Un sistem simplu de monitorizare și control al turbidității pentru microalge: 4 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Spuneți doar că v-ați plictisit de prelevarea de apă pentru a măsura turbiditatea, un termen grosier care indică orice particule mici, suspendate din apă, care reduce intensitatea luminii fie cu o cale de lumină în creștere, fie cu o concentrație mai mare de particule sau ambele. Deci, cum să faci asta?

Mai jos sunt câțiva pași pe care i-am făcut pentru a construi un sistem automat de monitorizare a densității de biomasă a microalgelor. Este vorba despre microalge care au dimensiuni sub micronice, bine suspendate în apă și, mai degrabă, au un stil de viață extrem, transformând energia luminii și reducând dioxidul de carbon în biomasă nou sintetizată. Acest lucru este suficient pentru microalge.

Pentru a măsura turbiditatea sau densitatea biomasei, în cazul meu, trebuie să măsoară intensitatea luminii din partea detectorului care este convertită într-o citire a tensiunii. Un obstacol am avut la început să găsesc un senzor adecvat care să funcționeze cu speciile de microalge cu care am lucrat.

Turbiditatea poate fi măsurată cu ajutorul unui spectrofotometru. Spectrofotometrul de laborator este scump și măsoară în principal o probă la un moment dat. Cumva, am avut noroc că am cumpărat un senzor de turbiditate ieftin pe care l-am putut găsi pe ebay.com sau amazon.com și, spre surprinderea mea, senzorul funcționează bine cu speciile de microalge pe care le-am experimentat.

Pasul 1: Piese necesare:

1. Un senzor de turbiditate ca acesta din fotografia care conectează tubulatura. Cel din listă are un pasaj deschis, cu excepția cazului în care intenționați să scufundați senzorul.

2. O placă Arduino. Ar putea fi Nano sau Mega / Uno (dacă se folosește Yun Shield)

3. Un potențiometru. Mai bine să o folosiți pe cea de precizie așa.

4. Un ecran OLED. Am folosit SSD1306, dar alte tipuri de LCD, cum ar fi 1602, 2004 ar funcționa (și va revizui codul în consecință).

5. O placă de redare cu două canale ca aceasta

6. Două comutatoare cu trei poziții pentru control manual suplimentar

7. Pompe: Am cumpărat o pompă peristaltică mică de 12V și am folosit o pompă cu canal dual Cole Parmer în laborator ca pompă principală. Dacă pompa principală are un singur cap de canal, atunci utilizați tubul de deversare pentru a colecta surplusul de biomasă, aveți grijă la o posibilă degresare a biomasei pe partea superioară a reactorului dacă utilizați un amestec puternic de transport aerian.

8. Un Raspberry Pi sau un laptop pentru înregistrarea datelor pentru Opțiunea 1 sau un Yun Shield pentru Opțiunea 2

Costul total este de aproximativ 200 USD. Pompa Cole Parmer variază în jur de 1000 USD și nu este inclusă în costul total. Nu am făcut o însumare exactă.

Pasul 2: Opțiunea 1: Înregistrați datele pe un computer / Raspberry Pi prin cablu USB

Folosirea unui computer sau a unui Raspberry Pi pentru a înregistra unele date de ieșire

Înregistrarea se poate face prin opțiunea de înregistrare, cum ar fi Putty (Windows) sau Screen (Linux). Sau poate fi realizat printr-un script Python. Acest script necesită Python3 și o bibliotecă numită pyserial pentru a fi funcționale. În afară de faptul că datele înregistrate sunt ușor accesibile în laptop sau în Desktop Remote, această abordare profită de timpul petrecut pe computerul care este conectat în fișier împreună cu alte ieșiri.

Iată un alt tutorial pe care l-am scris despre cum să configurez un Raspberry Pi și să colectez date de la Arduino. Este un ghid pas cu pas pentru a obține date de la un Arduino la un Raspberry Pi.

Și codul pentru Arduino este găzduit aici pentru Opțiunea 1: funcționarea sistemului senzorului de turbiditate și înregistrarea datelor într-un computer.

Așa cum am menționat mai sus, acesta este un sistem simplu, dar pentru ca senzorul să producă date semnificative, atunci subiectul măsurătorilor, cum ar fi microalge, amurg, lapte sau particulele suspendate, trebuiau suspendate, relativ stabil.

Fișierul înregistrat conține ștampila de timp, valoarea setată, valoarea măsurată a turbidității și momentul în care pompa principală a fost pornită. Acest lucru ar trebui să vă ofere câțiva indicatori ai performanței sistemului. Puteți adăuga mai mulți parametri la Serial.println (dataString) din fișierul.ino.

O virgulă (sau o filă sau alte caractere pentru a împărți datele în fiecare celulă din foaia de calcul) ar trebui adăugată în fiecare ieșire, astfel încât datele să poată fi împărțite în Excel pentru realizarea unui grafic. Virgula vă va economisi niște păr (îi salvează pe ai mei), mai ales după ce ați avut câteva mii de rânduri de date și vă dați seama cum să împărțiți numerele și ați uitat să adăugați o virgulă între ele.

Pasul 3: Opțiunea 2: datele sunt înregistrate pe scutul Yun

Folosind un Yun Shield deasupra Arduino Mega sau Uno pentru a înregistra datele

Yun Shield rulează o distribuție Linux minimă și se poate conecta la Internet, are porturi USB și slot pentru card SD, astfel încât datele pot fi conectate la un stick USB sau un card SD. Timpul este preluat din sistemul Linux, iar fișierul de date este preluat dintr-un program FTP precum WinSCP sau FileZilla sau direct din USB, cititor de card SD.

Iată codul găzduit pe Github pentru Opțiunea 2.

Pasul 4: Performanța senzorului de turbiditate

Am folosit un senzor de turbiditate Amphenol (TSD-10) și vine cu foaia tehnică. Este mai greu să verificați produsul din listarea online. Fișa tehnică include un grafic al citirii tensiunii (Vout) cu concentrație de turbiditate diferită reprezentată în Unitatea Nefelometrică de Turbiditate (NTU). Pentru microalge, densitatea biomasei este de obicei la lungimea de undă 730 nm, sau 750 mm pentru a măsura concentrația particulelor, numită densitate optică (OD). Iată deci comparația dintre Vout, OD730 (măsurat cu un spectrometru Shimadzu) și OD750 (convertit din NTU în foaia de date).

Cea mai dorită stare a acestui sistem este turbiditatea-statică sau turbidostat pe care sistemul poate măsura și controla automat densitatea biomasei la (sau aproape) la o valoare setată. Iată un grafic care arată acest sistem efectuat.

Dezvăluire:

Acest sistem de monitorizare și control al turbidității (adesea numit turbidostat) este una dintre cele trei unități pe care le-am lucrat în încercarea de a construi un fotobioreactor în avans. Această lucrare a fost efectuată în timp ce lucram la Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Contribuțiile științifice ale acestui sistem pentru a avansa cultivarea algelor au fost publicate în Algal Research Journal.