Name: construction and setup of a bench-scale algal photosynthetic bioreactor with temperature, light, and ph monitoring for kinetic growth tests
Uploaded: 2017-06-14T12:30:00
Duration: 10 min 8 s
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Os autores reconhecem a National Science Foundation Emerging Frontiers in Research and Innovation (Prêmio # 1332341) para financiar esta pesquisa. Os autores também gostariam de agradecer o Dr. Andrew Grieshop, bem como as comunidades de suporte on-line LabJack e DAQFactory por sua assistência e ajuda oferecidas ao longo deste processo.

<ol>
	<li>Liu, X., Clarens, A. F., Colosi, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algae+biodiesel+has+potential+despite+inconclusive+results+to+date.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biodiesel+from+microalgae.">Biodiesel from microalgae.</a> Biotechnol. Adv. 25 (3), 294-306 (2007).</li><li>Lardon, L., H&#233;lias, A., Sialve, B., Steyer, J. -. P., Bernard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Life-cycle+assessment+of+biodiesel+production+from+microalgae.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiments+on+the+Quantity+of+Gases+Absorbed+by+Water,+at+Different+Temperatures,+and+under+Different+Pressures.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+the+growth+of+two+blue-green+algae+species+(Microsystis+aruginosa+and+Anabaena+spiroides)+by+acidification+treatments+using+carbon+dioxide.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Environmental+Factors+and+Nutrient+Availability+on+the+Biochemical+Composition+of+Algae+for+Biofuels+Production:+A+Review.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hurdles+and+challenges+for+modelling+and+control+of+microalgae+for+CO+2+mitigation+and+biofuel+production.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lumped+Pathway+Metabolic+Model+of+Organic+Carbon+Accumulation+and+Mobilization+by+the+Alga+Chlamydomonas+reinhardtii.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+neutral+lipid+synthesis+in+green+microalgae:+A+mathematical+model.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hundred+years+of+Dunaliella+research:+1905-2005.">A hundred years of Dunaliella research: 1905-2005.</a> Saline Systems. 1, 2 (2005).</li></ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Este sistema PBR oferece a capacidade de monitorar e controlar experimentos de crescimento de cinética de algas de escala, permitindo resultados mais repetíveis de ensaios experimentais usados ​​para quantificar o crescimento. No entanto, uma compreensão das limitações e incertezas das medições do sensor é fundamental para garantir que as leituras dos sensores reflitam com precisão as condições do reator. Esta compreensão inclui conhecimento básico dos princípios de medição envolvidos com sensores, processo e freqüência de calibração, incerteza de medição e o que o sensor pode e não pode medir. Por exemplo, a resposta elétrica para o sensor de luz aqui descrito não está distribuída de forma igual na faixa de espectro visível, e alguns fatores de correção podem ser aplicados à saída do sensor, dependendo de como esses dados do sensor serão analisados. Os níveis de temperatura e as variações também são extremamente importantes, pois as mudanças de temperatura podem ser drasticamenteFluence a resposta do sensor. Compreender potenciais interferências que podem impactar as leituras dos sensores também é extremamente importante; Essa interferência pode ser o ruído elétrico ambiental do prédio ou pode resultar do ambiente de medição ( por exemplo, os íons de sódio podem afetar drasticamente as leituras de pH em valores de pH superiores a 10) 12 . Além disso, submergir múltiplas sondas em uma solução, especialmente uma solução de sal altamente iónica e condutora, também é uma fonte potencial de interferência. Os eletrodos que medem o pH (ou força iónica, oxigênio dissolvido, CO 2 dissolvido, etc. ) são especialmente sensíveis ao ruído elétrico do ambiente e podem ser facilmente perturbados. O condicionamento do sinal usado para proteger o sinal do eletrodo não pode garantir que outros fatores não interfiram com as leituras da sonda. Como parte do controle de qualidade, outros equipamentos de laboratório, como uma sonda de pH manual, um espectrômetro de mão e um termômetro, devem ser usados ​​para verificar tAs leituras dos sensores e para garantir que o sistema esteja configurado e funcionando corretamente. Outra limitação que deve ser abordada é o possível impacto do ambiente de algas e / ou cultura nos sensores. Por exemplo, se os detritos ou bolhas de algas cobrem o receptor de fotodiodo do sensor de luz, as leituras serão afetadas. Da mesma forma, os eletrodos de pH são extremamente sensíveis e requerem cuidados extras para garantir leituras precisas. Esses eletrodos funcionam medindo uma diferença de tensão através de uma junção interna devido ao acúmulo de íons H + ; Uma camada tampão hidratada dentro da sonda é necessária para manter medições precisas 12 . Dependendo das condições dentro do reator, esta camada desaparecerá e a resposta do sensor pode mudar ao longo da experiência enquanto a sonda é submersa. Em testes preliminares, a saída de tensão de pH não derivou em mais de 0,2 unidades de pH ao longo de um experimento de 20 dias, Mas outras avaliações devem ser realizadas para caracterizar esta alteração na resposta do sensor e estabelecer tempos de execução experimentais máximos, especialmente se forem necessários ajustes / quantificações finais de pH. Muitos sistemas de PBR de escala atual construídos para analisar o crescimento de algas não monitoram e controlam o ambiente de cultura interna tão forte quanto necessário para discernir como fatores diferentes afetam o crescimento de algas, uma vez que a criação de sistemas dessa maneira pode ser desafiadora. Este protocolo pode ajudar a facilitar experiências mais controladas, fornecendo instruções passo a passo para a construção de um PBR com monitoramento em tempo real. Além disso, esses dados ao vivo podem ser usados ​​não só para controlar melhor as condições experimentais, mas potencialmente podem ser utilizados para estimar a cinética do crescimento ( por exemplo, leituras de densidade óptica como referência para taxas de crescimento geral). Sistemas experimentais controlados podem ajudar a tornar a pesquisa de algas mais reprodutível. PBR de escala de bancoAs etups que são monitoradas e controladas podem aumentar a eficiência experimental, minimizando artefatos não intencionais em projetos experimentais e podem ajudar a promover esforços para fazer biocombustíveis de algas uma fonte de combustível sustentável e alternativa.

Devido às crescentes preocupações com as mudanças climáticas globais e os recursos finitos de combustíveis fósseis, os governos têm desenvolvido políticas para reduzir o consumo de combustíveis fósseis e incentivar o desenvolvimento de combustíveis de transporte novos e sustentáveis. A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos desenvolveu o Padrão de Combustível Renovável (RFS), que exige que 36 dos 140 bilhões de litros anual de combustível de transporte de EUA provenham de fontes de combustível renováveis ​​até 2022. Tecnologias inovadoras e transformacionais serão necessárias para atender a essas e Futuros padrões de energia renovável 1 . O uso de biocombustíveis à base de microalgas tem potencial para ajudar a satisfazer os RFS nacionais, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa 2 . Os biocombustíveis à base de microalgas têm várias vantagens em relação aos biocombustíveis de primeira geração baseados em culturas alimentares terrestres, como o milho e a soja. Ao contrário dos biocombustíveis de primeira geração, algas-bOs biocombustíveis de combustível consumem menos recursos terrestres, hídricos e alimentares, uma vez que as algas podem ser cultivadas durante todo o ano e em terras estéreis usando água salgada ou águas residuais. As microalgas têm altas taxas de crescimento em relação às culturas terrestres e podem acumular altos níveis de lipídios, que podem ser facilmente convertidos em biodiesel 3 . Atualmente, não existem plantas de algas para biocombustíveis a escala industrial devido aos altos custos dos processos de produção intensivos em energia, que consistem em cultivo de algas, separação de lipídios e refinação de lipídios em biodiesel. Mais pesquisas são necessárias para tornar esses processos mais eficientes e sustentáveis. Os PBRs, que são instalações ópticamente claras, fechadas para a produção de microorganismos fototróficos em ambiente artificial, são considerados um dos métodos de cultivo mais promissores 3 . No entanto, os projetos atuais ainda não possuem a produtividade volumétrica necessária para fazer o processo de produção de algas para biocombustíveisÉ mais eficiente e economicamente atraente 4 . Modelos matemáticos poderosos que consideram a irradiância e atenuação da luz, o transporte de nutrientes e o CO 2 e o crescimento das microalgas podem facilitar a otimização do design e da operação da PBR. As experiências de crescimento em escala de banco são necessárias para determinar parâmetros de crescimento específicos de espécies para esses modelos de otimização. Os testes cinéticos exigem o monitoramento cuidadoso e controle de configurações experimentais para evitar inibidores não intencionais de crescimento. Dada a natureza fotossintética das algas ( isto é, seu consumo de CO 2 e absorção de luz), a manutenção de condições controladas é especialmente difícil em PBR de escala de banco. Conforme ilustrado na Equação 1 , a quantidade de CO 2 dissolvido no meio de crescimento, comumente designado como <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq1.jpg" /> ( Equação 2 ), será, no mínimo, umFunção de: 1) a pressão parcial de CO 2 e a constante de equilíbrio de Henry, que determina a quantidade de gás que se dissolverá em solução ( Equação 3 ); 2) a composição química inicial do meio de crescimento, que afeta a especiação e a atividade dos íons carbonato e pH ( Equações 4 e 5 ); E 3) a temperatura, que impacta as Equações 3-5 5 . <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq2.jpg" /> <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq3.jpg" /> <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq4.jpg" /> <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq5.jpg" /> <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55545/55545eq6.jpg" /> As várias fases e a especificação química de carbono criam um desafio para medir e manter uma concentração consistente de carbono dissolvido dentro de um PBR WhiMantendo outras condições constantes ( por exemplo, o pH aumenta à medida que as algas consomem CO 2 e o aumento do substrato de CO 2 dissolvido pode levar a um ambiente ácido que inibe o crescimento) 6 . Uma camada adicional de complexidade para controlar condições durante os testes cinéticos de algas envolve a intensidade da luz dentro da PBR. A intensidade média da luz dentro de uma PBR é função não só da intensidade da luz incidente, mas também do design ( por exemplo, material, forma, profundidade e mistura), a absorvência de componentes de biomassa de algas (particularmente a clorofila) e a luz- Propriedades de dispersão das células de algas. À medida que as algas crescem, a intensidade da luz média diminuirá. Esta alteração na intensidade da luz, seja causada por aumento das células totais e biomassa, um aumento no teor de clorofila por célula, ou ambos, pode eventualmente induzir uma resposta metabólica, como um aumento nos produtos de clorofilaCção por célula ou uso de produtos de armazenamento de carboidratos e lipídios para energia 7 . O monitoramento contínuo da intensidade da luz dentro do reator fornece informações inestimáveis. Estes dados podem ajudar a garantir que as condições permaneçam dentro de um intervalo especificado e podem ser usadas para estimar o crescimento de algas e os parâmetros de absorvância se combinados com outras medidas (por exemplo, biomassa, concentração de clorofila, profundidade do reator, luz incidente, etc. ). Compreender como as algas crescem sob um conjunto específico de condições requer que o pH, o CO 2 dissolvido, a intensidade da luz e a temperatura sejam monitorados em experimentos cinéticos de bench-scale. Muitas configurações de crescimento de algas não estão equipadas para monitorar condições na medida necessária para a calibração de modelos cinéticos, tornando o processo de modelagem extremamente desafiador 8 . Embora muitas empresas ofereçam PBRs de escala de banco com automação e controle, estas bancadasAs configurações do e podem ser extremamente caras (~ $ 20,000) e podem não acomodar todas as considerações experimentais de uma determinada questão de pesquisa. O primeiro passo na configuração de um sistema de feedback de controle para um experimento em lote é a aquisição de dados ao vivo. Este artigo pretende demonstrar como construir e configurar um PBR de escala de banco equipado com monitoramento contínuo de luz, pH e temperatura. Esta configuração de monitoramento em tempo real pode ajudar a garantir que as condições experimentais permaneçam dentro dos intervalos desejados, a critério do pesquisador. Embora este protocolo não detalha mecanismos de controle específicos, essas instruções passo a passo fornecem uma base básica para a estrutura de aquisição de dados necessária antes que os feedbacks de controle mais sofisticados possam ser implementados.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="782">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Cast acrylic sheets</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">8560K244</td>
			<td style="width:345px;">7/8&#39;&#39; thick, 12x36&#39;&#39;, optically-clear, the size of sheets purchased will depend on reactor dimensions.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7517A4</td>
			<td style="width:345px;">Scigrip plastic pipe cement, #4SC nonwhitening for acrylic. Not needed if gaskets and screws are used for PBR assembly.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Acrylic cement applicator needle</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">75165A136</td>
			<td style="width:345px;">Acrylic cement applicator needle, 25 Gauge, 1&#34;, Stainless steel, PTFE lined.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Plastic dispensing bottle for acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7544A67</td>
			<td style="width:345px;">Plastic dispensing bottle, 2-oz size, packs of 5.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Viscous acrylic cement</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">7515A11</td>
			<td style="width:345px;">Scigrip plastic pipe cement. Medium-bodied acrylic cement to seal in any gaps within PBR body.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">PG-13.5 thread tap</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">2485A14</td>
			<td style="width:345px;">Can be used to help secure pH electrode to lid (if applicable).</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">PBR and lid</td>
			<td style="width:133px;">NCSU Precision Machine Shop</td>
			<td style="width:135px;">Karam Algae 3.2L Reactor Revision E</td>
			<td style="width:345px;">This machine shop is open to public for business. Contact shop manager.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">pH sensor</td>
			<td style="width:133px;">Hamilton</td>
			<td style="width:135px;">238643</td>
			<td style="width:345px;">EasyFerm Plus 120, autoclavable, millivolt output.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Light sensor</td>
			<td style="width:133px;">Apogee Instruments</td>
			<td style="width:135px;">SQ-225</td>
			<td style="width:345px;">Amplified 0-5 volt electric calibration quantum sensor, water-proof.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Temperature sensor</td>
			<td style="width:133px;">LabJack</td>
			<td style="width:135px;">EI1034</td>
			<td style="width:345px;">Stainless steel, water-proof temperature sensor.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">pH transmitter wire with BNC end</td>
			<td style="width:133px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:135px;">HAM355173-1EA</td>
			<td style="width:345px;">This wire will vary with type of pH probe. Make sure wire is compatible with pH probe and has BNC connector end.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Unity gain pre-amplifier</td>
			<td style="width:133px;">Omega Engineering</td>
			<td style="width:135px;">PHTX-21</td>
			<td style="width:345px;">Signal processing amplifier for pH electrode needed for high-impedance pH readings.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Coaxial adapter, BNC female-to-binding post</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">SMAKN B00NGD5K80</td>
			<td style="width:345px;">For connecting pH signal from pre-amplifier to microcontroller.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Capacitor (1000 uF)</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">Nichicon BCBI4950</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Resistor (1000 ohm)</td>
			<td style="width:133px;">Radio Shack</td>
			<td style="width:135px;">2711321</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Hookup wire</td>
			<td style="width:133px;">RadioShack</td>
			<td style="width:135px;">2781222</td>
			<td style="width:345px;">For making low-pass filters, connecting sensors to microcontroller, and wiring motor.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Heat shrink tubing</td>
			<td style="width:133px;">RadioShack</td>
			<td style="width:135px;">2781611</td>
			<td style="width:345px;">For low-pass filter assembly.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Data acquisition and control unit</td>
			<td style="width:133px;">LabJack</td>
			<td style="width:135px;">LabJack U6</td>
			<td style="width:345px;">To process electrical signal from sensors and communicate with data acquisition and control software.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">DAQFactory data acquisition software</td>
			<td style="width:133px;">DAQFactory</td>
			<td style="width:135px;">DAQFactory Express Release 5.87c Build: 2050</td>
			<td style="width:345px;">Free to download, for up to 10 channels.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Mini DC-gearmotor</td>
			<td style="width:133px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:135px;">6331K31</td>
			<td style="width:345px;">Motor for mixer impeller.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Impeller and shaft</td>
			<td style="width:133px;">N/A</td>
			<td style="width:135px;">N/A</td>
			<td style="width:345px;">Email authors for 3D files.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Variable DC power supply</td>
			<td style="width:133px;">Amazon</td>
			<td style="width:135px;">Tekpower HY1803D</td>
			<td style="width:345px;">Variable DC power supply, 0-18V @ 0-3A.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Grow Lamp</td>
			<td style="width:133px;">HydroGrow</td>
			<td style="width:135px;">SOL-1</td>
			<td style="width:345px;">This exact model is no longer available.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Incubator</td>
			<td style="width:133px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:135px;">Precision Model 818</td>
			<td style="width:345px;">This particular incubator can withstand an internal heat source since this unit&#39;s cooling compressors run non-stop regardless of temperature setting.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction and setup of a bench-scale algal photosynthetic bioreactor with temperature, light, and ph monitoring for kinetic growth tests

O ótimo design e operação de biorreatores fotossintéticos (PBRs) para o cultivo de microalgas é essencial para melhorar o desempenho ambiental e econômico da produção de biocombustíveis à base de microalgas. Os modelos que estimam o crescimento de microalgas em diferentes condições podem ajudar a otimizar o design e a operação do PBR. Para serem efetivos, os parâmetros de crescimento utilizados nesses modelos devem ser determinados com precisão. As experiências de crescimento de algas são muitas vezes limitadas pela natureza dinâmica do ambiente de cultura e são necessários sistemas de controle para determinar com precisão os parâmetros cinéticos. O primeiro passo na criação de um experimento em lote controlado é a aquisição e monitoramento de dados ao vivo. Este protocolo descreve um processo para a montagem e operação de um biorreator fotossintético de bench-scale que pode ser usado para realizar experiências de crescimento de microalgas. Este protocolo descreve como dimensionar e montar um PBR de placa plana e de bancada a partir de acrílico. Ele também detalha como configurarRe um PBR com monitoramento contínuo de pH, luz e temperatura usando uma unidade de aquisição e controle de dados, sensores analógicos e software de aquisição de dados de código aberto.

Os dados deste sistema de monitoramento em tempo real mostram o ambiente de cultura dinâmico para algas dentro de uma PBR de escala de banco e destacam a necessidade de monitorar e controlar o sistema. Os dados de temperatura registrados ( Figura 6 ) demonstram como a iluminação da luz, a temperatura do ar da incubadora e a dissipação de energia associada ao crescimento de algas podem alterar a temperatura dentro da PBR e como os dados em tempo real podem ser usados ​​para ajustar os controles de temperatura da incubadora, conforme necessário. A luz medida ao longo do experimento enfatiza ainda mais a natureza dinâmica deste ambiente em crescimento. Conforme observado na Figura 7 , a leitura do sensor de luz, medida como densidade de fluxo fotônico fotossintético (PPFD; μE-m -2 s -1 ), foi de ~ 100 PPFD antes da adição de algas e caiu imediatamente para 85 PPFD afTer inoculando o reator com a cultura de algas. A luz continuou a cair para menos de 5 PPFD no dia 7. Esta diminuição da intensidade da luz deve-se ao aumento da biomassa e das contagens celulares e / ou ao aumento da absorção pelo aumento do teor de clorofila, mostrando que as algas estão ativas até o 7º dia, apesar da baixa Níveis de luz. Medições biológicas adicionais são necessárias para fazer inferências adicionais. Os dados de pH continuamente verificados mostram que, em geral, o pH foi adequadamente controlado durante esta experiência com o algoritmo de controle de pH implementado ( Figura 8 ). Esses dados, que mostram leituras minuto a minuto e médias de uma hora, demonstram alguns pontos-chave sobre o cultivo de algas e o monitoramento do pH em tempo real. Primeiro, o pH aumentou acima do ponto de ajuste desejado de 7,6 imediatamente após a inoculação do PBR com algas. Esta mudança era esperada, já que a semente de cultura que foi adicionada ao PBR teveValor de H maior que o ponto de ajuste, uma vez que o balão utilizado para cultivar o inóculo não foi controlado pelo pH. Em segundo lugar, esses dados ao vivo destacam como os eletrodos de pH sensíveis são para o ruído elétrico externo. Essa sensibilidade é notada por um salto drástico nos valores dos eletrodos entre o dia 1 e o dia 2. Essas mudanças repentinas nos valores de pH provavelmente foram criadas pelo ruído elétrico de uma válvula solenóide de uma instalação experimental adjacente. Este distúrbio elétrico desencadeou prematuramente o algoritmo de controle de pH para injetar CO 2 no PBR. Conseqüentemente, o pH caiu abaixo do ponto de ajuste desejado. A sensibilidade dos eletrodos de pH pode levar a outliers extremos e pode potencialmente interromper os sistemas de controle. <img alt="Figura 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig3.jpg" /> Figura 3: Gráficos de Exemplo de Resposta ao pH e de Calibração. (A) Exemplo de gráfico de resposta deE sensor de pH ( b ) Exemplo de gráfico de calibração do sensor de pH, com uma equação a utilizar para a conversão. A análise de regressão mostra um intervalo de confiança de 95%. As barras de erro não são visíveis (erro padrão inferior a 0,03%). Estes gráficos mostram que os sensores de pH foram conectados corretamente e que seu sinal era muito estável. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig6.jpg" /> Figura 6: Medições de temperatura dentro da PBR durante uma experiência de 7 dias. Os pontos azuis marinhos representam as médias de 1 h dos dados do sensor e os pontos azuis claros representam as leituras dos sensores adquiridos ao longo de 1 min (tempo de aquisição de 1 s, comprimento médio de 60) e convertidos em temperatura usando fatores de conversão fornecidos pelo fabricante. Setas pretas sho<html> W quando a configuração da temperatura da incubadora foi ajustada para manter a temperatura da cultura em torno de 25 ° C (este ponto de ajuste desejado é designado com uma linha vermelha e pontilhada). As flutuações na temperatura são devidas ao crescimento de algas e às mudanças na temperatura da incubadora. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig7.jpg" /> Figura 7: Medições de luz dentro da PBR durante uma experiência de 7 dias. Os pontos azul escuro representam as médias de 1 h dos dados do sensor e os pontos azuis claros representam as leituras dos sensores adquiridos ao longo de 1 min (tempo de aquisição de 1 s, comprimento médio de 60) e convertidos em PPFD usando os valores padrão de calibração de fábrica do sensor de luz.&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55545/55545fig8.jpg" /> Figura 8: Medições de pH dentro da PBR durante uma experiência de 7 dias. Os pontos azul escuro representam médias de 1 h dos dados do sensor, e os pontos azuis claros representam as leituras dos sensores registrados a cada 1 min (tempo de aquisição de 0,1 s, comprimento médio de 600) e convertidos em pH usando a equação de conversão estabelecida através da calibração. O pH foi mantido entre 7,6 e 7,5 usando uma injeção de gás com 99% de CO 2 . As linhas vermelhas e pontilhadas indicam a faixa de pH desejada. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55545/55545fig8large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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