En enkel grumlighetskontroll och kontrollsystem för mikroalger: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Låt bara säga att du är uttråkad av provtagningsvatten för att mäta grumlighet, en bruttoterm som indikerar små, suspenderade partiklar i vatten, vilket minskar ljusintensiteten antingen med en ökande ljusväg eller högre partikelkoncentration eller båda. Så hur gör man det?

Nedan följer flera steg jag tog för att bygga ett automatiskt övervakningssystem för biomassadensitet av mikroalger. Detta är mikroalger som är i submikronstorlek, väl suspenderade i vatten, och snarare har en extrem livsstil, omvandlar ljusenergi och reducerar koldioxid till nysyntetiserad biomassa. Det räcker med mikroalgerna.

För att mäta grumlighet eller biomassadensitet måste jag i mitt fall mäta ljusintensiteten i detektorsidan som omvandlas till en spänningsavläsning. Ett hinder hade jag i början för att hitta en lämplig sensor som fungerar med mikroalgerna jag arbetade med.

Grumlighet kan mätas med en spektrofotometer. Laboratoriespektrofotometern är dyr och mäter mestadels ett prov i taget. På något sätt hade jag tur att jag köpte en billig grumlighetssensor som jag kunde hitta på ebay.com eller amazon.com, och till min förvåning fungerar sensorn bra med mikroalger som jag experimenterade.

Steg 1: Delar som behövs:

1. En grumlingssensor som den här på bilden som ansluter slangen. Den i listan har en öppen passage om du inte planerar att sänka sensorn.

2. En Arduino -bräda. Det kan vara Nano eller Mega/Uno (om Yun Shield används)

3. En potentiometer. Bättre att använda en sådan precision.

4. En OLED -skärm. Jag använde SSD1306, men andra typer av LCD som 1602, 2004 skulle fungera (och ändra koden i enlighet därmed).

5. Ett uppspelningskort med två kanaler så här

6. Två av trelägesbrytare för ytterligare manuell kontroll

7. Pumpar: Jag köpte en 12V liten peristaltisk pump och använde en Cole Parmer dubbelkanalspump i labbet som huvudpump. Om huvudpumpen bara har ett kanalhuvud, använd sedan överflödesröret för att samla in överflödig biomassa, se upp för att en eventuell skummning av biomassa på toppen av reaktorn om du använder en kraftig luftlyftblandning.

8. En Raspberry Pi eller en bärbar dator för att logga data för alternativ 1 eller en Yun -sköld för alternativ 2

Den totala kostnaden ligger i intervallet $ 200. Cole Parmer -pumpen ligger på cirka $ 1000 och ingår inte i den totala kostnaden. Jag gjorde inte en exakt summering.

Steg 2: Alternativ 1: Logga data till en dator/ Raspberry Pi via USB -kabel

Med en dator eller en Raspberry Pi för att spela in vissa utdata

Inspelningen kan göras med loggningsalternativet som Putty (Windows) eller Screen (Linux). Eller så kan det göras med ett Python -skript. Detta skript kräver att Python3 och ett bibliotek som heter pyserial är funktionellt. Förutom att loggade data är lättillgängliga i den bärbara datorn eller i Desktop Remote, tar detta tillvägagångssätt fördelar av tiden på datorn som är inloggad i filen tillsammans med andra utdata.

Här är en annan handledning som jag skrev om hur du konfigurerar en Raspberry Pi och samlar in data från Arduino. Det är en steg-för-steg-guide för att få data från en Arduino till en Raspberry Pi.

Och koden för Arduino finns här för alternativ 1: drift av grumlingssensorsystem och loggning av data till en dator.

Som jag nämnde ovan är detta ett enkelt system, men för att sensorn ska producera meningsfulla data måste ämnet för mätningar som mikroalger, skymning, mjölk eller de suspenderade partiklarna suspenderas, relativt stabilt.

Den inspelade filen innehåller tidsstämpel, börvärde, mätvärde för grumlighet och när huvudpumpen var på. Det borde ge dig några indikatorer på systemets prestanda. Du kan lägga till fler parametrar till Serial.println (dataString) i.ino -filen.

Ett komma (eller en flik eller andra tecken för att dela upp data i varje cell i kalkylarket) bör läggas till i varje utdata så att data kan delas upp i Excel för att göra en graf. Komman kommer att spara lite hår (det sparar mitt), särskilt efter att ha haft några tusen rader med data, och räkna ut hur man delar nummer och glömde att lägga till ett komma emellan.

Steg 3: Alternativ 2: Data loggas till Yun Shield

Använd en Yun Shield ovanpå Arduino Mega eller Uno för att logga data

Yun Shield kör en minimal Linux distro, och den kan ansluta till Internet, ha USB -portar och SD -kortplats, så data kan loggas till ett USB -minne eller ett SD -kort. Tiden hämtas från Linux -systemet och datafilen hämtas från ett FTP -program som WinSCP eller FileZilla eller direkt från USB, SD -kortläsare.

Här är koden som finns på Github för alternativ 2.

Steg 4: Turbiditetssensorprestanda

Jag använde en Amphenol-turbiditetssensor (TSD-10) och den levereras med databladet. Det är svårare att verifiera produkten från onlinelistan. Databladet innehåller en graf över spänningsavläsningen (Vout) med olika turbiditetskoncentration representerad i Nephelometric Turbidity Unit (NTU). För mikroalger är biomassadensiteten vanligtvis vid våglängden 730 nm, eller 750 mm för att mäta partikelkoncentration, kallad optisk densitet (OD). Så här är jämförelsen mellan Vout, OD730 (mätt med en Shimadzu -spektrometer) och OD750 (konverterat från NTU i databladet).

Det mest önskvärda tillståndet för detta system är grumlighet-statisk eller turbidostat som systemet automatiskt kan mäta och kontrollera biomassadensitet vid (eller stänga) till ett inställt värde. Här är en graf som visar detta system utfört.

Avslöjande:

Detta grumlingsövervaknings- och kontrollsystem (ofta kallat turbidostat) är en av tre enheter som jag arbetade i ett försök att bygga en avancerad fotobioreaktor. Detta arbete utfördes medan jag arbetade på Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. De vetenskapliga bidragen från detta system för att främja algodling publicerades i Algal Research Journal.