I detta dokument beskrivs monteringsprocessen och funktionen av en belystskalans fotosyntetisk bioreaktor som kan användas i samband med andra metoder för att uppskatta relevanta kinetiska tillväxtparametrar. Detta system övervakar kontinuerligt pH, ljus och temperatur med hjälp av sensorer, en datainsamling och styrenhet, och öppen källkodsinsamlingsprogramvara.
Den optimala utformningen och driften av fotosyntetiska bioreaktorer (PBR) för mikroalgodling är avgörande för att förbättra den miljömässiga och ekonomiska utvecklingen hos mikroalgerbaserad biobränsleproduktion. Modeller som uppskattar mikroalgstillväxt under olika förhållanden kan bidra till att optimera PBR-design och -operation. För att vara effektiva måste tillväxtparametrarna som används i dessa modeller bestämmas exakt. Algstillväxtförsök begränsas ofta av kulturmiljöns dynamiska natur, och kontrollsystem behövs för att bestämma de kinetiska parametrarna noggrant. Det första steget i att upprätta ett kontrollerat satsprov är live datainsamling och övervakning. Detta protokoll beskriver en process för sammansättning och drift av en belystskalig fotosyntetisk bioreaktor som kan användas för att utföra mikroalgstillväxtförsök. Detta protokoll beskriver hur man storlekar och monterar en platta, bänkskalig PBR från akryl. Det beskriver också hur man konfigurerarRe en PBR med kontinuerlig pH, ljus och temperaturövervakning med hjälp av en dataövervakning och kontrollenhet, analoga sensorer och öppen källkods dataöverföringsprogram.
På grund av växande oro över globala klimatförändringar och ändamålsenliga fossila bränslen har regeringar utvecklat strategier för att minska förbrukningen av fossila bränslen och uppmuntra utvecklingen av nya hållbara transportbränslen. Förenta staternas miljöskyddsmyndighet har utvecklat Renewable Fuel Standard (RFS), vilket kräver att 36 av de årliga 140 miljarder gallonerna av den amerikanska transportbränsleblandningen kommer från förnybara bränslekällor år 2022. Innovativ och transformativ teknik kommer att vara nödvändig för att möta dessa och Framtida förnybara energinormer 1 .
Användningen av mikroalgerbaserade biobränslen har potential att hjälpa till att möta de nationella RFS-systemen samtidigt som utsläppen av växthusgaser minskas 2 . Mikroalgerbaserade biobränslen har flera fördelar jämfört med första generationens biobränslen baserade på markbundna livsmedelsgrödor, såsom majs och sojabönor. Till skillnad från första generationens biobränslen, alger-bBiobränslen förbrukar färre mark-, vatten- och livsmedelsrelaterade resurser, eftersom algerna kan odlas året runt och på fräckt mark med saltvatten eller avloppsvatten. Mikroalger har höga tillväxter jämfört med markbundna grödor och kan ackumulera höga lipider, som lätt kan omvandlas till biodiesel 3 . För närvarande finns det inga industriella alg-till-biobränsleanläggningar på grund av de höga kostnaderna för de energiintensiva produktionsprocesserna, som består av algodling, lipidseparation och lipidraffinering i biodiesel. Mer forskning behövs för att göra dessa processer mer effektiva och hållbara.
PBR, som är optiskt klara, slutna installationer för produktion av fototrofiska mikroorganismer i en konstgjord miljö, anses vara en av de mest lovande odlingsmetoderna 3 . Emellertid saknar nuvarande konstruktioner fortfarande den volymetriska produktiviteten som är nödvändig för att producera algen-till-biobränsleproduktionenMer effektiv och ekonomiskt attraktiv 4 . Kraftfulla matematiska modeller som betraktar lätt bestrålning och dämpning, transport av näringsämnen och CO 2 , och mikroalgernas tillväxt kan i hög grad underlätta optimeringen av PBR-design och drift. Bänkskalstillväxtförsök krävs för att bestämma artsspecifika tillväxtparametrar för dessa optimeringsmodeller.
Kinetiska test kräver noggrann övervakning och kontroll av experimentella inställningar för att förhindra oavsiktliga hämmare av tillväxt. Med tanke på algens fotosyntetiska karaktär ( dvs. deras förbrukning av CO 2 och ljusabsorption) är det särskilt svårt att upprätthålla kontrollerade förhållanden i bänkskala PBR. Såsom avbildas i ekvation 1 betecknas mängden upplöst CO 2 i tillväxtmediet, vanligen betecknat som ( Ekvation 2 ) kommer att vara, åtminstone aFunktion av: 1) CO 2 -partialtrycket och Henriks jämviktskonstant, som dikterar mängden gas som kommer att lösas i lösning ( ekvation 3 ); 2) den första kemiska sammansättningen av tillväxtmediet, vilken påverkar karbonatjonernas och pH- värdetas speciering och aktivitet ( ekvationer 4 och 5 ); Och 3) temperaturen, som påverkar ekvationer 3-5 5 .
De olika faserna och kemisk speciering av kol bildar en utmaning för mätning och upprätthållande av en konsekvent upplösning av upplöst kol i en PBR whiLe håller andra villkor konstanta ( t ex ökar pH när algerna konsumerar CO 2 och ökning av det upplösta CO 2 -substratet kan eventuellt leda till en sur miljö som hämmar tillväxten) 6 .
Ett ytterligare skikt av komplexitet för att reglera förhållandena under alkekinetiska test innefattar ljusintensiteten inom PBR. Den genomsnittliga ljusintensiteten i en PBR är en funktion av inte bara den infallande ljusintensiteten utan även konstruktionen ( t.ex. material, form, djup och blandning), absorptionen av algbiomassakomponenter (särskilt klorofyll) Spridningsegenskaper hos algcellerna. När algerna växer kommer den genomsnittliga ljusintensiteten att minska. Denna förändring i ljusintensitet, oavsett orsakad av en ökning av totala celler och biomassa, en ökning av klorofyllhalten per cell eller båda, kan så småningom inducera ett metaboliskt svar, såsom en ökning av klorofyllproducentenCtion per cell eller användningen av kolhydrat- och lipidlagringsprodukter för energi 7 . Kontinuerlig övervakning av ljusintensiteten från reaktorn ger ovärderlig information. Dessa data kan bidra till att förhållandena ligger inom ett visst område och kan användas för att uppskatta algstillväxt och absorbansparametrar om de kombineras med andra mätningar ( dvs. biomassa, klorofyllkoncentration, reaktordjup, infallande ljus etc. ).
Att förstå hur alger växer under en bestämd uppsättning villkor kräver att pH, upplöst CO 2 , ljusintensitet och temperatur övervakas i bänkskalans kinetiska experiment. Många algstillväxtuppsättningar är inte utrustade med att övervaka förhållanden i den utsträckning som krävs för kalibrering av kinetiska modeller, vilket gör modelleringsprocessen extremt utmanande 8 . Även om många företag erbjuder bänkskaliga PBR med automation och kontroll, dessa bänkskalorE-uppställningar kan vara extremt dyra (~ $ 20 000) och kanske inte tillgodose alla experimentella överväganden av en given forskningsfråga.
Det första steget i att inrätta ett kontrollåterkopplingssystem för ett satsprov är live datainnsamling. Denna uppsats syftar till att visa hur man konstruerar och ställer upp en PBR-bänk som är utrustad med kontinuerlig ljus-, pH- och temperaturövervakning. Denna realtidsövervakningsinstallation kan bidra till att försöksförhållandena ligger inom önskade områden, efter forskarens bedömning. Medan detta protokoll inte specificerar specifika kontrollmekanismer, ger dessa stegvisa instruktioner en grundläggande grund för den datainsamling som krävs innan mer sofistikerade kontrollåterkopplingar kan implementeras.
Detta PBR-system erbjuder möjligheten att övervaka och styra algkinetiska tillväxtprov på bänkskalan, vilket möjliggör mer repeterbara resultat från experimentella analyser som används för att kvantifiera tillväxten. En förståelse för begränsningar och osäkerheter hos sensormätningar är emellertid kritisk för att säkerställa att sensoravläsningarna exakt reflekterar reaktorförhållandena. Denna förståelse innehåller grundläggande kunskaper om mätprinciper som berörs av sensorer, kalibreringens process och frekvens, mätosäkerheten och vad sensorn kan och kan inte mäta. Exempelvis är det elektriska svaret för den här beskrivna ljussensorn inte lika fördelat över det synliga spektrumområdet, och vissa korrigeringsfaktorer kan behöva appliceras på sensorutgången, beroende på hur denna sensordata ska analyseras.
Temperaturnivåer och variationer är också extremt viktiga, eftersom temperaturförändringar kan drastiskt inFluensera sensorns svar. Att förstå potentiella störningar som kan påverka sensoravläsningen är också kritiskt viktigt. Denna störning kan vara omgivande elektriskt brus från byggnaden eller kan härröra från mätmiljön ( t ex kan natriumjoner drastiskt påverka pH-värden vid pH-värden över 10) 12 . Vidare är nedsänkning av flera sonder i en lösning, särskilt en högt jonisk och ledande saltlösning, också en potentiell störningskälla. Elektroder som mäter pH (eller jonstyrka, löst syre, upplöst CO 2 , etc. ) är speciellt känsliga för omgivande elektrisk buller och kan lätt störas. Signalkonditionering som används för att skydda elektrodsignalen kan inte garantera att andra faktorer inte kommer att störa probavläsningarna. Som en del av kvalitetskontrollen bör annan laboratorieutrustning, såsom en handhållen pH-sond, en handhållen spektrometer och en termometer användas för att verifiera tHan sensoravläsningar och för att försäkra sig om att systemet är inställt och kört korrekt.
En annan begränsning som måste åtgärdas är den möjliga effekten av algerna och / eller odlingsmiljön på sensorerna. Om exempelvis algavfall eller bubblor täcker fotodiodreceptorn hos ljussensorn, kommer avläsningarna att påverkas. På liknande sätt är pH-elektroder extremt känsliga och kräver extra försiktighet för att säkerställa noggranna avläsningar. Dessa elektroder arbetar genom att mäta en spänningsskillnad över en inre förbindning på grund av uppbyggnaden av H + joner; Ett hydratiserat buffertlager i sonden krävs för att upprätthålla noggranna mätningar 12 . Beroende på förhållandena i reaktorn kommer detta skikt att slita av och sensornas respons kan förändras under experimentets gång medan sonden är nedsänkt. I preliminära tester drev pH-spänningsutmatningen inte mer än ~ 0,2 pH-enheter under ett 20-dagars experiment, Men ytterligare bedömningar bör utföras för att karakterisera denna förändring i sensorsvar och för att fastställa maximala experimentella körtider, speciellt om fina pH-justeringar / kvantifieringar behövs.
Många nuvarande bänkskala PBR-system som är konstruerade för att analysera algstillväxten, övervakar inte och kontrollerar den interna kulturnäringen så hårt som behövs för att urskilja hur olika faktorer påverkar algstillväxten, eftersom det kan vara utmanande att installera system på detta sätt. Detta protokoll kan hjälpa till att underlätta mer kontrollerade experiment genom att ge steg för steg instruktioner för att konstruera en PBR med realtidsövervakning. Vidare kan dessa levnadsdata användas inte bara för att bättre kontrollera experimentella förhållanden, men det kan potentiellt användas för att uppskatta tillväxtkinetik ( t.ex. optiska densitetsavläsningar som referens för generella tillväxthastigheter).
Kontrollerade experimentella system kan bidra till att algforskningen blir mer reproducerbar. Bänkskal PBR sEtups som övervakas och kontrolleras kan öka experimentell effektivitet genom att minimera oavsiktliga artefakter i experimentell design och kan bidra till att öka insatserna för att göra algenbiobränslen till en hållbar alternativ bränslekälla.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner National Science Foundation Emerging Frontiers inom forskning och innovation (Award # 1332341) för finansiering av denna forskning. Författarna skulle också vilja erkänna Dr Andrew Grieshop, liksom LabJack och DAQFactory online support communities för deras hjälp och hjälp som erbjuds under hela processen.
Cast acrylic sheets | McMaster Carr | 8560K244 | 7/8'' thick, 12×36'', optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions. |
Acrylic cement | McMaster Carr | 7517A4 | Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly. |
Acrylic cement applicator needle | McMaster Carr | 75165A136 | Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1", Stainless steel, PTFE lined. |
Plastic dispensing bottle for acrylic cement | McMaster Carr | 7544A67 | Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5. |
Viscous acrylic cement | McMaster Carr | 7515A11 | Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body. |
PG-13.5 thread tap | McMaster Carr | 2485A14 | Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable). |
PBR and lid | NCSU Precision Machine Shop | Karam Algae 3.2L Reactor Revision E | This machine shop is open to public for business. Contact shop manager. |
pH sensor | Hamilton | 238643 | EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output. |
Light sensor | Apogee Instruments | SQ-225 | Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof. |
Temperature sensor | LabJack | EI1034 | Stainless steel, water-proof temperature sensor. |
pH transmitter wire with BNC end | Sigma-Aldrich | HAM355173-1EA | This wire will vary with type of pH probe. Make sure wire is compatible with pH probe and has BNC connector end. |
Unity gain pre-amplifier | Omega Engineering | PHTX-21 | Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings. |
Coaxial adapter, BNC female-to-binding post | Amazon | SMAKN B00NGD5K80 | For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller. |
Capacitor (1000 uF) | Amazon | Nichicon BCBI4950 | For low-pass filter. |
Resistor (1000 ohm) | Radio Shack | 2711321 | For low-pass filter. |
Hookup wire | RadioShack | 2781222 | For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor. |
Heat shrink tubing | RadioShack | 2781611 | For low-pass filter assembly. |
Data acquisition and control unit | LabJack | LabJack U6 | To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software. |
DAQFactory data acquisition software | DAQFactory | DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050 | Free to download, for up to 10 channels. |
Mini DC-gearmotor | McMaster Carr | 6331K31 | Motor for mixer impeller. |
Impeller and shaft | N/A | N/A | Email authors for 3D files. |
Variable DC power supply | Amazon | Tekpower HY1803D | Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A. |
Grow Lamp | HydroGrow | SOL-1 | This exact model is no longer available. |
Incubator | Thermo Scientific | Precision Model 818 | This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit's cooling compressors run non-stop regardless of temperature setting. |