Ein einfaches Trübungsüberwachungs- und Kontrollsystem für Mikroalgen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Sagen wir einfach, Sie haben es satt, Wasser zu messen, um die Trübung zu messen, ein grober Begriff, der kleine, schwebende Partikel im Wasser angibt, die die Lichtintensität entweder mit zunehmendem Lichtweg oder einer höheren Partikelkonzentration oder beidem verringert. Also, wie macht man das?

Im Folgenden sind mehrere Schritte aufgeführt, die ich unternommen habe, um ein automatisches Überwachungssystem für die Biomassedichte von Mikroalgen aufzubauen. Dies sind Mikroalgen, die im Submikronbereich groß sind, gut im Wasser suspendiert sind und eher einen extremen Lebensstil haben, indem sie Lichtenergie umwandeln und Kohlendioxid in neu synthetisierte Biomasse reduzieren. Das ist genug über die Mikroalgen.

Um Trübung oder Biomassedichte zu messen, muss ich in meinem Fall die Lichtintensität auf der Detektorseite messen, die in eine Spannungsanzeige umgewandelt wird. Ein Hindernis hatte ich am Anfang, um einen geeigneten Sensor zu finden, der mit den Mikroalgenarten funktioniert, mit denen ich gearbeitet habe.

Die Trübung kann mit einem Spektrophotometer gemessen werden. Das Laborspektrophotometer ist teuer und misst meist eine Probe nach der anderen. Irgendwie hatte ich Glück, dass ich einen billigen Trübungssensor gekauft habe, den ich auf ebay.com oder amazon.com finden konnte, und zu meiner Überraschung funktioniert der Sensor gut mit den von mir experimentierten Mikroalgenarten.

Schritt 1: Benötigte Teile:

1. Ein Trübungssensor wie dieser auf dem Foto, der den Schlauch verbindet. Der in der Auflistung hat einen offenen Durchgang, es sei denn, Sie beabsichtigen, den Sensor einzutauchen.

2. Ein Arduino-Board. Es könnte Nano oder Mega/Uno sein (wenn Yun Shield verwendet wird)

3. Ein Potentiometer. Es ist besser, die Präzisionslösung wie folgt zu verwenden.

4. Ein OLED-Bildschirm. Ich habe SSD1306 verwendet, aber andere LCD-Typen wie 1602, 2004 würden funktionieren (und den Code entsprechend überarbeiten).

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7. Pumpen: Ich habe eine kleine 12-V-Peristaltikpumpe gekauft und im Labor eine Cole Parmer-Zweikanalpumpe als Hauptpumpe verwendet. Wenn die Hauptpumpe nur einen Kanalkopf hat, dann verwenden Sie das Überlaufrohr, um die überschüssige Biomasse aufzufangen, achten Sie auf ein mögliches Abschöpfen von Biomasse auf der Oberseite des Reaktors, wenn Sie eine kräftige Airlift-Mischung verwenden.

8. Ein Raspberry Pi oder ein Laptop zum Protokollieren von Daten für Option 1 oder ein Yun Shield für Option 2

Die Gesamtkosten liegen im Bereich von 200 US-Dollar. Die Cole Parmer-Pumpe kostet etwa 1000 US-Dollar und ist nicht in den Gesamtkosten enthalten. Eine genaue Summe habe ich nicht gemacht.

Schritt 2: Option 1: Protokollieren von Daten auf einem Computer / Raspberry Pi über ein USB-Kabel

Verwenden eines Computers oder eines Raspberry Pi, um einige Ausgabedaten aufzuzeichnen

Die Aufzeichnung kann über die Protokollierungsoptionen wie Putty (Windows) oder Screen (Linux) erfolgen. Oder es kann durch ein Python-Skript erfolgen. Dieses Skript erfordert Python3 und eine Bibliothek namens pyserial, um funktionsfähig zu sein. Abgesehen davon, dass die protokollierten Daten im Laptop oder in Desktop Remote leicht zugänglich sind, nutzt dieser Ansatz die Zeit auf dem Computer, die zusammen mit anderen Ausgaben in die Datei eingeloggt ist.

Hier ist ein weiteres Tutorial, das ich geschrieben habe, um einen Raspberry Pi einzurichten und Daten von Arduino zu sammeln. Es ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, um Daten von einem Arduino auf einen Raspberry Pi zu übertragen.

Und der Code für Arduino wird hier für die Option 1 gehostet: Trübungssensorsystem betreiben und Daten in einen Computer protokollieren.

Wie oben erwähnt, ist dies ein einfaches System, aber damit der Sensor aussagekräftige Daten liefern kann, müssen die Messobjekte wie Mikroalgen, Dämmerung, Milch oder die Schwebeteilchen relativ stabil suspendiert werden.

Die aufgezeichnete Datei enthält Zeitstempel, Sollwert, Trübungsmesswert und wann die Hauptpumpe eingeschaltet war. Das sollte Ihnen einige Indikatoren für die Systemleistung geben. Sie können der Serial.println (dataString) in der.ino-Datei weitere Parameter hinzufügen.

Ein Komma (oder ein Tabulator oder andere Zeichen zum Aufteilen der Daten in jede Zelle des Arbeitsblatts) sollte in jeder Ausgabe hinzugefügt werden, damit die Daten in Excel zum Erstellen eines Diagramms geteilt werden können. Das Komma erspart Ihnen einige Haare (es spart meine), besonders nachdem Sie ein paar tausend Datenzeilen haben und herausfinden, wie Sie Zahlen aufteilen und vergessen, ein Komma dazwischen einzufügen.

Schritt 3: Option 2: Daten werden im Yun-Schild protokolliert

Verwenden eines Yun Shields auf Arduino Mega oder Uno, um die Daten zu protokollieren

Der Yun Shield führt eine minimale Linux-Distribution aus und kann sich mit dem Internet verbinden, verfügt über USB-Anschlüsse und einen SD-Kartensteckplatz, sodass die Daten auf einem USB-Stick oder einer SD-Karte protokolliert werden können. Die Uhrzeit wird vom Linux-System abgerufen und die Datendatei wird von einem FTP-Programm wie WinSCP oder FileZilla oder direkt von einem USB-SD-Kartenleser abgerufen.

Hier ist der auf Github gehostete Code für Option 2.

Schritt 4: Trübungssensorleistung

Ich habe einen Amphenol-Trübungssensor (TSD-10) verwendet und er wird mit dem Datenblatt geliefert. Es ist schwieriger, das Produkt aus dem Online-Angebot zu überprüfen. Das Datenblatt enthält ein Diagramm der Spannungsanzeige (Vout) mit unterschiedlicher Trübungskonzentration, dargestellt in der nephelometrischen Trübungseinheit (NTU). Bei Mikroalgen liegt die Biomassedichte normalerweise bei einer Wellenlänge von 730 nm oder 750 mm, um die Partikelkonzentration zu messen, die als optische Dichte (OD) bezeichnet wird. Hier also der Vergleich zwischen Vout, OD730 (gemessen mit einem Shimadzu-Spektrometer) und OD750 (umgerechnet von NTU im Datenblatt).

Der wünschenswerteste Zustand dieses Systems ist Trübungs-Statik oder Turbidostat, bei dem das System automatisch die Biomassedichte bei (oder nahe) einem eingestellten Wert messen und steuern kann. Hier ist ein Diagramm, das dieses System zeigt.

Offenlegung:

Dieses Trübungsüberwachungs- und Kontrollsystem (oft als Turbidostat bezeichnet) ist eine von drei Einheiten, an denen ich bei dem Versuch gearbeitet habe, einen fortschrittlichen Photobioreaktor zu bauen. Diese Arbeit wurde durchgeführt, während ich am Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology der Arizona State University arbeitete. Die wissenschaftlichen Beiträge dieses Systems zur Förderung der Algenkultivierung wurden im Algal Research Journal veröffentlicht.