Automated measurements and pH control of microalgae cultivation

Abstract

Micro-algae are a diverse group of photosynthetic unicellular microorganisms. Microalgae grow fast and under certain conditions half of their dry weight can be lipids. For this reason, micro-algae are currently regarded as the most promising biofuel feedstock.

Large scale commercial microalgae cultivation is carried out in artificial open ponds or closed photo bioreactors. With photo bioreactors high productivities can be achieved, but the cultivation techniques require further development. It is also necessary to determine the optimal growth conditions and how the lipid content can be maximized. Maintaining optimal conditions requires several variables to be continuously monitored and also controlled when needed.

This work presents a system created to automate the measurements of environmental variables and pH control of microalgae cultivation. It links instruments from different vendors into one integrated system, allowing the measurement data to be stored in one common file. In addition pH is maintained at the desired set point value. The system is used as a research platform for pilot-scale cultivation of microalgae.

The system was tested in practice in an experimental cultivation of diatom Phaeodactylum Tricornutum. The results indicate that the system is suitable for reliable automation of the measurements and pH control of pilot scale microalgae cultivation.

Mikrolevät ovat monimuotoinen ryhmä yksisoluisia yhteyttäviä organismeja. Ne kasvavat nopeasti ja tietyissä olosuhteissa puolet niiden kuivapainosta voi olla lipidejä. Tästä syystä mikroleviä pidetään nykyään lupaavimpana biopolttoaineiden raaka-aineena.

Mikrolevien kaupallinen kasvatus suuressa mittakaavassa tapahtuu keinotekoisissa altaissa tai suljetuissa fotobioreaktoreissa. Fotobioreaktoreilla voidaan saavuttaa hyvä tuottavuus, mutta kasvatustekniikoita on vielä kehitettävä. Lisäksi on selvitettävä, millaisissa olosuhteissa mikrolevät kasvavat tehokkaimmin ja miten niiden lipidipitoisuus pystytään maksimoimaan. Parhaiden kasvuolosuhteiden ylläpito vaatii useiden muuttujien jatkuvaa seuraamista, ja tarvittaessa myös säätöä.

Tässä työssä esitellään mikroleväkasvatuksen ympäristömuuttujien mittausten ja pH-säädön automatisoimiseksi kehitetty järjestelmä. Järjestelmällä useiden eri instrumenttien mittaukset voidaan suorittaa keskitetysti yhdellä ohjelmalla, jolloin mittaustulokset voidaan myös tallentaa samaan tiedostoon. Lisäksi kasvatuksen pH voidaan säilyttää halutussa asetusarvossa. Järjestelmää käytetään apuna tutkittaessa mikrolevien kasvatusta pilot-mittakaavassa. Lopuksi järjestelmän toiminta testattiin käytännössä kasvattamalla Phaeodactylum Tricornutum -piilevää. Tulosten perusteella järjestelmä soveltuu pilotkokoisen mikroleväkasvatuksen mittauksien ja pH:n säädön luotettavaan automatisointiin.