Alg-Flex：一种用于光生物反应器的开源树莓派采集系统

《Phycology》：Alg-Flex, an Open-Source Raspberry Pi Acquisition System for a Photobioreactor

　　

微藻生物制造是一种将二氧化碳转化为有价值产品的有前景的技术。然而，它在规模化、在线监测和控制生物变量方面面临限制。在光生物反应器中，光强度影响生长和操作效率。本研究提出了Alg-flex，一种基于树莓派4（Raspberry Pi 4）的低成本、开源监测与控制平台。Alg-flex集成了用于光强度调节以及pH、温度和溶解氧实时监测的传感器，支持数据可视化和记录，同时无需硬件修改即可实现完全便携性。这些特性使其比传统的单变量记录仪具有更广泛的适用性。该硬件的购置成本低于1834美元，约为同类商业设备平均成本的4%。其性能在柱式光生物反应器中培养雨生红球藻（Haematococcus lacustris）的过程中得到评估。pH和温度传感器在本研究使用的操作范围内与认证的台式探针进行了验证，中位误差低于1.5%。在测试条件下，光生物反应器培养物的最终光密度约为摇瓶培养物的两倍，且差异显著（p = 0.0333）。这些结果证实，小体积微藻培养物的生长动力学可能与受控光生物反应器系统存在显著差异。Alg-flex的经济性、可靠性和多反应器兼容性支持了超越微藻培养的更广泛生物制造应用。

**论文解读：Alg-Flex开源光生物反应器采集系统的设计与验证**

**一、研究背景与问题**

全球人口增长对生物制造提出了巨大挑战。光合微生物包括藻类和蓝细菌能够将二氧化碳和光能转化为碳水化合物、燃料、色素和塑料等高价值商品，展现出生物制造的巨大潜力。微藻虽然与大多数绿色植物一样利用光和大气二氧化碳，但具有显著更快的生长速率和更大的生长条件灵活性。优化微藻培养过程是提高生物质生产力的主要目标，需通过过程控制和跨尺度放大实现。然而，现有的生物反应器监测系统存在诸多问题：手动测量耗时费力，尤其需要短时间间隔测量以理解动态变化时；手动控制和数据采集限制了在实验室、中试和工业规模上可进行的生物学重复次数；商业设备成本高昂，单台平均成本约45850美元（标准差22674美元），严重制约了研究的可及性。虽然已有一些低成本生物反应器仪表系统被报道，但它们大多未提供实时可视化或自动化过程控制。因此，有必要开发一种兼具低成本、开源、模块化、可扩展和实时监测控制功能的平台。

**二、研究内容与结论**

研究人员开发了Alg-flex系统，这是一种基于树莓派4（Raspberry Pi 4）的开源监测与控制平台，属于研究人员的原创性工作。系统集成了pH、温度、溶解氧（DO）、液位和二氧化碳（CO₂）传感器，以及自适应光调制系统。硬件总成本为1834美元，约为商业同类设备平均价格的4%。系统具有模块化设计，支持组件更换和功能定制，能耗范围为0.016至0.030 kWh/L。研究人员在鼓泡柱光生物反应器中进行了雨生红球藻（*Haematococcus lacustris*）培养实验，以验证系统性能。实验使用CCAP 34/13菌株（来自英国苏格兰海洋科学协会藻类和原生动物培养物保藏中心），在3N-BBM+V培养基中进行，初始pH为8.0-8.3，培养温度22-24°C，光暗周期12:12小时。反应器工作体积3.65升，接种150 mL两周龄种子液，光强度从145.26 μmol photons m^-2 s^-1逐渐增加至403.5 μmol photons m^-2 s^-1，气流速率2.0 L/min。对照实验使用500 mL摇瓶，总培养体积100 mL，转速200 rpm，光强度390 μmol photons m^-2 s^-1。经过12天培养，反应器培养物的最终光密度（OD₆₈₀）为0.40 ± 0.09，显著高于摇瓶培养物的0.19 ± 0.09（Welch t检验p = 0.0381，Mann-Whitney U检验p = 0.0333）。pH传感器和温度传感器的验证显示中位误差分别为1.05%和0.81%，均低于1.5%。该研究发表在《Phycology》期刊上，具有重要意义：Alg-flex为微藻培养提供了一种经济实惠、可靠且多反应器兼容的监测控制方案，降低了智能生物制造系统的经济门槛，推动了开源硬件在光合生物技术领域的应用。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下主要关键技术：基于树莓派4和Arduino兼容板的分布式软件架构，用于协调传感、驱动、数据采集和用户交互；比例-积分-微分（PID）控制策略用于维持关键过程变量在设定范围内；信号调理技术用于适配不同类型传感器的输出信号（包括4-20 mA电流信号、RS232串行信号和数字信号）；脉宽调制（PWM）技术用于LED照明控制，支持连续光、方波和正弦波三种光波形模式；光密度测量使用Tecan酶标仪（Infinity M plex）在680 nm波长下进行；统计分析方法包括Welch t检验和Mann-Whitney U检验。样本队列来源为雨生红球藻CCAP 34/13菌株。

**四、研究结果**

**传感器验证结果：** 通过将 Alg-flex 的 pH 传感器与 Mettler Toledo LE409 台式参比探针在操作范围内（约 pH 7.7-9.5）进行对比验证，计算相对测量误差。结果显示 pH 传感器中位相对误差为 1.05%，上四分位数为 3.21%，下四分位数为 -1.22%。温度传感器在 22-24°C 范围内（n=10）的中位相对误差为 0.81%，上四分位数为 2.7%，下四分位数为 -0.62%。两项验证均表明传感器精度满足实验要求。

**生物培养实验结果：** 使用 Alg-flex 系统在鼓泡柱光生物反应器中培养雨生红球藻（*H. lacustris*）12 天，以 OD₆₈₀ 作为细胞浓度指标。反应器培养物最终 OD₆₈₀ 为 0.40 ± 0.09，而摇瓶培养物为 0.19 ± 0.09，前者约为后者的两倍，差异具有统计学显著性（Welch t检验 p = 0.0381；Mann-Whitney U检验 p = 0.0333）。值得注意的是，反应器培养物在实验后期从绿色逐渐变为黄色，而摇瓶培养物保持绿色，提示不同培养环境可能影响细胞生理状态。培养过程中 pH 从 8.27 逐渐上升至 9.01，温度和 DO 信号呈现与光暗周期同频率的振荡。

**成本对比结果：** 通过市场调查获得六家商业供应商（包括 Sartorius、GPC、Synoxis Algae、Kbiotech、KIA 和 Laboao）的报价，商业光生物反应器平均成本为 45,850 美元（标准差 22,674 美元）。Alg-flex 硬件成本仅 1,834 美元，约为商业设备平均价格的 4%。与 Kbiotech 商业型号（38,900 美元）的功能对比显示，Alg-flex 提供了类似的监测和控制选项，包括 pH、温度、DO、液位、CO₂ 监测以及 LED 光照控制，但成本显著降低。

**能耗评估结果：** Alg-flex 系统总功耗范围从 9.507 W（仅树莓派和传感器模块）到 119.5 W（最大光照强度），对应的最大比能耗为 0.032 kWh L^-1。在 12 天培养实验中，总能耗为 14.09 kWh，平均比能耗为 0.0134 kWh L^-1 h^-1，显著低于文献报道的 0.124 kWh L^-1。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，Alg-flex 系统的模块化开源设计便于组件更换、系统定制和未来升级，减少了对专有组件和供应商技术支持的依赖。系统支持 FAIR 数据管理原则，数据以标准 CSV 格式导出，便于共享和复用。与现有的开源光生物反应器相比，Alg-flex 是首个同时整合传感、监测和控制功能的平台。研究还指出，反应器培养与摇瓶培养的生长差异表明反应器设计和控制对微藻培养系统开发具有重要意义。由于两种培养系统在多个操作条件上存在差异，观察到的差异不能具体归因于 Alg-flex 平台或任何单一受控参数。

研究结论翻译如下：精密光合作用能够更快地实现微生物驱动技术在成功生物制造中的应用。构建用于监测和控制生物变量（如 pH 和温度）的生物反应器对于使生物技术过程具有竞争力至关重要。研究人员开发了 Alg-flex，一种使用经济实惠、广泛可用的硬件的高精度监测和控制系统。Alg-flex 包含 pH、温度、液位、DO 和 CO₂ 传感器，以及自适应光调制系统。Alg-flex 的开发和实施成本为 1834 美元，并产生了可靠的测量结果。该平台展示了准确的 pH 和温度测量，与台式参比仪器相比，中位相对误差低于 1.5%。其余传感通道已成功集成用于连续监测，但需要在未来工作中进行额外的定量验证。在测试条件下，反应器中的雨生红球藻培养物的光密度约为摇瓶培养物的两倍，最终光密度差异显著（p = 0.0333）。这种自动化和实时监测可能有助于降低实施智能生物制造系统相关的经济障碍。总体而言，Alg-flex 为受控微藻培养提供了一个模块化和可移植的平台，可以方便地复制和定制。其可扩展架构也为未来的多反应器配置和平行实验奠定了基础，在光驱动生物生产的高通量研究中具有潜在应用价值。未来工作将包括三点 pH 校准以提高测量精度，以及通过自动 CO₂ 计量、实时 DO 反馈和基于机器学习的预测器实现闭环 pH 控制，这些发展将支持 Alg-flex 向更自主的可持续生物制造平台演进。