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

Авторы признают Национальный научный фонд «Новые рубежи в исследованиях и инновациях» (Премия № 1332341) за финансирование этого исследования. Авторы также хотели бы поблагодарить д-ра Эндрю Гришофа, а также сообщества поддержки LabJack и DAQFactory за их помощь и помощь, предлагаемые на протяжении всего этого процесса.

<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>

Авторам нечего раскрывать.

Эта система PBR предлагает возможность контролировать и контролировать экспериментальные эксперименты по кинетическому росту в масштабе всей скважины, позволяя получить более повторяемые результаты экспериментальных анализов, используемых для количественного определения роста. Однако понимание ограничений и неопределенностей измерений датчиков имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы показания датчика точно отражали условия реактора. Это понимание включает базовые знания принципов измерения, связанных с датчиками, процесса и частоты калибровки, неопределенности измерения и того, что датчик может и не может измерить. Например, электрический отклик для описанного здесь светочувствительного датчика неравномерно распределен по видимому диапазону спектра, и на выход датчика могут потребоваться некоторые поправочные коэффициенты, в зависимости от того, как будут анализироваться данные этого датчика. Температурные уровни и вариации также чрезвычайно важны, так как изменения температуры могут резкоФлюидизацию отклика датчика. Важное значение имеет также понимание потенциальных помех, которые могут повлиять на показания датчиков. Эта помеха может представлять собой окружающий электрический шум из здания или может быть обусловлена ​​измерительной средой ( например, ионы натрия могут резко влиять на показания рН при значениях рН более 10) 12 . Более того, погружение нескольких зондов в раствор, особенно высокоионный и проводящий раствор соли, также является потенциальным источником помех. Электроды, которые измеряют рН (или ионную силу, растворенный кислород, растворенный СО 2 и т . Д.), Особенно чувствительны к окружающим электрическим шумам и могут быть легко возмущены. Сигнальное кондиционирование, используемое для защиты электродного сигнала, не может гарантировать, что другие факторы не будут мешать показаниям зонда. В рамках контроля качества для проверки t следует использовать другое лабораторное оборудование, такое как ручной pH-зонд, ручной спектрометр и термометр.Показания датчика и убедиться, что система настроена и работает правильно. Другим ограничением, которое необходимо решить, является возможное воздействие водорослей и / или среды культивирования на датчики. Например, если мусор или пузырьки водорослей покрывают фотодиодный рецептор светочувствительного датчика, это повлияет на показания. Точно так же pH-электроды чрезвычайно чувствительны и требуют особой осторожности для обеспечения точных показаний. Эти электроды работают путем измерения разности напряжений во внутреннем соединении из-за накопления ионов H + ; Для поддержания точных измерений требуется гидратированный буферный слой внутри зонда 12 . В зависимости от условий в реакторе этот слой будет изнашиваться, и отклик датчика может измениться в течение эксперимента, когда зонд погружен в воду. В предварительных испытаниях выходное напряжение рН не дрейфовало более чем на 0,2 единицы рН в течение 20-дневного эксперимента, Но необходимо провести дальнейшие оценки, чтобы охарактеризовать это изменение чувствительности сенсора и установить максимальное время экспериментального эксперимента, особенно если требуются мелкие корректировки / количественные значения рН. Многие современные настольные системы PBR, созданные для анализа роста водорослей, не контролируют и не контролируют внутреннюю культуральную среду настолько жестко, насколько это необходимо, чтобы понять, как разные факторы влияют на рост водорослей, поскольку создание таких систем может быть сложной задачей. Этот протокол может помочь облегчить более контролируемые эксперименты, предоставив пошаговые инструкции для построения PBR с мониторингом в реальном времени. Более того, эти данные в реальном времени могут использоваться не только для лучшего контроля экспериментальных условий, но и могут быть использованы для оценки кинетики роста ( например, показания оптической плотности в качестве эталона для общих темпов роста). Контролируемые экспериментальные системы могут помочь сделать исследования водорослей более воспроизводимыми. Сканирующая шкала PBR sEtrops, которые контролируются и контролируются, могут повысить эффективность эксперимента, минимизируя непреднамеренные артефакты в экспериментальном дизайне и могут помочь в продвижении усилий по превращению водорослевого биотоплива в устойчивый альтернативный источник топлива.

Из-за растущей озабоченности по поводу глобального изменения климата и конечных ресурсов ископаемого топлива правительства разрабатывают политику сокращения потребления ископаемого топлива и поощряют разработку новых устойчивых транспортных топлив. Агентство по охране окружающей среды Соединенных Штатов разработало стандарт возобновляемого топлива (RFS), в соответствии с которым к 2022 году из возобновляемых источников топлива будет приходиться 36 из 140 миллиардов галлонов американской топливной смеси. Источники и трансформационные технологии будут необходимы для удовлетворения этих и Будущие стандарты в области возобновляемых источников энергии 1 . Использование биотоплива на основе микроводорослей может помочь удовлетворить национальные RFS при одновременном снижении выбросов парниковых газов 2 . Биотопливо на основе микроводорослей имеет несколько преимуществ по сравнению с биотопливом первого поколения на основе наземных продовольственных культур, таких как кукуруза и соевые бобы. В отличие от биотоплива первого поколения, водоросли-bПоскольку биотопливо потребляет меньше земли, воды и связанных с продовольствием ресурсов, поскольку водоросли можно выращивать круглый год и на бесплодных землях с использованием соленой воды или сточных вод. Микроводоросли имеют высокие темпы роста по сравнению с наземными культурами и могут накапливать высокие уровни липидов, которые могут быть легко преобразованы в биодизель 3 . В настоящее время не существует промышленных установок для производства водорослей и биотоплива из-за высоких издержек энергоемких производственных процессов, которые состоят из культивирования водорослей, разделения липидов и переработки липидов в биодизель. Необходимы дополнительные исследования, чтобы сделать эти процессы более эффективными и устойчивыми. PBR, которые являются оптически прозрачными закрытыми установками для производства фототрофных микроорганизмов в искусственной среде, считаются одним из наиболее перспективных методов культивации 3 . Тем не менее, в нынешних конструкциях по-прежнему отсутствует объемная производительность, необходимая для производства процесса производства водорослей и биотопливаБолее эффективны и экономически привлекательны 4 . Мощные математические модели, которые учитывают световую освещенность и затухание, транспортировку питательных веществ и CO 2 , а также рост микроводорослей, могут значительно облегчить оптимизацию конструкции и работы PBR. Для определения видоспецифических параметров роста для этих моделей оптимизации требуются эксперименты по наращиванию скамьи. Кинетические испытания требуют тщательного мониторинга и контроля экспериментальных установок для предотвращения непреднамеренных ингибиторов роста. Учитывая фотосинтетический характер водорослей ( т. Е. Их потребление CO 2 и поглощение света), поддержание контролируемых условий особенно затруднено в настольных PBR. Как показано в уравнении 1 , количество растворенного СО 2 в ростовой среде, обычно обозначаемое как <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Уравнение 2 ), будет, как минимум,Функция: 1) парциального давления CO 2 и константы равновесия Генри, которая определяет количество газа, которое растворяется в растворе ( уравнение 3 ); 2) начальный химический состав среды роста, который влияет на видообразование и активность ионов карбоната и рН ( уравнения 4 и 5 ); И 3) температура, которая воздействует на уравнения 3-5 5 . <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Уравнение" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> Различные фазы и химическое образование углерода создают проблему для измерения и поддержания постоянной концентрации растворенного углерода в пределах PBR, которыйLe, сохраняя другие условия постоянными ( например, pH увеличивается, поскольку водоросли потребляют CO 2 , а увеличение растворенного субстрата CO 2 может привести к кислой среде, которая препятствует росту). Дополнительный уровень сложности для контроля условий во время кинетических испытаний водорослей включает интенсивность света внутри PBR. Средняя интенсивность света внутри PBR зависит не только от интенсивности падающего света, но и от конструкции ( например, материала, формы, глубины и смешивания), абсорбции компонентов биомассы водорослей (особенно хлорофилла) Рассеивающие свойства водорослевых клеток. По мере роста водорослей средняя интенсивность света будет уменьшаться. Это изменение интенсивности света, вызванное увеличением общих клеток и биомассы, увеличением содержания хлорофилла на клетку или и тем, и другим, может в конечном итоге вызвать метаболический ответ, такой как увеличение производства хлорофиллаНа клетку или использование продуктов для хранения углеводов и липидов для энергии 7 . Непосредственный мониторинг интенсивности света внутри реактора дает бесценную информацию. Эти данные могут помочь обеспечить сохранение условий в пределах определенного диапазона и могут быть использованы для оценки параметров роста водорослей и абсорбции в сочетании с другими измерениями ( например, биомасса, концентрация хлорофилла, глубина реактора, падающий свет и т . Д.). Понимание того, как растут водоросли в определенных условиях, требует, чтобы в экспериментальных кинетических экспериментах контролировались рН, растворенный СО 2 , интенсивность света и температура. Многие установки роста водорослей не оборудованы для мониторинга условий в объеме, необходимом для калибровки кинетических моделей, что делает процесс моделирования чрезвычайно сложным 8 . Несмотря на то, что многие компании предлагают комплексные PBR с автоматизацией и контролем, эти сканерыЕ настройки могут быть чрезвычайно дорогими (~ 20 000 долларов США) и могут не учитывать все экспериментальные соображения данного исследовательского вопроса. Первым шагом в создании системы обратной связи для пакетного эксперимента является сбор данных в реальном времени. Настоящая статья призвана продемонстрировать, как построить и настроить настольную PBR, оборудованную непрерывным светом, pH и контролем температуры. Эта настройка мониторинга в реальном времени может помочь обеспечить условия эксперимента в пределах желаемого диапазона, по усмотрению исследователя. Хотя этот протокол не описывает конкретные механизмы управления, эти пошаговые инструкции обеспечивают базовую основу для структуры сбора данных, требуемой до того, как могут быть реализованы более сложные контрольные обратные связи.

<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

Оптимальная конструкция и работа фотосинтетических биореакторов (PBR) для культивирования микроводорослей необходимы для улучшения экологической и экономической эффективности производства биотоплива на основе микроводорослей. Модели, которые оценивают рост микрогалактики в разных условиях, могут помочь оптимизировать дизайн и работу PBR. Чтобы быть эффективными, параметры роста, используемые в этих моделях, должны быть точно определены. Эксперименты по выращиванию водорослей часто ограничиваются динамическим характером среды культуры, и для точного определения кинетических параметров необходимы системы управления. Первым шагом в настройке контролируемого пакетного эксперимента является сбор и мониторинг живых данных. В этом протоколе описывается процесс сборки и работы сканирующего фотосинтетического биореактора, который можно использовать для проведения экспериментов по выращиванию микрогалактик. В этом протоколе описывается, как определять размер и собирать планшетный PBR с акриловым покрытием. В нем также описывается, как настроитьRe PBR с непрерывным контролем pH, света и температуры с использованием блока сбора и управления данными, аналоговых датчиков и программного обеспечения для сбора данных с открытым исходным кодом.

Данные из этой системы мониторинга в реальном времени показывают динамическую среду для выращивания водорослей в масштабе шкалы PBR и подчеркивают необходимость мониторинга и контроля системы. Зарегистрированные данные о температуре ( рис. 6 ) демонстрируют, как световая подсветка, температура воздуха в инкубаторе и диссипация энергии, связанные с ростом водорослей, могут изменять температуру внутри PBR и как данные в реальном времени могут использоваться для настройки контроля температуры инкубатора по мере необходимости. Измеренный свет в течение эксперимента дополнительно подчеркивает динамический характер этой растущей среды. Как видно на рисунке 7 , показание светового датчика, измеренное как плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD, μE-m -2 с -1 ), составляло ~ 100 PPFD до добавления водорослей и немедленно отбрасывалось до 85 PPFD afВ которой инокулируют реактор культурой водорослей. На 7-й день свет продолжал падать менее чем на 5 PPFD. Это уменьшение интенсивности света связано с увеличением количества биомассы и клеток и / или увеличением поглощения за счет увеличения содержания хлорофилла, что показывает, что водоросли активны через 7-й день, несмотря на низкую Уровень освещенности. Дополнительные биологические измерения необходимы для дальнейших выводов. Данные с непрерывным регистрированием рН показывают, что в целом в этом эксперименте рН был адекватно контролирован с помощью реализованного алгоритма регулирования рН ( рисунок 8 ). Эти данные, показывающие как поминутные показания, так и среднечасовые показатели, демонстрируют несколько ключевых моментов в отношении культивирования водорослей и мониторинга рН в реальном времени. Во-первых, рН повышался выше желаемого уставки 7,6 сразу после инокуляции PBR водорослями. Это изменение ожидалось, поскольку культурное семя, которое было добавлено к PBR, имело apH выше, чем заданное значение, поскольку колбу, используемую для выращивания посевного материала, не контролировалась pH. Во-вторых, эти данные в реальном времени показывают, насколько чувствительны электроды pH к внешним электрическим шумам. Эта чувствительность отмечена резким скачком значений электродов между днями 1 и 2 дня. Эти внезапные изменения значений рН, вероятно, создавались электрическими шумами соленоидного клапана из соседней экспериментальной установки. Это электрическое возмущение преждевременно инициировало алгоритм регулирования pH для введения CO 2 в PBR. Следовательно, рН опустился ниже желаемой уставки. Чувствительность рН-электродов может приводить к экстремальным выбросам и потенциально может нарушить работу систем управления. <img alt="Рисунок 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Рисунок 3: Графики зависимости рН и калибровки. ( A ) Пример графика ответа thE pH-датчик ( b ) Пример калибровочного графика датчика pH с использованием уравнения для преобразования. Регрессионный анализ показывает 95% доверительный интервал. Ошибки не отображаются (стандартная ошибка меньше 0,03%). Эти графики показывают, что датчики рН были подключены правильно и что его сигнал был очень устойчивым. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> <img alt="Рисунок 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Рисунок 6: Измерения температуры внутри PBR Во время 7-дневного эксперимента. Темно-синие точки представляют собой средние значения данных датчика, составляющие 1 час, а светло-голубые - представляют собой показания датчиков, полученные за 1 мин (время обнаружения 1 с, средняя длина 60) и преобразуются в температуру с использованием коэффициентов преобразования, поставляемых изготовителем. Черные стрелы<html> W, когда настройка температуры инкубатора была отрегулирована для поддержания температуры культивирования около 25 ° C (эта желаемая уставка обозначена красной пунктирной линией). Колебания температуры обусловлены ростом водорослей и изменением температуры инкубатора. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a> <img alt="Рисунок 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Рисунок 7: Измерения света внутри PBR Во время 7-дневного эксперимента. Темно-синие точки представляют собой средние значения данных датчика, составляющие 1 час, а светло-голубые - представляют собой показания датчиков, полученные за 1 мин (время обнаружения 1 с, средняя длина 60), и преобразуются в ППФД, используя значения заводской калибровки по умолчанию для светового датчика.&quot;&gt; Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. <img alt="Рисунок 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Рисунок 8: Измерения рН внутри PBR во время 7-дневного эксперимента. Темно-синие точки представляют собой средние значения данных датчика в среднем в течение 1 часа, а светло-голубые точки представляют собой показания датчиков, регистрируемые каждые 1 мин (время сбора 0,1 с, средняя длина 600) и преобразуются в рН с использованием уравнения преобразования, установленного с помощью калибровки. РН поддерживали между 7,6 и 7,5 с использованием 99% -ной закачки CO 2 . Красные пунктирные линии указывают желаемый диапазон pH. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</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

В этой статье описывается процесс сборки и работы сканирующего фотосинтетического биореактора, который может использоваться совместно с другими методами для оценки соответствующих параметров кинетического роста. Эта система постоянно контролирует pH, свет и температуру с помощью датчиков, блока сбора данных и управления и программного обеспечения для сбора данных с открытым исходным кодом.

Строительство и настройка сканирующего фотосинтетического биореактора водорослей с контролем температуры, света и pH для испытаний на кинетический рост

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

Массовые цитометрии: Протокол для ежедневного настройка и запуск образцы клеток на Цитометр массовой CyTOF

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

Дизайн двухосных механических биореактор загрузка для тканевой инженерии

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

Эксплуатация настольной биореактора

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

Строительство и характеристика Fold биореактора Роман вокального

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

Оптимизированные настройки и протокол для визуализации магнитных доменов с в местах измерений Гистерезис

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

Строительство многослойных мезенхимальных стволовых клеток листа с системой 3D динамичной культуры

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

Конструкция эндоскопически имплантируемого датчика с поддержкой беспроводной связи для мониторинга pH с приемником на основе диода Шоттки с нулевым смещением

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

Устройство для испытания на трение -биореактор для изучения биомеханики синовиальных суставов, механобиологии и физической регуляции

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

Многопоточный перфузионный биореактор, интегрированный с фракционированием на выходе для динамической клеточной культуры

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