Prosty system monitorowania i kontroli zmętnienia mikroalg: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Powiedzmy, że jesteś znudzony próbkowaniem wody do pomiaru zmętnienia, ogólnym pojęciem wskazującym na jakiekolwiek małe, zawieszone cząsteczki w wodzie, które zmniejszają intensywność światła wraz ze wzrostem ścieżki światła lub wyższym stężeniem cząsteczek lub obydwoma tymi cechami. Więc jak to zrobić?

Poniżej kilka kroków, które podjąłem, aby zbudować automatyczny system monitorowania gęstości biomasy mikroalg. Są to mikroalgi o rozmiarach submikronowych, dobrze zawieszone w wodzie, które prowadzą raczej ekstremalny tryb życia, przekształcając energię świetlną i redukując dwutlenek węgla w nowo zsyntetyzowaną biomasę. Tyle o mikroalgach.

Aby zmierzyć mętność lub gęstość biomasy, w moim przypadku muszę zmierzyć natężenie światła po stronie detektora, które zamieniane jest na odczyt napięcia. Jedną z przeszkód, jakie miałem na początku, było znalezienie odpowiedniego czujnika, który współpracuje z gatunkami mikroalg, z którymi pracowałem.

Zmętnienie można mierzyć spektrofotometrem. Spektrofotometr laboratoryjny jest drogi i najczęściej mierzy jedną próbkę na raz. Jakoś miałem szczęście, że kupiłem tani czujnik mętności, który mogłem znaleźć na ebay.com lub amazon.com i ku mojemu zdziwieniu czujnik dobrze współpracuje z gatunkami mikroalg, z którymi eksperymentowałem.

Krok 1: Potrzebne części:

1. Czujnik zmętnienia taki jak ten na zdjęciu, który łączy wężyk. Ten na liście ma otwarte przejście, chyba że planujesz zanurzyć czujnik.

2. Płytka Arduino. Może to być Nano lub Mega/Uno (jeśli używana jest Tarcza Yun)

3. Potencjometr. Lepiej użyć precyzji takiej jak ta.

4. Ekran OLED. Użyłem SSD1306, ale inne typy LCD, takie jak 1602, 2004 będą działać (i odpowiednio zmodyfikuj kod).

5. Tablica powtórek z dwoma takimi kanałami

6. Dwa trzypozycyjne przełączniki do dodatkowego sterowania ręcznego

7. Pompy: Kupiłem małą pompę perystaltyczną 12 V i jako główną pompę użyłem pompy dwukanałowej Cole Parmer w laboratorium. Jeśli główna pompa ma tylko jedną głowicę kanałową, użyj rury przelewowej, aby zebrać nadwyżkę biomasy, uważaj na możliwe szumowanie biomasy na górze reaktora, jeśli używasz energicznego mieszania za pomocą podnośnika powietrznego.

8. Raspberry Pi lub laptop do rejestrowania danych dla Opcji 1 lub Yun Shield dla Opcji 2

Całkowity koszt waha się w granicach 200 USD. Cena pompy Cole Parmer wynosi około 1000 USD i nie jest wliczona w całkowity koszt. Nie dokonałem dokładnego podsumowania.

Krok 2: Opcja 1: Zaloguj dane do komputera / Raspberry Pi za pomocą kabla USB

Używanie komputera lub Raspberry Pi do rejestrowania niektórych danych wyjściowych

Nagrywanie można wykonać za pomocą opcji logowania, takiej jak Putty (Windows) lub Screen (Linux). Lub można to zrobić za pomocą skryptu Pythona. Ten skrypt wymaga Python3 i biblioteki o nazwie pyserial do działania. Oprócz tego, że zarejestrowane dane są łatwo dostępne na laptopie lub w Desktop Remote, takie podejście wykorzystuje czas na komputerze, który jest zalogowany do pliku, wraz z innymi danymi wyjściowymi.

Oto kolejny samouczek, który napisałem, jak skonfigurować Raspberry Pi i zbierać dane z Arduino. Jest to przewodnik krok po kroku, jak uzyskać dane z Arduino do Raspberry Pi.

A kod dla Arduino jest hostowany tutaj dla Opcji 1: obsługa systemu czujnika zmętnienia i rejestrowanie danych na komputerze.

Jak wspomniałem wyżej, jest to system prosty, ale aby czujnik dawał sensowne dane, wówczas przedmiot pomiarów takich jak mikroalgi, zmierzch, mleko, czy zawieszone cząstki musiały być zawieszone, względnie stabilne.

Zapisany plik zawiera stempel czasu, nastawę, wartość pomiaru mętności oraz datę włączenia pompy głównej. To powinno dać ci pewne wskaźniki wydajności systemu. Możesz dodać więcej parametrów do Serial.println(dataString) w pliku.ino.

Przecinek (lub tabulator lub inne znaki dzielące dane na każdą komórkę w arkuszu kalkulacyjnym) należy dodać do każdego wyniku, aby dane można było podzielić w programie Excel w celu utworzenia wykresu. Przecinek zaoszczędzi ci trochę włosów (zaoszczędzi moje), zwłaszcza po kilku tysiącach wierszy danych i wymyśleniu, jak podzielić liczby i zapomniałeś dodać przecinek pomiędzy.

Krok 3: Opcja 2: Dane są rejestrowane w tarczy Yun

Używanie tarczy Yun na Arduino Mega lub Uno do rejestrowania danych

Yun Shield obsługuje minimalną dystrybucję Linuksa i może łączyć się z Internetem, ma porty USB i gniazdo kart SD, dzięki czemu dane mogą być rejestrowane na pamięci USB lub karcie SD. Czas jest pobierany z systemu Linux, a plik danych jest pobierany z programu FTP, takiego jak WinSCP lub FileZilla lub bezpośrednio z USB, czytnika kart SD.

Oto kod hostowany na Github dla Opcji 2.

Krok 4: Działanie czujnika mętności

Użyłem czujnika mętności Amphenol (TSD-10) i jest on dostarczany z arkuszem danych. Trudniej jest zweryfikować produkt z aukcji online. Arkusz danych zawiera wykres odczytu napięcia (Vout) z różnymi stężeniami zmętnienia reprezentowanymi w nefelometrycznej jednostce zmętnienia (NTU). W przypadku mikroalg gęstość biomasy wynosi zwykle 730 nm lub 750 mm do pomiaru stężenia cząstek, zwaną gęstością optyczną (OD). Oto porównanie między Vout, OD730 (zmierzonym przez spektrometr Shimadzu) i OD750 (przeliczonym z NTU w arkuszu danych).

Najbardziej pożądanym stanem tego systemu jest statyczna mętność lub turbidostat, dzięki której system może automatycznie mierzyć i kontrolować gęstość biomasy na (lub blisko) ustawionej wartości. Oto wykres przedstawiający działanie tego systemu.

Ujawnienie:

Ten system monitorowania i kontroli zmętnienia (często nazywany turbidostatem) jest jedną z trzech jednostek, w których pracowałem przy próbie zbudowania zaawansowanego fotobioreaktora. Ta praca została wykonana podczas pracy w Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Naukowy wkład tego systemu w rozwój hodowli glonów został opublikowany w Algal Research Journal.