Name: 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 (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 8 s
Description: Aprende a construir un biorreactor fotosintético de algas a escala de banco con monitoreo continuo de pH, luz y temperatura. Este método permite cuantificar la cinética de crecimiento algal en tiempo real para investigaciones en biocombustibles.

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Los autores reconocen a la Fundación Nacional de Ciencias Fronteras Emergentes en Investigación e Innovación (Premio # 1332341) por financiar esta investigación. Los autores también desean agradecer al Dr. Andrew Grieshop, así como a las comunidades de apoyo en línea de LabJack y DAQFactory por su asistencia y ayuda ofrecidas a lo largo de este proceso.

<ol><li>EPA Office of Transportation and Air Quality. Renewable Fuel Standard Program. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.epa.gov/OTAQ/fuels/renewablefuels/">http://www.epa.gov/OTAQ/fuels/renewablefuels/</a> (2013).</li>
<li>Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Algae+biodiesel+has+potential+despite+inconclusive+results+to+date%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Algae biodiesel has potential despite inconclusive results to date.</a> Bioresour. Technol. 104, 803-806 (2012).</li>
<li>Chisti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biodiesel+from+microalgae%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Adv%22%5BJournal%5D)">Biodiesel from microalgae.</a> Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).</li>
<li>Lardon, L., Hélias, A., Sialve, B., Steyer, J. -P., Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Life-cycle+assessment+of+biodiesel+production+from+microalgae%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Life-cycle assessment of biodiesel production from microalgae.</a> Environ. Sci. Technol. 43 (17), 6475-6481 (2009).</li>
<li>Henry, W. <a target="_blank" href="https://www.jstor.org/stable/107068">Experiments on the Quantity of Gases Absorbed by Water, at Different Temperatures, and under Different Pressures.</a> Philos. Trans. R. Soc. London. 93 (1803), 29(1803).</li>
<li>Wang, X., Hao, C., Zhang, F., Feng, C., Yang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inhibition+of+the+growth+of+two+blue-green+algae+species+%28Microsystis+aruginosa+and+Anabaena+spiroides%29+by+acidification+treatments+using+carbon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Inhibition of the growth of two blue-green algae species (Microsystis aruginosa and Anabaena spiroides) by acidification treatments using carbon dioxide.</a> Bioresour. Technol. 102 (10), 5742-5748 (2011).</li>
<li>Juneja, A., Ceballos, R. M., Murthy, G. S. <a target="_blank" href="http://www.mdpi.com/1996-1073/6/9/4607">Effects of Environmental Factors and Nutrient Availability on the Biochemical Composition of Algae for Biofuels Production: A Review.</a> Energies. 6 (9), 4607-4638 (2013).</li>
<li>Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959152411001533">Hurdles and challenges for modelling and control of microalgae for CO 2 mitigation and biofuel production.</a> J. Process Control. 21 (10), 1378-1389 (2011).</li>
<li>Guest, J. S., van Loosdrecht, M. C. M., Skerlos, S. J., Love, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lumped+Pathway+Metabolic+Model+of+Organic+Carbon+Accumulation+and+Mobilization+by+the+Alga+Chlamydomonas+reinhardtii%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Lumped Pathway Metabolic Model of Organic Carbon Accumulation and Mobilization by the Alga Chlamydomonas reinhardtii.</a> Environ. Sci. Technol. 47 (7), 3258-3267 (2013).</li>
<li>Packer, A., Li, Y., Andersen, T., Hu, Q., Kuang, Y., Sommerfeld, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+and+neutral+lipid+synthesis+in+green+microalgae%3A+A+mathematical+model%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresour.+Technol%22%5BJournal%5D)">Growth and neutral lipid synthesis in green microalgae: A mathematical model.</a> Bioresour. Technol. 102 (1), 111-117 (2011).</li>
<li>Oren, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hundred+years+of+Dunaliella+research%3A+1905-2005%5BTitle%5D)+AND+%22Saline+Systems%22%5BJournal%5D)">A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005.</a> Saline Systems. 1, 2(2005).</li>
<li>Hach Company. What is pH and How is it Measured?. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984488">http://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984488</a> (2010).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Este sistema PBR ofrece la capacidad de monitorear y controlar los experimentos de crecimiento cinético de algas a escala de banco, permitiendo resultados más repetibles a partir de ensayos experimentales usados ​​para cuantificar el crecimiento. Sin embargo, una comprensión de las limitaciones e incertidumbres de las mediciones del sensor es crítica para asegurar que las lecturas del sensor reflejen con precisión las condiciones del reactor. Esta comprensión incluye el conocimiento básico de los principios de medición involucrados con los sensores, el proceso y la frecuencia de calibración, la incertidumbre de medición y lo que el sensor puede y no puede medir. Por ejemplo, la respuesta eléctrica para el sensor de luz descrito aquí no está distribuida equitativamente a través del espectro visible, y pueden ser necesarios ciertos factores de corrección a la salida del sensor, dependiendo de cómo se analizarán estos datos del sensor. Los niveles de temperatura y las variaciones también son extremadamente importantes, ya que los cambios de temperaturaLa respuesta del sensor. La comprensión de las interferencias potenciales que pueden afectar las lecturas del sensor también es de importancia crítica; Esta interferencia puede ser el ruido eléctrico ambiental del edificio o podría provenir del entorno de medición ( por ejemplo, los iones de sodio pueden afectar drásticamente las lecturas de pH a valores de pH superiores a 10) 12 . Además, sumergir múltiples sondas en una solución, especialmente una solución de sal altamente iónica y conductora, es también una fuente potencial de interferencia. Los electrodos que miden el pH (o fuerza iónica, oxígeno disuelto, CO 2 disuelto, etc. ) son especialmente sensibles al ruido eléctrico ambiental y pueden ser fácilmente perturbados. El acondicionamiento de la señal utilizado para proteger la señal del electrodo no puede garantizar que otros factores no interfieran con las lecturas de la sonda. Como parte del control de calidad, se debe utilizar otro equipo de laboratorio, como una sonda de pH portátil, un espectrómetro de mano y un termómetro, para verificarLas lecturas del sensor y para asegurarse de que el sistema está configurado y funcionando correctamente. Otra limitación que debe abordarse es el posible impacto de las algas y / o el entorno de cultivo en los sensores. Por ejemplo, si los restos de algas o las burbujas cubren el receptor del fotodiodo del sensor de luz, las lecturas serán afectadas. Del mismo modo, los electrodos de pH son extremadamente sensibles y requieren un cuidado extra para garantizar lecturas precisas. Estos electrodos funcionan midiendo una diferencia de voltaje a través de una unión interna debido a la acumulación de iones H + ; Se requiere una capa amortiguadora hidratada dentro de la sonda para mantener mediciones precisas 12 . Dependiendo de las condiciones dentro del reactor, esta capa se desgastará, y la respuesta del sensor puede cambiar durante el curso del experimento mientras la sonda está sumergida. En ensayos preliminares, la salida de voltaje de pH no se desplazó en más de ~ 0,2 unidades de pH durante el transcurso de un experimento de 20 días, Pero se deben realizar más evaluaciones para caracterizar este cambio en la respuesta del sensor y establecer tiempos máximos de ejecución experimental, especialmente si se necesitan ajustes / cuantificaciones de pH fino. Muchos de los actuales sistemas de PBR diseñados para analizar el crecimiento de las algas no monitorean y controlan el ambiente de cultivo interno tan fuertemente como sea necesario para discernir cómo influyen los diferentes factores en el crecimiento de las algas, ya que establecer sistemas de esta manera puede ser un desafío. Este protocolo puede ayudar a facilitar más experimentos controlados dando instrucciones paso a paso para construir un PBR con monitoreo en tiempo real. Además, estos datos vivos pueden utilizarse no sólo para un mejor control de las condiciones experimentales, sino que pueden utilizarse para estimar la cinética de crecimiento ( por ejemplo, lecturas de densidad óptica como referencia para las tasas de crecimiento generales). Los sistemas experimentales controlados pueden ayudar a que la investigación de algas sea más reproducible. PBR de escala de bancoLos etups que son monitoreados y controlados pueden aumentar la eficiencia experimental minimizando artefactos no deseados en el diseño experimental y pueden ayudar a avanzar los esfuerzos para hacer de los biocombustibles de algas una fuente de combustible sostenible y alternativa.

Debido a las crecientes preocupaciones sobre el cambio climático global y los recursos finitos de combustibles fósiles, los gobiernos han estado desarrollando políticas para reducir el consumo de combustibles fósiles y alentar el desarrollo de nuevos combustibles de transporte sostenibles. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha desarrollado el Estándar de Combustible Renovable (RFS), el cual requiere que 36 de los 140 billones de galones anuales de mezcla de combustible de transporte provengan de fuentes de combustible renovable para el 2022. Tecnologías innovadoras y transformacionales serán necesarias para cumplir estos y Normas futuras de energía renovable 1 . El uso de biocombustibles basados ​​en microalgas tiene el potencial de ayudar a cumplir con la RFS nacional, al tiempo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero 2 . Los biocombustibles basados ​​en microalgas tienen varias ventajas en comparación con los biocombustibles de primera generación basados ​​en cultivos terrestres, como el maíz y la soja. A diferencia de los biocombustibles de primera generación, las algas-bComo los biocombustibles consumen menos tierra, agua y recursos relacionados con los alimentos, ya que las algas pueden ser cultivadas durante todo el año y en tierras estériles usando agua salada o aguas residuales. Las microalgas tienen altas tasas de crecimiento en comparación con los cultivos terrestres y pueden acumular altos niveles de lípidos, que pueden convertirse fácilmente en biodiesel 3 . Actualmente, no existen plantas de algas a biocombustibles a escala industrial debido a los altos costos de los procesos de producción intensivos en energía, que consisten en cultivo de algas, separación de lípidos y refinación de lípidos en biodiesel. Se necesita más investigación para hacer estos procesos más eficientes y sostenibles. PBRs, que son ópticamente claras, las instalaciones cerradas para la producción de microorganismos fototróficos en un entorno artificial, se consideran uno de los métodos de cultivo más prometedores 3 . Sin embargo, los diseños actuales todavía carecen de la productividad volumétrica necesaria para hacer el proceso de producción de algas a biocombustiblesMás eficiente y económicamente atractiva 4 . Poderosos modelos matemáticos que consideran la irradiancia y atenuación de la luz, el transporte de nutrientes y el CO 2 , y el crecimiento de las microalgas pueden facilitar en gran medida la optimización del diseño y la operación del PBR. Se requieren experimentos de crecimiento a escala de banco para determinar los parámetros de crecimiento específicos de cada especie para estos modelos de optimización. Las pruebas cinéticas requieren un cuidadoso monitoreo y control de las configuraciones experimentales para prevenir inhibidores no deseados del crecimiento. Dada la naturaleza fotosintética de las algas ( es decir, su consumo de CO 2 y absorción de luz), el mantenimiento de condiciones controladas es especialmente difícil en los PBR de escala de banco. Como se representa en la Ecuación 1 , la cantidad de CO2 disuelto en el medio de crecimiento, comúnmente designado como <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Ecuación 2 ), será, como mínimo, unFunción de: 1) la presión parcial de CO 2 y la constante de equilibrio de Henry, que dicta la cantidad de gas que se disolverá en solución ( Ecuación 3 ); 2) la composición química inicial del medio de crecimiento, que afecta la especiación y la actividad de los iones carbonato y el pH ( Ecuaciones 4 y 5 ); Y 3) la temperatura, que afecta a las ecuaciones 3-5 5 . <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Ecuación" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> Las diversas fases y la especiación química del carbono crean un reto para medir y mantener una concentración consistente de carbono disuelto dentro de un PBR queManteniendo otras condiciones constantes ( por ejemplo, el pH aumenta a medida que las algas consumen CO 2 , y el aumento del sustrato de CO 2 disuelto puede conducir a un ambiente ácido que inhibe el crecimiento) 6 . Una capa adicional de complejidad para controlar las condiciones durante las pruebas cinéticas de las algas implica la intensidad de la luz dentro del PBR. La intensidad luminosa promedio dentro de un PBR es una función no sólo de la intensidad de la luz incidente, sino también del diseño ( por ejemplo, material, forma, profundidad y mezcla), la absorbancia de componentes de biomasa de algas (particularmente clorofila) Dispersión de las células de las algas. A medida que las algas crecen, la intensidad luminosa promedio disminuirá. Este cambio en la intensidad de la luz, ya sea causado por un aumento en las células totales y la biomasa, un aumento en el contenido de clorofila por célula, o ambos, puede eventualmente inducir una respuesta metabólica, como un aumento en la producción de clorofilaCción por célula o el uso de carbohidratos y productos de almacenamiento de lípidos para la energía 7 . El monitoreo continuo de la intensidad de la luz desde dentro del reactor proporciona información invaluable. Estos datos pueden ayudar a asegurar que las condiciones permanezcan dentro de un rango especificado y pueden usarse para ayudar a estimar los parámetros de crecimiento y absorbancia de algas si se combinan con otras mediciones ( es decir, biomasa, concentración de clorofila, profundidad del reactor, luz incidente, etc. ). Entender cómo las algas crecen bajo un conjunto específico de condiciones requiere que el pH, el CO 2 disuelto, la intensidad luminosa y la temperatura sean monitoreados en experimentos cinéticos a escala de laboratorio. Muchas configuraciones de crecimiento de algas no están equipadas para monitorear las condiciones en la medida requerida para calibrar modelos cinéticos, lo que hace que el proceso de modelado sea extremadamente desafiante 8 . Aunque muchas compañías ofrecen PBRs de escala de banco con automatización y control, estos bench-scalLas configuraciones de e pueden ser extremadamente caras (~ $ 20,000) y pueden no acomodar todas las consideraciones experimentales de una pregunta de investigación dada. El primer paso para establecer un sistema de control-retroalimentación para un experimento por lotes es la adquisición de datos en directo. Este trabajo pretende demostrar cómo construir y montar un PBR de escala de banco equipado con monitoreo continuo de luz, pH y temperatura. Esta configuración de monitoreo en tiempo real puede ayudar a asegurar que las condiciones experimentales permanezcan dentro de los rangos deseados, a discreción del investigador. Aunque este protocolo no detalla mecanismos de control específicos, estas instrucciones paso a paso proporcionan una base básica para el marco de adquisición de datos requerido antes de que se puedan implementar retroalimentaciones de control más sofisticadas.

<table><tbody><tr><td>Láminas acrílicas fundidas</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K244</td><td>de 7/8'' de grosor, 12 x 36'', ópticamente transparentes, el tamaño de las láminas compradas dependerá de las dimensiones del reactor.</td></tr><tr><td>Cemento acrílico</td><td>McMaster Carr</td><td>7517A4</td><td>Scigrip cemento plástico para tuberías, #4SC no blanqueador para acrílico. No es necesario si se utilizan juntas y tornillos para el montaje de PBR.</td></tr><tr><td>Aguja aplicadora de cemento acrílico</td><td>McMaster Carr</td><td>75165A136</td><td>Aguja aplicadora de cemento acrílico, calibre 25, 1", Acero inoxidable, revestida de PTFE.</td></tr><tr><td>Botella dispensadora de plástico para cemento acrílico</td><td>McMaster Carr</td><td>7544A67</td><td>Botella dispensadora de plástico, tamaño de 2 oz, paquetes de 5.</td></tr><tr><td>Cemento acrílico viscoso</td><td>McMaster Carr</td><td>7515A11</td><td>Scigrip cemento plástico para tuberías. Cemento acrílico de cuerpo medio para sellar cualquier espacio dentro del cuerpo de PBR.</td></tr><tr><td>Macho de roscar PG-13.5</td><td>McMaster Carr</td><td>2485A14</td><td>Se puede utilizar para ayudar a asegurar el electrodo de pH a la tapa (si corresponde).</td></tr><tr><td>PBR y tapa</td><td>NCSU Precision Machine Shop Karam</td><td>Algae 3.2L Reactor Revision E</td><td>Este taller de máquinas está abierto al público. Póngase en contacto con el gerente de la tienda.</td></tr><tr><td>Sensor de pH</td><td>Hamilton</td><td>238643</td><td>EasyFerm Plus 120, esterilizable en autoclave, salida de milivoltios.</td></tr><tr><td>Sensor de luz</td><td>Apogee Instruments</td><td>SQ-225</td><td>Sensor cuántico amplificado de calibración eléctrica de 0-5 voltios, a prueba de agua.</td></tr><tr><td>Sensor de temperatura</td><td>LabJack</td><td>EI1034</td><td>Sensor de temperatura de acero inoxidable resistente al agua.</td></tr><tr><td>Cable transmisor de pH con extremo BNC</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>HAM355173-1EA</td><td>Este cable variará según el tipo de sonda de pH. Asegúrese de que el cable sea compatible con la sonda de pH y tenga un extremo de conector BNC.</td></tr><tr><td>Preamplificador de ganancia unitaria</td><td>Omega Engineering</td><td>PHTX-21 Amplificador de</td><td>procesamiento de señal para electrodo de pH necesario para lecturas de pH de alta impedancia.</td></tr><tr><td>Adaptador coaxial, BNC hembra a poste de unión</td><td>Amazon</td><td>SMAKN B00NGD5K80</td><td>Para conectar la señal de pH del preamplificador al microcontrolador.</td></tr><tr><td>Condensador (1000 uF)</td><td>Amazon</td><td>Nichicon BCBI4950</td><td>Para filtro de paso bajo.</td></tr><tr><td>Resistencia (1000 ohmios)</td><td>Radio Shack</td><td>2711321</td><td>Para filtro de paso bajo.</td></tr><tr><td>Cable de conexión</td><td>RadioShack</td><td>2781222</td><td>Para hacer filtros de paso bajo, conectar sensores al microcontrolador y cablear el motor.</td></tr><tr><td>Tubo termorretráctil</td><td>RadioShack</td><td>2781611</td><td>Para el montaje de filtros de paso bajo.</td></tr><tr><td>Unidad de adquisición y control de datos</td><td>LabJack</td><td>LabJack U6</td><td>Para procesar la señal eléctrica de los sensores y comunicarse con el software de adquisición y control de datos.</td></tr><tr><td>DAQFactory software de adquisición de datos</td><td>DAQFactory</td><td>DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td><td>Gratis para descargar, para hasta 10 canales.</td></tr><tr><td>Mini motorreductor de corriente continua</td><td>McMaster Carr</td><td>6331K31</td><td>Motor para impulsor mezclador.</td></tr><tr><td>Impulsor y eje</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Enviar correo electrónico a los autores para archivos 3D.</td></tr><tr><td>Fuente de alimentación de CC variable</td><td></td><td>Amazon Tekpower HY1803D</td><td>Fuente de alimentación de CC variable, 0-18V @ 0-3A.</td></tr><tr><td>Lámpara de cultivo</td><td>HydroGrow</td><td>SOL-1</td><td>Este modelo exacto ya no está disponible.</td></tr><tr><td>Incubadora</td><td>Thermo Scientific Precision</td><td>Modelo 818</td><td>Esta incubadora en particular puede soportar una fuente de calor interna, ya que los compresores de refrigeración de esta unidad funcionan sin parar independientemente del ajuste de temperatura.</td></tr></tbody></table>

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

Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

El diseño y operación óptimos de los biorreactores fotosintéticos (PBRs) para el cultivo de microalgas es esencial para mejorar el desempeño ambiental y económico de la producción de biocombustibles basada en microalgas. Los modelos que estiman el crecimiento de microalgas en diferentes condiciones pueden ayudar a optimizar el diseño y la operación de PBR. Para ser eficaces, los parámetros de crecimiento utilizados en estos modelos deben ser determinados con precisión. Los experimentos de crecimiento de algas son a menudo limitados por la naturaleza dinámica del ambiente de cultivo, y los sistemas de control son necesarios para determinar con precisión los parámetros cinéticos. El primer paso para configurar un experimento controlado por lotes es la adquisición y supervisión de datos en directo. Este protocolo describe un proceso para el ensamblaje y operación de un biorreactor fotosintético a escala de laboratorio que puede usarse para llevar a cabo experimentos de crecimiento de microalgas. Este protocolo describe cómo dimensionar y ensamblar un PBR de placa plana, de escala de banco a partir de acrílico. También detalla cómo configurarUn PBR con monitorización continua de pH, luz y temperatura mediante una unidad de adquisición y control de datos, sensores analógicos y software de adquisición de datos de fuente abierta.

Los datos de este sistema de monitoreo en tiempo real muestran el ambiente de cultivo dinámico para algas dentro de un PBR de escala de banco y destacan la necesidad de monitorear y controlar el sistema. Los datos de temperatura registrados ( Figura 6 ) demuestran cómo la iluminación de la luz, la temperatura del aire del incubador y la disipación de energía asociada con el crecimiento de algas pueden cambiar la temperatura dentro del PBR y cómo los datos en tiempo real pueden usarse para ajustar los controles de temperatura de la incubadora. La luz medida durante el transcurso del experimento enfatiza aún más la naturaleza dinámica de este entorno en crecimiento. Como se observa en la Figura 7 , la lectura del sensor de luz, medida como densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD: μE-m -2 s -1 ), fue de ~ 100 PPFD antes de que se añadieran las algas y se redujo de inmediato a 85 PPFD afInoculando el reactor con el cultivo de algas. La disminución de la intensidad de la luz se debe al aumento de la biomasa y el recuento celular, y / o al aumento de la absorción por el aumento del contenido de clorofila, lo que demuestra que las algas están activas hasta el día 7, a pesar de la baja Niveles de luz. Se requieren medidas biológicas adicionales para hacer inferencias adicionales. Los datos de pH registrados continuamente muestran que, en general, el pH se controló adecuadamente durante este experimento con el algoritmo de control de pH implementado ( Figura 8 ). Estos datos, que muestran las lecturas minuto a minuto y los promedios de una hora, demuestran algunos puntos clave sobre el cultivo de algas y el control del pH en tiempo real. En primer lugar, el pH aumentó por encima del punto de ajuste deseado de 7,6 inmediatamente después de inocular el PBR con algas. Este cambio se esperaba, ya que la semilla de cultivo que se agregó a la PBR habíaH mayor que el punto de referencia, puesto que el matraz usado para hacer crecer el inóculo no estaba controlado por el pH. En segundo lugar, estos datos en vivo resaltan la sensibilidad de los electrodos de pH al ruido eléctrico externo. Esta sensibilidad se observa por un salto drástico en los valores del electrodo entre el día 1 y el día 2. Estos cambios repentinos en los valores de pH fueron creados probablemente por el ruido eléctrico de una electroválvula de una disposición experimental adyacente. Esta perturbación eléctrica desencadenó prematuramente el algoritmo de control de pH para inyectar CO 2 en el PBR. En consecuencia, el pH bajó por debajo del punto de ajuste deseado. La sensibilidad de los electrodos de pH puede conducir a extremos extremos y puede potencialmente interrumpir los sistemas de control. <img alt="figura 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figura 3: Gráficos de ejemplo de respuesta y calibración de pH. (A) Ejemplo de gráfico de respuesta deE Sensor de pH ( b ) Ejemplo de gráfica de calibración del sensor de pH, con una ecuación a utilizar para la conversión. El análisis de regresión muestra un intervalo de confianza del 95%. Las barras de error no son visibles (error estándar inferior al 0,03%). Estos gráficos muestran que los sensores de pH estaban conectados correctamente y que su señal era muy estable. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Figura 6: Mediciones de temperatura dentro del PBR durante un experimento de 7 días. Los puntos azul oscuro representan medias de 1 h de los datos del sensor y los puntos azules claros representan las lecturas del sensor adquiridas durante 1 minuto (tiempo de adquisición de 1 s, longitud media de 60) y se convierten a temperatura utilizando factores de conversión suministrados por el fabricante. Flechas negras sho<html> W cuando el ajuste de la temperatura de la incubadora se ajustó para mantener la temperatura del cultivo alrededor de 25ºC (este punto de ajuste deseado se designa con una línea roja punteada). Las fluctuaciones de la temperatura se deben al crecimiento de las algas y cambios en la temperatura de la incubadora. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Figura 7: Mediciones de luz dentro del PBR durante un experimento de 7 días. Los puntos azul oscuro representan las medias de 1 h de los datos del sensor y los puntos azules claros representan las lecturas del sensor adquiridas durante 1 minuto (tiempo de adquisición de 1 s, longitud promedio de 60) y convertidas en PPFD usando valores predeterminados de calibración de fábrica del sensor de luz.&quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Figura 8: Mediciones de pH dentro del PBR durante un experimento de 7 días. Los puntos azules oscuros representan medias de 1 h de los datos del sensor y los puntos azules claros representan lecturas del sensor registradas cada 1 min (tiempo de adquisición de 0,1 s, longitud promedio de 600) y convertidas en pH usando la ecuación de conversión establecida mediante calibración. El pH se mantuvo entre 7,6 y 7,5 usando una inyección de gas de CO $ ₂ $ al 99%. Las líneas rojas punteadas indican el rango de pH deseado. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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.

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

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...

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.

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Investigación

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Bioingeniería

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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 (Video) | JoVE Journal

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