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

De auteurs erkennen de National Science Foundation Emerging Frontiers in Research and Innovation (Award # 1332341) om dit onderzoek te financieren. De auteurs zouden ook graag Dr. Andrew Grieshop, alsook de LabJack en DAQFactory online support communities willen erkennen voor hun hulp en hulp aangeboden in dit proces.

<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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dit PBR systeem biedt de mogelijkheid om bench-scale algal kinetische groei experimenten te monitoren en te beheersen, waardoor meer herhaalbare resultaten uit experimentele analyses kunnen worden gebruikt om de groei te kwantificeren. Een begrip van de beperkingen en onzekerheden van sensormetingen is echter van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de sensorlezingen de reactoromstandigheden nauwkeurig reflecteren. Dit begrip omvat basiskennis van de meetbeginselen die betrokken zijn bij sensoren, het proces en de frequentie van de kalibratie, de meetonzekerheid en wat de sensor kan en niet kan meten. De elektrische reactie van de hier beschreven lichtreactor is bijvoorbeeld niet even verspreid over het zichtbare spectrumbereik, en er kunnen bepaalde correctiefactoren nodig zijn op de sensoruitgang, afhankelijk van hoe deze sensorgegevens geanalyseerd zullen worden. Temperatuurniveaus en variaties zijn ook uiterst belangrijk, aangezien de temperatuurverandering drastisch kan durenFluctueren de sensorrespons. Het begrijpen van mogelijke interferenties die de sensorlesingen kunnen beïnvloeden is ook kritisch belangrijk; Deze storing kan omgevingselektronisch geluid van het gebouw zijn of kan afkomstig zijn van de meetomgeving ( bijv. Natriumionen kunnen de pH-waarden bij pH-waarden over 10) drastisch beïnvloeden . 12 . Bovendien is het onderdompelen van meerdere probes in een oplossing, in het bijzonder een zeer ionische en geleidende zoutoplossing, ook een potentiële bron van interferentie. Elektroden die de pH (of ionische sterkte, opgeloste zuurstof, opgeloste CO 2 , enz. ) Meten, zijn bijzonder gevoelig voor omgevingsgeluid en kunnen gemakkelijk verstoord raken. Signalconditionering die gebruikt wordt om het elektrodesignaal te beschermen kan niet garanderen dat andere factoren de sondeaflesingen niet inmengen. Als onderdeel van de kwaliteitscontrole moet andere laboratoriumuitrusting, zoals een handhoudende pH-sonde, een handspektrometer en een thermometer, gebruikt worden om tHij sensor aflesingen en om ervoor te zorgen dat het systeem goed opgestart en uitgevoerd is. Een andere beperking die moet worden aangepakt, is de mogelijke invloed van de algen en / of cultuuromgeving op de sensoren. Bijvoorbeeld, als algvuil of bellen de fotodiode-receptor van de lichtsensor bedekken, worden de aflezingen beïnvloed. Op dezelfde manier zijn pH-elektroden uiterst gevoelig en hebben extra zorg nodig om nauwkeurige aflezingen te waarborgen. Deze elektroden werken door het meten van een spanningsverschil over een inwendige verbinding als gevolg van de opbouw van H + ionen; Een gehydrateerde bufferlaag in de sonde is nodig om nauwkeurige metingen 12 te handhaven. Afhankelijk van de omstandigheden in de reactor zal deze laag slijten en kan de respons van de sensor tijdens de loop van het experiment veranderen terwijl de sonde onderdompelt. In de voorlopige testen dreef de pH-spanningsuitgang niet meer dan ~ 0,2 pH eenheden in de loop van een 20-daags experiment, Maar verdere evaluaties moeten worden uitgevoerd om deze verandering in sensorrespons te karakteriseren en maximale experimentele looptijden te bepalen, vooral als er fijne pH-aanpassingen / kwantificaties nodig zijn. Veel huidige PBR-systemen op basis van PBR, die zijn gebouwd om algegroei te analyseren, volgen de interne cultuuromgeving niet zo strikt als nodig om te onderscheiden hoe verschillende factoren de algegroei beïnvloeden, aangezien het opstellen van systemen op deze manier uitdagend kan zijn. Dit protocol kan helpen om meer gecontroleerde experimenten te vergemakkelijken door stap-voor-stap instructies te geven voor het opbouwen van een PBR met real-time monitoring. Bovendien kunnen deze levende data gebruikt worden om niet alleen de experimentele omstandigheden beter te beheersen, maar kan ook worden gebruikt om groeikinetiek te schatten ( bijv. Optische dichtheidswaarden als referentie voor algemene groeitempo&#39;s). Gecontroleerde experimentele systemen kunnen helpen om het algenonderzoek meer reproduceerbaar te maken. Benchschaal PBR sEtups die worden gecontroleerd en gecontroleerd kunnen de experimentele efficiëntie verhogen door onbedoelde artefacten in experimentele vormgeving te minimaliseren en kunnen bijdragen tot de voortzetting van de inspanningen om algenbiobrandstoffen een duurzame, alternatieve brandstofbron te maken.

Door de toenemende bezorgdheid over de wereldwijde klimaatverandering en eindige fossiele brandstoffen hebben regeringen regeringen ontwikkeld om het verbruik van fossiele brandstoffen te verminderen en de ontwikkeling van nieuwe duurzame transportbrandstoffen aan te moedigen. Het Amerikaanse Milieubeschermingsagentschap heeft de Hernieuwbare Brandstofstandaard (RFS) ontwikkeld, die vereist dat 36 van de jaarlijkse 140 miljard liter van de Amerikaanse transportbrandstofmix afkomstig zijn uit hernieuwbare brandstoffen in 2022. Innovatieve en transformatieve technologieën zullen nodig zijn om deze en Toekomstige hernieuwbare energie normen 1 . Het gebruik van biobrandstoffen op basis van microalgae heeft het potentieel om te helpen bij de nationale RFS, terwijl de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd 2 . Microbiologische biobrandstoffen hebben meerdere voordelen in vergelijking met biobrandstoffen van de eerste generatie, gebaseerd op aardse voedingsgewassen, zoals maïs en sojabonen. In tegenstelling tot de eerste generatie biobrandstoffen, algen-bAangezien biobrandstoffen minder land-, water- en voedselgerelateerde hulpbronnen verbruiken, aangezien algen het hele jaar door en op onvruchtbaar gebied kunnen worden gebruikt met zoutwater of afvalwater. Microalgen hebben hoge groeitempo&#39;s in vergelijking met aardse gewassen en kunnen hoge lipidengehalten ophalen, die gemakkelijk omgezet kunnen worden naar biodiesel 3 . Momenteel bestaan ​​er geen industriële schaal algen-biobrandstoffen planten door de hoge kosten van de energie-intensieve productieprocessen, die bestaan ​​uit algencultivatie, lipidseparatie en lipide-raffinage in biodiesel. Meer onderzoek is nodig om deze processen efficiënter en duurzamer te maken. PBR&#39;s, die optisch heldere, afgesloten installaties zijn voor de productie van fototrofe micro-organismen in een kunstmatige omgeving, worden beschouwd als een van de meest veelbelovende teeltmethoden 3 . Echter, in huidige ontwerpen ontbreekt nog steeds de volumetrische productiviteit die nodig is om de productie van algen-tot-biobrandstoffen te makenEss efficiënter en economisch aantrekkelijker 4 . Krachtige wiskundige modellen die lichtstraling en verzwakking, het transport van voedingsstoffen en CO 2 overwegen en de groei van de microalgen kunnen de optimalisatie van het ontwerp en de werking van PBR sterk vergemakkelijken. Bench-scale groei experimenten zijn nodig om specifieke soorten groeiparameters voor deze optimalisatie modellen te bepalen. Kinetische tests vereisen de zorgvuldige controle en controle van experimentele opstellingen om onbedoelde remmers van groei te voorkomen. Gezien de fotosynthetische aard van algen ( dat wil zeggen hun verbruik van CO 2 en absorptie van licht), is het onderhouden van gecontroleerde omstandigheden bijzonder moeilijk in de PBR&#39;s op bankschaal. Zoals afgebeeld in vergelijking 1 , wordt de hoeveelheid opgelost CO 2 in het groeimedium, gewoonlijk aangeduid als <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Vergelijking 2 ), zal minimaal a zijnFunctie van: 1) de CO 2 partiële druk en Henry&#39;s evenwichtskonstante, die de hoeveelheid gas dat in oplossing oplossen ( vergelijking 3 ) dicteert; 2) de initiële chemische samenstelling van het groeimedium, dat de speciatie en activiteit van de carbonaationen en pH beïnvloedt ( vergelijkingen 4 en 5 ); En 3) de temperatuur, die de vergelijkingen 3-5 beïnvloedt . <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Vergelijking" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> De verschillende fasen en de chemische samenstelling van koolstof vormen een uitdaging voor het meten en handhaven van een constante concentratie van opgeloste koolstof binnen een PBR whiLe houden andere condities constant ( bijv. De pH stijgt als de algen CO 2 verbruiken en het verhogen van het opgeloste CO 2 -substraat kan mogelijk leiden tot een zure omgeving die de groei remt) 6 . Een extra laag van complexiteit om de condities te beheersen tijdens de alge-kinetische tests omvat de lichtintensiteit binnen de PBR. De gemiddelde lichtintensiteit in een PBR is een functie van niet alleen de lichtintensiteit van het incident, maar ook het ontwerp ( bijv. Materiaal, vorm, diepte en mengen), de absorptie van componenten van algenbiomassa (in het bijzonder chlorofyl) Verstrooiingseigenschappen van de algcellen. Naarmate de algen groeien, zal de gemiddelde lichtintensiteit afnemen. Deze verandering in lichtintensiteit, hetzij veroorzaakt door een toename van de totale cellen en biomassa, een toename van het gehalte aan chlorofyl per cel, of beide, kan uiteindelijk een metabolische reactie veroorzaken, zoals een toename van chlorofylproducentCtion per cel of het gebruik van koolhydraten en lipidopslagproducten voor energie 7 . Doorlopende controle van de lichtintensiteit van binnen de reactor levert waardevolle informatie. Deze gegevens kunnen ervoor zorgen dat de omstandigheden binnen een gespecificeerd bereik blijven en kunnen worden gebruikt om de alggroei en absorptieparameters te kunnen schatten, gecombineerd met andere metingen (biomassa, chlorofylconcentratie, reactordiepte, incidentielicht, enz. ). Om te begrijpen hoe algen groeien onder een bepaalde set voorwaarden, moet de pH, opgeloste CO 2 , lichtintensiteit en temperatuur worden gecontroleerd in bench-scale kinetische experimenten. Veel algengroei setups zijn niet uitgerust om de condities te monitoren voor zover nodig voor het kalibreren van kinetische modellen, waardoor het modelleringsproces uiterst uitdagend is 8 . Hoewel veel bedrijven PBR&#39;s met automatisering en controle bieden, deze bench-scalE-opstellingen kunnen extreem duur zijn (~ $ 20.000) en kunnen niet alle experimentele overwegingen van een gegeven onderzoeksvraag tegemoet komen. De eerste stap in het opzetten van een controle-feedback systeem voor een batch-experiment is live data acquisitie. Dit document beoogt aan te tonen hoe u een PBR opbouwt en instelt die uitgerust is met continu licht, pH en temperatuurbewaking. Deze real-time monitoring setup kan ervoor zorgen dat de experimentele omstandigheden binnen de gewenste reeksen blijven, naar de beoordelaar van de onderzoeker. Hoewel dit protocol geen specifieke beheersmechanismen specificeert, geven deze stap-voor-stap instructies een fundamentele basis voor het benodigde gegevensverzamelingsraamwerk voordat meer geavanceerde controle-feedbacks kunnen worden geïmplementeerd.

<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

Het optimale ontwerp en de werking van fotosynthetische bioreactoren (PBR&#39;s) voor microalgenteelt is essentieel voor het verbeteren van de milieu- en economische prestaties van biobrandstofproductie op basis van microalgae. Modellen die microalgegroei onder verschillende omstandigheden schatten, kunnen helpen om het ontwerp en de werking van PBR te optimaliseren. Om effectief te zijn, moeten de groeiparameters die in deze modellen worden gebruikt nauwkeurig bepaald worden. Algalgroei experimenten worden vaak beperkt door de dynamische aard van de cultuuromgeving, en controlesystemen zijn nodig om de kinetische parameters nauwkeurig te bepalen. De eerste stap in het opzetten van een gecontroleerde batch-experiment is live data acquisitie en monitoring. Dit protocol beschrijft een proces voor de montage en werking van een bench-scale fotosynthetische bioreactor die gebruikt kan worden om microalgegroei-experimenten uit te voeren. Dit protocol beschrijft hoe u een platte, platte PBR van acryl kunt opbouwen en monteren. Het geeft ook informatie over hoe u kunt configurerenRe een PBR met continue pH, licht en temperatuur monitoring met behulp van een data-acquisitie en controle-eenheid, analoge sensoren en open-source data acquisitie software.

Gegevens uit dit real-time monitoring systeem tonen de dynamische cultuuromgeving voor algen binnen een PBR-benchmark en wijzen op de noodzaak om het systeem te controleren en te controleren. De opgeslagen temperatuurgegevens ( Figuur 6 ) tonen aan hoe lichtverlichting, incubatorluchttemperatuur en energieverlies in verband met algegroei de temperatuur binnen de PBR kunnen veranderen en hoe de real-time data kan worden gebruikt om de incubatortemperatuurcontroles aan te passen. Het gemeten licht in de loop van het experiment benadrukt verder het dynamische karakter van deze groeiomgeving. Zoals waargenomen in figuur 7 , was de leessensorlezing, gemeten als fotosynthetische fotonfluxdichtheid (PPFD; μE-m -2s -1 ), ~ 100 PPFD voordat algen toegevoegd en onmiddellijk werden gevallen op 85 PPFD afTer inoculeren van de reactor met de algencultuur. Het licht bleef op dag 7 dalen tot minder dan 5 PPFD. Deze daling van de lichtintensiteit is te danken aan de toenemende biomassa en celtelling en / of aan de stijging van de absorptie door verhoogd chlorofylgehalte, waarbij blijkt dat algen actief zijn op dag 7, ondanks lage Lichte niveaus. Extra biologische metingen zijn nodig om verdere afleidingen te maken. De doorlopende gelogde pH-gegevens tonen aan dat de pH over het algemeen voldoende werd gecontroleerd tijdens dit experiment met het geïmplementeerde pH-controle-algoritme ( Figuur 8 ). Deze gegevens, die zowel de minuut-op-minuut-aflezingen als de uurlange gemiddelden tonen, laten een paar belangrijke punten zien over het kweken van algen en het monitoren van de pH in realtime. Ten eerste verhoogde de pH boven het gewenste ingestelde punt van 7,6 direct na het inoculeren van de PBR met algen. Deze verandering werd verwacht, aangezien het kweekzaad dat aan de PBR was toegevoegd ap hadH waarde hoger dan het instelpunt, aangezien de kolf die gebruikt werd om het inoculum te groeien niet pH-gecontroleerd was. Ten tweede wijzen deze live data op hoe gevoelige pH-elektroden zijn op extern elektrisch geluid. Deze gevoeligheid wordt genoteerd door een drastische sprong in de elektrode waarden tussen dag 1 en dag 2. Deze plotselinge veranderingen in pH-waarden werden waarschijnlijk veroorzaakt door elektrische geluiden van een magneetklep van een aangrenzende experimentele opstelling. Deze elektrische storing heeft voortdurend het pH-controlealgoritme geactiveerd om CO 2 in de PBR te injecteren. Bijgevolg daalde de pH onder het gewenste instelpunt. De gevoeligheid van de pH-elektroden kan leiden tot extreme afwijkers en kunnen de besturingssystemen mogelijk storen. <img alt="Figuur 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figuur 3: Grafieken voor pH-respons en kalibratie. (A) Voorbeeld respons grafiek van thE pH-sensor ( b ) Voorbeeld kalibratiegrafiek van de pH-sensor, met een vergelijking die moet worden gebruikt voor de conversie. Regressie analyse toont een 95% vertrouwen interval. Foutstaven zijn niet zichtbaar (standaard fout minder dan 0,03%). Deze grafieken tonen aan dat de pH-sensoren goed aangesloten waren en dat het signaal zeer stabiel was. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Figuur 6: Temperatuurmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van sensorgegevens en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut zijn verworven (acquisitietijd van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en worden omgezet naar temperatuur met gebruikmaking van door fabrikanten geleverde omrekeningsfactoren. Zwarte pijlen sho<html> W wanneer de temperatuur van de incubator is ingesteld om de kweek temperatuur rond 25 ° C te behouden (dit gewenste instelpunt wordt aangeduid met een rode streeplijn). Temperatuurschommelingen zijn te wijten aan algegroei en veranderingen in de incubatortemperatuur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="Figuur 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Figuur 7: Lichtmetingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1 uur gemiddelden sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlezingen die over 1 minuut worden verworven (acquisitie timing van 1 s, gemiddelde lengte van 60) en omgezet in PPFD met behulp van standaard fabrieks kalibratie waarden van de lichtgevoelige sensor.&quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te zien. <img alt="Figuur 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Figuur 8: pH-metingen binnen de PBR Tijdens een 7 dagen experiment. Donkerblauwe punten vertegenwoordigen 1-h gemiddelden van de sensor data en lichtblauwe punten vertegenwoordigen sensorlesingen die elke 1 minuut worden geregistreerd (acquisitie timing van 0,1 s, gemiddelde lengte 600) en omgezet in pH met behulp van conversievergelijking die via kalibratie is vastgesteld. De pH werd tussen 7,6 en 7,5 gehandhaafd onder toepassing van een 99% CO2-injectie. De rode gestippelde lijnen geven het gewenste pH-bereik aan. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Dit document beschrijft het montageproces en de werking van een fotokinetische biotactor met een schaalvergroting, die in combinatie met andere methoden kan worden gebruikt om de relevante kinetische groeiparameters te schatten. Dit systeem controleert de pH, het licht en de temperatuur voortdurend met behulp van sensoren, een dataverzamelings- en besturingseenheid en open-source data acquisition software.

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten

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

Massa Cytometry: Protocol voor dagelijks Tuning en Running Cell Samples op een 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

Ontwerp van een tweeassige Mechanische belasting Bioreactor voor 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

Exploitatie van een tafelmodel Bioreactor

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

Bouw en karakterisatie van een nieuw Vocal Fold Bioreactor

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

Geoptimaliseerde Setup en Protocol voor magnetische domein Imaging met In Situ Hysteresis meting

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

Bouw van een meerdere lagen mesenchymale stamcellen blad met een 3D dynamische cultuur-systeem

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

Constructie van een draadloos-enabled endoscopisch implanteerbare sensor voor pH-bewaking met Zero-Bias Schottky diode-gebaseerde ontvanger

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

Een wrijvingstest-bioreactorapparaat voor de studie van synoviale gewrichtsbiomechanica, mechanobiologie en fysische regulatie

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 geïntegreerd met Outlet Fractionation voor dynamische celcultuur

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