Een eenvoudige troebelheidsmonitor en controlesysteem voor microalgen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Laten we zeggen dat je verveeld bent met het bemonsteren van water om troebelheid te meten, een grove term voor kleine, zwevende deeltjes in water, die de lichtintensiteit verminderen met ofwel een toenemend lichtpad of een hogere deeltjesconcentratie of beide. Dus, hoe dat te doen?

Hieronder staan verschillende stappen die ik heb genomen om een automatisch monitoringsysteem te bouwen voor de biomassadichtheid van microalgen. Dit zijn micro-algen die submicron groot zijn, goed gesuspendeerd in water, en eerder een extreme levensstijl hebben, waarbij ze lichtenergie omzetten en koolstofdioxide reduceren tot nieuw gesynthetiseerde biomassa. Dat is genoeg over de microalgen.

Om troebelheid of biomassadichtheid te meten, moet ik in mijn geval de lichtintensiteit meten aan de detectorzijde die wordt omgezet in een spanningsuitlezing. Een obstakel dat ik in het begin had om een geschikte sensor te vinden die werkt met de microalgensoorten waarmee ik werkte.

Troebelheid kan worden gemeten met een spectrofotometer. De laboratoriumspectrofotometer is duur en meet meestal één monster tegelijk. Op de een of andere manier had ik het geluk dat ik een goedkope troebelheidssensor kocht die ik op ebay.com of amazon.com kon vinden, en tot mijn verbazing werkt de sensor goed met de microalgensoorten die ik heb geëxperimenteerd.

Stap 1: Benodigde onderdelen:

1. Een troebelheidssensor zoals deze op de foto die de slang verbindt. Die in de lijst heeft een open doorgang, tenzij je van plan bent de sensor onder te dompelen.

2. Een Arduino-bord. Het kan Nano of Mega/Uno zijn (als Yun Shield wordt gebruikt)

3. Een potentiometer. Het is beter om de precisie zoals deze te gebruiken.

4. Een OLED-scherm. Ik gebruikte SSD1306, maar andere typen LCD zoals 1602, 2004 zouden werken (en de code dienovereenkomstig herzien).

5. Een herhalingsbord met twee kanalen zoals deze

6. Twee van de driestandenschakelaars voor extra handmatige bediening

7. Pompen: ik kocht een kleine peristaltische pomp van 12 V en gebruikte een Cole Parmer tweekanaalspomp in het laboratorium als hoofdpomp. Als de hoofdpomp slechts één kanaalkop heeft, gebruik dan de overloopbuis om de overtollige biomassa op te vangen, pas op voor een mogelijke afroming van biomassa bovenop de reactor als u een krachtige luchtbrugmenging gebruikt.

8. Een Raspberry Pi of een laptop om gegevens te loggen voor Optie 1 of een Yun Shield voor Optie 2

De totale kosten liggen in het bereik van $ 200. De Cole Parmer-pomp kost ongeveer $ 1000 en is niet inbegrepen in de totale kosten. Ik heb geen exacte som gemaakt.

Stap 2: Optie 1: Log gegevens naar een computer/ Raspberry Pi via een USB-kabel

Een computer of een Raspberry Pi gebruiken om enkele uitvoergegevens op te nemen

De opname kan worden gedaan door de logging-optie zoals Putty (Windows) of Screen (Linux). Of het kan worden gedaan door een Python-script. Dit script vereist dat Python3 en een bibliotheek met de naam pyserial functioneel zijn. Naast dat de gelogde gegevens gemakkelijk toegankelijk zijn op de laptop of in Desktop Remote, maakt deze aanpak gebruik van de tijd op de computer die is aangemeld bij het bestand, samen met andere outputs.

Hier is nog een tutorial die ik heb geschreven voor het opzetten van een Raspberry Pi en het verzamelen van gegevens van Arduino. Het is een stapsgewijze handleiding om gegevens van een Arduino naar een Raspberry Pi te krijgen.

En de code voor Arduino wordt hier gehost voor de optie 1: het bedienen van een troebelheidssensorsysteem en het loggen van gegevens in een computer.

Zoals ik hierboven al zei, is dit een eenvoudig systeem, maar om de sensor zinvolle gegevens te laten produceren, moest het onderwerp van metingen zoals microalgen, schemering, melk of de zwevende deeltjes worden gesuspendeerd, relatief stabiel.

Het opgenomen bestand bevat de tijdstempel, het instelpunt, de meetwaarde van de troebelheid en wanneer de hoofdpomp aan was. Dat zou u enkele indicatoren van de systeemprestaties moeten geven. U kunt meer parameters toevoegen aan de Serial.println(dataString) in het.ino-bestand.

Een komma (of een tab, of andere tekens om de gegevens in elke cel in de spreadsheet te splitsen) moet in elke uitvoer worden toegevoegd, zodat de gegevens in Excel kunnen worden gesplitst voor het maken van een grafiek. De komma zal je wat haar besparen (het bespaart de mijne), vooral nadat je een paar duizend regels gegevens hebt, en uitzoeken hoe je getallen kunt splitsen en bent vergeten een komma ertussen toe te voegen.

Stap 3: Optie 2: Gegevens worden gelogd in het Yun Shield

Gebruik een Yun Shield bovenop Arduino Mega of Uno om de gegevens te loggen

Het Yun Shield heeft een minimale Linux-distro en kan verbinding maken met internet, USB-poorten en SD-kaartsleuf hebben, zodat de gegevens kunnen worden vastgelegd op een USB-stick of een SD-kaart. De tijd wordt opgehaald uit het Linux-systeem en het gegevensbestand wordt opgehaald uit een FTP-programma zoals WinSCP of FileZilla of rechtstreeks van USB, SD-kaartlezer.

Hier is de code gehost op Github voor optie 2.

Stap 4: Prestaties van troebelheidssensor

Ik heb een Amphenol troebelheidssensor (TSD-10) gebruikt en deze wordt geleverd met de datasheet. Het is moeilijker om het product te verifiëren vanuit de online lijst. De datasheet bevat een grafiek van de spanningsuitlezing (Vout) met verschillende troebelheidsconcentraties weergegeven in Nefelometrische Troebelheidseenheid (NTU). Voor microalgen ligt de biomassadichtheid gewoonlijk bij een golflengte van 730 nm, of 750 mm om de deeltjesconcentratie te meten, optische dichtheid (OD) genoemd. Dus hier is de vergelijking tussen Vout, OD730 (gemeten door een Shimadzu-spectrometer) en OD750 (geconverteerd van NTU in de datasheet).

De meest wenselijke toestand van dit systeem is troebelheid-statisch of turbidostaat, waarbij het systeem automatisch de biomassadichtheid kan meten en regelen op (of dichtbij) een ingestelde waarde. Hier is een grafiek die dit systeem laat zien.

Openbaring:

Dit troebelheidsbewakings- en controlesysteem (vaak turbidostat genoemd) is een van de drie eenheden waaraan ik heb gewerkt in een poging om een geavanceerde fotobioreactor te bouwen. Dit werk werd uitgevoerd terwijl ik werkte bij Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. De wetenschappelijke bijdragen van dit systeem om de algenteelt te bevorderen zijn gepubliceerd in Algal Research Journal.