplama birimleri, dijital ve fiziksel dünya arasında bir arayüz görevi görür ve bu analog sinyalleri okumak ve onları bir bilgisayarın talimatlarına göre ayrı değerlere dönüştürmek için kullanılabilir. Burada tanımlanan veri edinme birimi, 16 bitlik bir analog giriş çözünürlüğüne sahiptir, 14 analog sinyali (± 10 V) okuyabilir ve bazı sensörlerin gerektirdiği gücü (5 V'a kadar) sağlayabilir. Bu talimatlar, bir analog sinyali bir PBR içindeki ışık, pH ve sıcaklık için daha anlamlı değere dönüştürmek için bu veri toplama ve kontrol ünitesini nasıl kuracağınıza ilişkin genel bir bilgi sağlar. Bu talimatlar, bu ölçülen değerleri tam olarak yorumlamak ve belirsizliği ölçmek için gereken önemli kavramları (nicelleştirme, hassaslık, tepki süresi, vb. ) Ayrıntılandırmaz.

Resim 2: Algılayıcıdan veriye Acquisition ve Kontrol Birimi Bağlantı Şeması. Bu diyagram, bu protokol için kullanılan veri toplama ve kontrol ünitesine pH, ışık ve sıcaklık sensörlerinin nasıl kurulacağını gösterir. PH ve ışık sensörü için sinyal işleme bileşenleri gösterilmektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

1. Işık sensörünü, veri toplama ve kontrol ünitesi ile düşük geçiren bir filtre kullanarak kurun ve yapılandırın.
   NOT: Genel referans diyagramları için lütfen Şekil 2'ye bakın. Üretici sensör özellikleri, renk temelinde sinyal, güç ve topraklama kabloları arasındaki farkı gösterir. Düşük geçiren filtre, elektrik sinyallerindeki istenmeyen sesleri filtrelemek için bir direnç ve kondansatör kullanan basit bir devredür. Bu tür bir filtre, yüksek frekanslı elektrik sinyallerini zayıflatırDirenç ve kapasitans tarafından belirlenen kesme frekansı. Bu filtre sensör sinyalinden gelen elektriksel parazitleri gidermeye veya düzeltmeye yardımcı olur.
   1. Tel sıyırıcı kullanarak, ~ 2 inç yeşil konnektör tel parçasını kesin; Bir uçtan yalıtım 0.25 inç ve her iki parçanın diğer ucundan ~ 0.5 inç şerit.
   2. Işık sensöründeki analog sinyal çıkış teli tanımlayın. Tel izolasyonun ötesine ~ 0.25-0.50 inç metal telin maruz kaldığından emin olun.
   3. 1000 Ω direncin bir bacağını konnektör telinin 0,5 inçlik soyulmuş ucunun etrafına dikkatlice sarın. Direncin diğer bacağını, ışık sensörü analog sinyal kablosunun açıktaki bölümünün etrafına sarın.
   4. Direnç ayaklarını tele lehimlemek için lehim demirini ve kurşunsuz lehim kullanın. Lehimin 2-5 dakika soğumasına izin verin.
      UYARI: lehim ve havyalar aşırı ısınır ve kullanıcılar doğru eğitim almazlarsa çok tehlikeli olabilirler. Öğretim videoları çevrimiçi olarak bulunabilir. Güvenlik gözlüğü ve diğer önlemler son derece önemlidir. Bu işlem sırasında kablolar bir güç kaynağına veya başka aygıtlara bağlanmamalıdır.
   5. Konektör teli bir ucunu ~ 1.5 inç ısı shrink boru parçası kaydırın ve lehimli tel ve direnç kapak kadar parça kaydırın. Tüm metal parçaların tamamen kapalı olduğundan emin olun.
   6. Isı tabancası kullanarak ısı küçültme. Borunun direnç ve kabloların etrafına sıkıca sarlandığından emin olun; Çıplak tel açığa çıkmamalıdır.
   7. Işık sensörünün toprak telini veri toplama ve kontrol ünitesindeki serbest toprak (GND) terminale bir tornavida ile bağlayın.
   8. Bir tornavida kullanarak sinyal konnektör kablosunun serbest ucunu serbest analog giriş (AIN) terminaline sabitleyin.
   9. 1.000 μF kapasitörün pozitif kablosunu ( diğer bir deyişle daha uzun ayağı) adım 2.1.8'deki AIN terminaline ve negatif kabloyu (kısaca bacak) Adım 2.1.7'deki ile aynı GND terminaline bağlayın.Hem kapasitör bacağının hem de telin terminale sıkıca bağlandığından emin olun.
   10. Işık sensörü için gç giriş telini belirleyin ve bu kabloyu veri toplama ve kontrol ünitesindeki bir voltaj kaynağı (VS) terminaline sabitleyin.
2. Bir birlik kazanç amplifikatörü ve bir alçak geçiren filtre kullanarak, veri toplama ünitesi ile pH elektrodunu kurun ve yapılandırın.
   NOT: pH ölümlerinin (yüksek empedans ve düşük gerilim) doğası gereği, pH sondası ile veri edinme cihazı arasında genellikle bir kazanç yükseltme tamponu gereklidir. Düşük geçiren filtre, sinyali ortamdaki elektriksel gürültüye karşı korumak için pH'yı ölçmek için de yararlıdır.
   1. Birlik kazanç amplifikatörünü, verici kablosunu kullanarak pH probuna bağlayın.
   2. Koaksiyel adaptörü pozitif ve negatif bağlantı uçlarıyla birlik kazanç amplifikatörünün diğer ucuna bağlayın.
   3. İki 6'lı yeşil parçayı ve bir adet ~ 12 inç parçayı kesinE tel sıyırıcı kullanarak siyah konnektör tel. Siyah konnektör telinin her iki ucundan 0,25 inç yalıtımı soyun.
   4. Tel sıyırıcılar kullanarak yeşil konnektör tellerinin uçlarından 0,25 inç ve 0,5 inç izolasyonu soyun.
   5. Bir yeşil konnektör telinin 0,5 inçlik soyulmuş bölümüne 1000 Ω'luk direncin bir bacağını dikkatlice sarın. Diğer direnç ayakını diğer yeşil konnektör telinin 0,5 inçlik soyulmuş bölümünün etrafına sarın.
   6. Direnç ayaklarını tele lehimlemek için lehim demirini ve kurşunsuz lehim kullanın. Lehimin 2-5 dakika soğumasına izin verin.
   7. Konektör teli bir ucunu ~ 1.5 inç ısı shrink boru parçası kaydırın ve lehimli tel ve direnç kapak kadar parça kaydırın. Tüm metal parçaların tamamen kapalı olduğundan emin olun.
   8. Isı tabancası kullanarak ısı küçültme. Plastikin direnç ve kabloların etrafına sıkıca sarılmış olduğundan emin olun; Çıplak tel açığa çıkmamalıdır.
   9. Siyah c'nin bir ucunu sabitleyinEş eksenli adaptör üzerindeki negatif (siyah) terminal direğine bağlayın. Bu telin diğer ucunu veri toplama ve kontrol ünitesinin bir GND terminaline yerleştirin ve bir tornavidayla sabitleyin.
   10. Yeşil konnektör kablosunun bir ucunu (direnç seri olarak) eş eksenli adaptördeki pozitif (kırmızı) terminal direğine sabitleyin. Bu bağlantı kablosunun diğer ucunu veri toplama ve kontrol ünitesindeki boş bir AIN terminaline yerleştirin.
   11. 1.000 μF kapasitörün pozitif kablosunu ( diğer bir deyişle daha uzun bacak) belirleyin ve bu lead'i adım 2.2.9'daki gibi aynı AIN terminaline sabitleyin; Hem kapasitör bacağının hem de sinyal kablosunun terminale sıkıca bağlandığından emin olun.
   12. 1.000 μF kapasitörün negatif kablosunu ( yani kısa bacak) adım 2.2.8'deki gibi aynı GND terminaline sabitleyin.
3. Sıcaklık sensörünü, veri toplama ve kontrol ünitesine, sinyal, toprak ve güç bağlantısını bağlayarak bağlayınAIN, GND ve VS terminallerini serbest bırakmak için sonda.

3. Canlı Veri Edinimi ve Deneysel Dosyayı Kurma

NOT: Burada açıklanan veri toplama ve kontrol yazılımı, kullanıcı tarafından belirlenen zaman aralıklarında sensör verilerini izlemek ve kaydetmek için veri toplama ve kontrol ünitesi ile iletişim kurmaktadır. Aşağıdaki talimatlar, pH, sıcaklık ve ışığı izlemek ve kaydetmek için bu yazılımda bir kontrol dosyası nasıl kurulacağını açıklamaktadır. Bu talimatlar, materyal bölümünde listelenen yazılım ve veri toplama ve kontrol ünitesine özeldir. Daha fazla talimat ürün kullanıcı el kitaplarında bulunabilir.

1. Veri toplama ve kontrol birimini bir USB kablosu kullanarak deney düzeneğindeki bir bilgisayara bağlayın ve gerekli tüm sürücüleri indirin.
2. Veri toplama ve kontrol yazılımını indirin ve açın.
3. Yazılımdaki her sensör için 'Dönüşümler' ayarlayın.
   NOT: Fiziksel voltajı dönüştürmek içinYaş sinyalini anlamlı bir değere dönüştürürse, kalibrasyonla belirlenen bazı dönüştürme faktörü uygulanmalıdır. Birçok sensör, ürüne özel özellik belgelerinde bulunan fabrika kalibrasyon faktörlerine sahiptir. Dönüşüm denklemleri, kurulum ve sensörler için özeldir. Birçok dönüştürme denklemi parametreleri, özellikle de elektrotlar için kalibrasyon yoluyla düzenli olarak güncellenmelidir. Bir sensörün ömrü ve kalibrasyon frekansı ürüne özgü spesifikasyonlara ve çalışma ortamına bağlı olacaktır.
   NOT: Kullanıcılar bu spesifikasyonları tam olarak okumalı ve anlamalıdır. Tablo 1 , malzeme listesinde bulunan sensörler için dönüşümleri göstermektedir. Sıcaklık probu için bir dönüşüm örneği aşağıda gösterilmektedir.
   1. Ana ana sayfanın sağ tarafındaki yazılım çalışma alanındaki "Dönüşümler" e gidin.
   2. "Volts_to_celsius" gibi bir dönüşüm adı ekleyin ve dönüşüm denklemine şunu yazın: (55.56 x değeri) + 255.37 - 273.15.

Kanal ismi	Dönüşüm Adı	Denklem	notlar
Sıcaklık	volts_to_celsius	(55.56 x değeri) + 255.37-273.15	Üretici dönüşüm denklemi, voltajı celsius'a çevirir.
ışık	volts_to_PPFD	Değer x 500	Voltajları fotosentetik foton akı yoğunluğuna (μmol m -2 s -1 ) dönüştüren üretici dönüşüm faktörü, üretici LED düzeltmesi uygulanmadı.
pH	volts_to_pH	(-17.05 x değer) + 6.93	PH elektrodu voltaj okumalarını pH değerlerine dönüştürmek için kalibre bağımlı dönüşüm denklemi (Şekil 4b). Dönüşümü yalnızca pH kanalı a'ya uygulayın.Kalibrasyon.

Tablo 1: Veri Toplama Dosyası için Kanal Dönüşüm Tablosu. Veri toplama yazılımına sensörler için kanal ve dönüşüm bilgisi nasıl girileceğine ilişkin örnekler.

4. Sensör verilerini elde etmek için yazılım içindeki her sensör için uygun Kanalları ayarlayın.
   NOT: Her sensör, yazılımda kendi analogundan dijital kanalına ve veri toplama ve kontrol ünitesinde belirtilen analog giriş terminaline ihtiyaç duyar.
   1. Yazılımdaki "Kanal" sayfasına gidin.
   2. Sensör kanalı adı ekleyin. Boşluk karakterine izin verilmez.
   3. İlgili kanal için veri toplamak için uygun cihazı seçin; Bu cihaz veri edinme cihazına karşılık gelecektir.
   4. Veri toplama ve kontrol ünitesine veya diğerlerine referans vermek için kullanılan cihaz numarasını giriniz.Veri edinme aygıtı; Eğer sadece bir ünite kullanılırsa, varsayılan numara genellikle sıfırdır.
   5. Giriş-çıkış tipi ("G / Ç Tipi" için A'dan D'ye analogdan dijitale seçin ve veri toplama ve kontrol ünitesindeki AIN terminal numarasına karşılık gelen kanal numarasını girin
   6. İstenen örnekleme "Zamanlama" (lar) ı giriniz; Bu değer sensör sinyalinin ne sıklıkta okunacağını belirtir. Her 1 saniyede bir okuma elde etmek için 1.0 girin. Günlüğe kaydetmeden önce verileri ortalama 1 dakikalık aralıklarla ortalamak için "Ort." Kutusunu işaretleyin ve ortalama uzunluğu için 60 değerini belirtin.
   7. Varsa, açılır menüden uygun dönüşümü seçin (dönüşüm oluşturmak için adım 3.3'e bakın); Aksi halde, tüm kanal verileri voltaj olarak görüntülenir / kaydedilir.
5. Deneysel verileri kaydetmek için "Günlük Ayarı" ayarlayın.
   1. Yazılım çalışma alanındaki "Kayıt Paneli" ne gidin,Ew logging set'ine gidin ve seti buna göre adlandırın. Çıktı dosya türünü ve konumunu seçin; Çıkış dosyası adına '.csv' uzantısı belirtilmişse ASCII dosya türü, virgülle ayrılmış bir değer dosyası sağlayacaktır.
   2. Bu sete giriş yapmak için istediğiniz kanalları ekleyin.
   3. Çalışma alanındaki günlüğe kaydetme sırasını sağ tıklatarak ve uygun seçeneği belirleyerek günlüğe kaydetmeyi başlatın ve durdurun.
      NOT: Verileri aktif olarak kaydederken dosyaya erişmeye çalışmayın. Bu işlem, günlüğe kaydetme işlemini bozabilir. Sürekli olarak günlüğe kaydedilen dosyalar için dosya konumu bir bulut dizini içine kaydedilmemeli / yazılmamalıdır.
6. Verileri ve grafikleri görüntülemek için "Sayfa" yı kurun.
   1. Yazılım çalışma alanındaki "Sayfalar" ekranına gidin. Varsayılan boş sayfalardan birine tıklayın.
   2. Sayısal olarak okunan bir sensör çıktısını sayfada görüntülemek için, sayfaya bir "Değişken Değer" ekranı ekleyin.
      1. TeçhizatBoş sayfanın herhangi bir yerinde ht tıklama yapın, "Görüntüler" i seçin ve "Değişken Değer" seçeneğini tıklayın; Ekranda küçük bir kutu görünür.
      2. Bu yeni oluşturulan kutuyu sağ tıklayın ve "Özellikler" i seçin. Ekran resmini girin (örn. "Reaktördeki Sıcaklık"), kanal referansını (örn., "Sıcaklık [0]") ve ilgili birimleri (ör. "Celsius") yazın. "Tamam" a tıklayın ve görüntüleme sayfasına geri dönün.
   3. Algılayıcı verilerini grafiksel olarak ve gerçek zamanlı olarak görüntülemek için, ekran sayfasına bir 2D grafik ekleyin.
      1. Boş sayfanın herhangi bir yerine sağ tıklayın ve "Grafikler" ve ardından "2B Grafikler" i seçin. Ekranda küçük bir çizim belirecektir.
      2. Yeni oluşturulan grafiği sağ tıklayın ve "Özellikler" i seçin. "İzler" sekmesinde "Y Ekspresyonu" kutucuğuna istediğiniz sensör kanal adını (örn. "Sıcaklık") yazın ve "Saat" in writte olduğundan emin olunN "X Expression:" kutusunda. "Tamam" a tıklayın ve görüntüleme sayfasına geri dönün.

4. pH Probunu kalibre edin

NOT: pH kalibrasyonu her deneyden önce, istenilen deney sıcaklığında yapılmalıdır ve pH kanalı dönüşümleri buna göre güncellenmelidir. PH elektrot okumaları deneyler sırasında sürüklenebilir; Bu kaymanın boyutunu belirlemek için, deney düzeneğini çalıştırdıktan sonra kalibrasyon işlemini tekrarlayın ve okumaları karşılaştırın. PH elektrotları, deneyden önce ve sonra üreticinin talimatlarına uygun depolama çözeltisinde doğru bir şekilde depolanmalıdır.

1. Adım 2'de açıklandığı gibi pH ve sıcaklık sensörlerini bağlayın.
2. Hem pH elektrodunu hem de sıcaklık probunu pH kalibrasyon tamponu 7'ye yerleştirin.
3. Probun sıcaklık okumasının istenen sıcaklıkta olduğundan emin olmak için grafik ekranı kontrol edinDeneyler çalıştırmak için (adım 3.6.2.2).
4. PH elektrodu voltaj çıkışının dengelenmesine izin verin ( yani, voltaj okumaları bir yönde artık değişmez). Dengeyi doğrulamak için grafiksel bir ekran kullanın.
5. Sıcaklık ve pH elektrik verilerini 30-60 saniye süreyle bir dosyaya (adım 3.5) kaydedin. Bu işlem sırasında, pH kanalı herhangi bir dönüşüm uygulanmamalı veya herhangi bir ortalamayı içermemelidir.
   Not: pH elektrotları elektriksel gürültüye duyarlı olduğundan, pH kanalı için daha düşük bir alım zamanı (yani daha hızlı örnekleme) tercih edilebilir ( örn. 'Zamanlama' = 0.1 s). Akılda tutmak gerekirse, daha düşük bir zamanlama daha fazla hesaplama kaynağı gerektirir.
6. Tampon 4 ve 10 için kalibrasyonu tekrarlayın. Sensörün yanıtının -57 ile -59 mV / pH arasında olduğunu onaylayın ( Şekil 3a ).
7. Gerilim karşısında pH tampon değerini çizerek ve bir çizgiye oturtarak bir dönüşüm denklemi oluşturun ( Şekil 3b >). Dönüşüm denklemini adım 3.3'te açıklandığı gibi güncelleyin.
8. Bu dönüşümü pH kanalına uygulayın ve günlükleme için istenen ortalamayı içerecek şekilde kanal ayarlarını güncelleyin.

5. Algal Deneyi için PBR'yi kurun

NOT: Aşağıdaki adımlar, Dunaliella'ya ve Şekil 1'de gösterilen ısmarlama PBR'ye özeldir . Dahası, bu kurulum talimatları steril protokollere uygun değildir, çünkü bu sistem böyle tasarlanmamıştır.

1. Deney ve deneysel hedefler için gerektiği gibi yosun inokülumu ve büyüme ortamı hazırlayın.
2. PH ve sıcaklık kablolarını, veri toplama ve kontrol ünitesine, 2.2-2.3 adımlarında anlatıldığı şekilde bağlayın.
3. Adım 3.3 ve 4'te açıklandığı gibi, pH kanalı için dönüşüm denklemini kalibre edin ve güncelleyin.

Igimg "src =" / dosyalar / ftp_upload / 55545 / 55545fig4.jpg "/>
Şekil 4: Mikser İçin Kablo Bağlantı Şeması. Bu diyagram, bir mini-dişli motor, bir güç kaynağı ve bir 3D-baskılı pervane ve şaft kullanarak bir PBR için bir karıştırma cihazı nasıl kurulacağını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

4. Aksesuarların ve sensörlerin bulunduğu sıcaklık kontrollü inkübatöre PBR'yi kurun. Görselleştirme için Şekil 4'e bakın.
   1. Işık sensörünü, ışık sensörü kablosunu kapak bağlantı noktasından geçirip ardından sağlanan vidayı kullanarak kapak uzantı aparatına sensör kafasını takarak PBR içinde ayarlayın. Bu bağlantı noktasını atmosfere kapalı tutmak için kauçuk tıpa veya maşa kullanın.
   2. Karıştırıcı pervaneyi pervane şaftını DC mini dişli motorun üzerine yerleştirerek PBR kapağına tutturun ve sabitleyinPBR kapağının içindeki mil; Mili ayar vidasıyla ve Allen anahtarıyla sabitleyin.
   3. Yosunlara özgü büyüme ortamı ekleyin, kapağı yerleştirin ve kapağı vidalarla sabitleyin. PBR'yi kuluçka makinesi içine yerleştirin (25 ° C'ye ayarlayın veya istenilen sıcaklıkta).
   4. Sıcaklık probunu belirlenen bağlantı noktasına takın ve lastik bir tıkaç kullanarak bağlantı noktasına sabitleyin.
   5. PH probunu bir PG-13.5 dişli yuvası kullanarak reaktör kapağı portuna sabitleyin.
   6. Adım 2.1'de açıklandığı gibi ışık sensörü kablolarını veri toplama birimine bağlayın.
5. Karıştırıcı pervanesini istediğiniz hıza gç uygulayın.
   1. Değişken DC güç kaynağını kuruluma bitişik olarak ayarlayın. Güç kaynağını açın ve voltaj değeri 0 volt okuyana kadar voltaj düğmesini ayarlayın. Güç kaynağını kapatın.
   2. Pervane motor güç hatlarını değişken güç kaynağının pozitif ve negatif çıkış terminallerine bağlayın ( Şekil 5 UYARİ: Asla canlı kablolara veya devrelere bağlamayın veya dokunmayın. Herhangi bir kablo bağlamadan önce tüm güç kaynaklarının kapalı olduğundan emin olun. Motor, güç kaynağı ve teller arasındaki uyumluluğu sağlamak için daima üretici talimatlarını / teknik özelliklerini okuyun.
   3. Güç kaynağını açın ve voltaj düğmesini istediğiniz karıştırma hızına erişene kadar çevirerek voltajı yavaşça artırın; Dakikadaki dönüşleri ölçerek karıştırma hızını hesaplayın.

Şekil 5: Reaktör Deneysel Kurulum Diyagramı. Bir sıcaklık kontrollü inkübatör içinde bir PBR deneysel kurulumun görselleştirilmesi. Bu kurulum, büyütme lambası ve bir PBR içerir; sensörler ve PBR kapağı içinde bir karıştırıcı bulunur. Lütfen buraya tıklayınBu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntüleyin.

6. PBR'yi aydınlatmak için büyüme lambasını ayarlayın.
   NOT: Dunaliella'ya özgü bu araştırma için gerekli fotosentetik ışık yoğunluğu düzeylerini elde etmek için mavi ve kırmızı spektrumda yayan yüksek güçlü bir LED büyüme lambası seçilmiştir. Işık fikstürünün boyutu ve şekli, ışığın PBR'nin gelen yüzeyini eşit şekilde aydınlatacağı şekilde seçilmelidir. İnkübatörün bir dahili ısı kaynağını kaldırabildiğini doğrulayın. Bunu yapmamak kuluçka makinesi ömrünü kısaltabilir ve / veya kuluçka makinesi içinde hasar veya aşırı ısıtmaya neden olabilir.
   1. PBR'nin ön yüzü boyunca büyüme lambasını ortalayın. Işık yolunun doğrudan reaktörün arka tarafına monte edilen ışık sensörüne doğru yönlendirildiğinden emin olun.
   2. Işığı açın ve büyütme lambasını doğrudan reaktöre doğru veya uzakta tutarak ışık yoğunluğunu gerektiği gibi ayarlayın. Işık için sensör değişken ekranını kontrol edinokumalar.
7. PBR içindeki ışık, sıcaklık ve pH değerlerinin istikrarlı ve istenilen aralıkta olmasını sağlamak için sensör verilerini 6-24 saat boyunca izleyin ve kaydedin. Gerektiği gibi ayarlayın.
   NOT: Elektriksel gürültü, PBR ortamında belirgin değişiklikler olmaksızın, zıplayan, kararsız okumalar ve / veya ani değer kaymaları ile sıklıkla gözlemlenebilir.
8. Alıne inokulumunu transfer pipeti vasıtasıyla eklemek için numune alma bağlantı noktasındaki kauçuk tıpasını çıkarın.
9. Numuneleri çıkarın ve deney için arzu edilen aralıkta kalmasını sağlamak için koşulları izleyin.
   1. Analiz için kültürleri bir pipet kullanarak örnekleme limanından gerektiği gibi çıkarın.
      NOT: Örneklem hacmi, frekansı ve süresi, adım 1.1.2'ye bağlı olacaktır.
   2. Yazılımdaki veri ekranını kontrol ederek ve su sıcaklığını korumak için inkübatör hava sıcaklığı ayar noktasını manuel olarak ayarlayarak PBR içindeki su sıcaklığını izleyinRasyon sabiti.
      NOT: Bu ayar, inkübatör üreticisi talimatlarına bağlı olacaktır.
   3. PH'nın deneyler için beklenen aralıkta kalmasını sağlamak için PBR içindeki pH değerini istediğiniz gibi izleyip ayarlayın.
      NOT: Burada, pH 12 V selenoid valf (normalde kapalı) ile basınçlı bir CO2 tankı (% 99,99) doğrultusunda kontrol edilmiştir. Valf, veri toplama ve kontrol ünitesinin ve yazılımın kontrol işlevini kullanarak gerektiği gibi açıldı. Bu kurulum, bir aksesuar röle kartı ve DC modüllerine ihtiyaç duydu ve belirli araştırma hedeflerine göre uyarlanmış özel bilgisayar programı kullanılarak gerçekleştirildi.

Representative Results

Bu gerçek zamanlı izleme sisteminden elde edilen veriler, alçı ölçekli bir PBR içerisinde algler için dinamik kültür ortamını gösterir ve sistemin izlenmesi ve kontrol edilmesi ihtiyacını vurgular. Kaydedilen sıcaklık verileri ( Şekil 6 ), ışık yayan aydınlatma, inkübatör hava sıcaklığı ve alg büyümesiyle ilişkili enerji dağılımının PBR içindeki sıcaklığı nasıl değiştirebildiğini ve gerçek zamanlı verilerin inkübatör sıcaklık kontrollerini nasıl ayarlayabileceğini gerektiğinde göstermektedir.

Deney boyunca ölçülen ışık, büyüyen bu çevrenin dinamik doğasını daha da vurguluyor. Şekil 7'de görüldüğü gibi, fotosentetik foton akı yoğunluğu (PPFD; μE-m ^-2 s ^-1 ) olarak ölçülen ışık sensörü okuması, algler eklenmeden önce ~ 100 PPFD idi ve derhal 85 PPFD af'ya düşürüldüReaktörü algal kültür ile aşılamak. Işık 7. günde 5 PPFD'nin altına düşmeye devam etti. Işık yoğunluğundaki bu azalma, biyokütle ve hücre sayılarının artması ve / veya klorofil içeriğinin artması nedeniyle emiliminin artması nedeniyle yosunların 7. günde aktif olduğunu gösteriyor. Işık seviyeleri. İlave biyolojik ölçümler, başka çıkarımlar yapmak için gereklidir.

Kesintisiz olarak kaydedilen pH verileri, genel olarak, pH'ın bu deney sırasında uygulanan pH kontrol algoritması ile yeterince kontrol edildiğini göstermektedir ( Şekil 8 ). Dakika bazında okumalar ve saatlik ortalamalar gösteren bu veriler, yosunların kültürlenmesi ve pH'nın gerçek zamanlı olarak izlenmesiyle ilgili birkaç önemli hususu göstermektedir. Önce, PBR'nin yosunlarla aşılanmasından hemen sonra pH, istenen istenen 7,6 değerinin üzerine çıkmıştır. PBR'ye eklenen kültür tohumu ap ihtiva ettiği için bu değişiklik bekleniyorduH değeri ayar noktasından daha yüksektir, çünkü aşı büyütmek için kullanılan şişe pH kontrolü altında değildir. İkincisi, bu canlı veri, pH elektrotlarının harici elektriksel gürültüye ne kadar duyarlı olduğunu vurgular. Bu hassasiyet, 1. günden 2. güne kadar elektrot değerlerinde sert bir sıçramayla kaydedildi. Bu pH değerlerindeki ani değişiklikler muhtemelen, bitişik deney düzeneğindeki bir solenoid valfın elektriksel gürültüsü nedeniyle oluştu. Bu elektriksel bozulma PBR'ye CO ₂ enjekte etmek için pH kontrol algoritmasını erken tetikledi. Sonuç olarak pH, istenen ayar noktasının altına düştü. PH elektrodlarının hassaslığı aşırı aşırılıklara neden olabilir ve kontrol sistemlerini potansiyel olarak aksatabilir.

Şekil 3: pH Tepkisi ve Kalibrasyon Örneği Grafikleri. ( A ) Örneklemin tepki grafiğiE pH sensörü ( b ) pH sensörünün örnek kalibrasyon grafiği, dönüşüm için kullanılacak bir denklemle. Regresyon analizi,% 95 güven aralığını göstermektedir. Hata çubukları görünmüyor (standart hata% 0,03'ten az). Bu grafikler, pH sensörlerinin doğru şekilde bağlandığını ve sinyalinin çok sabit olduğunu göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 6: 7 Günlük Deney Sırasında PBR İçerisinde Sıcaklık Ölçümleri. Koyu mavi noktalar, sensör verisinin 1 saatlik ortalamalarını temsil eder ve açık mavi noktalar, 1 dakika boyunca edinilen sensör okumalarını (1 s kazanım zamanlaması, 60 ortalama uzunluk) temsil eder ve üreticiden tedarik edilen dönüştürme faktörleri kullanılarak sıcaklığa dönüştürülür. Siyah oklar sho Kültür sıcaklığını 25 ° C civarında tutmak için inkübatör sıcaklığı ayarı yapıldığında (bu istenen ayar noktası kırmızı, noktalı çizgi ile gösterilir). Sıcaklık dalgalanmaları, algal büyüme ve kuluçka makinesi sıcaklığındaki değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 7: 7 Günlük Deney Sırasında PBR İçindeki Işık Ölçümleri. Koyu mavi noktalar, sensör verisinin 1 saat ortalamasını temsil eder ve açık mavi noktalar, 1 dakika boyunca edinilen sensör okumalarını (1 s kazanım zamanlaması, 60 ortalama uzunluk) temsil eder ve varsayılan ışık sensörü fabrika ayar değerlerini kullanarak PPFD'ye dönüştürülür."> Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 8: 7 Günlük Deney Sırasında PBR İçindeki pH Ölçümleri. Koyu mavi noktalar, sensör verilerinin 1 saatlik ortalamalarını temsil eder ve açık mavi noktalar, 1 dakikada bir kaydedilen sensör okumalarını (0.1 saniyelik edinim zamanlaması, ortalama uzunluk 600) temsil eder ve kalibrasyon yoluyla kurulan dönüşüm denklemi kullanılarak pH'a dönüştürülür. PH,% 99 CO2 gazı enjeksiyonu kullanılarak 7.6 ila 7.5 arasında tutuldu. Kırmızı noktalı çizgiler istenen pH aralığını göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Discussion

Bu PBR sistemi, büyümeyi ölçmek için kullanılan deneysel tahlilden daha tekrarlanabilir sonuçlara olanak tanıyan, bench ölçekli algal kinetik büyüme deneylerini izlemek ve kontrol etme olanağı sunar. Bununla birlikte, sensör ölçümlerinin sınırlamaları ve belirsizliklerinin anlaşılması, sensör okumalarının reaktör koşullarını doğru olarak yansıtmasını sağlamak için kritik önem taşır. Bu anlayış, sensörlerle ilgili ölçüm prensipleri, kalibrasyonun süreci ve frekansı, ölçüm belirsizliği ve sensörün ölçebileceği ve ölçemediği temel bilgileri içerir. Örneğin, burada açıklanan ışık sensörü için olan elektriksel yanıt, görünür spektrum aralığında eşit olarak dağıtılmamaktadır ve bu sensör verisinin nasıl analiz edileceğine bağlı olarak, sensör çıktısına belirli düzeltme faktörlerinin uygulanması gerekebilir.

Sıcaklık seviyeleri ve çeşitleri de son derece önemlidir, çünkü sıcaklıktaki değişikliklerSensör tepkisini akıcı bir şekilde uygulayın. Sensör okumalarını etkileyebilecek potansiyel parazitleri anlamak da kritik öneme sahiptir; Bu girişim, binadan gelen ortamdaki elektriksel gürültü olabilir veya ölçüm ortamından kaynaklanabilir ( örn., Sodyum iyonları, pH değerlerinde pH okumalarını büyük ölçüde etkiler) ¹² . Dahası, çoklu probları bir çözeltiye daldırmak, özellikle de çok iyonik ve iletken bir tuz çözeltisi de potansiyel bir girişim kaynağıdır. PH değerini ölçen elektrodlar (veya iyonik kuvvet, çözünmüş oksijen, çözünmüş CO ₂ , vb. ) Özellikle ortamdaki elektriksel gürültüye duyarlıdır ve kolayca karışabilir. Elektrot sinyalinin korunması için kullanılan sinyal koşullandırması, diğer faktörlerin prob okumalarına müdahale etmeyeceğini garanti edemez. Kalite kontrolünün bir parçası olarak elle tutulan bir pH sondası, elde tutulan bir spektrometre ve bir termometre gibi diğer laboratuvar teçhizatının tSensör okumalarını ve sistemin düzgün bir şekilde kurulduğundan ve çalışıp çalışmadığından emin olmak için kullanır.

Ele alınması gereken bir diğer kısıtlama alglerin ve / veya kültür ortamının sensörler üzerindeki olası etkisidir. Örneğin, algal artıkları veya kabarcıklar ışık sensörünün fotodiyot reseptörünü kaplarsa, okumalar etkilenir. Benzer şekilde, pH elektrotları son derece hassasdır ve doğru okumaları sağlamak için ekstra bakım gerektirirler. Bu elektrotlar, H ⁺ iyonlarının birikimi nedeniyle bir iç birleşimdeki gerilim farkını ölçerek çalışır; Doğru ölçümler yapmak için prob içinde hidratlı bir tampon tabakası gerekir ¹² . Reaktördeki koşullara bağlı olarak, bu tabaka aşınır ve sensörün batması sırasında deneyin seyri boyunca sensörün cevabı değişebilir. Ön testlerde, pH voltaj çıkışı, 20 günlük bir deney boyunca ~ 0.2 pH biriminden fazla sürüklenmedi, Fakat özellikle ince pH ayarlamaları / nicelikleri gerekiyorsa, sensör tepkisinde meydana gelen bu değişikliği karakterize etmek ve maksimum deneysel çalışma süreleri oluşturmak için başka değerlendirmeler yapılmalıdır.

Alglerin büyümesini analiz etmek için kurulmuş birçok mevcut ölçekli PBR sistemi, sistemlerin bu şekilde kurulması zorlayıcı olabileceğinden, algal büyümeyi nasıl etkilediğini ayırt etmek için iç kültür ortamını izleyip kontrol etmez. Bu protokol, gerçek zamanlı izleme ile bir PBR oluşturmak için adım adım talimatlar vererek daha kontrollü deneyleri kolaylaştırmaya yardımcı olabilir. Dahası, bu canlı veriler yalnızca deneysel koşulları daha iyi kontrol etmek için değil, aynı zamanda büyüme kinetiğini ( ör . Genel büyüme oranları için referans olarak optik yoğunluk okumaları) tahmin etmek için de kullanılabilir.

Kontrollü deney sistemleri, alg araştırmalarını tekrar üretebilmenize yardımcı olabilir. Tezgah ölçekli PBR sİzlenen ve kontrol edilen etuplar, deneysel tasarımda istenmeyen eserler en aza indirgeyerek deneysel verimliliği artırabilir ve alg biyoyakıtları sürdürülebilir, alternatif yakıt kaynağı haline getirmeye yardımcı olabilir.

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.