저자는이 연구에 대한 자금 지원을 위해 연구 및 혁신 분야의 신흥 개척지 (Award # 1332341)를 인정합니다. 저자는 또한 Andrew Grieshop 박사와 LabJack 및 DAQFactory 온라인 지원 커뮤니티가이 과정에서 제공하는 도움과 도움을 인정하고자합니다.

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	<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>

저자는 공개 할 것이 없습니다.

이 PBR 시스템은 벤치 규모의 조류의 운동 성장 실험을 모니터링하고 제어 할 수있는 능력을 제공하여 성장을 계량하는 데 사용되는 실험 분석에서보다 반복 가능한 결과를 허용합니다. 그러나 센서 측정의 한계와 불확실성에 대한 이해는 센서 판독 값이 원자로 조건을 정확하게 반영하도록하는 데 중요합니다. 이 이해에는 센서와 관련된 측정 원리, 교정 프로세스 및 빈도, 측정 불확도 및 센서가 측정 할 수 있고 측정 할 수없는 것에 대한 기본 지식이 포함됩니다. 예를 들어, 여기에 설명 된 광 센서에 대한 전기적 응답은 가시 스펙트럼 범위에 균등하게 분배되지 않으며이 센서 데이터가 분석되는 방법에 따라 특정 보정 요인을 센서 출력에 적용해야 할 수 있습니다. 온도 변화와 변화는 또한 매우 중요합니다.센서 응답을 강조합니다. 센서 판독 값에 영향을 줄 수있는 잠재적 인 간섭을 이해하는 것도 매우 중요합니다. 이 간섭은 건물에서 발생하는 주변의 전기 노이즈이거나 측정 환경에 기인 할 수 있습니다 ( 예 : 나트륨 이온은 pH 값이 10 이상일 때 pH 수치에 큰 영향을 줄 수 있음) 12 . 또한 여러 프로브를 용액, 특히 고 이온 및 전도성 염 용액에 담그면 잠재적 인 간섭 원이 될 수 있습니다. pH (또는 이온 강도, 용존 산소, 용존 CO 2 등 )를 측정하는 전극은 주위의 전기 소음에 특히 민감하며 쉽게 섭동 될 수 있습니다. 전극 신호를 보호하기 위해 사용되는 신호 컨디셔닝은 다른 요소가 프로브 판독 값을 간섭하지 않는다고 보장 할 수 없습니다. 품질 관리의 일환으로 휴대용 pH 프로브, 휴대용 분광계 및 온도계와 같은 다른 실험 장비를 사용하여 t센서 판독 값을 확인하고 시스템이 올바르게 설정되고 실행되는지 확인합니다. 해결해야 할 또 다른 한계는 조류 및 / 또는 배양 환경이 센서에 미칠 수있는 영향입니다. 예를 들어, 조류 파편이나 기포가 광 센서의 광 다이오드 수용체를 덮는 경우 판독 값이 영향을받습니다. 마찬가지로 pH 전극은 극도로 민감하므로 정확한 판독을 보장하기 위해 특별한주의가 필요합니다. 이 전극은 H + 이온의 축적으로 인해 내부 접합부의 전압 차를 측정하여 작동합니다. 정확한 측정을 유지하려면 프로브 내의 수화 된 버퍼층이 필요합니다 12 . 반응기 내의 조건에 따라,이 층은 마모되어 프로브가 잠긴 동안 실험 과정 동안 센서의 반응이 변할 수 있습니다. 예비 시험에서 pH 전압 출력은 20 일 실험 동안 ~ 0.2 pH 단위 이상으로 표류하지 않았다., 특히 pH 조정 / 정량화가 필요한 경우에는 센서 반응의 변화를 특성화하고 최대 실험 실행 시간을 설정하기위한 추가 평가가 수행되어야합니다. 조류 성장을 분석하기 위해 구축 된 현재 벤치 스케일의 많은 PBR 시스템은 이런 방식으로 시스템을 구성하는 것이 어려울 수 있기 때문에 다른 요인이 조류 성장에 어떻게 영향을 미치는지 식별하는 데 필요한만큼 내부 문화 환경을 모니터링하고 제어하지 않습니다. 이 프로토콜은 실시간 모니터링을 통해 PBR을 구성하기위한 단계별 지침을 제공함으로써보다 제어 된 실험을 용이하게합니다. 또한,이 라이브 데이터는 실험 조건을보다 잘 제어하는 ​​데 사용할 수있을뿐만 아니라 성장 동역학 ( 예 : 일반적인 성장 속도에 대한 참조로 광학 밀도 판독 값)을 추정하는 데 잠재적으로 활용할 수 있습니다. 통제 된 실험 시스템은 조류 연구를보다 재현 할 수있게 도와줍니다. 벤치 규모의 PBR모니터링되고 통제되는 폐수는 실험 설계에서 의도하지 않은 인공물을 최소화함으로써 실험 효율을 증가시킬 수 있으며, 조류 바이오 연료를 지속 가능한 대체 연료 원으로 만들기위한 노력을 진전시키는 데 도움이 될 수있다.

지구 기후 변화와 유한 화석 연료 자원에 대한 우려가 커지면서 정부는 화석 연료 소비를 줄이고 새롭고 지속 가능한 운송 연료 개발을 장려하는 정책을 개발해 왔습니다. 미국 환경 보호국 (US Environmental Protection Agency)은 재생 가능한 연료 표준 (RFS)을 개발했습니다.이 연료 시스템은 2022 년까지 연간 1400 억 갤런의 미국 운송 연료 혼합물 중 36 개를 재생 가능 연료 원에서 생산할 것을 요구합니다.이를 충족시키기 위해서는 혁신적이고 혁신적인 기술이 필요합니다. 미래의 신 재생 에너지 표준 1 . 미세 조류 기반 바이오 연료의 사용은 온실 가스 배출을 줄이면서 국가 RFS를 충족시킬 수있는 가능성을 제공합니다 2 . Microalgae 기반의 바이오 연료는 옥수수와 대두와 같은 육식 식품 작물을 기반으로하는 1 세대 바이오 연료에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 1 세대 바이오 연료와 달리 해조류 - b해조류 바이오 연료는 해수와 폐수를 사용하여 일년 내내 그리고 불모의 땅에서 재배 될 수 있기 때문에 적은 토지, 물 및 식품 관련 자원을 소비합니다. Microalgae는 육상 작물에 비해 높은 성장률을 보이며 높은 수준의 지질을 축적 할 수 있으며 이는 쉽게 바이오 디젤 3 으로 전환 될 수 있습니다. 현재 조류 재배, 지질 분리 및 바이오 디젤로의 지질 정제로 구성된 에너지 집약적 인 생산 공정의 높은 비용 때문에 산업 규모의 조류 - 바이오 연료 플랜트가 존재하지 않습니다. 이러한 프로세스를보다 효율적이고 지속 가능하게 만들기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다. 인공 환경에서 광 영양 미생물을 생산하기위한 광학적으로 투명한 PBR은 가장 유망한 재배 방법 중 하나이다. 그러나 현재의 설계는 여전히 조류 - 바이오 연료 생산 과정을 만드는데 필요한 체적 생산성이 부족하다더 효율적이고 경제적으로 매력적인 4 . 광 조사량과 감쇠, 영양염과 이산화탄소의 수송 및 미세 조류의 성장을 고려한 강력한 수학적 모델은 PBR 설계 및 작동의 최적화를 크게 촉진 할 수 있습니다. 벤치 스케일 성장 실험은 이러한 최적화 모델의 종별 성장 파라미터를 결정하는 데 필요합니다. 운동 학적 테스트는 의도하지 않은 성장 억제제를 방지하기 위해 실험 설정을 신중하게 모니터링하고 제어해야합니다. 조류의 광합성 특성 ( 즉, 이산화탄소의 소비와 빛의 흡수)을 감안할 때 통제 된 조건을 유지하는 것은 벤치 규모의 PBR에서 특히 어렵습니다. 수학 식 1 에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( 방정식 2 ), 적어도 a함수 : 1) CO 2 분압과 헨리의 평형 상수. 이는 용액에 용해 될 가스의 양을 지시합니다 ( 식 3 ). 2) 탄산 이온 및 pH의 종 분화 및 활성에 영향을주는 성장 배지의 초기 화학적 조성 ( 식 4 및 5 ); 3) 식 3-5에 영향을주는 온도 . <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="방정식" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> 다양한 단계와 탄소의 화학적 특성은 PBR 내의 일정한 용존 탄소 농도를 측정하고 유지하는 데 어려움을 낳습니다( 예, 조류가 이산화탄소를 소비함에 따라 pH가 증가하고, 용해 된 이산화탄소 기질을 증가 시키면 성장을 억제하는 산성 환경으로 이어질 수있다) 6 . 해조 동력 시험 중 조건을 제어하기위한 추가 복잡성 계층은 PBR 내의 광 강도를 포함합니다. PBR 내부의 평균 광도는 입사광 강도뿐 아니라 설계 ( 예 : 재질, 모양, 깊이 및 혼합), 조류 바이오 매스 구성 요소 (특히 엽록소)의 흡광도, 조류 세포의 산란 특성. 조류가 자라면서 평균 광도가 감소합니다. 총 세포와 바이오 매스의 증가, 세포 당 엽록소 함량의 증가 또는 둘 모두에 기인 한 빛의 강도의 변화는 결국 엽록소 생산의 증가와 같은 대사 반응을 유도 할 수있다세포 당 탄수화물 또는 에너지를위한 탄수화물 및 지질 저장 제품의 사용 7 . 원자로 내에서 광 강도를 지속적으로 모니터링하면 매우 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 이 데이터는 조건이 특정 범위 내에 머무르도록 도와 주며 다른 측정 ( 예 : 바이오 매스, 엽록소 농도, 반응기 깊이, 입사광 등 )과 결합하여 조류 성장 및 흡광도 매개 변수를 추정하는 데 사용될 수 있습니다. 특정 조건 하에서 조류가 자라는 방법을 이해하기 위해서는 pH, 용존 CO 2 , 광도 및 온도를 벤치 규모의 운동 실험에서 모니터링해야합니다. 많은 조류 성장 설정은 동역학 모델을 보정하는 데 필요한 정도로 조건을 모니터링 할 수있는 기능이 없으므로 모델링 프로세스가 매우 어려워집니다. 많은 기업들이 자동화 및 제어 기능을 갖춘 벤치 규모의 PBR을 제공하지만 벤치 스케일셋업은 극도로 비싸며 (~ 20,000 달러) 주어진 연구 문제에 대한 실험적 고려 사항을 모두 수용하지 못할 수도 있습니다. 배치 실험을위한 제어 피드백 시스템을 설정하는 첫 번째 단계는 실시간 데이터 수집입니다. 이 백서는 지속적인 광, pH 및 온도 모니터링이 가능한 벤치 스케일 PBR을 구축하고 설정하는 방법을 보여줍니다. 이 실시간 모니터링 설정은 연구자의 재량에 따라 실험 조건이 원하는 범위 내에서 유지되도록하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 프로토콜은 특정 제어 메커니즘을 자세히 설명하지는 않지만보다 정교한 제어 피드백을 구현하려면 데이터 수집 프레임 워크의 기본 토대를 제공해야합니다.

<table><tbody><tr><td>Cast acrylic sheets</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K244</td><td>7/8&#039;&#039; thick, 12 x 36&#039;&#039;, optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions.</td></tr><tr><td>Acrylic cement</td><td>McMaster Carr</td><td>7517A4</td><td>Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly.</td></tr><tr><td>Acrylic cement applicator needle</td><td>McMaster Carr</td><td>75165A136</td><td>Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1&quot;, Stainless steel, PTFE lined.</td></tr><tr><td>Plastic dispensing bottle for acrylic cement</td><td>McMaster Carr</td><td>7544A67</td><td>Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5.</td></tr><tr><td>Viscous acrylic cement</td><td>McMaster Carr</td><td>7515A11</td><td>Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body.</td></tr><tr><td>PG-13.5 thread tap</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable).</td></tr><tr><td>PBR and lid</td><td>NCSU Precision Machine Shop</td><td>Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td><td>This machine shop is open to public for business. Contact shop manager.</td></tr><tr><td>pH sensor</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output.</td></tr><tr><td>Light sensor</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof.</td></tr><tr><td>Temperature sensor</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>Stainless steel, water-proof temperature sensor.</td></tr><tr><td>pH transmitter wire with BNC end</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>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><td>Unity gain pre-amplifier</td><td>Omega Engineering</td><td>PHTX-21</td><td>Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings.</td></tr><tr><td>Coaxial adapter, BNC female-to-binding post</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller.</td></tr><tr><td>Capacitor (1000 uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>For low-pass filter.</td></tr><tr><td>Resistor (1000 ohm)</td><td>Radio Shack</td><td>2711321</td><td>For low-pass filter.</td></tr><tr><td>Hookup wire</td><td>RadioShack</td><td>2781222</td><td>For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor.</td></tr><tr><td>Heat shrink tubing</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>For low-pass filter assembly.</td></tr><tr><td>Data acquisition and control unit</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software.</td></tr><tr><td>DAQFactory data acquisition software</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td><td>Free to download, for up to 10 channels.</td></tr><tr><td>Mini DC-gearmotor</td><td>McMaster Carr</td><td>6331K31</td><td>Motor for mixer impeller.</td></tr><tr><td>Impeller and shaft</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Email authors for 3D files.</td></tr><tr><td>Variable DC power supply</td><td>Amazon</td><td>Tekpower HY1803D</td><td>Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A.</td></tr><tr><td>Grow Lamp</td><td>HydroGrow</td><td>SOL-1</td><td>This exact model is no longer available.</td></tr><tr><td>Incubator</td><td>Thermo Scientific</td><td>Precision Model 818</td><td>This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit&#039;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

미세 조류 배양을위한 광합성 생물 반응기 (PBR)의 최적 설계 및 작동은 미세 조류 기반 바이오 연료 생산의 환경 및 경제적 성능을 향상 시키는데 필수적이다. 다른 조건에서 미세 조류 성장을 추정하는 모델은 PBR 설계 및 작동을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 효과적이기 위해서는 이러한 모델에 사용 된 성장 매개 변수가 정확하게 결정되어야합니다. 조류 성장 실험은 종종 문화 환경의 역동적 인 특성에 의해 제한되며, 제어 시스템은 동역학 매개 변수를 정확하게 결정하는 데 필요합니다. 제어 배치 실험을 설정하는 첫 번째 단계는 실시간 데이터 수집 및 모니터링입니다. 이 프로토콜은 미세 조류 성장 실험을 수행하는 데 사용할 수있는 벤치 스케일 광합성 생물 반응기의 조립 및 작동 과정을 설명합니다. 이 프로토콜은 아크릴에서 플랫 플레이트, 벤치 스케일 PBR의 크기를 결정하고 조립하는 방법을 설명합니다. 또한 구성하는 방법을 자세히 설명합니다.데이터 수집 및 제어 장치, 아날로그 센서 및 오픈 소스 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 지속적으로 pH, 빛 및 온도 모니터링 기능을 갖춘 PBR을 제공합니다.

이 실시간 모니터링 시스템의 데이터는 벤치 스케일 PBR 내에서 조류에 대한 동적 인 배양 환경을 보여 주며 시스템 모니터링 및 제어의 필요성을 강조합니다. 기록 된 온도 데이터 ( 그림 6 )는 빛의 조명, 인큐베이터 공기 온도 및 조류 성장과 관련된 에너지 소산이 PBR 내의 온도를 어떻게 바꿀 수 있는지, 필요에 따라 실시간 데이터를 인큐베이터 온도 컨트롤을 조정하는 데 어떻게 사용할 수 있는지를 보여줍니다. 실험 과정에서 측정 된 빛은이 성장 환경의 역동적 인 성격을 더욱 강조합니다. 그림 7 에서 볼 수 있듯이, 광합성 광자 자속 밀도 (PPFD, μE-m -2 s -1 )로 측정 된 광 센서 판독 값은 조류가 추가되기 전에 ~ 100 PPFD이었고 즉시 85 PPFD로 떨어졌습니다. af반응조에 조류 배양 물을 접종하는 것. 빛은 7 일째에 5 PPFD 미만으로 계속 떨어졌습니다.이 빛의 강도 감소는 바이오 매스와 세포 수 증가 및 / 또는 증가 된 엽록소 함량에 의한 흡수 증가에 기인합니다. 빛 수준. 추가적인 추론을 위해서는 추가의 생물학적 측정이 필요합니다. 연속적으로 기록 된 pH 데이터는 전반적으로 pH가 구현 된 pH 제어 알고리즘 ( 그림 8 )으로이 실험 동안 적절하게 제어되었음을 보여줍니다. 분별 판독 값과 시간별 평균값을 보여주는이 데이터는 조류를 배양하고 실시간으로 pH를 모니터링하는 데 대한 몇 가지 핵심 포인트를 보여줍니다. 먼저, PBR에 해조류를 접종 한 직후 원하는 pH 7.6 이상으로 pH가 상승했다. 이 변화는 PBR에 추가 된 문화 종자가H 값은 설정 값보다 높았다. 왜냐하면 접종 물을 성장 시키는데 사용 된 플라스크는 pH 조절되지 않았기 때문이다. 둘째,이 생생한 데이터는 민감한 pH 전극이 외부 전기 노이즈에 얼마나 민감한지를 강조합니다. 이 민감도는 1 일부터 2 일 사이에 전극 값이 급격히 증가함에 따라 나타납니다.이 pH 값의 급격한 변화는 인접한 실험 장치의 솔레노이드 밸브에서 발생하는 전기 노이즈로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 전기적 교란은 조기에 pH 제어 알고리즘이 CO2를 PBR에 주입하도록 촉발시켰다. 결과적으로, pH는 원하는 설정 점 이하로 떨어졌습니다. pH 전극의 감도는 극단적 인 특이 치를 유발할 수 있으며 잠재적으로 제어 시스템을 방해 할 수 있습니다. <img alt="그림 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> 그림 3 : pH 반응 및 보정 예제 그래프. ( a ) th의 응답 그래프의 예e pH 센서 ( b ) pH 센서의 보정 그래프의 예. 변환에 사용할 수식이 나와 있습니다. 회귀 분석은 95 % 신뢰 구간을 보여줍니다. 오류 막대는 표시되지 않습니다 (표준 오류 0.03 % 미만). 이 그래프는 pH 센서가 적절히 연결되었고 신호가 매우 안정했다는 것을 보여줍니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> 그림 6 : 7 일간의 실험 동안 PBR 내의 온도 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 1h 평균을 나타내며 옅은 파란색 점은 1 분 (획득 타이밍 1 초, 평균 길이 60) 동안 획득 한 센서 판독 값을 나타내며 제조업체가 제공 한 변환 계수를 사용하여 온도로 변환합니다. 검은 화살 쏘<html> w 인큐베이터 온도 설정이 배양 온도 약 25 ℃를 유지하도록 조정되었을 때 (이 원하는 설정 포인트는 빨간색 점선으로 표시됨). 온도의 변동은 조류의 성장과 인큐베이터 온도의 변화로 인한 것입니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> 그림 7 : 7 일간의 실험 동안 PBR 내에서의 가벼운 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 평균 1 시간을 나타내며 옅은 파란색 점은 1 분 (획득 시간 1 초, 평균 길이 60)에 획득 된 센서 판독 값을 나타내며 기본 광 센서 공장 보정 값을 사용하여 PPFD로 변환됩니다.&quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> 그림 8 : 7 일 실험 동안 PBR 내 pH 측정. 진한 파란색 점은 센서 데이터의 1-h 평균을 나타내고 밝은 파란색 점은 보정을 통해 설정된 변환 방정식을 사용하여 1 분마다 수집 된 센서 판독 값 (획득 시간 0.1 초, 평균 길이 600)을 나타내며 pH로 변환됩니다. 99 % CO 2 기체 주입을 사용하여 pH를 7.6 내지 7.5로 유지시켰다. 빨간색 점선은 원하는 pH 범위를 나타냅니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

이 논문은 다른 방법과 관련하여 적절한 운동 성장 매개 변수를 추정하기 위해 사용할 수있는 벤치 규모의 광합성 생물 반응기의 조립 공정 및 작동에 대해 설명합니다. 이 시스템은 센서, 데이터 수집 및 제어 장치 및 오픈 소스 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 pH, 빛 및 온도를 지속적으로 모니터링합니다.

키네 성장 시험을위한 온도, 빛 및 pH 모니터링을 갖춘 벤치 규모의 조류 광합성 생물 반응기의 건설 및 설치

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...

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Bioengineering

16.2K 조회수.  North Carolina State University.  이 논문은 다른 방법과 관련하여 적절한 운동 성장 매개 변수를 추정하기 위해 사용할 수있는 벤치 규모의 광합성 생물 반응기의 조립 공정 및 작동에 대해 설명합니다. 이 시스템은 센서, 데이터 수집 및 제어 장치 및 오픈 소스 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 pH, 빛 및 온도를 지속적으로 모니터링합니다. 

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

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently than plants3, but also synthesize advanced biofuels2-4. Generally, atmospheric CO2 is not a sufficient source for supporting maximal algal growth5. On the other hand, the high concentrations of CO2 in industrial exhaust gases have adverse effects on algal physiology. Consequently, both cultivation conditions (such as nutrients and light) and the control of the flue gas flow into the photo-bioreactors are important to develop an efficient &ldquo;flue gas to algae&rdquo; system. Researchers have proposed different photobioreactor configurations4,6 and cultivation strategies7,8 with flue gas. Here, we present a protocol that demonstrates how to use models to predict the microalgal growth in response to flue gas settings. We perform both experimental illustration and model simulations to determine the favorable conditions for algal growth with flue gas. We develop a Monod-based model coupled with mass transfer and light intensity equations to simulate the microalgal growth in a homogenous photo-bioreactor. The model simulation compares algal growth and flue gas consumptions under different flue-gas settings. The model illustrates: 1) how algal growth is influenced by different volumetric mass transfer coefficients of CO2; 2) how we can find optimal CO2 concentration for algal growth via the dynamic optimization approach (DOA); 3) how we can design a rectangular on-off flue gas pulse to promote algal biomass growth and to reduce the usage of flue gas. On the experimental side, we present a protocol for growing Chlorella under the flue gas (generated by natural gas combustion). The experimental results qualitatively validate the model predictions that the high frequency flue gas pulses can significantly improve algal cultivation.

Flue gas from power plants is a cheap CO2 source for algal growth. We have built prototype &#34;flue gas to algal cultivation&#34; systems and described how to scale up the algal cultivation process. We have demonstrated the use of a mass-transfer bio-reaction model to simulate and to design the optimal operation of flue gas for the growth of Chlorella sp. in algal photo-bioreactors.

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 광 바이오 반응기에서 미세 조류의 성장을 촉진하기 위해 연소 가스 설정을 최적화

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

연구

환경과학

Quantification of Heavy Metals and Other Inorganic Contaminants on the Productivity of Microalgae

Increasing demand for renewable fuels has researchers investigating the feasibility of alternative feedstocks, such as microalgae. Inherent advantages include high potential yield, use of non-arable land and integration with waste streams. The nutrient requirements of a large-scale microalgae production system will require the coupling of cultivation systems with industrial waste resources, such as carbon dioxide from flue gas and nutrients from wastewater. Inorganic contaminants present in these wastes can potentially lead to bioaccumulation in microalgal biomass negatively impact productivity and limiting end use. This study focuses on the experimental evaluation of the impact and the fate of 14 inorganic contaminants (As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V and Zn) on Nannochloropsis salina growth. Microalgae were cultivated in photobioreactors illuminated at 984 &#181;mol m-2 sec-1 and maintained at pH 7 in a growth media polluted with inorganic contaminants at levels expected based on the composition found in commercial coal flue gas systems. Contaminants present in the biomass and the medium at the end of a 7 day growth period were analytically quantified through cold vapor atomic absorption spectrometry for Hg and through inductively coupled plasma mass spectrometry for As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V and Zn. Results show N. salina is a sensitive strain to the multi-metal environment with a statistical decrease in biomass yieldwith the introduction of these contaminants. The techniques presented here are adequate for quantifying algal growth and determining the fate of inorganic contaminants.

Integration of microalgal cultivation with industrial flue gas will ultimately introduce heavy metals and other inorganic compounds into the growth media. This study presents a procedure used to determine the end fate and impact of heavy metals and inorganic contaminants on the growth of Nannochloropsis salina grown in photobioreactors.

중금속과 미세 조류의 생산성에 다른 무기 오염 물질의 정량화

Increasing demand for renewable fuels has researchers investigating the feasibility of alternative feedstocks, such as microalgae. Inherent advantages ...

Comparison of Scale in a Photosynthetic Reactor System for Algal Remediation of Wastewater

An experimental methodology is presented to compare the performance of two different sized reactors designed for wastewater treatment. In this study, ammonia removal, nitrogen removal and algal growth are compared over an 8-week period in paired sets of small (100 L) and large (1,000 L) reactors designed for algal remediation of landfill wastewater. Contents of the small and large scale reactors were mixed before the beginning of each weekly testing interval to maintain equivalent initial conditions across the two scales. System characteristics, including surface area to volume ratio, retention time, biomass density, and wastewater feed concentrations, can be adjusted to better equalize conditions occurring at both scales. During the short 8-week representative time period, starting ammonia and total nitrogen concentrations ranged from 3.1-14 mg NH3-N/L, and 8.1-20.1 mg N/L, respectively. The performance of the treatment system was evaluated based on its ability to remove ammonia and total nitrogen and to produce algal biomass. Mean &#177; standard deviation of ammonia removal, total nitrogen removal and biomass growth rates were 0.95&#177;0.3 mg NH3-N/L/day, 0.89&#177;0.3 mg N/L/day, and 0.02&#177;0.03 g biomass/L/day, respectively. All vessels showed a positive relationship between the initial ammonia concentration and ammonia removal rate (R2=0.76). Comparison of process efficiencies and production values measured in reactors of different scale may be useful in determining if lab-scale experimental data is appropriate for prediction of commercial-scale production values.

An experimental methodology is presented to compare the performance of small (100 L) and large (1,000 L) scale reactors designed for algae remediation of landfill wastewater. System characteristics, including surface area to volume ratio, retention time, biomass density, and wastewater feed concentrations, can be adjusted based on application.

폐수의 해조 교정을위한 광합성 원자로 시스템의 규모 비교

An experimental methodology is presented to compare the performance of two different sized reactors designed for wastewater treatment. In this study, ...

Operation of a Benchtop Bioreactor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to carefully control temperature, pH, and dissolved oxygen concentrations in particular makes them essential to efficient large scale growth and expression of fermentation products. This video will briefly describe the advantages of the fermentor over the shake flask. It will also identify key components of a typical benchtop fermentation system and give basic instruction on setup of the vessel and calibration of its probes. The viewer will be familiarized with the sterilization process and shown how to inoculate the growth medium in the vessel with culture. Basic concepts of operation, sampling, and harvesting will also be demonstrated. Simple data analysis and system cleanup will also be discussed.

Fermentors are used to increase culture yield and productivity of bioengineered cells. After screening multiple microbial or animal cell culture candidates in shake flasks, the next logical step is to increase the selected culture&#x2019;s biomass with the fermentor. This video demonstrates the setup and operation of a typical benchtop bioreactor system.

벤치 탑 생물 반응기의 운전

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to ...

생체공학

Cultivation of Green Microalgae in Bubble Column Photobioreactors and an Assay for Neutral Lipids

There is significant interest in the study of microalgae for engineering applications such as the production of biofuels, high value products, and for the treatment of wastes. As most new research efforts begin at laboratory scale, there is a need for cost-effective methods for culturing microalgae in a reproducible manner. Here, we communicate an effective approach to culture microalgae in laboratory-scale photobioreactors, and to measure the growth and neutral lipid content of that algae. Instructions are also included on how to set up the photobioreactor system. Although the example organisms are species of Chlorella and Auxenochlorella, this system can be adapted to cultivate a wide range of microalgae, including co-cultures of algae with non-algae species. Stock cultures are first grown in bottles to produce inoculum for the photobioreactor system. Algae inoculum is concentrated and transferred to photobioreactors for cultivation in batch mode. Samples are collected daily for the optical density readings. At the end of the batch culture, cells are harvested by centrifuge, washed, and freeze dried to obtain a final dry weight concentration. The final dry weight concentration is used to create a correlation between the optical density and the dry weight concentration. A modified Folch method is subsequently used to extract total lipids from the freeze-dried biomass and the extract is assayed for its neutral lipid content using a microplate assay. This assay has been published previously but protocol steps were included here to highlight critical steps in the procedure where errors frequently occur. The bioreactor system described here fills a niche between simple flask cultivation and fully-controlled commercial bioreactors. Even with only 3-4 biological replicates per treatment, our approach to culturing algae leads to tight standard deviations in the growth and lipid assays.

Here, we present a protocol to construct lab-scale bubble column photobioreactors and use them to culture microalgae. It also provides a method for the determination of the culture growth rate and neutral lipid content.

중립 지질에 대 한 녹색 미세 거품 열 Photobioreactors에 시험 재배

There is significant interest in the study of microalgae for engineering applications such as the production of biofuels, high value products, and for the ...

Microalgae Cultivation and Biomass Quantification in a Bench-Scale Photobioreactor with Corrosive Flue Gases

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for microalgal cultivation with temperature, pH, and gas composition and flow rate control. At bench-scale, photobioreactors are advantageous to researchers studying microalgal properties, productivity, and growth optimization. At industrial scales, photobioreactors can maintain product purity and improve production efficiency. The video describes the preparation and use of a bench-scale photobioreactor for microalgal cultivation, including the safe use of corrosive gas inputs, and details relevant biomass measurements and biomass productivity calculations. Specifically, the video illustrates microalgal culture storage and preparation for inoculation, photobioreactor assembly and sterilization, biomass concentration measurements, and a logistic model for microalgal biomass productivity with rate calculations including maximum and overall biomass productivities. Additionally, since there is growing interest in experiments to cultivate microalgae using simulated or real waste gas emissions, the video will cover the photobioreactor equipment adaptations necessary to work with corrosive gases and discuss safe sampling in such scenarios.

Bench-scale, axenic cultivation facilitates microalgal characterization and productivity optimization before subsequent process scale-up. Photobioreactors provide the necessary control for reliable and reproducible microalgal experiments and can be adapted to safely cultivate microalgae with the corrosive gases (CO2, SO2, NO2) from municipal or industrial combustion emissions.

부식성 연도 가스가 있는 벤치 스케일 광생물반응기에서 미세조류 재배 및 바이오매스 정량화

Photobioreactors are illuminated cultivation systems for experiments on phototrophic microorganisms. These systems provide a sterile environment for ...

Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas electricity generation. Microalgae can biofix CO2 10 to 15 times faster than plants and convert algal biomass to products of interest, such as biofuels. Thus, this study presents a protocol that demonstrates the potential synergies of microalgae cultivation with a natural gas power plant situated in the southwestern United States in a hot semi-arid climate. State-of-the-art technologies are used to enhance carbon capture and utilization via the green algal species Chlorella sorokiniana, which can be further processed into biofuel. We describe a protocol involving a semi-automated open raceway pond and discuss the results of its performance when it was tested at the Tucson Electric Power plant, in Tucson, Arizona. Flue gas was used as the main carbon source to control pH, and Chlorella sorokiniana was cultivated. An optimized medium was used to grow the algae. The amount of CO2 added to the system as a function of time was closely monitored. Additionally, other physicochemical factors affecting algal growth rate, biomass productivity, and carbon fixation were monitored, including optical density, dissolved oxygen (DO), electroconductivity (EC), and air and pond temperatures. The results indicate that a microalgae yield of up to 0.385 g/L ash-free dry weight is attainable, with a lipid content of 24%. Leveraging synergistic opportunities between CO2 emitters and algal farmers can provide the resources required to increase carbon capture while supporting the sustainable production of algal biofuels and bioproducts.

A protocol is described to utilize the carbon dioxide in natural gas power plant flue gas to cultivate microalgae in open raceway ponds. Flue gas injection is controlled with a pH sensor, and microalgae growth is monitored with real time measurements of optical density.

발전소의 탄소 포집과 미세조류 재배를 위한 반자동 개방형 경마장 연못 결합

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas ...

돼지 폐기물 바이오 가스로부터의 바이오 메탄 억제를 위한 미세조류 배양

Biogas Purification through the use of a Microalgae-Bacterial System in Semi-Industrial High Rate Algal Ponds

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of polluting gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide to increase the content of methane. In this study, we used a microalgal cultivation technology to treat and purify biogas produced from organic waste from the swine industry to obtain ready-to-use biomethane. For cultivation and purification, two 22.2 m3 open-pond photobioreactors coupled with an absorption-desorption column system were set up in San Juan de los Lagos, Mexico. Several recirculation liquid/biogas ratios (L/G) were tested to obtain the highest removal efficiencies; other parameters, such as pH, dissolved oxygen (DO), temperature, and biomass growth, were measured. The most efficient L/Gs were 1.6 and 2.5, resulting in a treated biogas effluent with a composition of 6.8%vol and 6.6%vol in CO2, respectively, and removal efficiencies for H2S up to 98.9%, as well as maintaining O2 contamination values of less than 2%vol. We found that pH greatly determines CO2 removal, more so than L/G, during cultivation because of its participation in the photosynthetic process of microalgae and its ability to vary pH when solubilized due to its acidic nature. DO, and temperature oscillated as expected from the light-dark natural cycles of photosynthesis and the time of day, respectively. Biomass growth varied with CO2 and nutrient feeding as well as reactor harvesting; however, the trend remained primed for growth.

저자 스포트라이트: 바이오메탄 생산 향상을 위한 미세조류 생명공학 확장 

Air pollution impacts the quality of life of all organisms. Here, we describe the use of microalgae biotechnology for the treatment of biogas (simultaneous removal of carbon dioxide and hydrogen sulfide) and the production of biomethane through semi-industrial open high-rate algal ponds and subsequent analysis of treatment efficiency, pH, dissolved oxygen, and microalgae growth.

Semi-Industrial High Rate Algal Ponds에서 Microalgae-Bacterial System을 사용하여 바이오 가스 정화

In recent years, a number of technologies have emerged to purify biogas into biomethane. This purification entails a reduction in the concentration of ...

키네 성장 시험을위한 온도, 빛 및 pH 모니터링을 갖춘 벤치 규모의 조류 광합성 생물 반응기의 건설 및 설치

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Semi-Industrial High Rate Algal Ponds에서 Microalgae-Bacterial System을 사용하여 바이오 가스 정화

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Semi-Industrial High Rate Algal Ponds에서 Microalgae-Bacterial System을 사용하여 바이오 가스 정화