Name: construction and setup of a bench-scale algal photosynthetic bioreactor with temperature, light, and ph monitoring for kinetic growth tests
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00
Duration: 10 min 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests at JoVE.com

Forfatterne anerkender National Science Foundation Emerging Frontiers i forskning og innovation (Award # 1332341) til finansiering af denne forskning. Forfatterne vil også gerne anerkende Dr. Andrew Grieshop, samt LabJack og DAQFactory online support communities for deres hjælp og hjælp, der tilbydes i hele processen.

<ol>
	<li>Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algae+biodiesel+has+potential+despite+inconclusive+results+to+date.">Algae biodiesel has potential despite inconclusive results to date.</a> Bioresour. Technol. 104, 803-806 (2012).</li><li>Chisti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biodiesel+from+microalgae.">Biodiesel from microalgae.</a> Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).</li><li>Lardon, L., H&#233;lias, A., Sialve, B., Steyer, J. -. P., Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Life-cycle+assessment+of+biodiesel+production+from+microalgae.">Life-cycle assessment of biodiesel production from microalgae.</a> Environ. Sci. Technol. 43 (17), 6475-6481 (2009).</li><li>Henry, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+Quantity+of+Gases+Absorbed+by+Water,+at+Different+Temperatures,+and+under+Different+Pressures.">Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water, at Different Temperatures, and under Different Pressures.</a> Philos. Trans. R. Soc. London. 93 (1803), 29 (1803).</li><li>Wang, X., Hao, C., Zhang, F., Feng, C., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+the+growth+of+two+blue-green+algae+species+(Microsystis+aruginosa+and+Anabaena+spiroides)+by+acidification+treatments+using+carbon+dioxide.">Inhibition of the growth of two blue-green algae species (Microsystis aruginosa and Anabaena spiroides) by acidification treatments using carbon dioxide.</a> Bioresour. Technol. 102 (10), 5742-5748 (2011).</li><li>Juneja, A., Ceballos, R. M., Murthy, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Environmental+Factors+and+Nutrient+Availability+on+the+Biochemical+Composition+of+Algae+for+Biofuels+Production:+A+Review.">Effects of Environmental Factors and Nutrient Availability on the Biochemical Composition of Algae for Biofuels Production: A Review.</a> Energies. 6 (9), 4607-4638 (2013).</li><li>Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hurdles+and+challenges+for+modelling+and+control+of+microalgae+for+CO+2+mitigation+and+biofuel+production.">Hurdles and challenges for modelling and control of microalgae for CO 2 mitigation and biofuel production.</a> J. Process Control. 21 (10), 1378-1389 (2011).</li><li>Guest, J. S., van Loosdrecht, M. C. M., Skerlos, S. J., Love, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lumped+Pathway+Metabolic+Model+of+Organic+Carbon+Accumulation+and+Mobilization+by+the+Alga+Chlamydomonas+reinhardtii.">Lumped Pathway Metabolic Model of Organic Carbon Accumulation and Mobilization by the Alga Chlamydomonas reinhardtii.</a> Environ. Sci. Technol. 47 (7), 3258-3267 (2013).</li><li>Packer, A., Li, Y., Andersen, T., Hu, Q., Kuang, Y., Sommerfeld, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+neutral+lipid+synthesis+in+green+microalgae:+A+mathematical+model.">Growth and neutral lipid synthesis in green microalgae: A mathematical model.</a> Bioresour. Technol. 102 (1), 111-117 (2011).</li><li>Oren, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hundred+years+of+Dunaliella+research:+1905-2005.">A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005.</a> Saline Systems. 1, 2 (2005).</li></ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

Dette PBR-system tilbyder evnen til at overvåge og kontrollere bækskala alge kinetiske vækstforsøg, hvilket giver mulighed for mere repeterbare resultater fra eksperimentelle analyser, der anvendes til at kvantificere vækst. En forståelse af begrænsningerne og usikkerheden af ​​sensormålinger er imidlertid afgørende for at sikre, at sensoraflæsningerne nøjagtigt reflekterer reaktorbetingelserne. Denne forståelse omfatter grundlæggende kendskab til måleprincipperne involveret med sensorer, kalibreringsprocessen og hyppigheden, måleusikkerheden og hvad sensoren kan og ikke kan måle. For eksempel er det elektriske svar for lysføleren, der er beskrevet her, ikke lige fordelt over det synlige spektrumområde, og visse korrektionsfaktorer må muligvis påføres sensorudgangen, afhængigt af hvordan denne sensordata vil blive analyseret. Temperaturniveauer og variationer er også yderst vigtige, da ændringer i temperaturen kan drastisk indFluensere sensorresponsen. Forståelse af potentielle interferenser, som kan påvirke sensoraflæsningerne, er også kritisk vigtig; Denne interferens kan være omgivende elektrisk støj fra bygningen eller kunne stamme fra målemiljøet ( f.eks. Kan natriumioner drastisk påvirke pH-aflæsninger ved pH-værdier over 10) 12 . Desuden er nedsænkning af flere prober til en opløsning, især en stærkt ionisk og ledende saltopløsning, også en potentiel kilde til interferens. Elektroder, der måler pH (eller ionstyrke, opløst oxygen, opløst CO 2 osv. ) Er særligt følsomme over for omgivende elektrisk støj og kan let forstyrres. Signalkonditionering, der anvendes til beskyttelse af elektrodesignalet, kan ikke garantere, at andre faktorer ikke vil forstyrre sondeaflæsningerne. Som et led i kvalitetskontrollen bør andre laboratorieudstyr, såsom en håndholdt pH-probe, et håndholdt spektrometer og et termometer, anvendes til at verificere tHan sensoraflæsninger og for at sikre at systemet er oprettet og kører korrekt. En anden begrænsning, der skal løses, er den mulige virkning af algerne og / eller dyrkningsmiljøet på sensorerne. Hvis f.eks. Algrester eller bobler dækker lysfølerens fotodiodereceptor, vil aflæsningerne blive påvirket. På samme måde er pH-elektroder ekstremt følsomme og kræver ekstra omhu for at sikre nøjagtige aflæsninger. Disse elektroder arbejder ved at måle en spændingsforskel på tværs af et indre knudepunkt på grund af opbygningen af ​​H + ioner; Et hydratiseret bufferlag i sonden er påkrævet for at opretholde nøjagtige målinger 12 . Afhængigt af forholdene i reaktoren vil dette lag slides af, og responsen fra sensoren kan ændre sig i løbet af eksperimentet, mens sonden er nedsænket. I foreløbige forsøg drev pH-spændingsudgangen ikke mere end ~ 0,2 pH-enheder i løbet af et 20-dages forsøg, Men yderligere vurderinger skal udføres for at karakterisere denne ændring i sensorrespons og at etablere maksimale eksperimentelle driftstider, især hvis fine pH-justeringer / kvantifikationer er nødvendige. Mange nuværende PBR-systemer, der er bygget til at analysere algalvækst, overvåger og kontrollerer ikke internt kulturmiljø så tæt som nødvendigt for at skelne, hvordan forskellige faktorer påvirker algalvæksten, da opsætning af systemer på denne måde kan være udfordrende. Denne protokol kan hjælpe med at lette mere kontrollerede eksperimenter ved at give trinvise instruktioner til konstruktion af PBR med realtidsovervågning. Desuden kan disse levende data ikke kun bruges til bedre at kontrollere eksperimentelle forhold, men det kan potentielt udnyttes til at estimere vækstkinetik ( fx optiske densitetsmålinger som reference for generelle vækstrater). Kontrollerede forsøgssystemer kan bidrage til at gøre algalforskningen mere reproducerbar. Bench-skala PBR sEtups, der overvåges og styres, kan øge eksperimentel effektivitet ved at minimere utilsigtede artefakter i eksperimentelt design og kan bidrage til at fremme indsatsen for at gøre algalbiobrændstoffer en bæredygtig alternativ brændstofkilde.

På grund af den voksende bekymring over globale klimaændringer og begrænsede fossile brændstofressourcer har regeringer udviklet politikker for at reducere forbruget af fossile brændstoffer og tilskynde til udvikling af nye, bæredygtige transportbrændstoffer. USAs miljøbeskyttelsesagentur har udviklet den vedvarende brændselsstandard (RFS), der kræver, at 36 af de årlige 140 milliarder gallons af amerikansk transportbrændstofblanding kommer fra vedvarende brændstofkilder inden 2022. Innovative og transformerende teknologier vil være nødvendige for at opfylde disse og Fremtidige standarder for vedvarende energi 1 . Anvendelsen af ​​mikroalgerbaserede biobrændstoffer har potentialet til at hjælpe med at møde de nationale RFS, samtidig med at drivhusgasemissionerne reduceres 2 . Mikroalgerbaserede biobrændstoffer har flere fordele i forhold til første generationens biobrændstoffer baseret på jordbaserede fødeafgrøder, såsom majs og sojabønner. I modsætning til første generation biobrændstoffer, alger-bBiobrændstoffer forbruger færre jord-, vand- og fødevarerelaterede ressourcer, da alger kan dyrkes året rundt og på ufrugtbart jord med saltvand eller spildevand. Mikroalger har høje vækstrater sammenlignet med jordbaserede afgrøder og kan akkumulere høje niveauer af lipider, der let kan omdannes til biodiesel 3 . På nuværende tidspunkt findes der ikke industrielle alger til biobrændstofanlæg på grund af de høje omkostninger ved de energiintensive produktionsprocesser, der består af algodling, lipidseparation og lipidraffinering til biodiesel. Mere forskning er nødvendig for at gøre disse processer mere effektive og bæredygtige. PBR&#39;er, som er optisk klare, lukkede installationer til fremstilling af fototrofiske mikroorganismer i et kunstigt miljø, betragtes som en af ​​de mest lovende dyrkningsmetoder 3 . Men de nuværende designs mangler stadig den volumetriske produktivitet, der er nødvendig for at producere algen til biobrændstofproduktionEss mere effektiv og økonomisk attraktiv 4 . Kraftfulde matematiske modeller, der betragter lysbestråling og dæmpning, transport af næringsstoffer og CO 2 , og mikroalgenes vækst kan i høj grad lette optimeringen af ​​PBR-design og -operation. Bench-skalavæksteksperimenter er nødvendige for at bestemme artsspecifikke vækstparametre for disse optimeringsmodeller. Kinetiske tests kræver nøje overvågning og kontrol af forsøgsopsætninger for at forhindre utilsigtede hæmmere af vækst. På grund af algens fotosyntiske karakter ( dvs. deres forbrug af CO 2 og lysabsorption) er opretholdelsen af ​​kontrollerede betingelser særligt vanskelig i PBR&#39;er i bænkeskalaer. Som afbildet i ligning 1 , mængden af ​​opløst CO 2 i vækstmediet, betegnet almindeligvis som <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Ligning 2 ) vil mindst være aFunktion af: 1) CO 2 -partialtrykket og Henry&#39;s ligevægtskonstant, som dikterer mængden af ​​gas, der vil opløses i opløsning ( ligning 3 ); 2) den oprindelige kemiske sammensætning af vækstmediet, hvilket påvirker sammensætningen og aktiviteten af ​​carbonationerne og pH ( ligninger 4 og 5 ); Og 3) temperaturen, som påvirker ligninger 3-5 5 . <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="ligning" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> De forskellige faser og kemisk sammensætning af carbon skaber en udfordring til måling og opretholdelse af en konsistent opløst kulstofkoncentration inden for en PBR whiLe holder andre tilstande konstant ( fx øges pH, da algerne forbruger CO 2 , og forøgelse af det opløste CO 2 -substrat kan muligvis føre til et surt miljø, der hæmmer væksten) 6 . Et yderligere lag af kompleksitet til styring af tilstande under alge kinetiske test involverer lysintensiteten inden for PBR. Den gennemsnitlige lysintensitet i en PBR er en funktion af ikke kun den indfaldende lysintensitet, men også designet ( fx materiale, form, dybde og blanding), absorptionen af ​​algebiomassekomponenter (især chlorophyll) Spredning egenskaber af alger celler. Da algerne vokser, vil den gennemsnitlige lysintensitet falde. Denne ændring i lysintensitet, uanset om den er forårsaget af en stigning i de samlede celler og biomasse, en forøgelse af chlorophyllindholdet pr. Celle eller begge dele, kan til sidst fremkalde et metabolisk respons, såsom en forøgelse af chlorophyllproducentenCtion pr. Celle eller anvendelsen af ​​kulhydrat og lipidopbevaringsprodukter til energi 7 . Kontinuerlig overvågning af lysintensiteten fra reaktoren giver uvurderlig information. Disse data kan bidrage til at sikre, at betingelserne forbliver inden for et bestemt interval og kan bruges til at estimere algalvækst og absorbansparametre, hvis de kombineres med andre målinger ( dvs. biomasse, chlorophyllkoncentration, reaktordybde, indfaldende lys osv. ). Forståelse af hvordan alger vokser under et bestemt sæt betingelser kræver, at pH, opløst CO 2 , lysintensitet og temperatur overvåges i bænkeskala kinetiske eksperimenter. Mange algalvækstopsætninger er ikke udstyret til at overvåge forholdene i det omfang der kræves til kalibrering af kinetiske modeller, hvilket gør modelleringsprocessen ekstremt udfordrende 8 . Selvom mange virksomheder tilbyder bænkeskala PBR&#39;er med automatisering og kontrol, er disse bænkskalaerE opsætninger kan være ekstremt dyre (~ $ 20.000) og kan muligvis ikke rumme alle eksperimentelle overvejelser af et givet forskningsspørgsmål. Det første skridt i oprettelsen af ​​et kontrol-feedback system til et batch-eksperiment er live dataindsamling. Dette dokument har til formål at demonstrere, hvordan man konstruerer og opretter en PBR-bænk udstyret med kontinuerlig lys-, pH- og temperaturovervågning. Denne overvågningsopsætning i realtid kan bidrage til at sikre, at forsøgsbetingelserne forbliver inden for de ønskede områder efter forskerens skøn. Mens denne protokol ikke detaljerer specifikke kontrolmekanismer, giver disse trinvise instrukser et grundlæggende grundlag for den dataopsamlingsramme, der kræves, før mere sofistikerede kontrolfeedbacks kan implementeres.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="782">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Cast acrylic sheets</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">8560K244</td>
			<td style="width:345px;">7/8&#39;&#39; thick, 12x36&#39;&#39;, optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7517A4</td>
			<td style="width:345px;">Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Acrylic cement applicator needle</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">75165A136</td>
			<td style="width:345px;">Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1&#34;, Stainless steel, PTFE lined.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Plastic dispensing bottle for acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7544A67</td>
			<td style="width:345px;">Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Viscous acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7515A11</td>
			<td style="width:345px;">Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">PG-13.5 thread tap</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">2485A14</td>
			<td style="width:345px;">Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable).</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">PBR and lid</td>
			<td style="width:133px;">NCSU Precision Machine Shop</td>
			<td style="width:135px;">Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td>
			<td style="width:345px;">This machine shop is open to public for business. Contact shop manager.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">pH sensor</td>
			<td style="width:133px;">Hamilton</td>
			<td style="width:135px;">238643</td>
			<td style="width:345px;">EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Light sensor</td>
			<td style="width:133px;">Apogee Instruments</td>
			<td style="width:135px;">SQ-225</td>
			<td style="width:345px;">Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Temperature sensor</td>
			<td style="width:133px;">LabJack</td>
			<td style="width:135px;">EI1034</td>
			<td style="width:345px;">Stainless steel, water-proof temperature sensor.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">pH transmitter wire with BNC end</td>
			<td style="width:133px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:135px;">HAM355173-1EA</td>
			<td style="width:345px;">This wire will vary with type of pH probe. Make sure wire is compatible with pH probe and has BNC connector end.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Unity gain pre-amplifier</td>
			<td style="width:133px;">Omega Engineering</td>
			<td style="width:135px;">PHTX-21</td>
			<td style="width:345px;">Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Coaxial adapter, BNC female-to-binding post</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">SMAKN B00NGD5K80</td>
			<td style="width:345px;">For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Capacitor (1000 uF)</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">Nichicon BCBI4950</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Resistor (1000 ohm)</td>
			<td style="width:133px;">Radio Shack</td>
			<td style="width:135px;">2711321</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Hookup wire</td>
			<td style="width:133px;">RadioShack</td>
			<td style="width:135px;">2781222</td>
			<td style="width:345px;">For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Heat shrink tubing</td>
			<td style="width:133px;">RadioShack</td>
			<td style="width:135px;">2781611</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter assembly.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Data acquisition and control unit</td>
			<td style="width:133px;">LabJack</td>
			<td style="width:135px;">LabJack U6</td>
			<td style="width:345px;">To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">DAQFactory data acquisition software</td>
			<td style="width:133px;">DAQFactory</td>
			<td style="width:135px;">DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td>
			<td style="width:345px;">Free to download, for up to 10 channels.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Mini DC-gearmotor</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">6331K31</td>
			<td style="width:345px;">Motor for mixer impeller.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Impeller and shaft</td>
			<td style="width:133px;">N/A</td>
			<td style="width:135px;">N/A</td>
			<td style="width:345px;">Email authors for 3D files.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Variable DC power supply</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">Tekpower HY1803D</td>
			<td style="width:345px;">Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Grow Lamp</td>
			<td style="width:133px;">HydroGrow</td>
			<td style="width:135px;">SOL-1</td>
			<td style="width:345px;">This exact model is no longer available.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Incubator</td>
			<td style="width:133px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:135px;">Precision Model 818</td>
			<td style="width:345px;">This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit&#39;s cooling compressors run non-stop regardless of temperature setting.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction and setup of a bench-scale algal photosynthetic bioreactor with temperature, light, and ph monitoring for kinetic growth tests

Den optimale udformning og drift af fotosyntetiske bioreaktorer (PBR) til mikroalgal dyrkning er afgørende for forbedring af den miljømæssige og økonomiske præstation af mikroalgerbaseret biobrændstofproduktion. Modeller, der estimerer mikroalgalvækst under forskellige forhold, kan bidrage til at optimere PBR-design og -operation. For at være effektive skal de vækstparametre, der anvendes i disse modeller, bestemmes nøjagtigt. Algalvæksteksperimenter begrænses ofte af kulturmiljøets dynamiske natur, og der kræves kontrolsystemer til nøjagtigt at bestemme de kinetiske parametre. Det første skridt i oprettelsen af ​​et kontrolleret batch-forsøg er live dataindsamling og -overvågning. Denne protokol beskriver en fremgangsmåde til samling og drift af en bænkskala fotosyntetisk bioreaktor, som kan anvendes til at udføre mikroalgale vækstforsøg. Denne protokol beskriver, hvordan man dimensionerer og monterer en fladplade, bænkskala PBR fra akryl. Det beskriver også, hvordan man konfigurererRe en PBR med kontinuerlig pH, lys og temperatur overvågning ved hjælp af en dataindsamling og kontrolenhed, analoge sensorer og open source dataindsamlingssoftware.

Data fra dette overvågningssystem i realtid viser det dynamiske kulturmiljø for alger inden for en PBR-bænk og fremhæver behovet for overvågning og styring af systemet. De loggetemperaturdata ( Figur 6 ) viser, hvordan lysbelysning, inkubatorlufttemperatur og energidissipation i forbindelse med algvækst kan ændre temperaturen inden for PBR og hvordan realtidsdata kan bruges til at justere inkubatortemperaturreguleringen efter behov. Det målte lys i løbet af eksperimentet understreger yderligere den dynamiske natur af dette voksende miljø. Som det blev observeret i figur 7 var lyssensorlæsningen målt som fotosyntetisk fotonfluxdensitet (PPFD; μE-m -2s -1 ), ~ 100 PPFD før alger blev tilsat og faldt straks til 85 PPFD afTer inokulere reaktoren med algenkulturen. Lyset fortsatte med at falde til mindre end 5 PPFD på dag 7. Dette fald i lysintensitet skyldes stigende biomasse og celleantal og / eller forøgelse af absorptionen ved forøget chlorophyllindhold, hvilket viser, at alger er aktive igennem dag 7, til trods for lavt Lysniveauer. Yderligere biologiske målinger er nødvendige for at gøre yderligere afledninger. De kontinuerligt registrerede pH-data viser, at pH-værdien samlet set blev kontrolleret tilstrækkeligt under dette eksperiment med den implementerede pH-kontrolalgoritme ( figur 8 ). Disse data, der viser både minut-for-minut-aflæsninger og timelange gennemsnit, viser nogle få nøglepunkter om dyrkning af alger og overvågning af pH i realtid. For det første steg pH-værdien over det ønskede sætpunkt på 7,6 umiddelbart efter inokulering af PBR med alger. Denne ændring var forventet, da kulturfrøet, der blev tilsat til PBR, havde apH værdi højere end setpunktet, da kolben anvendt til at dyrke inokulumet ikke var pH-kontrolleret. For det andet fremhæver disse levende data, hvordan følsomme pH-elektroder er til ekstern elektrisk støj. Denne følsomhed bemærkes ved et drastisk spring i elektrodeværdierne mellem dag 1 og dag 2. Disse pludselige ændringer i pH-værdier blev sandsynligvis skabt af elektrisk støj fra en magnetventil fra en tilstødende forsøgsopsætning. Denne elektriske forstyrrelse udløste for tidligt pH-kontrolalgoritmen for at injicere CO 2 i PBR. Som følge heraf faldt pH-værdien under det ønskede sætpunkt. PH-elektrodernes følsomhed kan føre til ekstreme afvigere og kan potentielt forstyrre styresystemerne. <img alt="Figur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figur 3: pH-svar og kalibreringseksempelgrafer. ( A ) Eksempel respons graf af thE pH-sensor ( b ) Eksempel kalibreringsgraf af pH-sensoren, med en ligning til brug for omdannelsen. Regressionsanalyse viser et 95% konfidensinterval. Fejlstænger er ikke synlige (standard fejl mindre end 0,03%). Disse grafer viser, at pH-sensorerne var korrekt forbundet, og at signalet var meget stabilt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a> <img alt="Figur 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Figur 6: Temperaturmålinger inden for PBR Under et 7 dages forsøg. Mørkeblå punkter repræsenterer 1-h gennemsnit af sensordata, og lyseblå punkter repræsenterer sensorlæsninger erhvervet i løbet af 1 min (akkumuleringstimering på 1 s, gennemsnitlig længde på 60) og omdannet til temperatur ved hjælp af fabrikationsleverede konverteringsfaktorer. Sorte pile sho<html> W, når inkubatortemperaturens indstilling blev justeret for at opretholde kulturtemperaturen omkring 25 ° C (dette ønskede sætpunkt er angivet med en rød prikket linje). Temperaturvariationer skyldes algalvækst og ændringer i inkubatortemperaturen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a> <img alt="Figur 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Figur 7: Lysmål inden for PBR Under et 7 dages eksperiment. Mørkeblå punkter repræsenterer 1 h gennemsnit af sensordata, og lyseblå punkter repræsenterer sensorlæsninger erhvervet i løbet af 1 min (akkumuleringstidspunkt på 1 s, gennemsnitlig længde på 60) og omdannet til PPFD ved hjælp af fabrikskalibreringsværdier for standardføler.&quot;&gt; Venligst klik her for at se en større version af denne figur. <img alt="Figur 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Figur 8: pH-målinger inden for PBR under et 7 dages forsøg. Mørkeblå punkter repræsenterer 1-h gennemsnit af sensordata, og lyseblå punkter repræsenterer sensorlæsninger, der logges hver 1. minut (overtagelsestidspunkt på 0,1 s, gennemsnitslængde på 600) og konverteres til pH ved hjælp af konverteringsligning etableret via kalibrering. PH blev holdt mellem 7,6 og 7,5 ved anvendelse af en 99% CO2-injektion. De røde, stiplede linjer indikerer det ønskede pH-interval. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests at JoVE.com

Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

I dette papir beskrives montageprocessen og driften af ​​en bænkskala fotosyntetisk bioreaktor, som i forbindelse med andre metoder kan estimere relevante kinetiske vækstparametre. Dette system overvåger kontinuerligt pH, lys og temperatur ved hjælp af sensorer, en dataindsamling og styreenhed og open source dataindsamlingssoftware.

Konstruktion og opsætning af en Bench-skala Algal Photosynthetic Bioreactor med temperatur, lys og pH-overvågning for kinetiske væksttest

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Mass Cytometry: Protocol for Daily Tuning and Running Cell Samples on a CyTOF Mass Cytometer

Mass Cytometry: Protokol for Daily Tuning og Running celleprøver på en CyTOF Mass Cytometer

In recent years, the rapid analysis of single cells has commonly been performed using flow cytometry and fluorescently-labeled antibodies. However, the ...

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Design af en Biaksial Mekanisk Loading bioreaktor for Tissue Engineering

We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Operation of a Benchtop Bioreactor

Drift af Benchtops bioreaktor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to ...

Construction and Characterization of a Novel Vocal Fold Bioreactor

Konstruktion og karakterisering af en roman Vocal Fold bioreaktor

In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To ...

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

Optimeret installation og protokol for magnetisk domæne Imaging med In Situ hysterese måling

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps ...

Construction of a Multilayered Mesenchymal Stem Cell Sheet with a 3D Dynamic Culture System

Opførelse af et flerlaget mesenkymale stamceller ark med en 3D dynamisk kultur System

Stem cell therapy shows a promising future in regenerating injured organ and tissues, and the cell sheet technique has been developed to improve the low ...

Construction of a Wireless-Enabled Endoscopically Implantable Sensor for pH Monitoring with Zero-Bias Schottky Diode-based Receiver

Konstruktion af en trådløs-aktiveret endoskopisk implanterbar sensor til pH-overvågning med Zero-Bias Schottky Diode-baseret modtager

Ambulatory pH monitoring of pathological reflux is an opportunity to observe the relationship between symptoms and exposure of the esophagus to acidic or ...

A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation

En friktionstest-bioreaktorenhed til undersøgelse af synovial fælles biomekanik, mekanik og fysisk regulering

In primary osteoarthritis (OA), normal 'wear and tear' associated with aging inhibits the ability of cartilage to sustain its load-bearing and lubrication ...

Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integrated with Outlet Fractionation for Dynamic Cell Culture

Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integreret med Udløbsfraktionering til dynamisk cellekultur

Certain cell and tissue functions operate within the dynamic time scale of minutes to hours that are poorly resolved by conventional culture systems. This ...