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
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Die Autoren bestätigen die National Science Foundation Emerging Frontiers in Forschung und Innovation (Award # 1332341) für die Finanzierung dieser Forschung. Die Autoren würden auch gerne Dr. Andrew Grieshop, sowie die LabJack und DAQFactory Online-Support-Communities für ihre Unterstützung und Hilfe in diesem Prozess angeboten zu erkennen.

<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>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Dieses PBR-System bietet die Fähigkeit zur Überwachung und Kontrolle von Maßstabsalben-kinetischen Wachstumsexperimenten, so dass mehr wiederholbare Ergebnisse von experimentellen Assays zur Quantifizierung des Wachstums möglich sind. Ein Verständnis der Beschränkungen und Ungewissheiten der Sensormessungen ist jedoch entscheidend, um sicherzustellen, dass die Sensorablesungen die Reaktorbedingungen genau wiedergeben. Dieses Verständnis umfasst grundlegende Kenntnisse der Messprinzipien, die mit Sensoren, dem Prozess und der Häufigkeit der Kalibrierung, der Messunsicherheit und dem, was der Sensor kann und kann nicht messen. Beispielsweise ist die hier beschriebene elektrische Reaktion für den Lichtsensor nicht gleichmäßig über den sichtbaren Spektralbereich verteilt, und es können gewisse Korrekturfaktoren je nach dem, wie diese Sensordaten analysiert werden, auf die Sensorausgabe angewendet werden. Temperaturniveaus und Variationen sind auch äußerst wichtig, da Temperaturänderungen drastisch eindringen könnenFluenz die Sensorantwort. Das Verständnis von potentiellen Interferenzen, die die Sensorablesungen beeinflussen können, ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung; Diese Störung kann Umgebungs-elektrisches Rauschen aus dem Gebäude sein oder aus der Messumgebung stammen ( zB können Natriumionen die pH-Werte bei pH-Werten über 10 drastisch beeinflussen) 12 . Darüber hinaus ist das Eintauchen mehrerer Sonden in eine Lösung, insbesondere eine hochionische und leitfähige Salzlösung, auch eine potentielle Störquelle. Elektroden, die den pH-Wert (oder die Ionenstärke, den gelösten Sauerstoff, das gelöste CO 2 usw. ) messen, sind besonders empfindlich gegenüber Umgebungsgeräuschen und können leicht gestört werden. Die Signalkonditionierung, die zum Schutz des Elektrodensignals verwendet wird, kann nicht garantieren, dass andere Faktoren die Sondenwerte nicht stören. Als Teil der Qualitätskontrolle sollten andere Laborgeräte wie eine handgehaltene pH-Sonde, ein handgehaltenes Spektrometer und ein Thermometer verwendet werden, um t zu überprüfenEr Sensor-Messwerte und um sicherzustellen, dass das System eingerichtet und läuft ordnungsgemäß. Eine weitere Einschränkung, die angesprochen werden muss, ist die mögliche Auswirkung der Algen- und / oder Kultivierungsumgebung auf die Sensoren. Wenn zum Beispiel Algenschutt oder Blasen den Photodiodenrezeptor des Lichtsensors abdecken, werden die Messwerte beeinträchtigt. Ebenso sind pH-Elektroden extrem empfindlich und erfordern zusätzliche Sorgfalt, um genaue Messwerte zu gewährleisten. Diese Elektroden arbeiten durch Messen einer Spannungsdifferenz über einen internen Knotenpunkt aufgrund des Aufbaus von H + -Ionen; Eine hydratisierte Pufferschicht innerhalb der Sonde ist erforderlich, um genaue Messungen aufrechtzuerhalten. Abhängig von den Bedingungen innerhalb des Reaktors wird diese Schicht abnutzen, und die Reaktion des Sensors kann sich während des Experiments ändern, während die Sonde untergetaucht ist. In Vorversuchen drückte die pH-Spannungsausgabe im Verlauf eines 20-tägigen Experiments nicht um mehr als 0,2 pH-Einheiten ab, Aber es sollten weitere Beurteilungen durchgeführt werden, um diese Änderung der Sensorreaktion zu charakterisieren und maximale experimentelle Laufzeiten zu schaffen, insbesondere wenn feine pH-Anpassungen / Quantifizierungen erforderlich sind. Viele derzeitige PBR-Systeme, die zur Analyse des Algenwachstums gebaut wurden, überwachen und kontrollieren nicht die interne Kulturumgebung so eng wie nötig, um zu erkennen, wie unterschiedliche Faktoren das Algenwachstum beeinflussen, da die Einrichtung von Systemen auf diese Weise eine Herausforderung darstellen kann. Dieses Protokoll kann dazu beitragen, mehr kontrollierte Experimente zu erleichtern, indem es Schritt-für-Schritt-Anleitungen für den Aufbau eines PBR mit Echtzeit-Überwachung gibt. Darüber hinaus können diese Live-Daten nicht nur zur besseren Kontrolle der experimentellen Bedingungen verwendet werden, sondern sie können auch zur Abschätzung der Wachstumskinetik genutzt werden ( z. B. optische Dichtewerte als Referenz für allgemeine Wachstumsraten). Kontrollierte experimentelle Systeme können dazu beitragen, die Algenforschung reproduzierbarer zu machen. Bench-Skala PBR sEtups, die überwacht und kontrolliert werden, können die experimentelle Effizienz erhöhen, indem sie unbeabsichtigte Artefakte in der experimentellen Gestaltung minimieren und dazu beitragen können, die Bemühungen um die Herstellung von Algen-Biokraftstoffen zu einer nachhaltigen, alternativen Brennstoffquelle zu machen.

Aufgrund der zunehmenden Besorgnis über den globalen Klimawandel und die endgültigen fossilen Brennstoffressourcen haben die Regierungen eine Politik entwickelt, um den Verbrauch von fossilen Energieträgern zu senken und die Entwicklung neuer, nachhaltiger Transportbrennstoffe zu fördern. Die United States Environmental Protection Agency hat den Erneuerbaren Brennstoffstandard (RFS) entwickelt, der verlangt, dass 36 der jährlichen 140 Milliarden Gallonen US-Transport-Kraftstoff-Mix aus erneuerbaren Brennstoffen bis 2022 kommen. Innovative und Transformationstechnologien werden notwendig sein, um diese und Künftige erneuerbare Energien Standards 1 . Die Verwendung von Biokraftstoffen auf Mikroalgenbasis hat das Potenzial, die nationalen RFS bei gleichzeitiger Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu unterstützen 2 . Mikroalgen-basierte Biokraftstoffe haben im Vergleich zu Biokraftstoffen der ersten Generation, die auf terrestrischen Nahrungsmittelkulturen wie Mais und Sojabohnen basieren, mehrere Vorteile. Im Gegensatz zu Biokraftstoffen der ersten Generation, Algen-bAsed Biokraftstoffe verbrauchen weniger Land-, Wasser- und lebensmittelbedingte Ressourcen, da Algen ganzjährig und auf kargen Land mit Salzwasser oder Abwasser gezüchtet werden können. Mikroalgen haben hohe Wachstumsraten im Vergleich zu terrestrischen Kulturen und können hohe Lipide ansammeln, die leicht in Biodiesel umgewandelt werden können 3 . Derzeit gibt es aufgrund der hohen Kosten der energieintensiven Produktionsprozesse, die aus Algenkultivierung, Lipidabscheidung und Lipidverarbeitung in Biodiesel bestehen, keine industriellen Algen-Biokraftstoffanlagen. Es bedarf weiterer Forschung, um diese Prozesse effizienter und nachhaltiger zu gestalten. PBRs, die optisch klare, umschlossene Anlagen zur Herstellung von phototrophen Mikroorganismen in einer künstlichen Umgebung sind, gelten als eine der vielversprechendsten Kultivierungsmethoden 3 . Allerdings fehlt es den derzeitigen Entwürfen noch an der volumetrischen Produktivität, die notwendig ist, um die Produktion von Algen-zu-Biokraftstoffen herzustellenEss effizienter und wirtschaftlich attraktiver 4 . Leistungsstarke mathematische Modelle, die Lichtbestrahlung und Dämpfung berücksichtigen, den Transport von Nährstoffen und CO 2 und das Wachstum der Mikroalgen können die Optimierung der PBR-Konstruktion und des Betriebs erheblich erleichtern. Für diese Optimierungsmodelle sind gezielte Wachstumsparameter erforderlich, um speziespezifische Wachstumsparameter zu bestimmen. Kinetische Tests erfordern die sorgfältige Überwachung und Kontrolle von Versuchsaufbauten, um unbeabsichtigte Wachstumsinhibitoren zu verhindern. Angesichts der photosynthetischen Natur von Algen ( dh ihres CO 2 -Aufhaltes und der Absorption von Licht) ist die Aufrechterhaltung kontrollierter Zustände bei herkömmlichen PBRs besonders schwierig. Wie in Gleichung 1 dargestellt, wird die Menge an gelöstem CO 2 in dem Wachstumsmedium, die gewöhnlich als &amp; ldquor; <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Gleichung 2 ), wird mindestens einFunktion von: 1) der CO 2 -Partialdruck und Henrys Gleichgewichtskonstante, die die Gasmenge diktiert, die sich in Lösung lösen wird ( Gleichung 3 ); 2) die anfängliche chemische Zusammensetzung des Wachstumsmediums, die die Speziation und Aktivität der Carbonat-Ionen und den pH-Wert beeinflusst ( Gleichungen 4 und 5 ); Und 3) die Temperatur, die die Gleichungen 3-5 5 beeinflusst . <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Gleichung" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> Die verschiedenen Phasen und die chemische Speziation von Kohlenstoff schaffen eine Herausforderung für die Messung und Aufrechterhaltung einer konsistenten Konzentration des gelösten Kohlenstoffs innerhalb eines PBR whiWenn man andere Bedingungen konstant hält ( z. B. nimmt der pH-Wert zu, wenn die Algen CO 2 verbrauchen und die Erhöhung des gelösten CO 2 -Substrats möglicherweise zu einer sauren Umgebung führen kann, die das Wachstum hemmt) 6 . Eine zusätzliche Schicht von Komplexität zur Kontrolle von Zuständen während Algen-kinetischen Tests beinhaltet die Lichtintensität innerhalb der PBR. Die mittlere Lichtintensität innerhalb eines PBR ist nicht nur die einfallende Lichtintensität, sondern auch die Gestaltung ( zB Material, Form, Tiefe und Mischen), die Extinktion von Algen-Biomasse-Komponenten (insbesondere Chlorophyll) Streuungseigenschaften der Algenzellen. Wenn die Algen wachsen, wird die durchschnittliche Lichtintensität abnehmen. Diese Veränderung der Lichtintensität, sei es durch eine Zunahme der Gesamtzellen und der Biomasse, eine Erhöhung des Chlorophyllgehalts pro Zelle oder beides, kann schließlich eine metabolische Reaktion hervorrufen, wie z. B. eine Erhöhung des ChlorophyllproduktsCtion pro Zelle oder die Verwendung von Kohlenhydrat- und Lipidspeicherprodukten für Energie 7 . Die kontinuierliche Überwachung der Lichtintensität aus dem Reaktor liefert wertvolle Informationen. Diese Daten können dazu beitragen, dass die Bedingungen innerhalb eines bestimmten Bereichs bleiben und dazu verwendet werden können, Algenwachstum und Absorptionsparameter zu schätzen, wenn sie mit anderen Messungen kombiniert werden ( dh Biomasse, Chlorophyllkonzentration, Reaktortiefe, einfallendes Licht usw. ). Das Verständnis, wie Algen unter einem bestimmten Satz von Bedingungen wachsen, erfordert, dass der pH-Wert, das gelöste CO 2 , die Lichtintensität und die Temperatur in kinetischen Experimenten im Maßstab überwacht werden. Viele Algenwachstums-Setups sind nicht ausgestattet, um die Bedingungen zu überwachen, wie dies für die Kalibrierung von kinetischen Modellen erforderlich ist, wodurch der Modellierungsprozess extrem anspruchsvoll ist 8 . Obwohl viele Unternehmen bieten Bank-PBRs mit Automatisierung und Kontrolle, diese Bank-ScalE Setups können extrem teuer sein (~ $ 20.000) und möglicherweise nicht alle experimentellen Überlegungen einer gegebenen Forschungsfrage unterbringen. Der erste Schritt bei der Einrichtung eines Control-Feedback-Systems für ein Batch-Experiment ist die Live-Datenerfassung. In diesem Beitrag soll gezeigt werden, wie ein konstruierter und aufbauender PBR mit Dauerlicht, pH-Wert und Temperaturüberwachung konstruiert und aufgebaut werden kann. Diese Echtzeit-Monitoring-Setup kann dazu beitragen, dass die experimentellen Bedingungen in den gewünschten Bereichen bleiben, nach dem Ermessen des Forschers. Während dieses Protokoll nicht spezifische Kontrollmechanismen detailliert darstellt, stellen diese Schritt-für-Schritt-Anleitungen eine grundlegende Grundlage für das Datenerfassungs-Framework dar, das erforderlich ist, bevor anspruchsvollere Steuerungs-Feedbacks implementiert werden können.

<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

Die optimale Gestaltung und der Betrieb von photosynthetischen Bioreaktoren (PBRs) für den Mikroalgenanbau ist für die Verbesserung der ökologischen und ökonomischen Leistung der Produktion von Mikroalgen-basierten Biokraftstoffen unerlässlich. Modelle, die das Mikroalgenwachstum unter verschiedenen Bedingungen einschätzen, können dazu beitragen, das Design und den Betrieb von PBR zu optimieren. Um effektiv zu sein, müssen die in diesen Modellen verwendeten Wachstumsparameter genau bestimmt werden. Algenwachstumsexperimente werden oft durch die dynamische Natur der Kulturumgebung eingeschränkt, und Kontrollsysteme werden benötigt, um die kinetischen Parameter genau zu bestimmen. Der erste Schritt bei der Einrichtung eines kontrollierten Chargenexperiments ist die Datenerfassung und -überwachung. Dieses Protokoll beschreibt einen Prozess für die Montage und den Betrieb eines fotosynthetischen Bioreaktors, der zur Durchführung von Mikroalgenwachstumsexperimenten verwendet werden kann. Dieses Protokoll beschreibt, wie die Größe und Montage einer Flachplatte, Tisch-PBR aus Acryl. Es gibt auch Details wie zu konfigurierenRe PBR mit kontinuierlichem pH-, Licht- und Temperaturüberwachung über eine Datenerfassungs- und Steuereinheit, analoge Sensoren und Open-Source-Datenerfassungssoftware.

Die Daten aus diesem Echtzeit-Monitoring-System zeigen die dynamische Kultivierungsumgebung für Algen innerhalb eines pBR-basierten PBR und heben die Notwendigkeit zur Überwachung und Steuerung des Systems hervor. Die aufgezeichneten Temperaturdaten (Abbildung 6 ) zeigen, wie die Lichtbeleuchtung, die Inkubatorlufttemperatur und die Energieverteilung im Zusammenhang mit dem Algenwachstum die Temperatur innerhalb des PBR verändern können und wie die Echtzeitdaten zur Anpassung der Inkubatortemperaturkontrollen verwendet werden können. Das gemessene Licht im Verlauf des Experiments unterstreicht weiterhin die Dynamik dieses wachsenden Umfeldes. Wie in Fig. 7 zu sehen war, wurde der Lichtsensor-Messwert, gemessen als photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD; μE-m -2 s &amp; supmin; ¹ ), ~ 100 PPFD, bevor Algen zugegeben wurden, und fiel sofort auf 85 PPFD afTer Impfung des Reaktors mit der Algenkultur. Das Licht setzte sich am Tag 7 auf weniger als 5 PPFD zurück. Diese Abnahme der Lichtintensität ist auf die Erhöhung der Biomasse und der Zellzahl zurückzuführen und / oder die zunehmende Absorption durch erhöhten Chlorophyllgehalt zu erhöhen, was zeigt, dass Algen bis zum Tag 7, trotz geringer, aktiv sind Lichtniveaus Zusätzliche biologische Messungen sind erforderlich, um weitere Schlussfolgerungen zu treffen. Die kontinuierlich protokollierten pH-Daten zeigen, dass insgesamt der pH-Wert während dieses Experiments mit dem implementierten pH-Kontrollalgorithmus adäquat kontrolliert wurde (Abbildung 8 ). Diese Daten, die sowohl Minuten-zu-Minute-Messungen als auch Stunden-Lang-Mittelwerte zeigen, zeigen einige wichtige Punkte über die Kultivierung von Algen und die Überwachung des pH-Werts in Echtzeit. Zuerst erhöhte sich der pH-Wert über dem gewünschten Sollwert von 7,6 unmittelbar nach dem Inokulieren des PBR mit Algen. Diese Veränderung wurde erwartet, da die Kultursamen, die der PBR hinzugefügt wurden,H-Wert höher als der Sollwert, da der Kolben, der verwendet wurde, um das Inokulum zu wachsen, nicht pH-kontrolliert wurde. Zweitens hebt diese Live-Daten hervor, wie empfindliche pH-Elektroden zu externen elektrischen Geräuschen führen. Diese Empfindlichkeit wird durch einen drastischen Sprung in den Elektrodenwerten zwischen Tag 1 und Tag 2 festgestellt. Diese plötzlichen Änderungen der pH-Werte wurden wahrscheinlich durch elektrisches Rauschen von einem Magnetventil von einem angrenzenden Versuchsaufbau verursacht. Diese elektrische Störung hat den pH-Regelalgorithmus vorzeitig ausgelöst, um CO 2 in den PBR zu injizieren. Folglich sank der pH-Wert unter den gewünschten Sollwert. Die Empfindlichkeit der pH-Elektroden kann zu extremen Ausreißern führen und kann Steuersysteme möglicherweise stören. <img alt="Abbildung 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Abbildung 3: pH-Response- und Kalibrierungsbeispiel-Diagramme. ( A ) Beispielreaktionsgraph von thE pH-Sensor ( b ) Beispiel Kalibriergraph des pH-Sensors mit einer Gleichung für die Umwandlung. Die Regressionsanalyse zeigt ein Konfidenzintervall von 95%. Fehlerbalken sind nicht sichtbar (Standardfehler kleiner als 0,03%). Diese Graphen zeigen, dass die pH-Sensoren korrekt angeschlossen waren und dass ihr Signal sehr stabil war. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Abbildung 6: Temperaturmessungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1-h-Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren die über 1 min erfassten Sensorablesungen (Erfassungszeitpunkt von 1 s, durchschnittliche Länge von 60) und werden mit Hilfe von Hersteller-umgesetzten Umwandlungsfaktoren in die Temperatur umgewandelt. Schwarze Pfeile sho<html> W, wenn die Inkubator-Temperatureinstellung eingestellt wurde, um die Kulturtemperatur um 25 ° C zu halten (dieser gewünschte Sollwert ist mit einer roten, gestrichelten Linie bezeichnet). Schwankungen in der Temperatur sind auf Algenwachstum und Veränderungen der Inkubatortemperatur zurückzuführen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Abbildung 7: Lichtmessungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1 h Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren Sensorwerte, die über 1 min erfasst wurden (Erfassungszeitpunkt von 1 s, durchschnittliche Länge von 60) und in PPFD unter Verwendung von Standard-Lichtsensor-Werkskalibrierungswerten umgewandelt.&quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Abbildung 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Abbildung 8: pH-Messungen innerhalb der PBR Während eines 7-tägigen Experiments. Dunkelblaue Punkte stellen 1-h-Mittelwerte von Sensordaten dar, und hellblaue Punkte repräsentieren die Messwerte, die alle 1 min protokolliert werden (Erfassungszeitpunkt von 0,1 s, durchschnittliche Länge von 600) und in den pH-Wert umgewandelt werden, wobei die Umwandlungsgleichung durch Kalibrierung hergestellt wird. Der pH-Wert wurde zwischen 7,6 und 7,5 unter Verwendung einer 99% CO 2 -Gaseinspritzung gehalten. Die roten, gestrichelten Linien zeigen den gewünschten pH-Bereich an. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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

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