Programmable photobioreactors for studies of microalgae growth dynamics

Abstract

A fotossíntese é um processo que permite que os organismos vivos produzam energia usando a luz solar como fonte primária de energia. O processo depende do comprimento de onda dos fótons, que devem cair dentro da região de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) do espectro solar entre 400 e 700 nanômetros, correspondendo aproximadamente à faixa de luz visível ao olho humano. As microalgas são organismos fotossintéticos simples encontrados em vários habitats em todo o mundo, com uma estimativa de 30.000 a 70.000 espécies naturais. Eles são atraentes para uso em aplicações tecnológicas, especialmente se forem geneticamente manipuláveis, mas há desafios significativos para a produção economicamente viável de biocombustíveis a partir de microalgas. A evolução laboratorial adaptativa (ALE) é um método para melhorar o desempenho de uma linhagem de microalgas por meio do estudo de fenômenos evolutivos e adaptativos em um ambiente controlado. A dinâmica de crescimento de uma cepa de microalga pode ser difícil de medir em ambientes naturais devido a flutuações nos parâmetros físicos, químicos e biológicos, mas esses parâmetros podem ser controlados em ambientes artificiais como fotobiorreatores (PBRs) para entender melhor suas influências individuais na dinâmica de crescimento. Os PBRs são dispositivos usados para conter e controlar culturas de microalgas e podem variar em complexidade, desde dispositivos analógicos simples até dispositivos mecatrônicos totalmente automatizados. Os PBRs podem ser usados para experimentos de longo prazo para estudar a dinâmica de crescimento de microalgas e otimizar a eficiência e a produtividade usando algoritmos de otimização como algoritmos evolutivos, que são adequados para problemas de "caixa preta" onde pouco se sabe sobre o comportamento analítico da função que está sendo otimizada. Um sistema de controle foi desenvolvido para uma matriz de PBRs programáveis para ser usado como um aparato experimental para estudar a dinâmica de crescimento de microalgas. O sistema permite interação entre o usuário e cada reator, operação autônoma de acordo com regras pré-definidas e execução de algoritmos de otimização para explorar parâmetros físicos que influenciam o desenvolvimento da cultura. A matriz PBR consiste em sete PBRs idênticos desenvolvidos e construídos no Laboratório de Fotobiorreatores do Instituto de Física da Universidade de Brasília. Um algoritmo genético foi implementado usando os PBRs como indivíduos com genes que representam frequências de intensidade de LED e uma função de aptidão baseada na taxa de crescimento do meio algal ou eficiência, definida como a quantidade de algas produzidas por quantidade de energia investida. A matriz PBR programável permite o estudo da dinâmica de crescimento de microalgas sob várias condições e a otimização do desempenho da PBR por meio do uso de algoritmos evolutivos. O sistema de controle e os algoritmos de otimização desenvolvidos neste estudo apresentam potencial para melhorar a eficiência e produtividade do cultivo de microalgas em PBRs.