fotosynthese practicafotosynthese practica

Voorbereiding0. Doelstelling, Organisatie en Planning

Uitvoering1. Energiebindende eigenschappen van

fotosynthetische pigmenten

2. Fotosynthese optimalisatie bij de algChlorella sorokiniana

3. Lemnaceae in gesloten/openkas

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0. Doelstelling, Organisatie en Planning0. Doelstelling, Organisatie en Planning

0. Doornemen van de praktische opdrachten. Doelen vaststellen.

Algemeen:1. Aantal deelnemende leerlingen vaststellen.2. Wie begeleidt en ondersteunt de module (docent(en) en TOA).3. Fasering van de moduleonderdelen plannen en4. Individuele leerlingplanning maken, rekening houdend met (jaar)rooster.

Praktisch:5. Diepgang van praktische uitvoering.6. Benodigde materialen vaststellen, Investering?7. Locatie voor de vaste opstellingen.8. Bestellingen plegen.9. Opstellingen bouwen en testen.10.Voorkweek Chlorella en Lemna inzetten.

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.0 Doornemen van de praktische opdrachten. Doelen vaststellen.0.0 Doornemen van de praktische opdrachten. Doelen vaststellen.

Schoolafhankelijk.

Algemeen:1. Aantal deelnemende leerlingen vaststellen.2. Wie begeleid en ondersteund de module (docent(en) en TOA).

Afhankelijk van de mogelijkheden binnen school worden doelen (voorde leerlingen en docenten vastgesteld. Deze bepalen de praktischehaalbaarheid en invulling van de module.

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.3a Fasering0.3a Fasering

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

Aantal contact uren: Onderwerp: Onderwerp: Aantal contacturen:Inleiding in de vliegtuigreis context

(Vliegtuig en CO2 uitstoot)Fysisch/chemische inleiding

(straling/fotonen/lichtabsorptie etc)Fotosynthese theorie Inleiding Algenreactor

(chloroplasten, stroma/lumen, (Uitleg opbouw reactor, steady state flow)thylakoïden, LHC, FSII, FSI, Z-schema, Chromatografie experiment

ATP/NADPH productie, CO2 fixatie) (scheiding van pigmenten mbv aceton)Diagnostische toets Meet en regelteschniek IPCoach

(toetsing kennis van fotosynthese) (uitleg van IPCoach)Modelleren groei Algen groei experiment

(groeimodellen, S-curve, exp groei) (bestudeer groei van algen oivverschillende variabelen) (roulatie systeem)

Inleiding in de energie context(compenseren voor CO2 uitstoot, kas draait op gas, plantengroei = voedsel)

Ontwerpen efficiënte kas(zelf nadenken wat is belangrijk in energie besparing en dit koppelen aan ontwerp)

Fysica van warmte en stroming(warmte, warmtewisseling, soortelijke Testen/demonstreren zelfbouwkas

warmte, stroming) (bepaling effieciëntie van de zelfbouwkas,Diagnostische toets testen invloed verschillende variabelen op

(toetsing kennis van benodigde fysica) groei eendekroos)

3 Totaal 26 contacturen

3

Afsluiting module(Dit kan dmv een casus waarin zowel fotosynthese als

energie-efficiëntie gecombineerd worden)

2

1

2

1

11

1 2

Praktisch

1

1

2

2

3

Theoretisch

0.3b Fasering0.3b Fasering

• ‘Chlorella’ opdracht in tweetallen(de volgende groep kijkt mee op dag 2 met de uitvoerende groep)

• ‘Lemna’ opdracht in groep of klassikaal verband

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.5a Diepgang0.5a 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)

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.5b Diepgang0.5b Diepgang

Organisme

Nutriënten

Licht (W/m2)

pH / CO2

Geleidbaarheid (µS/cm)

Temperatuur (°C)

?

Onderzoeksopstelling gefaseerd bouwen, testen en introduceren bij leerlingen

0.6a Materialen0.6a Materialen

In de schriftelijke handleiding behorend bij deze module is eenmaterialen- en chemicaliënlijst ter ondersteuning opgenomen.

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.6b Chemicaliën kweekmedium ‘0.6b Chemicaliën kweekmedium ‘Lemna Lemna && Chlorella Chlorella’’

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.8 Bestellingen0.8 Bestellingen

Minimaal 5 weken voor aanvang van de practica.

Nadat de uit te voeren practica zijn vastgesteld en de diepgang van deonderzoeken is bepaald dienen bestellingen van benodigde materialenplaats te vinden.

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.9 Opstelling(en) bouwen en testen0.9 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-opstellingDoe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

0.10 Voorkweek0.10 Voorkweek

erlenmeyer(met vette wattenprop)

alg of eendekroos

kweekmedium(200 ml, volgens protocol)

Doe

lste

lling

, O

rgan

isat

ie e

n P

lann

ing

Ene

rgie

bind

ende

eig

ensc

happ

en v

an f

otos

ynth

etis

che

pigm

ente

n

demonstratie’s in de klas

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2. Fotosynthese (optimalisatie) bij de alg 2. Fotosynthese (optimalisatie) bij de alg Chlorella sorokinianaChlorella sorokiniana(effecten van o.a. lichtenergie en CO2 op fotosynthese)

1. Hypothese, Model

2. Chlorella batch- en/ofchemostaat cultuur

3. Doseersysteem

4. IP Coach

5. Lichtenergie

6. Analyse

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.1 2.1 Hypothese Hypothese (algemeen)(algemeen)

De factor* (benoem) heeft onder de gegeven De factor* (benoem) heeft onder de gegeven omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de fotosynthese (vorming van biomassa).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.

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.2a2.2a batch cultuur batch cultuur

Kweekfles

Opening voor electroden,sensoren, medium engassen in/afvoer

kweekmedium

Chl

orel

la s

orok

inia

na

het te analyseren verschilis het effect van één verschil in

kweekomstandigheden

1

kweek-fles, -vat of –kas

+

medium

+

organisme

2.2a2.2a batch cultuur batch cultuur

2

kweek-fles, -vat of –kas

+

medium

+

organisme

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.2b2.2b ChemostaatChemostaat

Kweekmedium(gecontroleerde invoer, ml/minuut)

Opening voor electroden,sensoren, gassen enmedium invoer

medium- & gasafvoer(kweekflesvolume afhankelijk: 200, 300 of 400 ml enz.)

kweekfles

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)

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.2c2.2c Chemostaat, opstellingChemostaat, opstelling

medium voorraad (1L) met druppelaar

aquariumpomp (met flowmeter)

kweekfles met ledbelichting

computer (software IP Coach5)(niet afgebeeld)

Interface (CoachlabII)gekoppelde sensoren/electrodengekoppelde actuatoren(niet afgebeeld)

CO2 gasfles/reduceerventiel, electrische gasklep en flowmeter(niet afgebeeld)

medium afvalfles (2L) (niet afgebeeld)

Chl

orel

la s

orok

inia

na

↑medium voorraadvat

druppelaar:volume per minuut afstellen(25 tot 50 µl / druppel)

siliconenslang

slangklem

↓kweekfles medium invoer

2.3a Doseersysteem, druppelaar2.3a Doseersysteem, druppelaar

zwaa

rtek

rach

t

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.3b Doseersysteem, D(illution) – waarde berekening2.3b Doseersysteem, D(illution) – waarde berekening

CO2 invoer met spargerpH electrode

medium invoertemperatuur sensor

lucht invoerkweekmedium

kweekfles

300---200---100---

2.3c 2.3c ChemostaatChemostaat

Chl

orel

la s

orok

inia

na

De limonadefles kan niet met dopgesloten te worden.Het betreft een open chemostaat(Het is géén steriele kweek)

2.4a IP Coach2.4a IP Coach

Chl

orel

la s

orok

inia

na

IPCoachmeet en regeltechniek‘sturen’

software

interface

2.4b Meet en regeltechniek, 2.4b Meet en regeltechniek, ‘regellus(sen)’

Benodigdheden:(naast kweekfles, -vat of kas)

1. sensor of een electrode (: functie)

2. actuatoren: parameter(s) ofwel variabele(n)

3. meet- en regelapparatuur

temperatuursensor

verwarming- en/of koelsysteem

interface en eencomputer met interface-software

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.4c pH ‘CO2.4c pH ‘CO22 gereguleerd’ gereguleerd’

pH >7 is dodelijk voor de algpH >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↑ enconsumptie door de alg (HCO3‾ → CO2↑ + OH‾ ). Dezealkalisering wordt geneutraliseerd door de Na2HCO3 enonvoldoende neutralisatie door de aparte injectie vanmicro-gasbellen CO2↑ in het medium.

Door de CO2↑ toevoer aan de pH regulatie te hangen meteen magneetventiel kan de pH regulatie vollediggeautomatiseerd verlopen via IPCoach/CoachlabII

Gasverdeling door het medium m.b.v. aquariumluchtsteenof (uitkookbare) rvs sparger

Ma

gn

ee

tve

ntie

l(I

PC

oa

ch g

est

uu

rd)

Re

du

cee

rve

ntie

l

CO

2 g

asf

les

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.4d pH ‘IPCoach sturing’ 2.4d pH ‘IPCoach sturing’

Programmeren in IPCoach: (pH controle)

HerhaalAls Meetwaarde (1 pH sensor) > 7 DanZet Aan (A1 relais/magneetventiel CO2)EindAlsAls Meetwaarde (1 pH sensor) < 7 DanZet Uit (A1 relais/magneetventiel CO2)EindAlsTotdat <ESC>

http://www.science.uva.nl/institutes/cma/indexNL.html

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.5 Lichtenergie2.5 Lichtenergie

- 4 x diode verlichting- 7000 lux (gemeten)-8 W/m2 (gemeten)

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.6 2.6 AnalyseAnalyseOptische Dichtheid (OD) als afgeleide van fotosynthese (biomassa toename)

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.6 2.6 AnalyseAnalyseOptische Dichtheid (OD) als afgeleide van fotosynthese (biomassa toename)

Chl

orel

la s

orok

inia

na

Chlorella sorokoniana per ml bij E470

010

2030

4050

6070

8090

100

-0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

Miljo

en

en

Extinctie 470

Ch

lore

lla s

. p

er m

l

telkamerraster

Lem

nace

ae

3.3. Lemnaceae Lemnaceae in gesloten of open kas in gesloten of open kas(effecten van o.a. lichtenergie en temperatuur op de fotosynthese)

1. Hypothese

2. Kas (open / gesloten)

3. Warmtewisselaar

4. IP Coach

5. Analyse

Lem

nace

ae

Lem

nace

ae

3.1 3.1 Hypothese Hypothese (algemeen)(algemeen)

De factor* (benoem) heeft onder de gegeven De factor* (benoem) heeft onder de gegeven omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de omstandigheden** een positieve/negatieve invloed op de fotosynthese (vorming van biomassa).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.

3.2 Kas (open / gesloten)3.2 Kas (open / gesloten)Lichtenergie (kWh IN)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

Lem

nace

ae

Kas (open / gesloten met Lemna)Kas (open / gesloten met Lemna)

opties:- ventilatie?- lucht / CO2 afvoer / invoer?- geleidbaarheid?IPcoach

pH elektrode(IP coach) kweekmedium

kweekmedium Samenstelling?

Lem

nace

ae

TemperatuurcontroleTemperatuursensor (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 →

Te

mp

era

tuu

rre

gis

tra

tie m

et

tem

pe

ratu

urs

en

sor

(2)

om

ge

vin

g k

as

LichtenergieLichtsensor 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

3.3a Temperatuur regeling3.3a Temperatuur regeling

IP Coach sturingHet programma Coach en deCoachlabII interface meten re regelende temperatuur in de kweekkas.(de temperatuur sensor registreert de temperatuur op een representatieve plaats in de kweekkas)

Koelingkaswarmte wordt afgegeven aan een inhet water gelijkmatig verspreid gelegensiliconenslang. Deze slag is gekoppeldaan een koelunit (zoiets als eenpc-cooler, met radiator / fan en pomp).Het systeem wordt IPCoach gestuurd.

Verwarming(een geïsoleerde verwarmingskabel wordt m.b.v. een relaisschakelingaan of uit gezet gestuurd )

Lem

nace

ae

3.4b Meet en regeltechniek, 3.4b Meet en regeltechniek, ‘regellus(sen)’

Benodigdheden:(naast kweekfles, -vat of kas)

1. sensor of een electrode (: functie)

2. actuatoren (: parameter(s) ofwel variabelen)

3. meet- en regelapparatuur

temperatuursensor

verwarming- en/of koelsysteem

interface en eencomputer met interface-software

Lem

nace

ae

3.4a IP Coach3.4a IP Coach

IPCoachmeet en regeltechniek‘sturen’

software

interface

Lem

nace

ae

2.4d pH ‘IPCoach sturing’ 2.4d pH ‘IPCoach sturing’

Programmeren in IPCoach: (Koeling)

http://www.science.uva.nl/institutes/cma/indexNL.html

Chl

orel

la s

orok

inia

na

2.4d pH ‘IPCoach sturing’ 2.4d pH ‘IPCoach sturing’

Chl

orel

la s

orok

inia

na

temperatuur buiten de kas temperatuur binnen de kas

lichtmetingen buiten de kas lichtmeting binnen de kas

relais koelsysteem

relais verwarmingssysteem

3.5 Analyse fotosynthese aktiviteit (toename biomassa)3.5 Analyse fotosynthese aktiviteit (toename biomassa)digitale (pixel) bladoppervlakteanalyse (kweekzones kas)

Lem

nace

ae

Bsurface.exe

4. Links4. Links