Construção e configuração de um Bioreactor Fotossintético Algal com Escala de Banco com Monitoramento de Temperatura, Luz e pH para testes de crescimento cinético

O objetivo geral deste procedimento é montar um biorreator fotossintético em escala de bancada com luz, pH e temperatura contínuos, monitorando experimentos de crescimento de algas. Portanto, quantificar o crescimento de algas usando uma configuração monitorada e controlada permite que os pesquisadores avaliem melhor o crescimento de algas. O que pode ajudar a responder a perguntas-chave para tornar os biocombustíveis à base de algas uma realidade.

A principal vantagem dessa abordagem é que ela é uma configuração personalizável e potencialmente mais acessível, para monitorar experimentos de crescimento de algas em tempo real. Queríamos desenvolver esse tipo de biorreator fotossintético quando percebemos a importância de manter o controle dentro da cultura dinâmica e do ambiente das algas. A demonstração regional desse método é crítica, pois muitas das etapas são difíceis de aprender se você não estiver familiarizado com a terminologia e as práticas de engenharia elétrica.

Para iniciar este procedimento, construa um PBR em escala de bancada. Determine o tamanho, a forma e o design do corpo e da tampa do PBR, conforme descrito no protocolo de texto. Usando um fio transmissor, conecte o amplificador de ganho unitário à sonda de pH.

Em seguida, pegue o adaptador coaxial, que possui terminais de porta positivos e negativos. Conecte o adaptador à outra extremidade do amplificador de ganho unitário. Para fazer um filtro passa-baixa, use descascadores de fios para cortar dois pedaços de 15 centímetros de fio conector verde e um pedaço de 30 centímetros de fio conector preto.

Retire aproximadamente 0,6 centímetros de isolamento de uma extremidade de cada um dos fios verdes e de ambas as extremidades do fio preto. Em seguida, descasque aproximadamente 1,25 centímetros da outra extremidade dos fios verdes. Com cuidado, enrole uma perna do resistor de 1000 ohms ao redor da seção descascada de 1,25 centímetro de um dos fios verdes do conector.

Enrole a outra perna do resistor ao redor da seção descascada de 1,25 centímetro do outro fio verde. Usando um ferro de solda e solda sem chumbo, solde as pernas do resistor ao fio. Deixe a solda esfriar por dois a cinco minutos.

Depois disso, cubra o resistor e o fio soldado com um pedaço de tubo termorretrátil de quatro centímetros. Usando uma pistola de calor, termorretrátil a tubulação, certificando-se de que o plástico se enrole firmemente ao redor do resistor e dos fios. Em seguida, prenda uma extremidade do fio do conector preto ao terminal negativo do adaptador coaxial.

Insira a outra extremidade do fio em um dos terminais de aterramento da unidade de aquisição e controle de dados. Conecte uma extremidade do fio do conector verde ao terminal positivo do adaptador coaxial. Em seguida, insira a outra extremidade em um terminal de entrada analógica livre na unidade de aquisição e controle de dados.

Insira o fio positivo do capacitor de 1000 microfarad no mesmo terminal de entrada analógica. Prenda o fio negativo do capacitor ao mesmo terminal de aterramento usado para o fio do conector preto. Depois disso, conecte o sensor de temperatura à unidade de aquisição e controle de dados, conforme descrito no protocolo de texto.

Depois de configurar a aquisição de dados ao vivo e o arquivo experimental, insira o eletrodo de pH e a sonda de temperatura no tampão de calibração de pH sete. Confirme se a solução está na temperatura desejada, conforme descrito no protocolo de texto. Depois que a saída de tensão do eletrodo de pH se estabilizar, registre os dados elétricos de temperatura e pH em um arquivo.

Certifique-se de que nenhuma conversão seja aplicada ao canal de pH e que a média do canal esteja desativada. Repita a calibração para os tampões quatro e 10. Gere uma equação de conversão, conforme descrito no protocolo de texto, e atualize essa equação no arquivo experimental.

Em seguida, aplique essa conversão de pH ao canal de pH. Depois de preparar o inóculo de algas e o meio de crescimento, configure o PBR em preparação para o experimento. Passe o fio do sensor de luz pela porta da tampa.

Em seguida, monte a cabeça do sensor de luz no suporte de extensão da tampa PBR. Em seguida, use uma rolha de borracha para selar a porta da tampa. Coloque o eixo do impulsor sobre o eixo do motor de mini engrenagem DC, dentro da tampa PBR, e prenda o eixo com um parafuso de fixação e uma chave allen.

Adicione o meio de crescimento específico de algas preparado. Depois disso, coloque a tampa no PBR e prenda-a com parafusos. Coloque em uma incubadora a 25 graus Celsius.

Insira a sonda de temperatura em sua porta designada, prendendo-a com uma rolha de borracha. Em seguida, prenda a sonda de pH no suporte rosqueado PG 13.5 da tampa do reator. Certifique-se de que o sensor de luz esteja conectado à unidade de aquisição e controle de dados, com um filtro passa-baixa, conforme descrito no protocolo de texto.

Em seguida, ligue o impulsor do mixer na velocidade desejada. Configure a fonte de alimentação CC variável, ao lado do PBR. Ligue a fonte de alimentação e ajuste a tensão, até que o valor da tensão seja zero volts.

Depois disso, desligue a fonte de alimentação. Conecte as linhas de energia do motor do impulsor aos terminais de saída positivo e negativo da fonte de alimentação variável. Ligue a fonte de alimentação e aumente lentamente a tensão até atingir a velocidade de mistura desejada.

Em seguida, centralize a lâmpada de cultivo ao longo da face frontal do PBR, certificando-se de que o caminho da luz esteja orientado em direção ao sensor de luz. Ligue a lâmpada de cultivo e ajuste a intensidade da luz conforme necessário, movendo a lâmpada para perto ou para longe do reator. Monitore e registre os dados do sensor por seis a 24 horas, conforme descrito no protocolo de texto.

Depois disso, use uma pipeta de transferência para adicionar inóculo de algas através da porta de amostragem. Depois de monitorar as condições, para garantir que permaneçam dentro do alcance, use uma pipeta para remover as culturas para análise, conforme necessário, através da porta de amostragem. Usando a exibição de dados, monitore a temperatura da água.

Ajuste manualmente o ponto de ajuste da temperatura do ar da incubadora, para manter a temperatura da água constante. O pH é controlado com uma válvula solenóide de 12 volts, alinhada com um tanque de 99% de CO2. A válvula é aberta através da unidade de aquisição e controle de dados.

Neste estudo, um biorreator fotossintético é construído para monitorar e controlar experimentos de crescimento cinético de algas em escala de bancada. Os dados de temperatura logarítmica demonstram como a iluminação da luz, a temperatura do ar da incubadora e a dissipação de energia associadas ao crescimento de algas podem alterar a temperatura dentro do biorreator. Esses dados em tempo real são usados para ajustar os controles da incubadora, conforme necessário, para controlar a dinâmica, a cultura e o ambiente.

A luz medida enfatiza ainda mais a natureza dinâmica desse ambiente de cultivo. Embora a leitura do sensor de luz seja de aproximadamente 100 PPFD, antes das algas, ela cai imediatamente para 85, após a inoculação do reator. A luz continua a cair, atingindo menos de cinco PPFD, no sétimo dia.

A diminuição da intensidade da luz, pode ser devido ao aumento da biomassa e da contagem de células, ou ao aumento da absorção, devido ao aumento do teor de clorofila. Em qualquer cenário, isso mostra que as algas ainda estão ativas até o sétimo dia, apesar dos baixos níveis de luz. Os dados registrados continuamente mostram que, em geral, o pH é adequadamente controlado, usando o algoritmo de controle implementado.

Embora haja um aumento de pH esperado imediatamente após a inoculação do PBR com algas, ele é rapidamente controlado pelo sistema. No entanto, os dados ao vivo destacam a sensibilidade dos eletrodos de pH ao ruído elétrico externo, que pode levar a valores discrepantes extremos e potencialmente interromper os sistemas de controle. Embora este método seja implementado para um PBR de algas, essas técnicas de monitoramento ao vivo também podem ser aplicadas a outros reatores microbianos que requerem monitoramento de pH e/ou temperatura.

Uma vez que o PBR é construído e a aquisição de dados é concluída, deve-se ser capaz de configurar um PBR para monitoramento ao vivo para experimento em uma a duas horas. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de ler e entender os princípios de medição, por trás de como seus sensores operam e validar suas medições com outros dispositivos portáteis. Para seguir este procedimento, outros aprimoramentos, como controle automatizado de pH, podem ser adicionados à sua configuração de PBR.

Essas instruções fornecem uma base para a estrutura de aquisição de dados, necessária antes de implementar esses feedbacks de controle mais sofisticados. Não se esqueça de que trabalhar com eletricidade, íon flúor e silicone acrílico pode ser extremamente perigoso. Portanto, precauções devem sempre ser tomadas.

Depois de assistir a este vídeo, você poderá montar e configurar um PBR em escala de bancada para monitoramento de pH, temperatura e luz ao vivo.