fotosynthese practica

Presentatie over: "fotosynthese practica"— Transcript van de presentatie:

1 fotosynthese practica
Voorbereiding 0. Doelstelling, Organisatie en Planning Uitvoering Energiebindende eigenschappen van fotosynthetische pigmenten Fotosynthese optimalisatie bij de alg Chlorella sorokiniana Lemnaceae in gesloten/openkas

2 Doelstelling, Organisatie en Planning
Doelstelling, Organisatie en Planning Voor Docent(en), TOA en leerlingen

3 0. Doelstelling, Organisatie en Planning
0. Doornemen van de praktische opdrachten. Doelen vaststellen. Algemeen: Aantal deelnemende leerlingen vaststellen. Wie begeleidt en ondersteunt de module (docent(en) en TOA). Fasering van de moduleonderdelen plannen en Individuele leerlingplanning maken, rekening houdend met (jaar)rooster. Praktisch: Diepgang van praktische uitvoering. Benodigde materialen vaststellen, Investering? Locatie voor de vaste opstellingen. Bestellingen plegen. Opstellingen bouwen en testen. Voorkweek Chlorella en Lemna inzetten. Doelstelling, Organisatie en Planning

4 0.0 Doornemen van de praktische opdrachten. Doelen vaststellen.
Schoolafhankelijk. Algemeen: 1. Aantal deelnemende leerlingen vaststellen. Wie begeleid en ondersteund de module (docent(en) en TOA). Afhankelijk van de mogelijkheden binnen school worden doelen (voor de leerlingen en docenten vastgesteld. Deze bepalen de praktische haalbaarheid en invulling van de module. Doelstelling, Organisatie en Planning

5 0.3a Fasering Doelstelling, Organisatie en Planning

6 ‘Lemna’ opdracht in groep of klassikaal verband
0.3b Fasering ‘Chlorella’ opdracht in tweetallen (de volgende groep kijkt mee op dag 2 met de uitvoerende groep) ‘Lemna’ opdracht in groep of klassikaal verband Doelstelling, Organisatie en Planning Voorbeeldplanner voor leerlingen / modulegroep. Indien er meerdere opstellingen mogelijk zijn kan er parallel aan een onderzoeksvariabele worden gewerkt. De praktijk heeft inmiddels uitgewezen dat het haalbaar is om direct te starten met de praktische opdrachten als chemostaat (biodiesel) en gesloten kas (eendenkroos).

7 Faciliteiten (apparatuur / materiaal / ruimte voor vaste opstellingen)
0.5a Diepgang Afhankelijk van: Faciliteiten (apparatuur / materiaal / ruimte voor vaste opstellingen) Vaardigheden en kennis OP / OOP Ambitie Onderzoeksopstelling met groeipotentie: Start met een eenvoudige hypothese en bijbehorende opstelling (docenten / TOA’s moeten kunnen groeien in de uitvoering van de module) Excelleer door met de opgedane ervaring (met nieuwe groepen) door de praktische mogelijkheden te vergroten (investeren in IPCoach faciliteiten) Uitwisseling van meetgegevens met andere NLT scholen (via een NLT fotosynthese platform) Doelstelling, Organisatie en Planning Bouw de opstelling gefaseerd. Rekening houdend met aanwezige faciliteiten, materiaal, voorkennis OP en TOA, ambitie en investeringsmogelijkheden op korte en lange termijn (jaren). De gegeven volgorde is gebaseerd op de mogelijkheid tot toetsen, meten en controleren van variabelen. De opstelling heeft een sterk biotechnologisch / natuurkundig aspect. Gedrevenheid en ambitie om een compleet controleerbare opstelling te bouwen vraagt geduld daar algen en eendekroos (groei)tijd nodig hebben en daarmee de NLT fotosynthese moduleopdrachten sterk beinvloeden. Advies: start in de praktijk eenvoudig om met beleid de praktische diepgang van de module te vergroten. Doelstelling, Organisatie en Planning

8 Doelstelling, Organisatie en Planning 0.5b Diepgang Organisme
Nutriënten Licht (W/m2) pH / CO2 Geleidbaarheid (µS/cm) Temperatuur (°C) ? Onderzoeksopstelling gefaseerd bouwen, testen en introduceren bij leerlingen Bouw de opstelling gefaseerd. Rekening houdend met aanwezige faciliteiten, materiaal, voorkennis OP en TOA, ambitie en investeringsmogelijkheden op korte en lange termijn (jaren). De gegeven volgorde is gebaseerd op de mogelijkheid tot toetsen, meten en controleren van variabelen. De opstelling heeft een sterk biotechnologisch / natuurkundig aspect. Gedrevenheid en ambitie om een compleet controleerbare opstelling te bouwen vraagt geduld daar algen en eendekroos (groei)tijd nodig hebben en daarmee de NLT fotosynthese moduleopdrachten sterk beinvloeden. Advies: start in de praktijk eenvoudig om met beleid de praktische diepgang van de module te vergroten.

9 0.6a Materialen In de schriftelijke handleiding behorend bij deze module is een materialen- en chemicaliënlijst ter ondersteuning opgenomen. Doelstelling, Organisatie en Planning

10 0.6b Chemicaliën kweekmedium ‘Lemna & Chlorella’
Doelstelling, Organisatie en Planning Kweekmedia voor alg en eendenkroos: 1 Gefilterd slootwater (papierfilter/koffiefilter), door de (over)bemesting van landbouwgronden bevindt er meer dan voldoende voedsel zich in het slootwater om organismen als alg en/of eendenkroos een paar weken te kunnen laten groeien zonder dat er groeibeperkingen door voedsel tekorten ontstaan. Wel bestaat het besmettingsrisico op hydra (algenetend organisme) in de kweek te krijgen.* 2 Synthetisch kweekmedium: Kraanwater met Pokon/Chrysal, in voorgeschreven verdunning volgens de verpakking.* 3 Synthetisch kweekmedium: zoals onderstaand beschreven. *Toevoegen van een snufje bloedmeel of een konijnenkeutel leidt tot explosieve algengroei. (fosfaat en stikstofbron!) De chemicaliënlijst beschrijft de benodigde stoffen voor de geconcentreerde (stock)oplossingen. Vanuit de stock-oplossingen kunnen de kweekvloeistoffen voor Lemna en Chlorella worden samengesteld. Voor het Lemna-kweekmedium betekent dit dat er van de benodigde stockoplossingen steeds 1ml/liter kweekmedium nodig is. Anders gezegd; voor dit Lemna-kweekmedium zijn de stockoplossingen allen 1000x geconcentreerd.

11 Minimaal 5 weken voor aanvang van de practica.
0.8 Bestellingen Minimaal 5 weken voor aanvang van de practica. Nadat de uit te voeren practica zijn vastgesteld en de diepgang van de onderzoeken is bepaald dienen bestellingen van benodigde materialen plaats te vinden. Doelstelling, Organisatie en Planning

12 0.9 Opstelling(en) bouwen en testen
Uitvoering is afhankelijk van: Gewenste diepgang Aanwezige faciliteiten en materialen Bestel de benodigde materialen minimaal vijf weken voor aanvang van de leerlingenpraktijk. Bouw de opstelling(en) drie weken voor aanvang om te kunnen testen. Zie voor beschrijvingen de opdrachtonderdelen 2 en 3. Foto: Chlorella sorokiniana chemostaat-opstelling Doelstelling, Organisatie en Planning

13 erlenmeyer (met vette wattenprop)
0.10 Voorkweek erlenmeyer (met vette wattenprop) alg of eendekroos kweekmedium (200 ml, volgens protocol) Doelstelling, Organisatie en Planning Vanuit één enkele algencel of één eendekroosplantje de practica uitvoeren is onhandig en tijdrovend. Door veel cellen / plantjes bij aanvang van het practicum te hebben kunnen diverse opstellingen gelijktijdig en met snel resultaat worden uitgevoerd. Alg: bouw de te gebruiken opstelling en kweek onder gunstige omstandigheden 200 ml (T= 20 – 25 graden, pH 6,5 – 7, voldoende nutrienten, onder aeratie) in twee tot drie weken een volgroeide cultuur. (In een erlenmeyer met vettewattenprop kan ook prima een voorkweek plaatsvinden) Regelmatig zwenken! Eendekroos: In een erlemmeyer onder gunstige omstandigheden (T = 20 – 25 graden, pH 6,5 – 7, voldoende nutrienten)

14 demonstratie’s in de klas
1 Energiebindende eigenschappen van fotosynthetische pigmenten Uitvoering volgens practicabeschrijvingen. Bedoeld als demonstratie’s bij de lessen, eventueel klassikaal uitvoerbaar. Soortgelijke protocollen en ondersteunende informatie is te vinden op bioplek.nl: demonstratie’s in de klas

15 2 Chlorella sorokiniana

16 2. Fotosynthese (optimalisatie) bij de alg Chlorella sorokiniana
(effecten van o.a. lichtenergie en CO2 op fotosynthese) Hypothese, Model Chlorella batch- en/of chemostaat cultuur Doseersysteem IP Coach Lichtenergie Analyse Chlorella sorokiniana

17 Chlorella sorokiniana
2.1 Hypothese (algemeen) De factor* (benoem) heeft onder de gegeven omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de fotosynthese (vorming van biomassa). *factor: variabele welke (mogelijk) van invloed is op groei (biomassatoename van bladgroenhoudende organismen) **gegeven omstandigheden: al dan wel of niet gecontroleerde variabele kweekomstandigheden zoals pH, temperatuur gecontroleerde, kweekomstandigheden zoals pH, opgeloste nutriënten, CO2, licht, etc. Chlorella sorokiniana

18 Opening voor electroden, sensoren, medium en gassen in/afvoer
2.2a batch cultuur Kweekfles Opening voor electroden, sensoren, medium en gassen in/afvoer kweekmedium BATCH kweek De meest eenvoudige meetopstelling om fotosynthese te meten is door de mate van biomassa toename te registreren. De maat van biomassa toename zegt iets over de omstandigheden waaronder de fotosynthese plaatsvindt. De vrijheid in de keuze van deze omstandigheden is groot maar beperkt zich op scholen snel tot de temperatuur en hoeveelheid lichtenergie W/m2 (niet te verwarren met lichtwarmte) maar ook de diverse mediumcomponenten (aan of afwezigheid ervan). Denk er aan dat ook iedere organisme, algensoort of type eendekroos haar eigen specifieke eigenschappen heeft. Chlorella sorokiniana

19 1 kweek -fles, -vat of –kas
2.2a batch cultuur 1 kweek -fles, -vat of –kas + medium organisme 2 kweek -fles, -vat of –kas + medium organisme het te analyseren verschil is het effect van één verschil in kweekomstandigheden BATCH kweek De meest eenvoudige meetopstelling om fotosynthese te meten is door de mate van biomassa toename te registreren. De maat van biomassa toename zegt iets over de omstandigheden waaronder de fotosynthese plaatsvindt. De vrijheid in de keuze van deze omstandigheden is groot maar beperkt zich op scholen snel tot de temperatuur en hoeveelheid lichtenergie W/m2 (niet te verwarren met lichtwarmte) maar ook de diverse mediumcomponenten (aan of afwezigheid ervan). Denk er aan dat ook iedere organisme, algensoort of type eendekroos haar eigen specifieke eigenschappen heeft. De proeven zijn er op gericht inzicht te krijgen op het effect van diverse omstandigheden op de fotosynthese. Dit kan door een kweekvat (limonadefles 1) te nemen en deze te vullen met een bekende hoeveelheid medium (= voedingsbron). Na toevoeging van voldoende* algen start de meting. Een tweede, identieke fles (limonadefles 2) met medium en het zelfde volume voorkweek maar onder één afwijkende kweekomstandigheid t.o.v. fles 1 (bijvoorbeeld een andere temperatuur) laat na uur het effect (positief of negatief) van deze afwijkende kweekomstandigheid zien. Voordeel: Eenvoudig van opzet, daardoor snel inzetbaar. Door binnen één klas of groepen het effect van één variabele te onderzoeken kunnen klassikaal tabellen en grafieken worden gegenereerd en kan er op hypothesen worden gereflecteerd en geëvalueerd. Nadeel: De biomassabepaling (door optische dichtheid ofwel transmissie meting met fotometer en/of het droogstofgehalte) kan onder deze omstandigheden geen onderscheid maken tussen het aantal levende en dode cellen. Metabolieten kunnen de fotosynthese beïnvloeden. Als er netjes wordt gewerkt, en steeds dezelfde tijdinterval wordt genomen dan kan deze eenvoudige methode bruikbare en verklaarbare resultaten genereren. Het is voor leerlingen goed om met extremen te werken om de relevantie van verschillende variabelen, verwoord in de hypothesen aan te kunnen tonen. (voorbeeld; het verschil in biomassa bij 20 en 25 graden zal niet of nauwelijks meetbaar zijn, kies voor 4 graden (koelkast) en 30 graden) * Voldoende alg = 5% voorkweek ten opzichte van het hoofdkweekvolume ( bij hoofdkweek van 200 ml is dat dus 5x2ml=10ml voorkweek) Deze voorkweek dient DRIE weken voor aanvang op het algen kweekmedium te worden ingezet. Dit hoeft niet onder steriele condities maar schoon werken is zeer gewenst. Chlorella sorokiniana

20 Kweekmedium (gecontroleerde invoer, ml/minuut)
2.2b Chemostaat Kweekmedium (gecontroleerde invoer, ml/minuut) Opening voor electroden, sensoren, gassen en medium invoer medium- & gasafvoer (kweekflesvolume afhankelijk: 200, 300 of 400 ml enz.) kweekfles CHEMOSTAAT In een waterzuiveringsinstallatie wordt continu vervuild water aangevoerd en met een gelijke snelheid, biologisch gezuiverd water afgevoerd. Dit is ook wel een een continu cultuur ofwel een chemostaat. Wanneer de aan-/afvoer van het medium niet sneller gaat de snelheid waarmee organismen zich verdubbelen in aantal dan zal een constante biomassa de chemstaat bevolken. Met het afvoeren van medium worden dus ook afvalstoffen, overmaat aan nutriënten en organismen (cellen) verwijderd. Voordeel: negatieve effecten van metabolieten worden beperkt, alleen levende cellen voor de biomassa bepaling (fotometrisch en/of droogstofgehalte) Chlorella sorokiniana Limonadefles wordt op gewenste kweekvolume enkele keren ingezaagd zodat een overloop ontstaat. Het teveel aan medium met cellen loopt langs de buitenwand van de fles naar een trechter onder de opstelling alwaar het afgevoerde vocht wordt opgevangen en verzameld in een fles (met voldoende volume om lekkage te voorkomen)

21 2.2c Chemostaat, opstelling
medium voorraad (1L) met druppelaar aquariumpomp (met flowmeter) kweekfles met ledbelichting computer (software IP Coach5) (niet afgebeeld) Interface (CoachlabII) gekoppelde sensoren/electroden gekoppelde actuatoren (niet afgebeeld) CO2 gasfles/reduceerventiel, electrische gasklep en flowmeter (niet afgebeeld) medium afvalfles (2L) (niet afgebeeld) CHEMOSTAAT Chlorella sorokiniana

22 2.3a Doseersysteem, druppelaar ↑medium voorraadvat
druppelaar: volume per minuut afstellen (25 tot 50 µl / druppel) siliconenslang slangklem ↓kweekfles medium invoer zwaartekracht Een druppelaar van een ziekenhuis-infuussysteem voldoet. Zelfbouw kan ook, een glazen of kunststof cylinder (buis of injectiespuit) aan de ene kant en een rubber stop met holle naalden aan de ander kant. Siliconenslangen met klem er aan en het geheel is regelbaar. Chlorella sorokiniana

23 2.3b Doseersysteem, D(illution) – waarde berekening
Het kloppend hart van de chemostaat is de druppelaar die standaard een bepaalde hoeveelheid medium met een bepaalde snelheid toevoegt aan het kweekvat. Stel: generatietijd organisme (Chlorella. s) = 2,9 uur; 174 minuten Kweekvolume = 200 ml Steady state (kweek in balans, d.w.z. aantal cellen in kweekvolume in relatie tot de ingestelde D en andere constante kweekomstandigheden) na 5 x kweekvolume ververst te hebben Rekening houdend met de generatietijd om uitspoelen van het organisme te voorkomen. Benodigd volume medium voor mediumverversing chemostaat: 5 x 200 = 1000 ml Dus 1000 ml in 5 x 174 minuten = 870 minuten = 14,5 uur. Dus 1000 / 14,5 = 68,9 ml / uur = 23 druppels (van 0,050 ml) / minuut De D(illution)-waarde is dus maximaal (schaal 0,1 – 1, waarbij 1 betekent het totale kweekvolume per uur verversen) = 68,9 / 200 = 0,34 Neem dus een D waarde voor alle tests ergens tussen 0,1 en 0,3. houdt deze constant, het is een absolute voorwaarde om andere variabelen te kunnen testen.

24 Chlorella sorokiniana
2.3c Chemostaat CO2 invoer met sparger pH electrode medium invoer temperatuur sensor lucht invoer kweekmedium kweekfles 300 - 200 100 Een schematische weergave van een te controleren en sturen (algen)kweek opstelling. Diverse regellussen worden geïntroduceerd en via meet en regeltechniek (computer) gestuurd. Temperatuur: temperatuursensor, koeling / verwarming pH: pH electrode, zuur / base Licht: lichtsensor (Lux of W/m2), dag- / nachtritme, intensivering? Gassen: O2/CO2 Medium: samenstelling (op alle essentiele componenten), D-waarde Biomassa (optische dichtheid, OD); colorimeter (on-line PC gekoppeld kan er op celwaarden met variabelen gestuurd worden) Chlorella sorokiniana De limonadefles kan niet met dop gesloten te worden. Het betreft een open chemostaat (Het is géén steriele kweek)

25 IPCoach meet en regeltechniek
2.4a IP Coach IPCoach meet en regeltechniek ‘sturen’ software interface De te gebruiken configuratie, in de meest geavanceerde vorm is van het internet te downloaden. Afhankelijk van de (on)mogelijkheden op school wordt IPCoach ingezet. Minimale vereisten zijn Coach5 software en de interface CoachlabII. Zie de materialenlijst in de handleiding voor al het benodigde materiaal. Chlorella sorokiniana

26 2.4b Meet en regeltechniek, ‘regellus(sen)’
Benodigdheden: (naast kweekfles, -vat of kas) sensor of een electrode (: functie) actuatoren: parameter(s) ofwel variabele(n) meet- en regelapparatuur temperatuursensor verwarming- en/of koelsysteem interface en een computer met interface-software In de biotechnologie maar meer in het algemeen de procestechnologie is de controle en instandhouding van (productie)processen een primaire taak. Dit vindt veelal plaats door computergestuurde meet en regeltechniek. Bij meet en regeltechniek is een stabiele aansturing van randapparatuur t.b.v. het (productie)proces vastgelegd in zogenaamde regellussen. Een regellus is niets meer of minder dan een continu gecontroleerde sturing van sensor gerelateerde actoren. Bijvoorbeeld; een temperatuurcontrolesysteem bestaande uit een temperatuursensor en een koel- en verwarmingssysteem wordt ingesteld op een ondergrens van 20 graden en bovengrens van 25 graden. Onder de 20 graden wordt de verwarming aangezet en boven de 25 graden een koelsysteem. Tussen de 20 en 25 graden wordt er géén elektronische actie ondernomen. Het IPCoach5 / Coachlab II systeem is in dit voorbeeld gebruikt maar andere systemen zijn natuurlijk ook toepasbaar. Het is aan de bouwer van de opstelling(en) keuzes te maken met welke materialen hoe er gewerkt gaat worden. Chlorella sorokiniana

27 pH >7 is dodelijk voor de alg
2.4c pH ‘CO2 gereguleerd’ pH >7 is dodelijk voor de alg Benodigdheden: (naast CO2 gasfles, reduceer- en magneetventiel) Zodra de alg start met groeien dan zal de pH stijgen (alkaliseren) door het verbruik van het vrije CO2↑ en consumptie door de alg (HCO3‾ → CO2↑ + OH‾ ). Deze alkalisering wordt geneutraliseerd door de Na2HCO3 en onvoldoende neutralisatie door de aparte injectie van micro-gasbellen CO2↑ in het medium. Door de CO2↑ toevoer aan de pH regulatie te hangen met een magneetventiel kan de pH regulatie volledig geautomatiseerd verlopen via IPCoach/CoachlabII Gasverdeling door het medium m.b.v. aquariumluchtsteen of (uitkookbare) rvs sparger Magneetventiel (IPCoach gestuurd) Reduceerventiel CO2 gasfles pH koolstofdioxide gereguleerd: Dit is de meest toegepaste methode voor een systeem met een efficiënt CO2↑ gebruik en verbruik. De CO2↑ die als koolstofbron dient bij de fotosynthese is alleen als gasvorm beschikbaar of als verbinding met water. Het kweekmedium dient te worden gemaakt volgens het protocol met NaNO3 of KNO3 als toerijkende stikstofbron. Bij 3 g KNO3 levert dit onder optimale omstandigheden mogelijk een droogstofgehalte van 6 gram per liter. Ook dient het medium HCO3‾ (in de vorm van Na2HCO3) te verkrijgen. Zodra de voorkweek aan de kweekfles (hoofdkweek) wordt toegevoegd en de alg start met groeien dan zal de pH stijgen (alkaliseren) door het verbruik van het vrije CO2↑ en consumptie door de alg (HCO3‾ → CO2↑ + OH‾ ). Deze alkalisering wordt geneutraliseerd door de Na2HCO3 en onvoldoende neutralisatie door de aparte injectie van micro-gasbellen CO2↑ in het medium. Een normale luchtpomp zorgt primair voor beluchting van de cultuur zodat zuurstof kan worden verwijderd en de cultuur gelijkmatig gemixt (homogeen). Door de CO2↑ aan de pH regulatie te hangen met een klep en flowmeter kan de pH regulatie volledig geautomatiseerd verlopen. (CO2↑ 2-5% (v/v)/minuut inblazen, afstelling en controle via flowmeter/IPCoach) De aquariumluchtsteen werkt als gasverdeler in het medium. (Het is de investering waard een RVS (uitkookbaar) sparger van Altech aan te schaffen daar de luchtsteen door alggroei langzaam verstopt raakt en ineffectief wordt. Verkoop voor reduceerventiel, magneetventiel en CO2 gasfles: de betere aquariumspecialist of via Sera Magneetventiel: Is samen met een drukverminderaar (reduceerventiel) geschikt voor de opbouw van een uitschakeling van de CO2-toevoer tijdens de nacht. Technische gegevens: voedingsspanning 230 V / 50 Hz, opgenomen vermogen ca. 2 W, slangaansluiting voor slang 6/4 mm (buiten-/binnendiameter), nominale breedte 2,8 mm, omgevingstemperatuur °C, maximale werkdruk 8 bar. en (dupla systeem) CO2 Depot, 500 g Art.-Nr.: Stalen CO2-cilinder met houder voor wandmontage. CO2 Armatuur Delta Art.-Nr.: Drukverminderaar uit messing met werkdrukmanometer. Drukregeling volgens het zuigersysteem. Gebruiksvriendelijke wartelmoer voor aansluiting van een CO2-cilinder. Met eenvoudig doseerbaar ventiel en ingebouwd microfilter. Dupla CO2 magneetventiel Art.-Nr.: Stuurt de CO2 via een pH-regelaar (volautomatische regeling). Sparger Altech slip on filter 0.120''ID tub 10um 5pk hooilaan 1, 4816 EM Breda, Chlorella sorokiniana

28 Als Meetwaarde (1 pH sensor) > 7 Dan
2.4d pH ‘IPCoach sturing’ Programmeren in IPCoach: (pH controle) Herhaal Als Meetwaarde (1 pH sensor) > 7 Dan Zet Aan (A1 relais/magneetventiel CO2) EindAls Als Meetwaarde (1 pH sensor) < 7 Dan Zet Uit (A1 relais/magneetventiel CO2) Totdat <ESC> Het P icoon is afkomstig uit IPCoach. Activatie van het icoon brengt de gebruiker in een programmeerscherm waarbinnen sensoren en actuatoren in regellussen gekoppeld kunnen worden. Deze ondersteunende powerpoint is niet bedoeld als IPCoach instructie. Via het internet kan alle informatie, handleidingen, technische ondersteuning etc. worden verkregen. Chlorella sorokiniana

29 Chlorella sorokiniana
2.5 Lichtenergie - 4 x diode verlichting lux (gemeten) 8 W/m2 (gemeten) De hoeveelheid licht is als variabele te organiseren door simpel een tijdschakelklok op de lichtbron te plaatsen. Afhankelijk van de mogelijkheden van de tijdschakelklok kan er o.a. het effect van lichtstress worden gemeten. Handig om te weten is de aangeboden hoeveelheid en licht (W/m2), frequentie en interval (dag/nachtritme) in relatie tot de verkregen biomassa. Chlorella sorokiniana

30 Chlorella sorokiniana
2.6 Analyse Optische Dichtheid (OD) als afgeleide van fotosynthese (biomassa toename) Chlorella sorokiniana

31 Chlorella sorokiniana
2.6 Analyse Optische Dichtheid (OD) als afgeleide van fotosynthese (biomassa toename) Met behulp van een telkamer (volgens Bürker-Türk) is een volgroeide Chlorella algenkweek decimaal verdund en de extictie bepaald (IPCoach colorimeter 03581BT). De figuur laat in een grafiek het te verwachten lineaire verband duidelijk zien. In deze grafiek is een trendlijn getrokken. De metingen laten duidelijk zien dat bij minder dan 20 miljoen cellen/ml de fotometer niet in staat is cellen waar te nemen. Bij extinctie van 0 of transmissie van 100% is het verstandig een handmatige telling met de microscoop en telkamer uit te voeren. Het raster van de telkamer van Bürker-Türk laat zien welke volumina op aanwezigheid van cellen zijn te beoordelen. Bij het gebruik van de telkamer dienen altijd meerdere (10 – 25) hokjes geteld te worden. (De diepte van de telkamer is overigens 0,1 mm) Chlorella sorokiniana telkamerraster

32 3 Lemnaceae

33 3. Lemnaceae in gesloten of open kas
(effecten van o.a. lichtenergie en temperatuur op de fotosynthese) Hypothese Kas (open / gesloten) Warmtewisselaar IP Coach Analyse Lemnaceae

34 3.1 Hypothese (algemeen) De factor* (benoem) heeft onder de gegeven omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de fotosynthese (vorming van biomassa). *factor: variabele welke (mogelijk) van invloed is op groei (biomassatoename van bladgroenhoudende organismen) **gegeven omstandigheden: al dan wel of niet gecontroleerde variabele kweekomstandigheden zoals pH, temperatuur gecontroleerde, kweekomstandigheden zoals pH, opgeloste nutriënten, CO2, licht, etc. Lemnaceae

35 3.2 Kas (open / gesloten) Lichtenergie (kWh IN) temperatuur sensor
Lamp? met als variabelen: - kleurfilters - Afstand tot de kas - Lichtsensor (IPcoach) temperatuur sensor (2x: binnen en buiten de kas, IP coach) fankoeling (kWh UIT) Koel(slang)spiraal op bodem, pomp met warmtewisselaar Basisopstelling (model) voor het meten van energiegebruik in de open/gesloten kas (zonder eendekroos) Opstelling dient te worden gebouwd in een lichtdichte omgeving (bouwplasticfolie tent / donkerekamer) De inkomende (licht/warmte) en uitgaande warmte wordt onafhankelijk geregistreerd door kWh-meters. De op de kWh-meter aangesloten IP-coach schakelaars bepalen onder invloed van de ingestelde (gewenste) minimum/maximum kastemperatuur wanneer er licht/energie of koeling dient plaats te vinden. Een dag/nacht ritme (met behoud van gewenste) temperatuur kan worden verkregen door met tijdschakelaars dan wel een lichtbron of een warmtespiraal aan te schakelen) Met gebruik van lichtsensoren kan de inkomende opbrengst licht(energie) worden gemeten. Deze is immers afhankelijk van type lichtbron – gloeilamp – ledlamp – halogeen. kWh gemeten waarden worden handmatig in IP coach (voor analyse) ingebracht. Met deze basisopstelling kan er (fictief) worden gerekend aan de energiestromen bij een kas. Als uitdaging kan vervolgens het effect van lampen, lichtkleur etc etc. als variabele op de eendekroos-biomassagroei worden genomen Lemnaceae

36 Kas (open / gesloten met Lemna)
opties: - ventilatie? - lucht / CO2 afvoer / invoer? - geleidbaarheid? IPcoach pH elektrode (IP coach) kweekmedium kweekmedium Samenstelling? Onderzoek naar de fotosynthese bij Lemna (eendekroos) Als de kas energietechnisch gezien stabiel en controleerbaar is kan de stap gemaakt worden om eendekroos als modelorganisme te gaan kweken. Het kweken dient om te zoeken naar fotosynthese relevante optima van variabelen zoals mediumsamenstelling (geleidbaarheid), lichtintensiteit/kleur, temperatuur, pH, CO2/O2, ? Beperk daarom het doel van het onderzoek steeds op één variabele zodat verschillen kunnen worden waargenomen. Uit praktische (tijd) overwegingen is het eenvoudig het effect van kweekmedium te testen door in de kas losse bakjes met verschillende mediumsamenstellingen te plaatsen. (De bakjes worden omgeven door koel/verwarmingselementen om de temperatuur stabiel te houden.) Voor het effect van licht op de groei is er tijd nodig of meerdere opstellingen. Foto’s van de opstellingen volgen. Lemnaceae

37 Dagsituatie: Koelslang in de kas, gelegen tussen de compartimenten (kweekbakjes) voor de eendenkroos. In de opstelling is meetbaar (1e Watt meter) hoeveel energie er wordt gebruikt in de vorm van fotonen (licht) t.b.v. de assimilatie. Overtollige warmte-energie wordt via het koelsysteem fictief opgeslagen. De daarvoor benodigde koelenergie (2e Watt-meter) is, om de opstelling beheersbaar te laten blijven, evenredig aan de hoeveelheid af te voeren warmte-energie. Nachtsituatie In de nachtsituatie (dissimilatie) wordt, indien de temperatuur constant wordt opnieuw om (warmte)energie gevraagd zodat de biomassatoename niet geremd wordt door temperatuurverlaging. Uit de fictief opgeslagen bron (in de grond, zoutbron of accu) wordt middels de derde Watt-meter de gevraagde energie gemeten. Een warmtespiraal dient dit doel en is onder de kas geplaatst. Het mag duidelijk zijn dat de warmtespiraal (teruggevoerde fictieve warmte/licht energie) nooit meer kan zijn dan de afgevoerde koelenergie (overtollige licht/warmte energie) van de dagsituatie.

38 Lichtenergie Temperatuurcontrole Lichtsensor in de kas (IPcoach) 230V
Watt (KwH) meter Tijdschakelaar -dag/nachtritme Lamp? met als variabelen: - kleurfilters - afstand tot de kas Lichtsensor - registratie ΔJ - registratie dag/nachtritme Temperatuurcontrole Temperatuursensor (1) in de kas (IPcoach) 230V Watt (KwH) meter Bij te hoge T↑ (dagritme): koeling; IPcoach-relais gestuurd Bij te lage T↓ (nachtritme): verwarming; IPcoach-relais gestuurd ← relais → ← Koeling Verwarming → Temperatuurregistratie met temperatuursensor (2) omgeving kas

39 3.3a Temperatuur regeling
IP Coach sturing Het programma Coach en de CoachlabII interface meten re regelen de temperatuur in de kweekkas. (de temperatuur sensor registreert de temperatuur op een representatieve plaats in de kweekkas) Koeling kaswarmte wordt afgegeven aan een in het water gelijkmatig verspreid gelegen siliconenslang. Deze slag is gekoppeld aan een koelunit (zoiets als een pc-cooler, met radiator / fan en pomp). Het systeem wordt IPCoach gestuurd. Verwarming (een geïsoleerde verwarmingskabel wordt m.b.v. een relaisschakeling aan of uit gezet gestuurd ) Eén van de lastigste problemen bij kassen; de energiehuishouding. Er is gekozen voor een systeem waarbij de warmte en koeling zo goed en gelijkmatig mogelijk binnen de kas kan worden binnengebracht of verwijderd. Er zijn vele mogelijkheden om temperatuur binnen een kas of kweekvat constant te houden. Verwarmen van kas of kweekvat kan door lampen, verwarmingsspiraal (dompelaar), verwarmingsmatjes, verwarmingsdraden, aquariumverwarming etc. Koelen is een (financieel) probleem. Het is verstandig de koeling als systeem te scheiden van het kweekmedium i.v.m. beheersbaarheid van het benodigd kweekmedium en vervuiling. Er bestaan geweldige oplossingen met peltier-elementen (die koelen en verwarmen!) pompsystemen, warmtewisselaars, koelsystemen etc. Echter voor een opstelling als deze erg prijzig. Het lijkt er op dat via een relais (IPCoach) gestuurde koeling met bijvoorbeeld een water(vijver)pomp met een ringleiding (tot koelspiraal gevouwen slang in de kas) de koeling via een radiator/computerfan, beertender of zelfs eenvoudige campingkoelkast gebouwd kan worden. Materiaal voor koeling en verwarming is te vinden bij: Waterpompen: Voor het koelen: Nog interessanter zijn de Computerwatercooling systemen: Slangmateriaal: Eurofysica; diameter binnen 6 mm, buiten 8 mm. Siliconenslang (=steriliseerbaar/uitkookbaar). Of vijverspeciaalzaak En voor verwarming: Lemnaceae

40 3.4b Meet en regeltechniek, ‘regellus(sen)’
Benodigdheden: (naast kweekfles, -vat of kas) sensor of een electrode (: functie) actuatoren (: parameter(s) ofwel variabelen) meet- en regelapparatuur temperatuursensor verwarming- en/of koelsysteem interface en een computer met interface-software In de biotechnologie maar meer in het algemeen de procestechnologie is de controle en instandhouding van (productie)processen een primaire taak. Dit vindt veelal plaats door computergestuurde meet en regeltechniek. Bij meet en regeltechniek is een stabiele aansturing van randapparatuur t.b.v. het (productie)proces vastgelegd in zogenaamde regellussen. Een regellus is niets meer of minder dan een continu gecontroleerde sturing van sensor gerelateerde actoren. Bijvoorbeeld; een temperatuurcontrolesysteem bestaande uit een temperatuursensor en een koel- en verwarmingssysteem wordt ingesteld op een ondergrens van 20 graden en bovengrens van 25 graden. Onder de 20 graden wordt de verwarming aangezet en boven de 25 graden een koelsysteem. Tussen de 20 en 25 graden wordt er géén elektronische actie ondernomen. Het IPCoach5 / Coachlab II systeem is in dit voorbeeld gebruikt maar andere systemen zijn natuurlijk ook toepasbaar. Het is aan de bouwer van de opstelling(en) keuzes te maken met welke materialen hoe er gewerkt gaat worden. Lemnaceae

41 IPCoach meet en regeltechniek
3.4a IP Coach IPCoach meet en regeltechniek ‘sturen’ software interface De te gebruiken configuratie, in de meest geavanceerde vorm is van het internet te downloaden. Afhankelijk van de (on)mogelijkheden op school wordt IPCoach ingezet. Minimale vereisten zijn Coach5 software en de interface CoachlabII. Zie de materialenlijst voor al het benodigde materiaal. Lemnaceae

42 Programmeren in IPCoach: (Koeling)
2.4d pH ‘IPCoach sturing’ Programmeren in IPCoach: (Koeling) temperatuur buiten de kas temperatuur binnen de kas overdag-koelsysteem Nachtverwarming Lichtenergiemeting binnen de kas Lichtenergiemeting buiten de kas Het P icoon is afkomstig uit IPCoach. Activatie van het icoon brengt de gebruiker in een programmeerscherm waarbinnen sensoren en actuatoren in regellussen gekoppeld kunnen worden. Deze ondersteunende powerpoint is niet bedoeld als IPCoach instructie. Via het internet kan alle informatie, handleidingen, technische ondersteuning etc. worden verkregen. Chlorella sorokiniana

43 relais verwarmingssysteem
2.4d pH ‘IPCoach sturing’ relais koelsysteem relais verwarmingssysteem temperatuur buiten de kas temperatuur binnen de kas Het P icoon is afkomstig uit IPCoach. Activatie van het icoon brengt de gebruiker in een programmeerscherm waarbinnen sensoren en actuatoren in regellussen gekoppeld kunnen worden. Deze ondersteunende powerpoint is niet bedoeld als IPCoach instructie. Via het internet kan alle informatie, handleidingen, technische ondersteuning etc. worden verkregen. Chlorella sorokiniana lichtmetingen buiten de kas lichtmeting binnen de kas

44 3.5 Analyse fotosynthese aktiviteit (toename biomassa) digitale (pixel) bladoppervlakteanalyse (kweekzones kas) Wat kan Bsurface.exe? Bsurface heeft tot doel kleuronderscheid te maken in een digitale (*.bmp of *.jpg formaat) foto op door de gebruiker in verschillende klassen vastgestelde voorwaarden. De relevante kleuren voor het maken van het gewenste onderscheid worden simpel aangeklikt op pixels van de fotografische afbeelding. Zie de handleiding voor gebruik van dit programma. Beschikbaar (downloaden) bij NLT fotosynthese. Bsurface.exe Lemnaceae

45 4. Links

46

47

48