Un sistema simple de control i control de la terbolesa per a microalgues: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Digueu que us avorreix el mostreig d’aigua per mesurar la terbolesa, un terme brut que indica qualsevol partícula petita i en suspensió a l’aigua, que redueix la intensitat de la llum amb un recorregut de llum creixent o amb una concentració de partícules més alta o ambdues coses. Llavors, com fer-ho?

A continuació es presenten diversos passos que vaig fer per construir un sistema de control automàtic de la densitat de biomassa de les microalgues. Es tracta de microalgues de mida inferior a micres, ben suspeses a l’aigua i que tenen un estil de vida extrem, que converteixen l’energia lluminosa i redueixen el diòxid de carboni en biomassa recentment sintetitzada. N’hi ha prou amb les microalgues.

Per mesurar la terbolesa o la densitat de biomassa, en el meu cas, he de mesurar la intensitat de la llum al costat del detector que es converteix en una lectura de voltatge. Un dels obstacles que vaig tenir al principi per trobar un sensor adequat que funcionés amb les espècies de microalgues amb què treballava.

La terbolesa es pot mesurar mitjançant un espectrofotòmetre. L’espectrofotòmetre de laboratori és car i mesura sobretot una mostra a la vegada. D’alguna manera, vaig tenir la sort que vaig comprar un sensor de terbolesa barat que vaig trobar a ebay.com o amazon.com i, per a la meva sorpresa, el sensor funciona bé amb les espècies de microalgues que vaig experimentar.

Pas 1: parts necessàries:

1. Un sensor de terbolesa com aquest de la foto que connecta el tub. El del llistat té un passadís obert tret que tingueu previst submergir el sensor.

2. Una placa Arduino. Podria ser Nano o Mega / Uno (si s’utilitza Yun Shield)

3. Un potenciòmetre. Millor utilitzar el de precisió així.

4. Una pantalla OLED. Vaig utilitzar SSD1306, però funcionarien altres tipus de pantalles LCD, com ara 1602, 2004 (i revisar el codi en conseqüència).

5. Un tauler de reproducció amb dos canals com aquest

6. Dos commutadors de tres posicions per a un control manual addicional

7. Bombes: vaig comprar una bomba peristàltica petita de 12V i vaig utilitzar una bomba de doble canal Cole Parmer al laboratori com a bomba principal. Si la bomba principal només té un cap de canal, utilitzeu el tub de desbordament per recollir la biomassa sobrant, tingueu en compte que hi hagi una possible descomposició de la biomassa a la part superior del reactor si utilitzeu una forta barreja de pont aeri.

8. Un Raspberry Pi o un ordinador portàtil per registrar dades de l’Opció 1 o un Yun Shield per a l’Opció 2

El cost total oscil·la entre els 200 $. La bomba Cole Parmer oscil·la al voltant de 1.000 dòlars i no està inclosa en el cost total. No vaig fer un resum exacte.

Pas 2: opció 1: registre de dades a un ordinador / Raspberry Pi mitjançant un cable USB

Utilitzar un ordinador o un Raspberry Pi per enregistrar algunes dades de sortida

La gravació es pot fer mitjançant l’opció de registre com Putty (Windows) o Screen (Linux). O es pot fer mitjançant un script Python. Aquest script requereix que Python3 i una biblioteca anomenada pyserial siguin funcionals. A més de que les dades registrades són fàcilment accessibles a l'ordinador portàtil o a Desktop Remote, aquest enfocament té avantatges del temps a l'ordinador que es registra al fitxer juntament amb altres sortides.

Aquí teniu un altre tutorial que he escrit sobre com configurar un Raspberry Pi i recopilar dades d’Arduino. És una guia pas a pas per obtenir dades d’un Arduino a un Raspberry Pi.

I el codi d’Arduino s’allotja aquí per a l’Opció 1: funcionament del sistema de sensor de terbolesa i registre de dades a un ordinador.

Com he esmentat anteriorment, aquest és un sistema senzill, però perquè el sensor produeixi dades significatives, és necessari que el tema de mesures com les microalgues, el capvespre, la llet o les partícules en suspensió sigui relativament estable.

El fitxer enregistrat conté el segell de temps, el punt de consigna, el valor de mesura de la terbolesa i quan la bomba principal estava encesa. Això us proporcionaria alguns indicadors del rendiment del sistema. Podeu afegir més paràmetres a Serial.println (dataString) al fitxer.ino.

S'ha d'afegir una coma (o una pestanya o altres caràcters per dividir les dades a cada cel·la del full de càlcul) a cada sortida perquè les dades es puguin dividir a Excel per fer un gràfic. La coma us estalviarà una mica de pèl (estalvia la meva), sobretot després de tenir uns quants milers de línies de dades, i esbrinarà com dividir números i heu oblidat afegir una coma pel mig.

Pas 3: Opció 2: les dades es registren a l’escut Yun

Utilitzar un escut Yun a sobre d’Arduino Mega o Uno per registrar les dades

El Yun Shield té una distribució Linux mínima i es pot connectar a Internet, té ports USB i ranura per a targetes SD, de manera que les dades es poden registrar en una memòria USB o una targeta SD. L’hora es recupera del sistema Linux i el fitxer de dades es recupera d’un programa FTP com WinSCP o FileZilla o directament del lector de targetes SD, USB.

Aquí teniu el codi allotjat a Github per a l’Opció 2.

Pas 4: rendiment del sensor de terbolesa

He utilitzat un sensor de terbolesa Amphenol (TSD-10) i ve amb el full de dades. És més difícil verificar el producte a la fitxa en línia. El full de dades inclou un gràfic de la lectura de tensió (Vout) amb concentració de terbolesa diferent representada a la Unitat de Turbiditat Nefelomètrica (NTU). Per a les microalgues, la densitat de biomassa sol ser a una longitud d’ona de 730 nm, o 750 mm, per mesurar la concentració de partícules, anomenada densitat òptica (OD). Aquí teniu la comparació entre Vout, OD730 (mesurat per un espectròmetre Shimadzu) i OD750 (convertit de NTU al full de dades).

L'estat més desitjable d'aquest sistema és la terbolesa estàtica o turbidostat que el sistema pot mesurar i controlar automàticament la densitat de biomassa a (o propera) a un valor establert. Aquí teniu un gràfic que mostra aquest sistema realitzat.

Divulgació:

Aquest sistema de control i control de la terbolesa (sovint anomenat turbidostat) és una de les tres unitats que vaig treballar en un intent de construir un fotobioreactor avançat. Aquest treball es va dur a terme mentre treballava al Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Les contribucions científiques d’aquest sistema per avançar en el cultiu d’algues es van publicar a Algal Research Journal.