El presente trabajo de tesis tiene como objetivo implementar un prototipo de Termociclador alimentado con una fuente comercial de 24 voltios DC, con lo cual se podrá analizar y observar el comportamiento de las etapas del proceso de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR). Para el desarrollo de este trabajo se tiene como base los estudios realizados por Zegarra y Ponce en "Diseño e Implementación de un módulo para procesos de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) en la Replicación de ADN"; de igual manera, la investigación "Caracterización de la Celda Peltier para un Prototipo de Termociclador" realizada por Ayllón, G., todo este proceso implica desarrollar etapas previas para posteriormente lograr el buen manejo y optimación en el desarrollo del prototipo de termociclador PUCP. Este trabajo se ha dividido en cuatro capítulos que se detallan a continuación. En el capítulo 1, se mencionan las tecnologías que se utilizan para el proceso de PCR, y la importancia de éstas en el desarrollo de los Termocicladores; además de los avances que se tiene en la actualidad en el desarrollo del Termociclador PUCP. En el capítulo 2, se va encontrar una descripción del ADN, sus generalidades, el proceso de replicación de ADN y que elementos se ven envuelto en todo el proceso; así como también, la tecnología que gobierna actualmente a estos equipos electrónicos. En el capítulo 3, se encuentra el desarrollo de todas las etapas que conllevan al proceso de la PCR y que permiten la implementación del prototipo de Termociclador. En el capítulo 4, se realizan pruebas para las etapas del proceso de PCR, así como una evaluación final de todo el proceso para diferentes números de ciclos. En la parte final del documento se presentan las conclusiones finales obtenidas en la implementación del prototipo de Termociclador, así como las recomendaciones que este trabajo ha suscitado.

El efecto Peltier, el cual se origina por el paso de una corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos, es un fenómeno que puede ser aprovechado para procesos de refrigeración y aire acondicionado. Para obtener el efecto refrigerante, con un dispositivo o celda Peltier, solo es necesario realizar trabajo eléctrico. Sin embargo, su uso es limitado debido a su bajo coeficiente de desempeño (COP). Los sistemas de refrigeración termoeléctricos no están en condiciones de competir con sistemas convencionales, debido a su desempeño energético. A pesar de ello, es una opción que debe ser explotada, debido a que su principal ventaja es no utilizar gases refrigerantes. Para ello, los parámetros relacionados con el coeficiente de performance (COP) deben ser diseñados, de tal forma que el sistema opere cerca del punto de máximo desempeño. Las superficies extendidas (aletas), son componentes que permiten el intercambio de calor, forman parte esencial de un sistema de refrigeración termoeléctrica. La magnitud de las resistencias térmicas influye en el desempeño de la celda Peltier. Por lo tanto, para el presente trabajo se realiza el análisis del comportamiento del sistema, formado por una celda Peltier el cual utiliza superficies extendidas. El objetivo principal es determinar la relación entre el coeficiente de desempeño de celda Peltier seleccionada, la cual permita extraer una carga de refrigeración de 100 W con las resistencias térmicas de sus focos frío y caliente. Se considera que las superficies extendidas son de aluminio y se ha elegido una celda Peltier comercial (TEC1-24126), formado por termopares de telururo de bismuto (Bi2Te3). En el modelamiento se ha considerado los procesos de transferencia de calor en superficies extendidas; flujo interno del aire y las relaciones termodinámicas entre los flujos de calor y trabajo en la celda Peltier. Las ecuaciones planteadas se han resuelto utilizando el software: “Engenering Equation Solver (EES)”, que utiliza una variación del método de Newton, para resolver sistemas de ecuaciones no lineales. Para el prototipo propuesto se ha comprobado la magnitud de cada resistencia térmica. La resistencia total en lado frío y caliente, respectivamente son 0,0838 W/K y 0,0840 W/K. Cada resistencia térmica está conformada por la resistencia de contacto, la resistencia de constricción o propagación y la resistencia térmica de la superficie extendida, la resistencia térmica más significativa corresponde a la superficie extendida que representa el 83%, luego la de constricción o propagación que representa un 12%, finalmente la resistencia térmica de contacto con un 5%. Con dichos valores, la celda Peltier seleccionada puede extraer una carga térmica de 101,4 W, con un coeficiente de desempeño de 0,65.

El presente asunto de estudio contempla la optimización de un prototipo de termociclador, equipo empleado para realizar la replicación in vitro de muestras biológicas específicas de ADN, utilizando para ello el proceso de Reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR (por sus siglas en ingles) cuyo principio de funcionamiento se basa en alcanzar niveles de temperaturas determinados durante intervalos de tiempo. El desarrollo de esta tesis contempla la optimización del sistema de control heredado de trabajos previos así como el diseño de la interfaz con el usuario. Para la optimización del sistema de control de temperatura, se realiza previamente un modelamiento matemático del actuador y la unidad principal del sistema, siendo estos una celda peltier y una bandeja de plata respectivamente. Para la celda peltier, el modelamiento a realizar requiere emplear equivalencias eléctricas a fenómenos térmicos que suceden en este dispositivo. De igual forma se realiza el modelamiento matemático para la bandeja de plata. El control del proceso se realiza empleando algoritmos en lenguaje assembler para el microcontrolador de la familia Atmel y lenguaje de alto nivel utilizado en el programa Visual Basic 6.0. La ventaja de emplear lenguaje de alto nivel es la facilidad de trabajar con valores en punto flotante, que mejoran la precisión de la variable de control requerida. Asimismo, el algoritmo implementado en lenguaje assembler permite la adquisición digital de datos por parte de la etapa de sensado de temperatura, la comunicación con la PC para el envió de estos datos, el posterior procesamiento que se realizará en la PC y finalmente la recepción de datos de control para la generación de una onda PWM. El resultado final de estos dos elementos da una señal de control necesaria para la etapa de potencia. Finalmente, se implementa una interfaz de usuario amigable en la PC que permite al operario tener una supervisión del proceso en tiempo real y poder adquirir los datos obtenidos para posteriores análisis. Como resultado de estos procedimientos, se logra diseñar e implementar el algoritmo de control de temperatura cuyas características se asemejan a equipos comerciales actuales, sea el caso de las rampas de temperatura y el error en estado estable. Asimismo, se verifica la correcta adquisición de datos y la generación de señal de control hacia la etapa de potencia.

El presente trabajo tiene como objetivo el diseño y desarrollo de un módulo básico que permita la replicación de ADN empleando el proceso de Reacción en Cadena de la Polimerasa, conocido como PCR por sus siglas en inglés de Polymerase Chain Reaction. Para ello el módulo debe ser capaz de controlar de manera precisa un juego de temperaturas configurables por el usuario, con la finalidad de lograr un proceso eficiente. No es parte de la presente tesis el desarrollo de la fuente de alimentación del sistema. Este módulo básico constituye un primer aporte a la intención de desarrollar equipos termocicladores de producción nacional. Los termocicladores se usan en laboratorios de investigación de Biotecnología Moderna y análisis genéticos. Para este objetivo se hace uso de los dispositivos de efecto termoeléctrico conocidos como Celdas Peltier, modelos CP 1.4-127-10L y CP 0.8-254-06L, componentes que permiten obtener cambios de temperatura de manera muy rápida. Para el control de dichas temperaturas se selecciona el sensor YSI 44018, por sus características físicas y de precisión y así garantizar que las muestras de ADN a replicar no se degeneren. Los elementos de potencia y de control utilizados permiten el cumplimiento de las exigencias del protocolo de PCR. Todos los componentes electrónicos son manejados digitalmente por el microcontrolador PIC 16F877 que se programó en lenguaje ensamblador. Las interfaces de entrada-salida las constituyen el teclado matricial y la pantalla LCD respectivamente. Para hacer las pruebas de funcionamiento fue necesaria la construcción de un bloque metálico de plata y el aprovisionamiento de un bloque de aluminio que actuaron como bandeja porta-muestras del módulo diseñado. Con estos elementos se construyó el módulo básico, que alcanzó una rampa de temperatura de 0.4C/s con una precisión de ±0.8C.