Sistem Pemantauan dan Pengawalan Kekeruhan Mudah untuk Mikroalga: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Katakan anda bosan dengan mengambil sampel air untuk mengukur kekeruhan, istilah kasar yang menunjukkan zarah-zarah kecil yang digantung di dalam air, yang mengurangkan intensiti cahaya dengan jalan cahaya yang meningkat atau kepekatan zarah yang lebih tinggi atau kedua-duanya. Jadi, bagaimana caranya?

Berikut adalah beberapa langkah yang saya ambil untuk membina sistem pemantauan automatik untuk kepadatan biojisim mikroalga. Ini adalah mikro-alga yang berukuran sub-mikron, digantung dengan baik di dalam air, dan lebih suka menjalani gaya hidup yang ekstrem, mengubah tenaga cahaya dan mengurangkan karbon dioksida menjadi biomas yang baru disintesis. Itu cukup mengenai mikroalga.

Untuk mengukur kekeruhan atau ketumpatan biojisim, dalam kes saya, saya perlu mengukur intensiti cahaya di bahagian pengesan yang ditukar menjadi bacaan voltan. Satu halangan yang saya hadapi pada awalnya adalah mencari sensor yang sesuai dengan spesies mikroalga yang saya bekerjasama.

Kekeruhan dapat diukur dengan spektrofotometer. Spektrofotometer makmal mahal dan kebanyakannya mengukur satu sampel pada satu masa. Entah bagaimana, saya bernasib baik kerana saya membeli sensor kekeruhan yang murah yang saya dapati di ebay.com atau amazon.com, dan yang mengejutkan saya, sensor ini berfungsi dengan baik dengan spesies mikroalga yang saya uji.

Langkah 1: Bahagian yang Diperlukan:

1. Sensor kekeruhan seperti ini dalam foto yang menghubungkan tiub. Yang ada dalam senarai mempunyai jalan terbuka kecuali anda merancang untuk merendam sensor.

2. Papan Arduino. Mungkin Nano, atau Mega / Uno (jika Yun Shield digunakan)

3. Potensiometer. Lebih baik menggunakan ketepatan seperti ini.

4. Skrin OLED. Saya menggunakan SSD1306, tetapi jenis LCD lain seperti 1602, 2004 akan berfungsi (dan menyemak semula kod yang sesuai).

5. Papan main semula dengan dua saluran seperti ini

6. Dua daripada tiga kedudukan suis untuk kawalan manual tambahan

7. Pam: Saya membeli pam peristaltik kecil 12V, dan menggunakan pam saluran dua Cole Parmer di makmal sebagai pam utama. Sekiranya pam utama hanya mempunyai satu kepala saluran, kemudian gunakan tiub limpahan untuk mengumpulkan lebihan biomas, berhati-hatilah bahawa kemungkinan pelanggaran biomas di bahagian atas reaktor jika anda menggunakan pencampuran pengangkut udara yang kuat.

8. Pi Raspberry atau komputer riba untuk log data untuk Pilihan 1 atau Yun Shield untuk Pilihan 2

Jumlah kosnya adalah dalam lingkungan $ 200. Pam Cole Parmer berkisar sekitar $ 1000, dan tidak termasuk dalam jumlah kos. Saya tidak membuat penjumlahan yang tepat.

Langkah 2: Pilihan 1: Log Data ke Komputer / Raspberry Pi Melalui Kabel USB

Menggunakan komputer atau Raspberry Pi untuk merakam beberapa data output

Rakaman dapat dilakukan dengan pilihan pembalakan seperti Putty (Windows) atau Screen (Linux). Atau ia boleh dilakukan dengan skrip Python. Skrip ini memerlukan Python3 dan perpustakaan yang disebut pyserial berfungsi. Di samping data yang dicatat dengan mudah diakses di komputer riba atau di Desktop Jauh, pendekatan ini memanfaatkan kelebihan masa pada komputer yang dilog masuk ke dalam fail bersama dengan output lain.

Berikut adalah tutorial lain yang saya tulis mengenai cara menyiapkan Raspberry Pi dan mengumpulkan data dari Arduino. Ini adalah panduan langkah demi langkah untuk mendapatkan data dari Arduino ke Raspberry Pi.

Dan kod untuk Arduino dihoskan di sini untuk Pilihan 1: mengendalikan sistem sensor kekeruhan dan memasukkan data ke dalam komputer.

Seperti yang saya nyatakan di atas, ini adalah sistem yang mudah, tetapi untuk sensor menghasilkan data yang bermakna, maka subjek pengukuran seperti mikroalga, senja, susu, atau zarah-zarah yang digantung perlu digantung, relatif stabil.

Fail yang dirakam mengandungi cap waktu, titik titik, nilai pengukuran kekeruhan dan ketika pam utama dihidupkan. Itu akan memberi anda beberapa petunjuk prestasi sistem. Anda boleh menambahkan lebih banyak parameter ke Serial.println (dataString) dalam fail.ino.

Tanda koma (atau tab, atau watak lain untuk membagi data ke dalam setiap sel dalam spreadsheet) harus ditambahkan dalam setiap output sehingga data dapat dibagi di Excel untuk membuat grafik. Tanda koma akan menjimatkan rambut anda (ia menjimatkan rambut saya), terutama setelah mempunyai beberapa ribu baris data, dan mencari cara membelah nombor dan lupa untuk menambahkan koma di antara mereka.

Langkah 3: Pilihan 2: Data Log ke Perisai Yun

Menggunakan Perisai Yun di atas Arduino Mega atau Uno untuk mencatat data

Yun Shield menjalankan distro Linux minimum, dan dapat menyambung ke Internet, mempunyai port USB dan slot kad SD, sehingga data dapat dicatat ke stik USB atau kad SD. Masa diambil dari sistem Linux, dan fail data diambil dari program FTP seperti WinSCP atau FileZilla atau langsung dari USB, pembaca kad SD.

Berikut adalah kod yang dihoskan di Github untuk Pilihan 2.

Langkah 4: Prestasi Sensor Kekeruhan

Saya menggunakan sensor kekeruhan Amphenol (TSD-10) dan ia dilengkapi dengan lembar data. Lebih sukar untuk mengesahkan produk dari senarai dalam talian. Lembar data merangkumi grafik pembacaan voltan (Vout) dengan kepekatan kekeruhan yang berbeza yang ditunjukkan dalam Unit Kekeruhan Nephelometric (NTU). Untuk mikroalga, ketumpatan biojisim biasanya pada panjang gelombang 730 nm, atau 750 mm untuk mengukur kepekatan zarah, yang disebut kepadatan optik (OD). Jadi inilah perbandingan antara Vout, OD730 (diukur oleh Spektrometer Shimadzu), dan OD750 (ditukar dari NTU dalam lembar data).

Keadaan yang paling diingini dari sistem ini adalah kekeruhan-statik atau turbidostat bahawa sistem dapat secara automatik mengukur dan mengawal ketumpatan biojisim pada (atau dekat) ke nilai yang ditetapkan. Berikut adalah grafik yang menunjukkan sistem ini dilakukan.

Pendedahan:

Sistem pemantauan dan kawalan kekeruhan ini (sering disebut turbidostat) adalah salah satu daripada tiga unit yang saya kerjakan dalam usaha membina photobioreactor yang maju. Kerja ini dilaksanakan semasa saya bekerja di Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Sumbangan saintifik sistem ini untuk memajukan penanaman alga diterbitkan dalam Algal Research Journal.