Name: operation of laboratory photobioreactors with online growth measurements and customizable light regimes
Uploaded: 2021-10-28T14:00:00
Duration: 5 min 21 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Operation of Laboratory Photobioreactors with Online Growth Measurements and Customizable Light Regimes at JoVE.com

تم دعم هذه الدراسة من قبل مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة (NSERC) ، والمؤسسة الكندية للابتكار (CFI) ، وصندوق كندا الأول للتميز البحثي (CFREF) ، وألبرتا إنوفيتيس ، ومؤسسة السير جون موناش العامة ، وحكومة ألبرتا ، وجامعة كالجاري. نتقدم بالشكر إلى مارك تونين على العمل الكهربائي وويليام ريتشاردسون على حسابات الذوبان.

<ol>
	<li>Benemann, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Opportunities and challenges in algae biofuels production. A position paper in line with Algae World. , (2008).</li><li>Laurens, L. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=State+of+technology+review+-+algae+bioenergy.+An+IEA+bioenergy+inter-task+strategic+project.">State of technology review - algae bioenergy. An IEA bioenergy inter-task strategic project.</a> IEA Bioenergy. , (2017).</li><li>Robertson, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+dawn+for+industrial+photosynthesis.">A new dawn for industrial photosynthesis.</a> Photosynthesis Research. 107, 269-277 (2011).</li><li>Troschl, C., Meixner, K., Drosg, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyanobacterial+PHA+production-review+of+recent+advances+and+a+summary+of+three+years'+working+experience+running+a+pilot+plant.">Cyanobacterial PHA production-review of recent advances and a summary of three years' working experience running a pilot plant.</a> Bioengineering. 4 (2), (2017).</li><li>Rizwan, M., Mujtaba, G., Memon, S. A., Lee, K., Rashid, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+the+potential+of+microalgae+for+new+biotechnology+applications+and+beyond:+a+review.">Exploring the potential of microalgae for new biotechnology applications and beyond: a review.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 92, 394-404 (2018).</li><li>Niesa, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Phormidium+lacuna+strains+from+the+North+Sea+and+the+Mediterranean+Sea+for+biotechnological+applications.">Characterization of Phormidium lacuna strains from the North Sea and the Mediterranean Sea for biotechnological applications.</a> Process Biochemistry. 59, 194-206 (2017).</li><li>Laurens, L. M. L., Chen-Glasser, M., McMillan, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+perspective+on+renewable+bioenergy+from+photosynthetic+algae+as+feedstock+for+biofuels+and+bioproducts.">A perspective on renewable bioenergy from photosynthetic algae as feedstock for biofuels and bioproducts.</a> Algal Research. 24, 261-264 (2017).</li><li>Barreiro-Vescovo, S., Barbera, E., Bertucco, A., Sforza, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integration+of+microalgae+cultivation+in+a+biogas+production+process+from+organic+municipal+solid+waste:+From+laboratory+to+pilot+scale.">Integration of microalgae cultivation in a biogas production process from organic municipal solid waste: From laboratory to pilot scale.</a> ChemEngineering. 4 (2), 26 (2020).</li><li>Zurano, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Year-long+assessment+of+a+pilot-scale+thin-layer+reactor+for+microalgae+wastewater+treatment.+Variation+in+the+microalgae-bacteria+consortium+and+the+impact+of+environmental+conditions.">Year-long assessment of a pilot-scale thin-layer reactor for microalgae wastewater treatment. Variation in the microalgae-bacteria consortium and the impact of environmental conditions.</a> Algal Research. 50, (2020).</li><li>Depr&#225;, M. C., Severo, I. A., Dias, R. R., Zepka, L. Q., Jacob-Lopes, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photobioreactor+design+for+microalgae+culture.">Photobioreactor design for microalgae culture.</a> Microalgae. , 35-61 (2021).</li><li>Osburn, F. S., Wagner, N. D., Scott, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+stoichiometry+and+growth+dynamics+of+a+diazotrophic+cyanobacteria+in+nitrogen+sufficient+and+deficient+conditions.">Biological stoichiometry and growth dynamics of a diazotrophic cyanobacteria in nitrogen sufficient and deficient conditions.</a> Harmful Algae. 103, (2021).</li><li>Eustance, E., Badvipour, S., Wray, J. T., Sommerfeld, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomass+productivity+of+two+Scenedesmus+strains+cultivated+semi-continuously+in+outdoor+raceway+ponds+and+flat-panel+photobioreactors.">Biomass productivity of two Scenedesmus strains cultivated semi-continuously in outdoor raceway ponds and flat-panel photobioreactors.</a> Journal of Applied Phycology. 28 (3), 1471-1483 (2016).</li><li>Qiang, H., Richmond, A., Zarmi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+effects+of+light+intensity,+light-path+and+culture+density+on+output+rate+of+spirulina+platensis+(cyanobacteria).">Combined effects of light intensity, light-path and culture density on output rate of spirulina platensis (cyanobacteria).</a> European Journal of Phycology. 33 (2), 165-171 (1998).</li><li>Ooms, M. D., Dinh, C. T., Sargent, E. H., Sinton, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+management+for+augmented+photosynthesis.">Photon management for augmented photosynthesis.</a> Nature Communications. 7, 1-13 (2016).</li><li>Moheimani, N. R., Borowitzka, M. A., Isdepsky, A., Sing, S. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Standard+methods+for+measuring+growth+of+algae+and+their+composition.">Standard methods for measuring growth of algae and their composition.</a> Algae for biofuels and energy. , 265-284 (2013).</li><li>Griffiths, M. J., Garcin, C., van Hille, R. P., Harrison, S. T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interference+by+pigment+in+the+estimation+of+microalgal+biomass+concentration+by+optical+density.">Interference by pigment in the estimation of microalgal biomass concentration by optical density.</a> Journal of Microbiological Methods. 85 (2), 119-123 (2011).</li><li>Schumann, R., H&#228;ubner, N., Klausch, S., Karsten, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chlorophyll+extraction+methods+for+the+quantification+of+green+microalgae+colonizing+building+facades.">Chlorophyll extraction methods for the quantification of green microalgae colonizing building facades.</a> International Biodeterioration and Biodegradation. 55 (3), 213-222 (2005).</li><li>Pinckney, J. L., Richardson, T. L., Millie, D. F., Paerl, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+photopigment+biomarkers+for+quantifying+microalgal+community+composition+and+in+situ+growth+rates.">Application of photopigment biomarkers for quantifying microalgal community composition and in situ growth rates.</a> Organic Geochemistry. 32 (4), 585-595 (2001).</li><li>Van Wychen, S., Laurens, L. M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+total+solids+and+ash+in+algal+biomass:+laboratory+analytical+procedure+(LAP).">Determination of total solids and ash in algal biomass: laboratory analytical procedure (LAP).</a> National Renewable Energy Laboratory. , (2015).</li><li>Davis, R., Laurens, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algal+biomass+production+via+open+pond+algae+farm+cultivation:+2019+state+of+technology+and+future+research.">Algal biomass production via open pond algae farm cultivation: 2019 state of technology and future research.</a> National Renewable Energy Laboratory. , (2020).</li><li>Borovkov, A. B., Gudvilovich, I. N., Avsiyan, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scale-up+of+Dunaliella+salina+cultivation:+from+strain+selection+to+open+ponds.">Scale-up of Dunaliella salina cultivation: from strain selection to open ponds.</a> Journal of Applied Phycology. 32 (3), 1545-1558 (2020).</li><li>Davies, F. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbiota+associated+with+the+large-scale+outdoor+cultivation+of+the+cyanobacterium+Synechococcus+sp.+PCC+7002.">Microbiota associated with the large-scale outdoor cultivation of the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002.</a> Algal Research. 58, (2021).</li><li>Ataeian, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+capture+and+conversion+of+CO2+from+air+by+growing+a+cyanobacterial+consortium+at+pH+up+to+11.2.">Direct capture and conversion of CO2 from air by growing a cyanobacterial consortium at pH up to 11.2.</a> Biotechnology and Bioengineering. 116 (7), 1604-1611 (2019).</li><li>Fu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sustained+photosynthesis+and+oxygen+generation+of+microalgae-embedded+silk+fibroin+hydrogels.">Sustained photosynthesis and oxygen generation of microalgae-embedded silk fibroin hydrogels.</a> ACS Biomaterials Science &amp; Engineering. , (2021).</li><li>Rearte, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosynthetic+performance+of+Chlorella+vulgaris+R117+mass+culture+is+moderated+by+diurnal+oxygen+gradients+in+an+outdoor+thin+layer+cascade.">Photosynthetic performance of Chlorella vulgaris R117 mass culture is moderated by diurnal oxygen gradients in an outdoor thin layer cascade.</a> Algal Research. 54, (2021).</li><li>Poughon, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limnospira+indica+PCC8005+growth+in+photobioreactor:+model+and+simulation+of+the+ISS+and+ground+experiments.">Limnospira indica PCC8005 growth in photobioreactor: model and simulation of the ISS and ground experiments.</a> Life Sciences in Space Research. 25, 53-65 (2020).</li><li>Yen, U. C., Huang, T. C., Yen, T. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+the+circadian+photosynthetic+rhythm+in+cyanobacteria+with+a+dissolved-oxygen+meter.">Observation of the circadian photosynthetic rhythm in cyanobacteria with a dissolved-oxygen meter.</a> Plant Science. 166 (4), 949-952 (2004).</li><li>Vermaas, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosynthesis+and+respiration+in+cyanobacteria.">Photosynthesis and respiration in cyanobacteria.</a> eLS. , (2001).</li><li>Ritter, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> MilliGascounter Type MGC-1 Operation Instructions V 3.4. , (2017).</li><li>Sousa, C., De Winter, L., Janssen, M., Vermu&#235;, M. H., Wijffels, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+of+the+microalgae+Neochloris+oleoabundans+at+high+partial+oxygen+pressures+and+sub-saturating+light+intensity.">Growth of the microalgae Neochloris oleoabundans at high partial oxygen pressures and sub-saturating light intensity.</a> Bioresource Technology. 104, 565-570 (2012).</li><li>Latifi, A., Ruiz, M., Zhang, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxidative+stress+in+cyanobacteria.">Oxidative stress in cyanobacteria.</a> FEMS microbiology reviews. 33 (2), 258-278 (2009).</li><li>Morillas-Espa&#241;a, A., Lafarga, T., G&#243;mez-Serrano, C., Aci&#233;n-Fern&#225;ndez, F. G., Gonz&#225;lez-L&#243;pez, C. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Year-long+production+of+Scenedesmus+almeriensis+in+pilot-scale+raceway+and+thin-layer+cascade+photobioreactors.">Year-long production of Scenedesmus almeriensis in pilot-scale raceway and thin-layer cascade photobioreactors.</a> Algal Research. 51, (2020).</li><li>Melis, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solar+energy+conversion+efficiencies+in+photosynthesis:+minimizing+the+chlorophyll+antennae+to+maximize+efficiency.">Solar energy conversion efficiencies in photosynthesis: minimizing the chlorophyll antennae to maximize efficiency.</a> Plant Science. 177 (4), 272-280 (2009).</li></ol>

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

ضمن هذا البروتوكول ، يزيد التركيز على الخطوات التالية من احتمال إنشاء بيانات قابلة للتكرار وعالية الجودة. عند بناء حامل المفاعل (الخطوة 1) ، يجب أن تكون القاعدة قوية مع دعامات رأسية متحالفة جيدا. يتميز الفولاذ المشقوق بحواف حادة ، لذا فإن إضافة أغطية السلامة أمر ضروري. يجب أن تكون أسطح منصة الزجاجة مسطحة تماما ، ويجب أن يجلس كل من التحريك المغناطيسي ورؤوس الترباس تحت سطح الطبقة العليا (الخطوات 3.2-3.6). وفقا لتعليمات الشركة المصنعة ، يجب ملء سائل تعبئة مستشعر الغاز إلى "برغي التتبع لمستوى السائل" لإجراء قياسات دقيقة للأكسجين. يجب فحص مستوى السائل هذا بانتظام لأن تبخر سائل التعبئة يمكن أن يؤدي إلى قصر خلية القياس. يجب أن تكون جميع خطوط الغاز الثلاثة المصنوعة في الخطوة 5.2 بنفس الطول ؛ هذا enures التي تتكرر لها أحجام مساحة رأس متطابقة. قبل البدء في التجربة ، ينصح باختبار نظام الضوء المبرمج عن طريق تسجيل شدة الضوء على مدار 24 ساعة (الخطوة 6.11). إذا كانت الزيادات في درجة حرارة السائل مثيرة للقلق ، فيجب أن يتضمن هذا الاختبار أيضا زجاجة مغلقة مع مسبار درجة حرارة داخلي (الخطوة 6.11). عند التسجيل ، لا تخرج من نافذة برنامج الحصول على البيانات ؛ سيؤدي ذلك إلى إنهاء تسجيل الدخول. في حالة أخذ عينات من المستزرعة، احرص على عدم إطلاق غاز مساحة الرأس عن طريق فتح الصمامات بتسلسل خاطئ (الخطوات 8.2-8.8). عند مراجعة البيانات التجريبية ، يرجى العلم بأن برنامج الحصول على البيانات يولد تلقائيا متوسطا متحركا لمعدل التدفق. هذا يضخم قيمة واحد أو اثنين من قراءات معدل التدفق التي تم إنشاؤها بين عشية وضحاها. يقوم بتنظيم سجلات مستشعر الغاز يدويا لتصحيح ذلك.
الانتكاسة الأكثر شيوعا مع هذه الطريقة هي إمكانية قصر دائرة استشعار الغاز إذا انخفض مستوى تعبئة السائل. هناك طريقتان يمكن أن يحدث هذا. أولا ، يمكن أن يقلل التبخر ببطء من مستوى السائل. ومع ذلك ، من غير المرجح أن يكون هذا على مدى تجربة قصيرة الأجل (<7 أيام)29. ثانيا ، يمكن لمعدلات التنفس العالية سحب الأكسجين إلى المحلول وتوليد مساحة رأس تحت الضغط. عندما تكون الطاقة الضوئية غير متوفرة ، تستخدم الطحالب الدقيقة التنفس الهوائي لتوفير الطاقة اللازمة لصيانة الخلايا وإصلاحها28. وبالتالي ، في الثقافات الكثيفة خلال الساعات غير المضاءة ، يمكن أن يكون استهلاك الأكسجين ، والضغط المنخفض الناتج عنه ، كبيرا. هذا يمتص تعبئة السائل من أجهزة استشعار الغاز إلى خط الغاز. تتناسب المسافة التي يقطعها سائل التعبئة مع مقدار التنفس الليلي. إذا دخل سائل التعبئة إلى الزجاجات ، فإن هذا يولد بقعة زيت على سطح السائل.
إذا كان من المتوقع ارتفاع معدلات التنفس ليلا ، فيمكن إجراء تعديلات على البروتوكول. أبسط طريقة لتجنب الضغط المنخفض هي ترك مساحات رأس الزجاجة مفتوحة بين عشية وضحاها. هذا له أيضا ميزة تخفيف مستويات DO عن طريق تقليل ضغط مساحة الرأس الجزئي ل O2. يعتقد أن تركيزات DO العالية ضارة بالنمو لأن O2 يمكن أن يعيق نشاط روبيسكو وقد يؤدي إلى الإجهاد التأكسدي30,31. ليس من غير المألوف أن تصل حالات تعليق الاستزراع إلى 4 أضعاف التشبع حتى عند ملامسة الغلاف الجوي25,32. لفتح مساحة الرأس، افصل خط الغاز عن الإبرة التي تمتد عبر السدادة المطاطية. يمكن أن تكون ساعات الليل بمثابة نافذة لتعبئة سائل تعبئة أجهزة استشعار الغاز أو التعامل مع التجارب المستمرة مع تأثير ضئيل على جمع البيانات. على سبيل المثال ، يمكن للمرء تغيير كثافة الثقافة ، أو تحديث العناصر الغذائية ، أو إضافة تعديل ، أو إدخال مسببات الأمراض. يجب إعادة إغلاق الزجاجات ، وإعادة توصيل خط مستشعر الغاز قبل إعادة تشغيل الأضواء. ستختلف قياسات الأكسجين التي تم جمعها من التجارب مع مساحات الرأس الليلية المغلقة مقابل المفتوحة.
عندما تظل الزجاجات مغلقة ، يقلل استهلاك الأكسجين الليلي من عدد مولات O2 في مساحة الرأس. هذا يتسبب في زحف سائل التعبئة إلى خط مستشعر الغاز للحفاظ على ضغط مساحة الرأس. عند تشغيل الأضواء ، يستأنف إنتاج الأكسجين. يجب دفع سائل التعبئة مرة أخرى إلى مستشعر الغاز قبل بدء قراءات معدل التدفق. وبالتالي فإن هذا التأخر يتناسب مع درجة التنفس الليلي. وبهذه الطريقة ، عندما تظل مساحة الرأس مغلقة ، تمثل قراءات O 2 صافي إنتاج O2 (إنتاج التمثيل الضوئي - استهلاك الجهاز التنفسي). على العكس من ذلك ، عندما يكون مساحة الرأس مفتوحة في الليل ، يحل غاز الغلاف الجوي محل مساحة الرأس O2 المستهلكة ، ولا يدخل أي سائل تعبئة إلى خط الغاز. والنتيجة هي أن استهلاك الجهاز التنفسي O 2 لا يتم حسابه في بيانات إنتاج O2. هذا قد يقلل من دقة تقديرات نمو الكتلة الحيوية AFDW. ومع ذلك ، لا ينبغي أن يؤثر على فائدة استخدام إنتاج O2 أثناء النهار كمقياس لمقارنة النمو بين العلاجات.
وتعاني جميع تقارير الأداء البرنامجي المختبرية من نفس القيد؛ لا يمكن للأضواء الاصطناعية تكرار الطيف الشمسي. تستخدم الطحالب الدقيقة أطوال موجية للضوء تتراوح بين 400-700 نانومتر لعملية التمثيل الضوئي. يشار إلى هذه المنطقة باسم الإشعاع النشط ضوئيا (PAR)33. يختلف ضوء الشمس والضوء الاصطناعي في مساهمتهما النسبية للأطوال الموجية داخل هذا النطاق. هذا ، إلى جانب درجات الحرارة المواتية وإمدادات الضوء المستمرة ، يعني أن بيانات النمو المختبري غالبا ما لا يمكن استقرائها بشكل موثوق للظروف الخارجية. ومع ذلك، يمكن أن تعالج تقارير الأداء الخاصة هذه أحد القيود المفروضة على إمدادات ضوء PBR المختبرية. شدة ضوء الشمس متغيرة للغاية على مدار اليوم ، حيث يولد الغطاء السحابي تقلبات عابرة في PAR. يمكن لبرنامج التحكم في الإضاءة ووحدة التحكم في الإضاءة DMX توفير شدة الضوء من 0 إلى 2400 ميكرومولفوتونات m-2 s-1 وما بعدها. يمكن تقسيم الأنظمة الخفيفة إلى زيادات فردية قصيرة تصل إلى 1 ثانية. تسمح شدة الضوء القابلة للضبط للمستخدم بمحاكاة أنماط الإضاءة الخارجية بشكل أوثق من إعدادات PBR القياسية. هنا ، تتلاشى فترات الفجر والغسق المحاكية لمدة 30 دقيقة دورات النهار والليل معا (الجدول التكميلي 1).
على الرغم من أن كثافة AFDW أصبحت المقياس القياسي للنمو ، إلا أن هذه الطريقة يمكن أن تتطلب كميات كبيرة من الثقافة ، وفترة معالجة تتراوح بين 2 و 3 أيام ، وتولد نقطة بيانات واحدة في كل مرة. علاوة على ذلك ، إذا أصبحت الظروف غير مواتية وماتت الخلايا ، فإن كثافة AFDW لا تميز بين خلايا التمثيل الضوئي النشطة وتلك التي تتحلل. يعمل تحديد معدل إنتاج الأكسجين الضوئي كوكيل نمو بديل. يمكن لتصميم PBR هذا تسجيل إنتاج الأكسجين بشكل مستمر مع القليل من تدخل المستخدم مع الحفاظ على حجم الثقافة. يمكن تحسين دقة البيانات عن طريق اختيار مستشعر غاز بحجم خلية قياس أقل ، على سبيل المثال ، 1 مل. علاوة على ذلك ، إذا كانت الثقافات مختلطة جيدا ، فقد يقرر المستخدمون تثبيت مقياس الطيف الضوئي لقراءات الكثافة البصرية المستمرة. إذا كان التحكم في درجة حرارة الوسط مطلوبا ، فيمكن إضافة مبرد إعادة التدوير. وتعد تقارير الأداء هذه إضافة قيمة إلى مختبر يتطلع إلى توسيع قدراته البحثية في مجال الطحالب الدقيقة دون استثمار مالي كبير. وهي مناسبة بشكل خاص لأولئك الذين يعملون مع القلوية العالية ، وارتفاع درجة الحموضة الأنواع مثل سبيرولينا. توفر تقارير الأداء البرنامجي هذه مرونة خفيفة في النظام وهي صالحة لمقارنات النمو المختبري السريعة والمكررة.

الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء ، التي تسمى مجتمعة الطحالب الدقيقة للبساطة ، يتم الدفاع عنها لإمكاناتها في التكنولوجيا الحيوية المستدامة. إنها مرشحة جذابة بسبب نموها السريع ، وقدرتها على الزراعة في الأراضي غير الصالحة للزراعة ، واستخدامها لأشعة الشمس لدفع تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى الكتلة الحيوية1،2،3. يمكن تحويل الكتلة الحيوية للطحالب الدقيقة إلى منتجات مثل الطاقة الحيوية في شكل نفط أو غاز ، وأصباغ غذائية ومكملات غذائية ، ومواد مثل البوليمرات الحيوية1،4،5،6،7. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدامها لمعالجة مياه الصرف الصحي أو معالجة المسطحات المائية عن طريق استهلاك العناصر الغذائية الزائدة 8,9. بالنظر إلى ذلك ، فإن أبحاث الطحالب الدقيقة منتشرة على نطاق واسع وراسخة. ينمو هذا المجال مع إعادة نظر المجتمع في كثافة الكربون والاستدامة البيئية لنهج التصنيع وتوليد الطاقة الحالية.
ثلاثة متطلبات أساسية للدراسات المختبرية للطحالب الدقيقة هي وعاء الاستزراع ، ومصدر الضوء ، وطريقة لقياس النمو. يصف مصطلح المفاعل الحيوي الضوئي (PBR) الإعداد الذي تضيء فيه أوعية الاستزراع10. عادة ما تهدف دراسات الطحالب الدقيقة إلى مقارنة النمو بين علاجين أو أكثر ، على سبيل المثال ، وسائط النمو المختلفة أو أنظمة الضوء أو الأنواع 11،12،13. ومن أجل الأهمية الإحصائية، ينبغي تكرار كل حالة، مثل العلاج والسيطرة. إذا تم تشغيل التحكم والعلاج في وقت واحد ، فهذا يعني أنه يجب مراقبة العديد من PBRs وأخذ عينات منها طوال مدة التجربة. التحدي مع تشغيل PBRs متعددة هو ذو شقين. أولا ، يعد توفير شدة ضوء موحدة لكل PBR أمرا ضروريا للتكرار ولكنه قد يكون صعبا. تتأثر كمية الضوء الساقطة على سطح السفينة ببعدها عن مصدر الضوء ، والتظليل من السفن المجاورة ، وتقلبات ضوء الخلفية14. ثانيا، يجب اختيار طريقة لتحديد النمو بدقة.
يقاس النمو عادة بعدد الخلايا والكثافة البصرية (OD) ومحتوى الكلوروفيل A وكثافة الوزن الجاف (DW) وكثافة الوزن الجاف الخالي من الرماد (AFDW)15. تعد أعداد الخلايا ومحتوى الكلوروفيل A وطرق قياس الجاذبية عمليات يدوية تنتج نقاط بيانات منفصلة. يمكن قياس OD بشكل مستمر وغير جراحي باستخدام مقياس الطيف الضوئي ، شريطة معايرته جيدا مقابل طريقة أخرى مثل كثافة AFDW15. ومع ذلك، يمكن أن تكون قياسات OD ومحتوى الكلوروفيل A غير موثوق بها لأن النتائج تختلف في ظل ظروف الاستزراع المختلفة، على سبيل المثال، بين الأنواع وطوال دورة النمو15,16. بالنسبة للكلوروفيل A ، يمكن أن تؤثر طريقة الاستخراج أيضا على إنتاجية الصباغ17. محتوى الكلوروفيل A مفيد بشكل خاص في تتبع نمو الطحالب الدقيقة داخل المجتمعات الميكروبية التي تحتوي أيضا على كائنات غير ضوئية17,18. عند اختيار طريقة لتحديد النمو ، من الضروري النظر في مورفولوجيا التعليق. عندما تتكتل الكائنات الحية ولا يتم خلطها بشكل جيد ، لا يمكن الحصول على OD وعدد الخلايا15. طريقة واحدة ليست مناسبة لجميع التطبيقات التجريبية - يجب على الباحثين تحديد الطرق العملية وذات الصلة بأهدافهم التجريبية.
AFDW هي طريقة موثوقة تمكن من مقارنات النمو بين ظروف الاستزراع المختلفة ، ولا سيما بين الأنواع ووسائل الإعلام الاستزراعية15،19،20. لحساب AFDW ، يتم تركيز عينة من زراعة الطحالب الدقيقة أولا ، إما عن طريق الترشيح أو الطرد المركزي ، وتجفيفها. في هذه المرحلة ، يمكن تحديد DW. عادة ، تحتوي عينة DW على ما لا يقل عن 8-10٪ من المواد غير العضوية مثل الأملاح والجسيمات15. DW تتبع اتجاهات النمو ولكن يمكن أن تكون منحرفة إذا اختلفت مساهمة المواد غير العضوية. لتحديد كثافة AFDW ، يتم حرق الكتلة الحيوية الجافة في درجة حرارة عالية. هذا يتبخر الجزء العضوي أو المفيد مع ترك الرماد (غير العضوي) وراءه19. لحساب AFDW ، يتم طرح وزن جزء الرماد من وزن كسر DW. عادة ، في معلقات الطحالب الدقيقة ، يتراوح AFDW من 0.1-3 جم / لتر 12،21،22. كميات صغيرة من المعلقات المخففة تنتج القليل من الكتلة الحيوية الجافة ، <10 ملغ. بعد الاحتراق ، قد يزن الرماد 1 ملغ فقط. لذلك ، اعتمادا على كثافة الثقافة ، تتطلب هذه الطريقة كميات تتراوح بين 5-100 مل ومقاييس تحليلية دقيقة إلى 0.1 ملغ 12،15،19،22. عادة ما تكون PBRs المختبرية صغيرة ، بضعة لترات على الأكثر ، وبالتالي فإن كل عينة سائلة تستنفد حجم الثقافة. علاوة على ذلك ، فإن طريقة AFDW يدوية وتستغرق 2-3 أيام. بالنسبة للتجارب المكررة والمتكررة ، يفضل إجراء عملية آلية ومستمرة.
بالنسبة للطحالب الدقيقة التي تستخدم البيكربونات كمصدر للكربون ، يمكن قياس مقياسين إضافيين للنمو بشكل مستمر. يستهلك التمثيل الضوئي البيكربونات وينتج الأكسجين. استهلاك البيكربونات يؤدي إلى ارتفاع درجة الحموضة المتوسطة23. يمكن لمسبار الأس الهيدروجيني المغمور قياس هذا التغيير. يزيد إنتاج الأكسجين الضوئي من تركيز الأكسجين المذاب (DO) في الوسط حتى يصبح الوسط مشبعا. ما وراء التشبع ، يوجد الأكسجين كفقاعات. يتم قياس إنتاج الأكسجين من خلال العديد من التقنيات المختلفة: تقوم المجسات بقياس تركيز DO ، وتقوم أجهزة قياس الضغط على مساحة الرأس ، ويقيس كروماتوغرافيا الغاز تكوين مساحة الرأس ، وتسجل أجهزة الاستشعار الحجمية تدفق الغاز إلى الخارج24،25،26،27. عندما يتم استخدام الأكسجين كوكيل للنمو ، يجب أن تكون أوعية الاستزراع مغلقة بالكامل أو تسمح فقط بتدفق الغاز. بالنسبة لقياسات الأس الهيدروجيني والأكسجين ، يجب توفير الكربون في شكل بيكربونات ، وليس عن طريق تجنيب ثاني أكسيد الكربون2. يقلل تجنيب ثاني أكسيد الكربون2 من درجة الحموضة المتوسطة23 ، وكغاز ، يمكن أن يزعج قياسات الأكسجين. إحدى مزايا الرقم الهيدروجيني والأكسجين على الكثافة البصرية هي أن الطريقة لا تتعرض للخطر إذا شكلت الطحالب الدقيقة كتلا. على الرغم من أنه غير مباشر ، إلا أن كل من الرقم الهيدروجيني والأكسجين فعالان في مقارنة النمو بين العلاجات.
تتراوح PBRs المستخدمة اليوم في التعقيد. قد تستخدم المختبرات قوارير بسيطة على الطاولة أو نماذج أولية مخصصة أو منتجات متاحة تجاريا. بالنسبة للمجموعات البحثية التي تسعى إلى الترقية من القوارير ، قد تكون تكلفة PBRs التجارية أو المهارة التقنية وتصنيع الأجزاء المطلوبة لبناء العديد من النماذج الأولية عائقا. تهدف هذه المخطوطة إلى وصف التصميم والبناء والتشغيل خطوة بخطوة ل PBRs المختبرية التي تسد هذه الفجوة. تحتوي أجهزة PBR هذه على نظام إضاءة قابل للتخصيص وتراقب النمو باستمرار عن طريق تسجيل إنتاج الأكسجين الحجمي. يضم هذا التصميم ثلاثة أوعية استزراعية للتكرار الثلاثي ويمكن بناؤه بمهارة معتدلة ومواد يسهل الوصول إليها. يعد PBR هذا إضافة قيمة إلى مختبر يتطلع إلى توسيع قدرته على أبحاث الطحالب الدقيقة دون الاستثمار في منتجات تقنية للغاية أو باهظة الثمن. عند اختيار الحصول على أو بناء PBR ، يجب على الباحثين النظر في مدى ملاءمة التصميم لظروفهم الثقافية ووضعهم المالي وأسئلة البحث.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum channels 
			Imperial: 0.90&#8221; x 39.37&#8221; 
			Metric: 2.3 cm x 100 cm 
			Quantity: 4</td>
			<td>LED World</td>
			<td>AC-AR1-1M</td>
			<td>Required as a heat sink</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bungee cords, small 
			Quantity: 5</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>To secure bottles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer - desktop/laptop 
			Quantity: 1</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Logger, HOBO U30 USB Weather Station 
			Quantity: 1</td>
			<td>HOBO, Hoskin</td>
			<td>U30-NRC-VIA-10-S100-000</td>
			<td>Records light sensor information</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital interface module, Rigamo, 4-channel 
			Quantity: 1</td>
			<td>Ritter</td>
			<td>N/A</td>
			<td>This is to transmit gas sensor data to the computer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMX decoder, 12~24 VDC, DMX-CV-4X5A 
			Quantity: 1</td>
			<td>LITECH, LED World</td>
			<td>LT-840-6A</td>
			<td>Transmit messages which alter the light pattern</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMX lighting controller, SUSHI-RB-RJ 
			Quantity: 1</td>
			<td>Arcolis, Nicolaudie America Inc.</td>
			<td>SUSHI-RB-RJ DMX</td>
			<td>Encodes the lighting program</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas sensor packing liquid (Silox) 
			Quantity: 1 L</td>
			<td>Ritter</td>
			<td>https://www.ritter.de/en/data-sheets/silox</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas sensor, volumetric 
			Quantity: 3</td>
			<td>Ritter</td>
			<td>MGC-1 V3.4 PMMA (https://www.ritter.de/downloads/mgc-milligascounter-en)</td>
			<td>Measures oxygen production</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass bottles, round 1 L with GL45 neck 
			Quantity: 3</td>
			<td>Corning, Capitol Scientific</td>
			<td>1395-1L</td>
			<td>Culture vessels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - end caps for slotted steel 
			Quantity: 10</td>
			<td>Paulin, Home Depot</td>
			<td>142-612</td>
			<td>To cover sharp edges of slotted steel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - eye hooks 
			Quantity: 6</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>To secure bottles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - metal corner braces (large) 
			Imperial: 4&#34; x 4&#34; 
			Metric: 10 cm x 10 cm 
			Quantity: 8</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Larger brackets to construct metal stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - metal corner braces (small) 
			Imperial: 2 1/2&#34; x 2 1/2&#34; 
			Metric: 6.4 cm x 6.4 cm 
			Quantity: 6</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Small brackets to connect bottle platforms to PVC pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - metal corner gussets 
			Imperial: 3&#34; x 3&#34; 
			Metric: 7.6 cm x 7.6 cm 
			Quantity: 6</td>
			<td>Paulin, Home Depot</td>
			<td>142-616</td>
			<td>Flat brackets to construct metal stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - piano hinge 
			Imperial: 36&#34; 
			Metric: 91 cm 
			Quantity: 1</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Connects two halves of PVC pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - rivets 
			Quantity: 40</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>To attach piano hinge to PVC tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - set of bolts, nuts, washers 
			Quantity: 60</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Long thin bolts are required to secure bottle platforms around magentic stirrers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hardware - set of bolts, nuts, washers 
			Quantity: 30</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Larger shorter bolts are required to build the metal stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED driver, constant voltage, 96W 24VDC UL Listed IP65 Driver Class 2 regulated power supply 
			Quantity: 1</td>
			<td>Magnitude Lighting, LED World</td>
			<td>CVN96L24DC</td>
			<td>Regulates power to the lights</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED lights, Cinco Bright LED Flex Strip 
			Quantity: 4 m roll</td>
			<td>EvenBright, LED World</td>
			<td>FA128M57-4M-24V-X</td>
			<td>Roll is trimmed into 4 x 1 m lengths and secured inside the PVC tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light meter, handheld with submersible sperical probe 
			Quantity: 1</td>
			<td>LI-COR</td>
			<td>LA-250A</td>
			<td>Calibrate the reactors light intensity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light sensors Photosynthetic Light (PAR) Smart Sensor 
			Quantity: 2</td>
			<td>HOBO, Hoskin</td>
			<td>S-LIA-M003</td>
			<td>Only one is required however two would be good practice in case one malfunctioned</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stirrers (MIXdrive 1 XS) with external control units and power supply (MIXcontrol eco) 
			Quantity: 3</td>
			<td>2Mag, 2MAG USA</td>
			<td>MF 40300</td>
			<td>Stirrers sit sandwiched in bottle platforms</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal plate 
			Imperial: 24&#34; x 8&#34; 
			Metric: 61 cm x 20.3 cm 
			Quantity: 1</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>This is a surface on which to secure electronics, it is attached to the back of the reactor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipe, white PVC 
			Imperial: 6&#34; diameter x 42&#34; high 
			Metric: 15.2 cm x 106.7 cm 
			Quantity: 1</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Cut lengthwise in two halves, used to house lights and bottles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic (HDPE) sheets 
			Imperial: 4&#34; x 4&#34; x 1/4&#34; 
			Metric: 10 cm x 10 cm x 1 cm 
			Quantity: 6</td>
			<td>Inventables</td>
			<td>30291-01</td>
			<td>For bottle platforms which house magentic stirrers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber stoppers - GL45 size 
			Quantity: 3</td>
			<td>Duran, VWR</td>
			<td>76289-760</td>
			<td>Seals culture vessels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw caps - with aperture and GL45 neck 
			Quantity: 3</td>
			<td>Corning, Capitol Scientific</td>
			<td>1395-45HTSC</td>
			<td>Generates seal of culture vessels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slotted angle steel lengths 
			Imperial: 1-1/2&#34; X 48&#34; x 0.074&#34; 
			Metric: 3.8 cm x 122 cm x 0.19 cm 
			Quantity: 6</td>
			<td>Paulin, Home Depot</td>
			<td>142-202</td>
			<td>Makes up the body of the metal stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slotted flat steel lenghts 
			Imperial: 1-3/8&#34; x 48&#34; x 0.074&#34; 
			Metric: 3.5 cm x 122 cm x 0.19 cm 
			Quantity: 3</td>
			<td>Paulin, Home Depot</td>
			<td>142-222</td>
			<td>Makes up the body of the metal stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software - Easy Stand Alone (ESA)</td>
			<td></td>
			<td>https://www.dmxsoft.com/#apps</td>
			<td>AKA LED control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software - Rigamo v3.1</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>AKA data acquisition software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software - Storage Upgrade Tools (SUT)</td>
			<td></td>
			<td>https://store.dmxsoft.com//</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stir bar 
			Imperial: 1&#34; x 5/16&#34; 
			Metric: 2.5 cm x 0.8 cm 
			Quantity: 3</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>14-513-59</td>
			<td>Stirs culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Switch box 
			Quantity: 1</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Turns power on/off to reactor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe, 10 mL 
			Quantity: Multiple</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>Optional if you wish to extract culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube adaptor fittings, plastic - Stopcock 1-way 
			Quantity: 6</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-12023-33</td>
			<td>Close/open culture vessel line</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube adaptor fittings, plastic - variety of male and female luer lock fittings 
			Imperial: to fit 1/16&#34; and 1/8&#34; ID tubing 
			Metric: to fit 1.59 mm and 3.18 mm tubing 
			Quantity: Multiple packets</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-30800-16; RK-30800-18; RK-45518-26; RK-45501-00; RK-45501-04</td>
			<td>Many different combinations can achieve the same end result, best to order a variety of fittings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube adaptor fittings, plastic - variety of straight connectors 
			Imperial: to fit 1/16&#34; and 1/8&#34; ID tubing 
			Metric: to fit 1.59 mm and 3.18 mm tubing 
			Quantity: Multiple packets</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-40616-04</td>
			<td>Many different combinations can achieve the same end result, best to order a variety of fittings</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing, flexible, transparent 
			Imperial: ID=1/16&#34;, OD=1/8&#34; 
			Metric: ID = 1.59 mm, 0D = 3.18 mm 
			Quantity: 4 m</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-06422-02</td>
			<td>Line from culture vessel to gas sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing, flexible, transparent 
			Imperial: ID=1/8&#34;, OD=1/4&#34; 
			Metric: ID = 3.18 mm, 0D = 6.35 mm 
			Quantity: 2 m</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-06422-05</td>
			<td>Gas sensor standard tubing size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing, rigid, transparent 
			Imperial: ID=1/16&#34;, OD=1/8&#34; 
			Metric: ID = 1.59 mm, 0D = 3.18 mm 
			Quantiy: 1 m</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-06605-27</td>
			<td>Spans rubber stopper allowing gas to exit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing, rigid, transparent 
			Imperial: ID=1/8&#34;, OD=1/4&#34; 
			Metric: ID = 3.18 mm, 0D = 6.35 mm 
			Quantity: 1 m</td>
			<td>Masterflex, Cole Palmer</td>
			<td>RK-06605-30</td>
			<td>Spans rubber stopper allowing gas to exit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zip ties, small 
			Quantity: 1 packet</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Secure tube fittings</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

operation of laboratory photobioreactors with online growth measurements and customizable light regimes

يمكن أن تكون الدراسة المختبرية للطحالب الدقيقة صعبة تجريبيا. بالإضافة إلى متطلبات زراعة الكائنات الحية الدقيقة غير الضوئية ، تتطلب الضوئية أيضا الإضاءة. بشكل روتيني ، يسعى الباحثون إلى توفير إمدادات إضاءة مخصصة ، أي تغيير شدة الضوء والوقت الذي يتم تسليمه خلاله. هذه المرونة صعبة مع الأضواء القياسية على الطاولة. عادة ، تتطلب دراسات الزراعة أيضا مقارنات النمو بين العلاجات التجريبية. في كثير من الأحيان ، يتم تقييم النمو على مدى فترة طويلة ، على سبيل المثال ، عدة مرات في اليوم على مدى تجربة مدتها أسبوع. يمكن أن تستغرق القياسات اليدوية وقتا طويلا وتفتقر إلى دقة البيانات. لذلك ، فإن المفاعلات الحيوية الضوئية (PBRs) مع مراقبة النمو التلقائي وإمدادات الضوء القابلة للتخصيص مفيدة للتجارب المكررة مع علاجات متعددة. يقدم العمل الحالي تصميم وبناء وتشغيل PBRs المختبرية. يتم الحصول على المواد بسهولة وغير مكلفة نسبيا. يمكن تكرار التصميم بمهارة معتدلة. كل هيكل له بصمة ~ 40 سم2 ويستضيف ثلاث زجاجات زجاجية سعة 1 لتر للتكرار الثلاثي. ترتكز الزجاجات على منصات تحتوي على آلات تحريك مغناطيسية ويتم ترتيبها عموديا داخل أنبوب بولي فينيل كلوريد (PVC) بارتفاع 1 متر وقطر 15 سم. تصطف المقصورة الداخلية للأنبوب مع الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs). تنتج مصابيح LED هذه كثافة ضوء مستمرة من 0-2400 ميكرومول فوتونات m-2 s-1 من الإشعاع النشط ضوئيا (PAR). يقوم المستخدمون بتصميم برنامج إضاءة مخصص. يمكن ضبط شدة الضوء كل ثانية أو الاحتفاظ بها ثابتة لفترات أطول. يخرج الأكسجين الناتج من عملية التمثيل الضوئي من كل زجاجة عبر مستشعر غاز حجمي أحادي الاتجاه. يستخدم البرنامج لتسجيل بيانات مستشعر الغاز. يمكن ربط كمية الأكسجين المنتجة بنمو الكتلة الحيوية. إذا كانت عينات الكتلة الحيوية مطلوبة ، فيمكن استخدام حقنة لاستخراج الثقافة. هذه الطريقة مناسبة للطحالب الدقيقة المزروعة بالبيكربونات كمصدر للكربونات. تعد تقارير PBR هذه ذات قيمة للمختبر الذي يتطلب تجارب مكررة ، ومرونة نظام الضوء ، وبيانات نمو مستمرة عالية الدقة.

Watch this Scientific Journal Video about Operation of Laboratory Photobioreactors with Online Growth Measurements and Customizable Light Regimes at JoVE.com

Operation of Laboratory Photobioreactors with Online Growth Measurements and Customizable Light Regimes

يصف هذا المنشور تصميم المفاعلات الحيوية الضوئية المختبرية (PBRs) مع أنظمة ضوئية قابلة للتخصيص. يتم مراقبة نمو البكتيريا الزرقاء أو الطحالب الدقيقة ، باستخدام البيكربونات كمصدر للكربون ، بشكل مستمر عن طريق قياس إنتاج الأكسجين الحجمي. تسهل هذه PBRs مقارنات النمو المختبري السريعة والمكررة مع تدخل المستخدم القليل أثناء التجارب.

تشغيل المفاعلات الحيوية الضوئية المختبرية مع قياسات النمو عبر الإنترنت وأنظمة الضوء القابلة للتخصيص

The laboratory study of microalgae can be experimentally challenging. In addition to the cultivation requirements of non-photosynthetic microorganisms, ...

يتيح هذا البروتوكول تجارب الطحالب الدقيقة المكررة مع القليل من مدخلات المستخدم. وهي مصممة للباحثين الذين يتطلعون إلى الترقية من قوارير مراقبة يدويا إلى قوارير أعلى مقاعد البدلاء دون شراء مفاعلات حيوية للصور التجارية التقنية والمكلفة. يتيح هذا المفاعل الحيوي للصور نسبة الضوء ومرونته ومراقبة النمو المستمر والنسخ المتماثل الثلاثي.للبدء، افتح برنامج الحصول على البيانات. املأ صفحة التكوين وقم بتعيين ملفات المعايرة إلى أجهزة الاستشعار الخاصة بها. ضمن اسم ملف الدليل، حدد مجلد رقم منفذ وحدة الإدخال الرقمية المقابلة.انقر فوق المجلد الحالي وكرر لجميع المنافذ. ثم انقر فوق موافق للانتقال إلى صفحة التسجيل. بعد ذلك ، املأ الزجاجات بالحجم المطلوب بوسط الزراعة وقم بالطرد المركزي لثقافة المخزون في ثلاثة أنابيب متوازنة سعة 50 ملليلتر لإنتاج ثلاث كريات.أضف حبيبة واحدة إلى كل زجاجة باستخدام ماصة مصلية ووسط طازج. ثم قم بإسقاط محرك مغناطيسي 25 × 8 ملم في كل زجاجة قبل إغلاق فتحة الزجاجة بسدادة مطاطية وغطاء لولبي ذو فتحة خيطية. إذا تم تركيب أي منافذ اختيارية لأخذ العينات، فأغلق الصمامات.بعد تحديد موقع نهاية كل خط غاز داخل أنبوب PVC ، قم بتوصيل إبرة بمنفذ إغراء البريد الخاص بالصمام. قم بتوصيل كل زجاجة بمستشعر الغاز الخاص بها عن طريق ثقب كل سدادة مطاطية بالإبرة المقابلة. بعد ذلك ، قم بتشغيل كل مستشعر غاز على حدة عن طريق تحديد مربع الاختيار على الجانب الأيسر من الشاشة ، والنقر فوق ابدأ ، وإدخال اسم ملف.انقر فوق موافق وكرر لجميع المستشعرات. بعد ذلك ، قم بتشغيل مفاعل الصور الحيوي وتأكد من توصيل وحدة التحكم الرقمية في الإضاءة متعددة الإرسال بمصدر طاقة. باستخدام الزر الموجود على وحدة التحكم الرقمية متعددة الإرسال ، قم بالتبديل بين مشهد المساعد ومشهد الضوء المخصص لضمان عمل الجهاز بشكل صحيح.لأخذ عينات من الزجاجات، قم بإعداد 500 ملليلتر إضافية من الوسط الطازج قبل البدء في التجربة. لجمع العينة، أغلق الصمام الموجود على خط الغاز وقم بتوصيل حقنة سعة 10 ملليلتر بصمام منفذ أخذ العينات. بعد توصيل المحقنة ، افتح صمام منفذ أخذ العينات واسحب ثمانية ملليلترات من الثقافة.ثم أغلق صمام منفذ أخذ العينات وافصل المحقنة. بعد ذلك ، قم بالتوصيل بحقنة تحتوي على ثمانية ملليلترات من الوسط الطازج بصمام منفذ أخذ العينات. ثم افتح الصمام وحقن الوسط الطازج.وأخيرا، أغلق صمام منفذ أخذ العينات وافصل المحقنة. لتصدير البيانات، حدد بيانات الملف والبيانات غير المتصلة بالإنترنت. بعد تحديد جميع ملفات السجل ذات الصلة ، قم بتصدير البيانات إلى برنامج جدول البيانات وحفظها.تتميز التجربة الناجحة بنمط نهاري مكرر بشكل وثيق لإنتاج الأكسجين. يعمل معدل تدفق الأكسجين كوكيل لمعدل نمو الثقافة. خلال الساعات المضاءة ، يزداد إنتاج الغاز بشكل مطرد وخلال الساعات غير المضاءة ، يتوقف إنتاج الغاز.تراوح الحجم الإجمالي للأكسجين المنتج على مدى أربعة أيام من 316 ملليلتر في العلاج A إلى 902 ملليلتر في العلاج C.In 300 مول صغير لكل متر مربع في الثانية الخفيفة ، زادت درجة الحرارة بحد أقصى 1.4 درجة مئوية خلال اليوم. عادت درجات حرارة الثقافة إلى خط الأساس بين عشية وضحاها. على الرغم من الاختلاف في تركيزات الكتلة الحيوية الأولية ، فإن العلاجات B و C ولدت نفس الكمية من الكتلة الحيوية الكلية مما تسبب في تحولات متطابقة في درجة الحموضة المتوسطة.كشفت بيانات معدل تدفق الأكسجين عبر الإنترنت أن كل علاج كان له معدلات نمو يومية متفاوتة ، والتي انعكست أيضا في قياسات الأس الهيدروجيني مرتين يوميا. في اليوم الأول، كان معدل نمو العلاج B أقل من معدل نمو العلاج C.بينما بحلول اليوم الثالث، تجاوزت معدلات نمو العلاج B معدلات نمو العلاج C.أشارت بيانات معدل تدفق الأكسجين إلى أن أعلى نمو حدث في اليوم الثالث في العلاج B.ومن المتوقع أن تقلل تقديرات النمو القائمة على إجمالي الأكسجين المقاس قليلا من نمو الكتلة الحيوية الذي كان صالحا لخمسة من أصل سبعة أمثلة. وهناك مثالان بالغا في تقدير النمو.ربما تأثر هذا بالتجارب التي يتم تحديدها في نهاية الليل. التنفس الليلي الكبير يعزز استهلاك الأكسجين ، ويولد فراغا في مساحة رأس الزجاجة ، ويمتص في عبوة مع السائل من أجهزة استشعار الغاز. إذا كان التنفس مرتفعا ، فإننا نفتح مساحة الرأس بين عشية وضحاها.

Research

JoVE Journal

Biology

Presynaptically Silent Synapses Studied with Light Microscopy

صامت Presynaptically الوصلات العصبية درس مع المجهر الضوئي

Synaptic plasticity likely underlies the nervous system's ability to learn and remember and may also represent an adaptability that prevents otherwise ...

Aseptic Laboratory Techniques: Volume Transfers with Serological Pipettes and Micropipettors

مختبر تقنيات العقيم: التحويلات الحجم مع الماصات المصلية وMicropipettors

Microorganisms are everywhere - in the air, soil, and human body as well as on inanimate surfaces like laboratory benches and computer keyboards. The ...

In vivo Clonal Tracking of Hematopoietic Stem and Progenitor Cells Marked by Five Fluorescent Proteins using Confocal and Multiphoton Microscopy

In vivo Clonal Tracking of Hematopoietic Stem and Progenitor Cells Marked by Five Fluorescent Proteins using Confocal and Multiphoton Microscopy

في الجسم الحي تتبع نسيلي من الخلايا الجذعية المكونة للدم والسلف تميزت خمسة البروتينات الفلورية باستخدام الميكروسكوب متحد البؤر وMultiphoton

We developed and validated a fluorescent marking methodology for clonal tracking of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) with high spatial and ...

A Customizable Chamber for Measuring Cell Migration

للدائرة للتخصيص لقياس الهجرة الخلية

Cell migration is a vital part of immune responses, growth, and wound healing. Cell migration is a complex process that involves interactions between ...

Analysis of the Gap Junction-dependent Transfer of miRNA with 3D-FRAP Microscopy

تحليل الفجوة تعتمد على تقاطع نقل ميرنا مع المجهر 3D فراب

Small antisense RNAs, like miRNA and siRNA, play an important role in cellular physiology and pathology and, moreover, can be used as therapeutic agents ...

Cystometric and External Urethral Sphincter Measurements in Awake Rats with Implanted Catheter and Electrodes Allowing for Repeated Measurements

قياسات العضلة العاصرة الاحليل سيستوميتريك والخارجية في الفئران مستيقظا مع القسطرة مزروع واقطاب السماح للقياسات المتكررة

Lower urinary tract function is mainly assessed by means of cystometric bladder function analysis in rodents. Conventional cystometries are usually ...

Analysis of Arabidopsis thaliana Growth Behavior in Different Light Qualities

Analysis of Arabidopsis thaliana Growth Behavior in Different Light Qualities

تحليل "سلوك نمو" نبات التمويل في "نوعيات مختلفة من الضوء"

Plant biologists often need to observe the growth behavior of their chosen species. To this end, the plants need constant environmental and stable light ...

A Simple Approach to Perform TEER Measurements Using a Self-Made Volt-Amperemeter with Programmable Output Frequency

نهج بسيط لاجراء قياسات TEER باستخدام الذاتي الصنع فولت-Amperemeter مع التردد القابل للبرمجة الناتج

Transepithelial/endothelial electrical resistance (TEER) has been used since the 1980s to determine confluency and permeability of in vitro barrier model ...

Quantitative Analysis of Aspergillus nidulans Growth Rate using Live Microscopy and Open-Source Software

Quantitative Analysis of Aspergillus nidulans Growth Rate using Live Microscopy and Open-Source Software

التحليل الكمي لمعدل نمو النيدولانات Aspergillus باستخدام المجهر الحي والبرمجيات مفتوحة المصدر

It is well established that colony growth of filamentous fungi, mostly dependent on changes in hyphae/mycelia apical growth rate, is macroscopically ...

Application of Passive Head Motion to Generate Defined Accelerations at the Heads of Rodents

تطبيق حركة الرأس السلبية لتوليد تسارع محدد عند رؤوس القوارض

Exercise is widely recognized as effective for various diseases and physical disorders, including those related to brain dysfunction. However, molecular ...