Un semplice sistema di monitoraggio e controllo della torbidità per le microalghe: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Diciamo solo che sei stanco di campionare l'acqua per misurare la torbidità, un termine grossolano che indica qualsiasi piccola particella sospesa nell'acqua, che riduce l'intensità della luce con un percorso luminoso crescente o una concentrazione di particelle più elevata o entrambi. Quindi, come farlo?

Di seguito sono riportati alcuni passaggi che ho seguito per costruire un sistema di monitoraggio automatico per la densità della biomassa delle microalghe. Si tratta di microalghe di dimensioni inferiori al micron, ben sospese nell'acqua, che hanno uno stile di vita estremo, convertendo l'energia luminosa e riducendo l'anidride carbonica in biomassa di nuova sintesi. Questo è abbastanza per le microalghe.

Per misurare la torbidità o la densità della biomassa, nel mio caso, devo misurare l'intensità della luce nel lato del rivelatore che viene convertita in una lettura di tensione. Un ostacolo che ho avuto all'inizio è trovare un sensore adatto che funzioni con le specie di microalghe con cui ho lavorato.

La torbidità può essere misurata con uno spettrofotometro. Lo spettrofotometro da laboratorio è costoso e misura principalmente un campione alla volta. In qualche modo, ho avuto la fortuna di acquistare un sensore di torbidità economico che ho trovato su ebay.com o amazon.com e, con mia sorpresa, il sensore funziona bene con le specie di microalghe che ho sperimentato.

Passaggio 1: parti necessarie:

1. Un sensore di torbidità come questo nella foto che collega il tubo. Quello nell'elenco ha un passaggio aperto a meno che non si preveda di immergere il sensore.

2. Una scheda Arduino. Potrebbe essere Nano o Mega/Uno (se si usa Yun Shield)

3. Un potenziometro. Meglio usare quello di precisione come questo.

4. Uno schermo OLED. Ho usato SSD1306, ma altri tipi di LCD come 1602, 2004 funzionerebbero (e revisionare il codice di conseguenza).

5. Un replay board con due canali come questo

6. Due interruttori a tre posizioni per un controllo manuale aggiuntivo

7. Pompe: ho acquistato una piccola pompa peristaltica da 12 V e ho usato una pompa a doppio canale Cole Parmer in laboratorio come pompa principale. Se la pompa principale ha solo un canale di testa, utilizzare il tubo di troppo pieno per raccogliere la biomassa in eccesso, fare attenzione a un possibile scrematura della biomassa sulla parte superiore del reattore se si utilizza una miscelazione vigorosa del ponte aereo.

8. Un Raspberry Pi o un laptop per registrare i dati per l'Opzione 1 o uno Yun Shield per l'Opzione 2

Il costo totale è di 200 dollari. La pompa Cole Parmer varia circa $ 1000 e non è inclusa nel costo totale. Non ho fatto una somma esatta.

Passaggio 2: Opzione 1: Registra i dati su un computer/ Raspberry Pi tramite cavo USB

Utilizzando un computer o un Raspberry Pi per registrare alcuni dati di output

La registrazione può essere eseguita tramite l'opzione di registrazione come Putty (Windows) o Screen (Linux). Oppure può essere fatto da uno script Python. Questo script richiede Python3 e una libreria chiamata pyserial per essere funzionante. Oltre che i dati registrati sono facilmente accessibili nel laptop o in Desktop Remote, questo approccio sfrutta i vantaggi del tempo sul computer che viene registrato nel file insieme ad altri output.

Ecco un altro tutorial che ho scritto su come configurare un Raspberry Pi e raccogliere dati da Arduino. È una guida passo passo per ottenere dati da un Arduino a un Raspberry Pi.

E il codice per Arduino è ospitato qui per l'Opzione 1: funzionamento del sistema di sensori di torbidità e registrazione dei dati in un computer.

Come ho detto sopra, questo è un sistema semplice, ma affinché il sensore produca dati significativi, l'oggetto di misurazioni come le microalghe, il crepuscolo, il latte o le particelle sospese doveva essere sospeso, relativamente stabile.

Il file registrato contiene il timestamp, il set point, il valore di misurazione della torbidità e quando la pompa principale era accesa. Questo dovrebbe darti alcuni indicatori delle prestazioni del sistema. Potresti aggiungere più parametri a Serial.println(dataString) nel file.ino.

Una virgola (o una scheda o altri caratteri per dividere i dati in ciascuna cella del foglio di calcolo) dovrebbe essere aggiunta in ogni output in modo che i dati possano essere suddivisi in Excel per creare un grafico. La virgola ti farà risparmiare un po' di capelli (salva i miei), soprattutto dopo aver avuto qualche migliaio di righe di dati, e capirà come dividere i numeri e dimenticare di aggiungere una virgola in mezzo.

Passaggio 3: Opzione 2: i dati vengono registrati su Yun Shield

Utilizzo di uno Yun Shield su Arduino Mega o Uno per registrare i dati

Yun Shield esegue una distribuzione Linux minima e può connettersi a Internet, avere porte USB e slot per schede SD, quindi i dati possono essere registrati su una chiavetta USB o una scheda SD. L'ora viene recuperata dal sistema Linux e il file di dati viene recuperato da un programma FTP come WinSCP o FileZilla o direttamente da USB, lettore di schede SD.

Ecco il codice ospitato su Github per l'opzione 2.

Passaggio 4: prestazioni del sensore di torbidità

Ho usato un sensore di torbidità Amphenol (TSD-10) e viene fornito con la scheda tecnica. È più difficile verificare il prodotto dall'elenco online. Il datasheet include un grafico della lettura della tensione (Vout) con diversa concentrazione di torbidità rappresentata in Nephelometric Turbidity Unit (NTU). Per le microalghe, la densità della biomassa è solitamente alla lunghezza d'onda di 730 nm, o 750 mm per misurare la concentrazione di particelle, chiamata densità ottica (OD). Quindi ecco il confronto tra Vout, OD730 (misurato da uno spettrometro Shimadzu) e OD750 (convertito da NTU nel datasheet).

Lo stato più desiderabile di questo sistema è torbidità-statico o turbidostato che il sistema può misurare e controllare automaticamente la densità della biomassa a (o vicino) a un valore impostato. Ecco un grafico che mostra questo sistema eseguito.

Divulgazione:

Questo sistema di monitoraggio e controllo della torbidità (spesso chiamato turbidostato) è una delle tre unità su cui ho lavorato nel tentativo di costruire un fotobioreattore avanzato. Questo lavoro è stato svolto mentre lavoravo al Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. I contributi scientifici di questo sistema per far progredire la coltivazione delle alghe sono stati pubblicati su Algal Research Journal.