En enkel turbiditetsmonitor og kontrolsystem til mikroalger: 4 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Lad os bare sige, at du keder dig med prøvetagning af vand for at måle turbiditet, en bruttoterm, der angiver små, suspenderede partikler i vand, hvilket reducerer lysintensiteten enten med en stigende lysbane eller en højere partikelkoncentration eller begge dele. Så hvordan gør man det?

Nedenfor er flere trin, jeg tog for at bygge et automatisk overvågningssystem for biomassetæthed af mikroalger. Dette er mikroalger, der er i sub-mikron størrelse, godt suspenderet i vand, og snarere har en ekstrem livsstil, der omdanner lysenergi og reducerer kuldioxid til nysyntetiseret biomasse. Det er nok om mikroalgerne.

For at måle turbiditet eller biomassetæthed skal jeg i mit tilfælde måle lysintensiteten i detektorsiden, der konverteres til en spændingsaflæsning. En forhindring havde jeg i starten for at finde en passende sensor, der fungerer med mikroalgerarterne, jeg arbejdede med.

Uklarhed kan måles med et spektrofotometer. Laboratoriespektrofotometeret er dyrt og måler for det meste en prøve ad gangen. På en eller anden måde var jeg heldig, at jeg købte en billig turbiditetssensor, jeg kunne finde på ebay.com eller amazon.com, og til min overraskelse fungerer sensoren godt med de mikroalger, jeg eksperimenterede.

Trin 1: Nødvendige dele:

1. En turbiditetssensor som denne på billedet, der forbinder slangen. Den i fortegnelsen har en åben passage, medmindre du planlægger at nedsænke sensoren.

2. Et Arduino -bræt. Det kan være Nano eller Mega/Uno (hvis Yun Shield bruges)

3. Et potentiometer. Bedre at bruge præcisionen sådan.

4. En OLED -skærm. Jeg brugte SSD1306, men andre typer LCD såsom 1602, 2004 ville fungere (og revidere koden i overensstemmelse hermed).

5. Et replay board med to kanaler som denne

6. To af tre-positionskontakter til yderligere manuel styring

7. Pumper: Jeg købte en 12V lille peristaltisk pumpe og brugte en Cole Parmer dobbeltkanalspumpe i laboratoriet som hovedpumpe. Hvis hovedpumpen kun har et kanalhoved, skal du bruge overløbsrøret til at opsamle overskydende biomasse, pas på at en mulig afskumning af biomasse på toppen af reaktoren, hvis du bruger en kraftig blanding af luftlifte.

8. En Raspberry Pi eller en bærbar computer til at logge data for Option 1 eller et Yun Shield for Option 2

De samlede omkostninger ligger i intervallet $ 200. Cole Parmer -pumpen ligger på omkring $ 1000 og er ikke inkluderet i de samlede omkostninger. Jeg lavede ikke en præcis summering.

Trin 2: Mulighed 1: Log data på en computer/ Raspberry Pi via USB -kabel

Brug af en computer eller en Raspberry Pi til at registrere nogle outputdata

Optagelsen kan foretages ved at logge ind som Putty (Windows) eller Screen (Linux). Eller det kan gøres ved hjælp af et Python -script. Dette script kræver, at Python3 og et bibliotek kaldet pyserial er funktionelt. Udover de loggede data er let tilgængelige på den bærbare computer eller i Desktop Remote, drager denne tilgang fordel af tiden på computeren, der er logget ind i filen sammen med andre output.

Her er en anden vejledning, jeg skrev til, hvordan du opretter en Raspberry Pi og indsamler data fra Arduino. Det er en trin-for-trin guide til at hente data fra en Arduino til en Raspberry Pi.

Og koden til Arduino er hostet her for mulighed 1: drift af turbiditetssensorsystem og logning af data på en computer.

Som jeg nævnte ovenfor, er dette et simpelt system, men for at sensoren skal producere meningsfulde data, skal emnet for målinger som mikroalger, skumring, mælk eller de suspenderede partikler suspenderes, relativt stabilt.

Den registrerede fil indeholder tidsstempel, setpunkt, måleværdi for turbiditet og hvornår hovedpumpen var tændt. Det skulle give dig nogle indikatorer for systemets ydeevne. Du kan tilføje flere parametre til Serial.println (dataString) i.ino -filen.

Et komma (eller en fane eller andre tegn for at opdele dataene i hver celle i regnearket) bør tilføjes i hvert output, så dataene kan opdeles i Excel til at lave en graf. Kommaet sparer dig for noget hår (det gemmer mit), især efter at have haft et par tusinde linjer med data, og regner med, hvordan du deler tal og glemte at tilføje et komma imellem.

Trin 3: Mulighed 2: Data logges til Yun -skjoldet

Brug et Yun Shield oven på Arduino Mega eller Uno til at logge dataene

Yun Shield kører en minimal Linux distro, og den kan oprette forbindelse til internettet, have USB -porte og SD -kortplads, så dataene kan logges til en USB -stick eller et SD -kort. Tiden hentes fra Linux -systemet, og datafilen hentes fra et FTP -program som WinSCP eller FileZilla eller direkte fra USB, SD -kortlæser.

Her er koden hostet på Github til mulighed 2.

Trin 4: Turbiditetssensors ydeevne

Jeg brugte en Amphenol turbiditetssensor (TSD-10), og den følger med databladet. Det er sværere at verificere produktet fra onlinelisten. Databladet indeholder en graf over spændingsaflæsning (Vout) med forskellige turbiditetskoncentrationer repræsenteret i nefelometrisk turbiditetsenhed (NTU). For mikroalger er biomassetætheden normalt ved bølgelængde 730 nm eller 750 mm for at måle partikelkoncentration, kaldet optisk densitet (OD). Så her er sammenligningen mellem Vout, OD730 (målt ved et Shimadzu -spektrometer) og OD750 (konverteret fra NTU i databladet).

Den mest ønskelige tilstand i dette system er turbiditetsstatisk eller turbidostat, som systemet automatisk kan måle og kontrollere biomassetæthed ved (eller lukke) til en indstillet værdi. Her er en graf, der viser dette system udført.

Afsløring:

Dette grumlingsovervågnings- og kontrolsystem (ofte kaldet turbidostat) er en af tre enheder, jeg arbejdede i et forsøg på at bygge en forskudsfotobioreaktor. Dette arbejde blev udført, mens jeg arbejdede på Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. De videnskabelige bidrag fra dette system til fremme af algedyrkning blev offentliggjort i Algal Research Journal.