4-sensores cultivos microalgas vforpdf - uel

SENSORES PARA CULTIVOS DE MICROALGASGuillermo Orellana (UCM)

Sensores (químicos) luminiscentes para Sensores (químicos) luminiscentes para monitorización de cultivos de monitorización de cultivos de microalgasmicroalgasSensores (químicos) luminiscentes para Sensores (químicos) luminiscentes para monitorización de cultivos de monitorización de cultivos de microalgasmicroalgas

Prof. Dr. Guillermo Orellana MoraledaProf. Dr. Guillermo Orellana Moraleda

UNIVERSIDAD COMPLUTENSEde MADRIDde MADRID

Dpto de QUÍMICA ORGÁNICA I Facultad de CC QuímicasDpto. de QUÍMICA ORGÁNICA I, Facultad de CC. QuímicasGrupo de Sensores Químicos Ópticos y Fotoquímica Aplicada

Maestrado en Bioenergías UEL/IAPAR, Londrina (PR), 2012

[email protected] www.ucm.es/info/gsolfa


"NUEVAS UTILIZACIONES INDUSTRIALES SOSTENIBLES DEL CO2"


http://www.cenit-sostco2.es/


Producción de biocombustibles a partir de cultivos Producción de biocombustibles a partir de cultivos d d i li l

Producción de biocombustibles a partir de cultivos Producción de biocombustibles a partir de cultivos d d i li lde de microalgasmicroalgasde de microalgasmicroalgas

CO t i li é id-algasCO2 triglicéridos g

(hasta el 86% en peso seco)

Contenido en aceite de las microalgas y de cosechas convencionales


(3–8% de la energía solar puede convertirse en biomasa; sólo 0.5% por plantas terrestres)


Producción de biocombustibles a partir de cultivos Producción de biocombustibles a partir de cultivos d d i li l bibi

Producción de biocombustibles a partir de cultivos Producción de biocombustibles a partir de cultivos d d i li l bibide de microalgasmicroalgas: : biorreactoresbiorreactoresde de microalgasmicroalgas: : biorreactoresbiorreactores

A, Biorreactor cerrado tubular-vertical (Fuente: Algenol Biofuels); B, Biorreactor cerrado de paneles(Fuente: Corporación Intel, Ocotillo Campus); C, Biorreactor cerrado tubular-horizontal (Fuente:


( p p ) (Ternion Bio Industries); D, Biorreactor abierto (Fuente: www.greendiary.com).


ThTh SOSTSOST COCO ( b)( b) j tj t it i it i ddThTh SOSTSOST COCO ( b)( b) j tj t it i it i ddTheThe SOSTSOST--COCO22 (sub)(sub)projectproject monitoring monitoring needsneedsTheThe SOSTSOST--COCO22 (sub)(sub)projectproject monitoring monitoring needsneeds

Sunlight

BiomassCO2

BG-11Medium

(nutrients)

2(HCO3

–

10–50 mM)

i ( )

( )

NutrientsO2

CO2 Air (O2)T pH



Las herramientasLas herramientasLas herramientasLas herramientasLas herramientasLas herramientasLas herramientasLas herramientas

Una familia de Una familia de indicadores luminiscentes fotoactivosindicadores luminiscentes fotoactivos: complejos de Ru(II): complejos de Ru(II)

Un Un principio de medidaprincipio de medida: emisión sensible a la fase y fotoquímica personalizada: emisión sensible a la fase y fotoquímica personalizada

Una familia de Una familia de indicadores luminiscentes fotoactivosindicadores luminiscentes fotoactivos: complejos de Ru(II): complejos de Ru(II)

p pp p y q py q p

Un Un equipo equipo optoelectrónicooptoelectrónico “a medida”“a medida”



Complejos luminiscentes de Ru(II) como i di d f í i

Complejos luminiscentes de Ru(II) como i di d f í iindicadores fotoquímicosindicadores fotoquímicos

VentajasVentajas AbsorciónAbsorción--emisión en el emisión en el visiblevisible D l i tD l i t St kSt k (>150 )(>150 )

G. Orellana et al., in Optical Sensors: Industrial, Environmental and DiagnosticApplications,, Springer (2004)

Desplazamiento Desplazamiento StokesStokes (>150 nm)(>150 nm) Largos Largos tiempostiempos de emisión (>0.2 de emisión (>0.2 s)s) FotoestabilidadFotoestabilidad Propiedades “Propiedades “sintonizablessintonizables”:”:

al al analitoanalito (fotofísica/fotoquímica)(fotofísica/fotoquímica) a la a la inmovilizacióninmovilización

Limitaciones (?)Limitaciones (?) Compuestos Compuestos iónicosiónicospp Respuesta Respuesta cruzadacruzada



Ingeniería de los ligandos orgánicosIngeniería de los ligandos orgánicosIngeniería de los ligandos orgánicosIngeniería de los ligandos orgánicos

HH

Re–e–

Incremento de Sensible a lasRuRuIncremento de (sensibilidad al O2)

Sensible a las BASES

e–

estado excitado 3MLCT

Rue

Ru e–Sensible a los ÁCIDOS

Sensible a la polaridadpolaridad

Cuidado! Posibles efectos de respuesta cruzada & T



Ingeniería de los complejos metálicosIngeniería de los complejos metálicosIngeniería de los complejos metálicosIngeniería de los complejos metálicos

d(eg)

ISC

1MLCT T

3MC

d t

ISC 3MLCT

knr

d(t2g)

fotolábil fotoestable



Importancia del soporte polimérico del indicadorImportancia del soporte polimérico del indicadorImportancia del soporte polimérico del indicadorImportancia del soporte polimérico del indicador

NHO2SCPG

SO3-

L-O3S SO3

-

4.60 s4.20 s

N

N

Ru LN

N N

H R

s2d

N

-O3SN N

NH

O

R

acap (R = CH3)tdap (R = C13H27)


SO3-

G. Orellana et al., in Frontiers in Chemical Sensors, Orellana and Moreno-Bondi, Eds., Springer (2005); pp. 189-225.


Un Un equipoequipo optoelectrónicooptoelectrónico “a “a medidamedida” de los ” de los indicadoresindicadores luminiscentesluminiscentes

Un Un equipoequipo optoelectrónicooptoelectrónico “a “a medidamedida” de los ” de los indicadoresindicadores luminiscentesluminiscentesindicadoresindicadores luminiscentesluminiscentesindicadoresindicadores luminiscentesluminiscentes

EMISSION SENSITIVEEMISSION SENSITIVE

D/AOSCILATOR

SIGNAL GENERATION

YNC

RH

ON

ISM

LEDsEMISSIONO

CE

SS

TER

MIN

ATIO

N

HEADS

SIGNAL ADAPTATION

AmplitudeD/AOSCILATOR

SIGNAL GENERATION

YNC

RH

ON

ISM

LEDsEMISSIONO

CE

SS

TER

MIN

ATIO

N

HEADS

SIGNAL ADAPTATION

Amplitude

20–300 KHz

A/D

SY

DETECTOR 2

DETECTOR 1RECEPTION

SIGNAL ADAPTATION

SIGNAL FILTERS

DIG

ITA

L P

RO

HA

SE

SH

IFT

DET

CP

U

A/D

SY

DETECTOR 2

DETECTOR 1RECEPTION

SIGNAL ADAPTATION

SIGNAL FILTERS

DIG

ITA

L P

RO

HA

SE

SH

IFT

DET

CP

U

A/D DETECTOR 2ADAPTATIONGainNoise

reduction

PH A/D DETECTOR 2ADAPTATION

GainNoise reduction

PH

COMMUNICATIONCOMMUNICATION

Cortesía de ULTRASEN Sistemas



Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de Ode O22Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de Ode O22

1Ru O2+Ru O2+2[ ]obs

r nr qk k k O

Ru O2+

1O2

Ru O2+1O2

Orellana et al., Langmuir 2010

-10

0

12

1470

60

0

10

RuRu

/ º

-40

-30

-20

0/

6

8

1050

40

30

20

30

4010

0

10

0700

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40-70

-60

-50

0

2

420

10

0

50

60

70 / º

-40

-30

-20

-10

/ º

-40

-30

-20

-1060

50

40

10

20

30

40

[O2] / mg L-1

0 5 10 15 20 25 30 35 40

t / h0 10 20 30 40 50 60

-60

-50

t / h0 10 20 30 40 50 60

-60

-5030

20

10

50

60


t / ht / h

G. Orellana et al. in Monitoring of Water Quality: The contribution of advanced technologies, Colin and Quevauviller, Eds., Elsevier (1998); pp 103-116. G. Orellana, in Optical Chemical Sensors (NATO ASI Ser. Vol. 42), Baldini et al., Eds., Springer (2006); pp. 99-116.


MonitorizaciMonitorizaciónón de Ode O22 en reactor de cultivoen reactor de cultivoMonitorizaciMonitorizaciónón de Ode O22 en reactor de cultivoen reactor de cultivo2222-1 9

10

38

39

-1 9

10

38

39

elto

/ m

g L

7

8

9

tura

/ ºC

35

36

37

elto

/ m

g L

7

8

9

tura

/ ºC

35

36

37

OptosenUCP Terminal sensible

xíge

no d

isu

6

7

Tem

pera

t

33

34

35

DIA

xíge

no d

isu

6

7

Tem

pera

t

33

34

35

DIA

acto

r

sensible

lun 19 mar 20 mié 21 jue 22 vie 23

Ox

4

5

31

32NOCHE

lun 19 mar 20 mié 21 jue 22 vie 23

Ox

4

5

31

32NOCHE

Bior

rea

Sensor de temperatura


Tiempo / díasTiempo / días


MonitorizaciMonitorizaciónón de Ode O22: recubrimientos : recubrimientos “anti“anti--MonitorizaciMonitorizaciónón de Ode O22: recubrimientos : recubrimientos “anti“anti--biofouling”biofouling” de las películas sensorasde las películas sensorasbiofouling”biofouling” de las películas sensorasde las películas sensoras

= Phosphorylcholine (PC )N(CH 3)3 Phosphorylcholine (PC )

][ n

PO

OO

O

OO

f

][ Ommmm

U ntreated surface


BIOCOMPATIBLE OPTICAL SENSOR SYSTEMS (“BOSS”)BIOCOMPATIBLE OPTICAL SENSOR SYSTEMS (“BOSS”)BIOCOMPATIBLE OPTICAL SENSOR SYSTEMS (“BOSS”)BIOCOMPATIBLE OPTICAL SENSOR SYSTEMS (“BOSS”)

Orellana et al, Anal. Chem. 2001, 73, 5150


Indicadores luminiscentes Indicadores luminiscentes para medidapara medida de la de la id /b i id did /b i id d

Indicadores luminiscentes Indicadores luminiscentes para medidapara medida de la de la id /b i id did /b i id dacidez/basicidadacidez/basicidadacidez/basicidadacidez/basicidad

t / º 35

40

45

/º

Col 12 vs Col 10

Phas

e Shif

t

15

20

25

30

pH 9.0-pH 4.0pH 4.0-pH 9.0

Desf

ase/

N NpH

3 4 5 6 7 8 9 1010

p p

N N


Orellana y Moreno-Bondi, Patente Esp. 1990


Variación de la luminiscencia con la acidez del Variación de la luminiscencia con la acidez del di ( )di ( ) ( /2)( /2)

Variación de la luminiscencia con la acidez del Variación de la luminiscencia con la acidez del di ( )di ( ) ( /2)( /2)medio (pH) medio (pH) (1/2)(1/2)medio (pH) medio (pH) (1/2)(1/2)

R ( ) 2+Ru( )32+


G. Orellana, M.C. Moreno-Bondi et al, Span. Pat. 2023593 (1990); Anal. Chem. 1992, 64, 2210; Appl. Spectrosc. 1998, 52, 1314


Variación de la luminiscencia con la acidez del Variación de la luminiscencia con la acidez del di ( )di ( ) (2/2)(2/2)

Variación de la luminiscencia con la acidez del Variación de la luminiscencia con la acidez del di ( )di ( ) (2/2)(2/2)

(B) [Ru(pbbs)2(pyim)]2–

medio (pH) medio (pH) (2/2)(2/2)medio (pH) medio (pH) (2/2)(2/2)(B) [Ru(pbbs)2(pyim)]2–

1000010 mM pH 7Bis(trispropane9

ts

1000

Bis(trispropane9PhosphateImidazole

Cou

n

10

100

t / ns0 1000 2000 3000 4000

1

Ru( ) 2+Ru Ru

HB BH+ +

Ru( )32+

RuRH

H


RuRu B BH+ +


Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de pH: de pH: Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de pH: de pH:

??

Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de pH: de pH: ¡este sí!¡este sí!

Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de pH: de pH: ¡este sí!¡este sí!

XRu RuH

B BH+ +?

Ru RuH

B BH+ +?X

RuRuH

B BH+ +RuRuH

B BH+ +B BB B

360

380

360

380

/ n

s

300

320

340

360

372 ns (HA) 263 ns (A–)

/ %

020406080

100

/ n

s

300

320

340

360

372 ns (HA) 263 ns (A–)

/ %

020406080

100

SO3--O3S SO3--O3S

240

260

280

300

pH2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

240

260

280

300

pH2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

N NN N


pH2 3 4 5 6 7 8 9 10

240

pH2 3 4 5 6 7 8 9 10

240

Orellana et al., Anal. Chem. 2010


Fabricación de un sensor de COFabricación de un sensor de CO22Fabricación de un sensor de COFabricación de un sensor de CO222222



Fabricación de un sensor de COFabricación de un sensor de CO22Fabricación de un sensor de COFabricación de un sensor de CO222222

CO2 (g)COCO22 (muestra)(muestra)CO2 (g)

S tSiliconaSilicona

COCO22 ( ues )( ues )

HidrogelCO2 (ac)

SoporteHydrogelNH3 (aq)CO2

*[RuL (L’H)]3+ *[R L (L’)]2+

Hidrogel

HB B-

HCO3-

*[RuL2(L’H)]3+ *[RuL2(L’)]2+

B HB++

15500

17500

* Ru3B HB

I em, a

.u.

11500

13500

15500

0

6

t, min

0 20 40 60 80 100 1207500

9500

6

1218

2430

% CO2


Orellana y Moreno-Bondi, Patente Esp. 1990


Aplicación del sensor luminiscente de COAplicación del sensor luminiscente de CO22 a la a la Aplicación del sensor luminiscente de COAplicación del sensor luminiscente de CO22 a la a la 22monitorización de compostmonitorización de compost

22monitorización de compostmonitorización de compost

H2OBASETRAP

DIFF. TEMP.CONTROL

HEAT.CIRC THERMISTOR

H2O TRAP

COMP.AIR

ROTAMETERCIRC.

HEAT EXCHANGER

THERMISTOR ROTAMETERWATERINFLOW

THERMOCOUPLES

SENSORSThermostatic

bath

pH = 2.0

STAINLESS STEEL MESH CYLINDER

AIR TIGHT CYLINDERINSULATED TANK

CONDENSATEDRAIN CO2 O2HUMIDIFIER

TUBE


Orellana et al., Quim. Anal. Chem. 2000


Aplicación del sensor luminiscente de COAplicación del sensor luminiscente de CO22 a la a la Aplicación del sensor luminiscente de COAplicación del sensor luminiscente de CO22 a la a la 22monitorización de compostmonitorización de compost

22monitorización de compostmonitorización de compost

2], p

pmv

150

200

250

300

350

t, h0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

[CO

0

50

100

150

3 0 0

3 5 0

7 0

8 0

9 5

1 0 5

2], pp

mv

2 0 0

2 5 0

T, ºC5 0

6 0

], %

air

7 5

8 5

[CO

2

5 0

1 0 0

1 5 0 T

3 0

4 0

[O2

4 5

5 5

6 5

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 00

5 0

2 0

3 0

3 5

4 5


t , h

Orellana et al., Quim. Anal. Chem. 2000


Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en pp 22cultivos de cultivos de microalgasmicroalgaspp 22

cultivos de cultivos de microalgasmicroalgas

CO2 (g)

SiliconaSilicona

COCO22 (muestra)(muestra)

CO2 (ac)SoporteHydrogelNH3

(aq)CO2

Hidrogel

HB B-( q)

HCO3-

*[RuL2(L’H)]3

+*[RuL2(L’)]2

+

B HB++

* RuCO3B HB



Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en lti d lti d i li l

Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en lti d lti d i li lcultivos de cultivos de microalgasmicroalgascultivos de cultivos de microalgasmicroalgas

35

A li d OPTOSEN®

35

100% Aire25

30 Microalgae culture

-- seco -- húmedo

Analizador OPTOSEN®

30

100% Aire100% Aire

º

15

20

20

25

CO en agua [N HCO ] ( M)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1005

10

15

100% CO

25% CO2

CO2 en agua [NaHCO3] (mM)

Acidificación con:• Buffer fosfato 7.2

t (h)

0 2 4 6 8 1010

100% CO2 100% CO250% CO2 • Ác. fosfórico


t (h)




30 30

(Líquida) (Sólida)

26

28

30

26

28

º

20

22

24

º

º

20

22

24

[N HCO ] ( M)

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10016

18

[N HCO ] ( M)

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10016

18

[NaHCO3] (mM) [NaHCO3] (mM)





(Líquida) (Sólida)

30

35A

30

35B

20

25

30

(º)

20

25

30

(º

)

15

2010

20

30

400 10 20 30 40

T (º C

) 15

2010

20

30

400 10 20 30 40

T (º

C)

50

30 40 50 60 70 80 90CO2 (mM)50

30 40 50 60 70 80 90CO2 (mM)



Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en Sensores para Sensores para monitorizacimonitorizaciónón de COde CO22 en en cultivos de cultivos de microalgasmicroalgas (TIPO II)(TIPO II)cultivos de cultivos de microalgasmicroalgas (TIPO II)(TIPO II)

Microalgae Optical Standard

ISO 9963-2:1996

Microalgaesamples Sensor

(mM HCO3-)

S Titration(mM HCO3

-)S Pval (%)

1 66.7 1 66 0.1 371 66.7 1 66 0.1 372 66.1 1.6 65.9 0.1 873 66.6 2.3 64 0.1 18.44 82.7 3.2 81.4 0.5 63.25 85.2 1.5 81.9 0.4 7.66 82.9 2.5 82.8 3.2 94.5

S: standard deviation, Pval: probability value, three replicate samples in every case.



ConclusionesConclusionesConclusionesConclusionesConclusionesConclusionesConclusionesConclusiones

Un cuidadoso diseño de las moléculas indicadoras el polímero para Un cuidadoso diseño de las moléculas indicadoras el polímero para Un cuidadoso diseño de las moléculas indicadoras, el polímero para soportarlas y la instrumentación para interrogarlas, hace posible la fabricación de sensores opto-químicos competitivos y versátiles.

Un cuidadoso diseño de las moléculas indicadoras, el polímero para soportarlas y la instrumentación para interrogarlas, hace posible la fabricación de sensores opto-químicos competitivos y versátiles.p q p y

El problema potential de la respuesta cruzada a varios analitos puederesolverse mediante corrección de la señal y/o el polímero utilizado (soporte,

p q p y

El problema potential de la respuesta cruzada a varios analitos puederesolverse mediante corrección de la señal y/o el polímero utilizado (soporte, resolverse mediante corrección de la señal y/o el polímero utilizado (soporte, barrera).

La miniaturización de los dispositivos es posible con los modernos

resolverse mediante corrección de la señal y/o el polímero utilizado (soporte, barrera).

La miniaturización de los dispositivos es posible con los modernos La miniaturización de los dispositivos es posible con los modernossemiconductores electroluminiscentes.

Sólo los esfuerzos combinados de la Química la Ingeniería la Óptica y la

La miniaturización de los dispositivos es posible con los modernossemiconductores electroluminiscentes.

Sólo los esfuerzos combinados de la Química la Ingeniería la Óptica y la Sólo los esfuerzos combinados de la Química, la Ingeniería, la Óptica y la Ciencia de los Materiales dotarán a la electrónica de “sentidos” que mejorennuestra calidad de vida.

Sólo los esfuerzos combinados de la Química, la Ingeniería, la Óptica y la Ciencia de los Materiales dotarán a la electrónica de “sentidos” que mejorennuestra calidad de vida.



d i id i id i id i iAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos

Prof. Dr. María C. Moreno-Bondi (Dpmt. of Analytical Chem., UCM)Prof. Dr. María C. Moreno-Bondi (Dpmt. of Analytical Chem., UCM)

• Prof. David García-Fresnadillo• Prof. David García-Fresnadillo• Dr. Ana B. Descalzo• Dr. Nelia Bustamante• Dr. Laura Tormo

D J i L U

• Dr. Ana B. Descalzo• Dr. Nelia Bustamante• Dr. Laura Tormo

D J i L U • (Dr. Jesús Delgado)*• Dr. Maximino Bedoya• (Dr. Jesús Delgado)*• Dr. Maximino Bedoya

• Dr. Javier L. Urraca• Dr. Juan López-Gejo• Dr. Clara Cano• Dr Manoel Veiga

• Dr. Javier L. Urraca• Dr. Juan López-Gejo• Dr. Clara Cano• Dr Manoel Veiga• Dr. Manoel Veiga• André Santos• Silvia Mateos• David Haigh

• Dr. Manoel Veiga• André Santos• Silvia Mateos• David Haighgg

Prof. Dr. E. Costas (Facultad de Veterinaria, UCM)Prof. Dr. E. Costas (Facultad de Veterinaria, UCM)P f D E M ñ (ETSI T l i ió UPM)P f D E M ñ (ETSI T l i ió UPM)


Prof. Dr. E. Muñoz (ETSI Telecomunicación, UPM)Prof. Dr. E. Muñoz (ETSI Telecomunicación, UPM)Prof. Dr. C. Palacios (Facultad de Ciencias, UAM)Prof. Dr. C. Palacios (Facultad de Ciencias, UAM)


The acknowledgements (2/2)The acknowledgements (2/2)

• Spanish Ministry of Science & Innovation• Spanish Ministry of Science & Innovation• Spanish Ministry of Science & Innovation(BQU2002, PROFIT, PETRI, CTQ2006, CTQ2009, CENIT)

• Madrid Community Regional Government

• Spanish Ministry of Science & Innovation(BQU2002, PROFIT, PETRI, CTQ2006, CTQ2009, CENIT)

• Madrid Community Regional Governmenty g(S-0505/AMB/0374)

• Spanish Ministry of Education and Science

y g(S-0505/AMB/0374)

• Spanish Ministry of Education and Science(Doctoral grants)

• European Union (IV, VI FP)U i id d C l t d M d id

(Doctoral grants)

• European Union (IV, VI FP)U i id d C l t d M d id• Universidad Complutense de Madrid• Universidad Complutense de Madrid



AlgunasAlgunas leccioneslecciones aprendidasaprendidas de la de la AlgunasAlgunas leccioneslecciones aprendidasaprendidas de la de la colaboracióncolaboración UniversidadUniversidad--IndustriaIndustria

• ¡La empresa no es una ONG!

• La investigación aplicada está escasamente valorada: por la comunidad científica por la empresa

• Imprescindible un equipo multidisciplinarp q p p

• Necesidad de proteger las invenciones (patentes)

• La Universidad presta un escaso apoyo a sus profesores

• Un buen descubrimiento en el laboratorio es necesario, pero no suficiente (la ciencia en el mundo real es dura...)

L t l í d t i l d d• La tecnología no crea productos, sino la demanda

• La realización de ensayos preliminares en condiciones reales y la obtención de patentes ayuda en los primeros contactos.


y

4-sensores cultivos microalgas vforpdf - uel

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