Automating Chlorella vulgaris cultivation with a focus on developing a low-cost optical sensor

Abstract

O crescente interesse em soluções biotecnológicas sustentáveis e economicamente viáveis tem impulsionado a pesquisa em sistemas de cultivo de microalgas, dada sua capacidade de sequestro de CO2 e produção de biomassa rica em compostos bioativos de alto valor. Visando reduzir custos no cultivo de Chlorella vulgaris, abordagens tecnológicas como a automação têm se tornado cada vez mais comuns. A automação, viabilizada por plataformas acessíveis como Arduino, facilita a coleta de dados e aumenta a produtividade dos compostos-alvo. Todavia, o desenvolvimento e a validação de sensores de baixo custo para concentração celular, especialmente em diferentes comprimentos de onda, ainda são pouco explorados. Este estudo investigou a construção e a eficácia de um sistema baseado em densidade óptica para determinação da concentração celular, juntamente com a validação de sensores de baixo custo para pH, temperatura, CO2, intensidade de luz e fluxo no cultivo de C. vulgaris. As análises revelaram correlações superiores a 98% entre as leituras dos sensores acessíveis e as obtidas por equipamentos convencionais de laboratório. Além disso, o sensor de densidade óptica foi validado para outras espécies de microalgas, incluindo Phaeodactylum tricornutum e Porphyridium cruentum. A integração desses sensores personalizados permitiu a construção de um biorreator capaz de atingir economia de custos de mais de 96% em comparação aos equipamentos de medição tradicionais. Os resultados indicam que a integração dessas tecnologias pode promover a democratização da pesquisa científica, abrindo novas perspectivas para aplicações de microalgas em biorrefinarias sustentáveis e processos biotecnológicos avançados.

Abstract: The growing interest in sustainable and economically viable biotechnological solutions has driven research into microalgae cultivation systems, given their capacity for CO2 sequestration and production of biomass rich in high-value compounds. Aiming to reduce costs in the cultivation of Chlorella vulgaris, technological approaches such as automation have become increasingly common. Cultivation automation, enabled by affordable platforms such as Arduino, facilitates data collection and enhances the productivity of targeting compounds. However, the development and validation of low-cost sensors for cell concentration, particularly across different wavelengths, remain underexplored. This study investigated the construction and effectiveness of an optical density-based system for cell concentration determination, alongside the validation of low-cost sensors for pH, temperature, CO2, light intensity, and flow in C. vulgaris cultivation. The analyses showed correlations above 98% between the affordable sensors and conventional laboratory equipment. Moreover, the optical density sensor was validated for other microalgae species, including Phaeodactylum tricornutum and Porphyridium cruentum. The integration of these customized sensors allowed the construction of a bioreactor capable of achieving cost savings of over 96% compared to traditional measurement equipment. The results indicate that integrating these technologies can promote the democratization of scientific research, opening new perspectives for microalgae applications in sustainable biorefineries and advanced biotechnological processes.