Construcción y configuración de un biorreactor fotosintético de algas a escala de banco con control de temperatura, luz y pH para pruebas de crecimiento cinético

Este artículo describe el proceso de ensamblaje y operación de un biorreactor fotosintético a escala de laboratorio que puede usarse, junto con otros métodos, para estimar parámetros de crecimiento cinético pertinentes. Este sistema monitorea continuamente el pH, la luz y la temperatura usando sensores, una unidad de adquisición y control de datos y software de adquisición de datos de fuente abierta.

El objetivo general de este procedimiento es ensamblar un biorreactor fotosintético a escala de banco con luz, pH y temperatura continuos, monitoreando para experimentos de crecimiento de algas. Por lo tanto, cuantificar el crecimiento de las algas mediante una configuración monitoreada y controlada permite a los investigadores evaluar mejor el crecimiento de las algas. Lo que puede ayudar a responder preguntas clave para hacer realidad los biocombustibles a base de algas.

La principal ventaja de este enfoque es que es una configuración personalizable y potencialmente más asequible, para monitorear experimentos de crecimiento de algas en tiempo real. Quisimos desarrollar este tipo de biorreactor fotosintético cuando nos dimos cuenta de la importancia de mantener el control dentro del cultivo dinámico y el entorno de las algas. La demostración regional de este método es fundamental, ya que muchos de los pasos son difíciles de aprender si no está familiarizado con la terminología y las prácticas de ingeniería eléctrica.

Para comenzar este procedimiento, construya un PBR a escala de banco. Determine el tamaño, la forma y el diseño del cuerpo y la tapa del PBR, como se describe en el protocolo de texto. Usando un cable transmisor, conecte el amplificador de ganancia unitaria a la sonda de pH.

Luego, levante el adaptador coaxial, que tiene terminales de puerto positivo y negativo. Conecte el adaptador al otro extremo del amplificador de ganancia unitaria. Para hacer un filtro de paso bajo, use pelacables para cortar dos piezas de 15 centímetros de cable conector verde y una pieza de 30 centímetros de cable conector negro.

Pele aproximadamente 0,6 centímetros de aislamiento de un extremo de cada uno de los cables verdes y de ambos extremos del cable negro. A continuación, pela aproximadamente 1,25 centímetros del otro extremo de los cables verdes. Con cuidado, envuelva una pata de la resistencia de 1000 ohmios alrededor de la sección pelada de 1,25 centímetros de uno de los cables del conector verde.

Envuelva la otra pata de la resistencia alrededor de la sección pelada de 1,25 centímetros del otro cable verde. Con un soldador y soldadura sin plomo, suelde las patas de la resistencia al cable. Deje que la soldadura se enfríe durante dos a cinco minutos.

Después de esto, cubra la resistencia y el cable soldado con una pieza de tubo termorretráctil de cuatro centímetros. Con una pistola de calor, retráctil con calor el tubo, asegurándose de que el plástico se envuelva firmemente alrededor de la resistencia y los cables. A continuación, asegure un extremo del cable conector negro al borne negativo del adaptador coaxial.

Inserte el otro extremo del cable en uno de los terminales de tierra de la unidad de control y adquisición de datos. Conecte un extremo del cable del conector verde al borne positivo del adaptador coaxial. A continuación, inserte el otro extremo en un terminal de entrada analógica libre de la unidad de adquisición y control de datos.

Inserte el cable positivo del condensador de 1000 microfaradios en el mismo terminal de entrada analógica. Asegure el cable negativo del condensador al mismo terminal de tierra que se usa para el cable conector negro. Después de esto, conecte el sensor de temperatura a la unidad de control y adquisición de datos, como se describe en el protocolo de texto.

Después de configurar la adquisición de datos en vivo y el archivo experimental, inserte el electrodo de pH y la sonda de temperatura en el tampón de calibración de pH siete. Confirme que la solución esté a la temperatura deseada, como se describe en el protocolo de texto. Una vez que la salida de voltaje del electrodo de pH se haya estabilizado, registre la temperatura y los datos eléctricos de pH en un archivo.

Asegúrese de que no se hayan aplicado conversiones al canal de pH y que el promedio del canal esté desactivado. Repita la calibración para los tampones cuatro y 10. Genere una ecuación de conversión, como se describe en el protocolo de texto, y actualice esta ecuación en el archivo experimental.

A continuación, aplique esta conversión de pH al canal de pH. Después de preparar el inóculo de algas y el medio de crecimiento, configure el PBR en preparación para el experimento. Pase el cable del sensor de luz a través del puerto de la tapa.

A continuación, monte el cabezal del sensor de luz en el soporte de extensión de la tapa PBR. Luego, use un tapón de goma para sellar el puerto de la tapa. Coloque el eje del impulsor sobre el eje del mini motor de engranajes de CC, dentro de la tapa PBR, y asegure el eje con un tornillo de fijación y una llave Allen.

Agregue el medio de crecimiento específico de algas preparado. Después de esto, coloque la tapa en el PBR y asegúrela con tornillos. Colocar en una incubadora a 25 grados centígrados.

Inserte la sonda de temperatura en su puerto designado, asegurándola con un tapón de goma. A continuación, fije la sonda de pH en el soporte roscado PG 13.5 de la tapa del reactor. Asegúrese de que el sensor de luz esté conectado a la unidad de control y adquisición de datos, con un filtro de paso bajo, como se describe en el protocolo de texto.

A continuación, encienda el impulsor del mezclador a la velocidad deseada. Configure la fuente de alimentación de CC variable, junto al PBR. Encienda la fuente de alimentación y ajuste el voltaje, hasta que el valor del voltaje sea cero voltios.

Después de esto, apague la fuente de alimentación. Conecte las líneas de alimentación del motor del impulsor a los terminales de salida positivo y negativo de la fuente de alimentación variable. Encienda la fuente de alimentación y aumente lentamente el voltaje hasta alcanzar la velocidad de mezcla deseada.

A continuación, centra la lámpara de cultivo a lo largo de la cara frontal del PBR, asegurándote de que la trayectoria de la luz esté orientada hacia el sensor de luz. Encienda la lámpara de cultivo y ajuste la intensidad de la luz según sea necesario, acercándola o alejándola del reactor. Supervise y registre los datos del sensor durante seis a 24 horas, como se describe en el protocolo de texto.

Después de esto, use una pipeta de transferencia para agregar inóculo de algas a través del puerto de muestreo. Después de monitorear las condiciones, para asegurarse de que permanezcan dentro del rango, use una pipeta para extraer los cultivos para su análisis, según sea necesario, a través del puerto de muestreo. Con la pantalla de datos, controle la temperatura del agua.

Ajuste manualmente el punto de ajuste de la temperatura del aire de la incubadora para mantener constante la temperatura del agua. El pH se controla con una válvula solenoide de 12 voltios, en línea con un tanque de CO2 al 99%. La válvula se abre a través de la unidad de adquisición y control de datos.

En este estudio se construye un biorreactor fotosintético para monitorear y controlar experimentos de crecimiento cinético de algas a escala de laboratorio. Los datos de temperatura logarítmica demuestran cómo la iluminación de la luz, la temperatura del aire de la incubadora y la disipación de energía asociada con el crecimiento de algas pueden cambiar la temperatura dentro del biorreactor. Estos datos en tiempo real se utilizan para ajustar los controles de la incubadora, según sea necesario, para controlar la dinámica, la cultura y el entorno.

La luz medida enfatiza aún más la naturaleza dinámica de este entorno en crecimiento. Si bien la lectura del sensor de luz es de aproximadamente 100 PPFD, antes de las algas, baja inmediatamente a 85, después de que se inocula el reactor. La luz continúa disminuyendo, alcanzando menos de cinco PPFD, en el séptimo día.

La disminución de la intensidad de la luz puede deberse al aumento de la biomasa y del recuento de células, o al aumento de la absorción, debido al aumento del contenido de clorofila. En cualquiera de los dos escenarios, esto demuestra que las algas siguen activas hasta el séptimo día, a pesar de los bajos niveles de luz. Los datos registrados continuamente muestran que, en general, el pH se controla adecuadamente, utilizando el algoritmo de control implementado.

Si bien se espera un aumento del pH inmediatamente después de inocular el PBR con algas, el sistema lo controla rápidamente. Sin embargo, los datos en vivo ponen de manifiesto la sensibilidad de los electrodos de pH al ruido eléctrico externo, que puede dar lugar a valores atípicos extremos y potencialmente interrumpir los sistemas de control. Aunque este método se implementa para un PBR de algas, estas técnicas de monitoreo en vivo también se pueden aplicar a otros reactores microbianos que requieren monitoreo de pH o temperatura.

Una vez que se construye el PBR y se completa la adquisición de datos, uno debería poder configurar un PBR para el monitoreo en vivo del experimento en una o dos horas. Al intentar este procedimiento, es importante recordar leer y comprender los principios de medición, el funcionamiento de los sensores y validar las mediciones con otros dispositivos portátiles. Para seguir este procedimiento, se pueden agregar otras mejoras, como el control de pH automatizado, a su configuración de PBR.

Estas instrucciones proporcionan una base para el marco de adquisición de datos, necesario antes de implementar estas retroalimentaciones de control más sofisticadas. No olvide que trabajar con electricidad, iones de fluoruro y silicona acrílica puede ser extremadamente peligroso. Por lo tanto, siempre se deben tomar precauciones.

Después de ver este video, debería poder ensamblar y configurar un PBR a escala de sobremesa para el monitoreo de pH, temperatura y luz en vivo.