Um monitor de turbidez simples e sistema de controle para microalgas: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Digamos que você esteja entediado com a amostragem de água para medir a turbidez, um termo grosseiro que indica qualquer partícula pequena suspensa na água, que reduz a intensidade da luz com um caminho de luz crescente ou com uma concentração de partículas mais alta, ou ambos. Então, como fazer isso?

Abaixo estão várias etapas que tomei para construir um sistema de monitoramento automático para densidade de biomassa de microalgas. Trata-se de microalgas com tamanho inferior a um mícron, bem suspensas na água e, em vez disso, têm um estilo de vida extremo, convertendo a energia da luz e reduzindo o dióxido de carbono em biomassa recém-sintetizada. Isso é o suficiente sobre as microalgas.

Para medir a turbidez ou a densidade da biomassa, no meu caso, preciso medir a intensidade da luz no lado do detector, que é convertida em uma leitura de voltagem. Um obstáculo que tive no início era encontrar um sensor adequado que funcionasse com as espécies de microalgas com as quais trabalhei.

A turbidez pode ser medida por um espectrofotômetro. O espectrofotômetro de laboratório é caro e mede principalmente uma amostra de cada vez. De alguma forma, tive sorte de comprar um sensor de turbidez barato que pude encontrar no ebay.com ou amazon.com e, para minha surpresa, o sensor funciona bem com as espécies de microalgas que experimentei.

Etapa 1: Peças necessárias:

1. Um sensor de turbidez como este na foto que conecta a tubulação. O da lista tem uma passagem aberta, a menos que você planeje submergir o sensor.

2. Uma placa Arduino. Pode ser Nano ou Mega / Uno (se o Escudo Yun for usado)

3. Um potenciômetro. Melhor usar a precisão assim.

4. Uma tela OLED. Usei o SSD1306, mas outros tipos de LCD, como 1602, 2004, funcionariam (e revise o código de acordo).

5. Uma placa de replay com dois canais como este

6. Dois dos interruptores de três posições para controle manual adicional

7. Bombas: comprei uma pequena bomba peristáltica de 12 V e usei uma bomba Cole Parmer de canal duplo no laboratório como a bomba principal. Se a bomba principal tiver apenas uma cabeça de canal, use o tubo de transbordamento para coletar o excesso de biomassa, tome cuidado com uma possível escumação de biomassa na parte superior do reator se você estiver usando uma mistura vigorosa de transporte aéreo.

8. Um Raspberry Pi ou um laptop para registrar dados para a Opção 1 ou um Yun Shield para a Opção 2

O custo total está na faixa de $ 200. A bomba Cole Parmer varia cerca de US $ 1000 e não está incluída no custo total. Não fiz um somatório exato.

Etapa 2: Opção 1: registrar dados em um computador / Raspberry Pi via cabo USB

Usando um computador ou um Raspberry Pi para registrar alguns dados de saída

A gravação pode ser feita pela opção de log como Putty (Windows) ou Screen (Linux). Ou pode ser feito por um script Python. Este script requer Python3 e uma biblioteca chamada pyserial para funcionar. Além de os dados registrados serem facilmente acessíveis no laptop ou no Desktop Remote, essa abordagem aproveita o tempo no computador que está conectado ao arquivo junto com outras saídas.

Aqui está outro tutorial que escrevi sobre como configurar um Raspberry Pi e coletar dados do Arduino. É um guia passo a passo para obter dados de um Arduino para um Raspberry Pi.

E o código do Arduino está hospedado aqui para a Opção 1: sistema de sensor de turbidez operacional e registro de dados em um computador.

Como mencionei acima, este é um sistema simples, mas para o sensor produzir dados significativos, então o assunto de medições como microalgas, crepúsculo, leite ou as partículas suspensas precisavam ser suspensas, relativamente estáveis.

O arquivo gravado contém o carimbo de data / hora, ponto de ajuste, valor de medição de turbidez e quando a bomba principal estava ligada. Isso deve fornecer alguns indicadores do desempenho do sistema. Você pode adicionar mais parâmetros ao Serial.println (dataString) no arquivo.ino.

Uma vírgula (ou uma tabulação, ou outros caracteres para dividir os dados em cada célula da planilha) deve ser adicionada em cada saída para que os dados possam ser divididos no Excel para fazer um gráfico. A vírgula vai economizar um pouco de cabelo (ela salva o meu), especialmente depois de ter alguns milhares de linhas de dados, e descobrir como dividir os números e esquecer de adicionar uma vírgula no meio.

Etapa 3: Opção 2: os dados são registrados no escudo Yun

Usando um Yun Shield no topo do Arduino Mega ou Uno para registrar os dados

O Yun Shield executa uma distribuição Linux mínima e pode se conectar à Internet, tem portas USB e slot para cartão SD, para que os dados possam ser registrados em um stick USB ou cartão SD. A hora é recuperada do sistema Linux e o arquivo de dados é recuperado de um programa FTP como WinSCP ou FileZilla ou diretamente de USB, leitor de cartão SD.

Aqui está o código hospedado no Github para a Opção 2.

Etapa 4: Desempenho do sensor de turbidez

Usei um sensor de turbidez Amphenol (TSD-10) e vem com o datasheet. É mais difícil verificar o produto na lista online. A folha de dados inclui um gráfico da leitura de tensão (Vout) com diferentes concentrações de turbidez representadas na Unidade de turbidez nefelométrica (NTU). Para microalgas, a densidade da biomassa é geralmente no comprimento de onda de 730 nm, ou 750 mm para medir a concentração de partículas, chamada de densidade óptica (OD). Portanto, aqui está a comparação entre Vout, OD730 (medido por um espectrômetro Shimadzu) e OD750 (convertido de NTU na folha de dados).

O estado mais desejável deste sistema é turbidostático ou turbidostático que o sistema pode medir e controlar automaticamente a densidade da biomassa em (ou próximo) a um valor definido. Aqui está um gráfico que mostra este sistema executado.

Divulgação:

Este sistema de monitoramento e controle de turbidez (freqüentemente chamado de turbidostato) é uma das três unidades que trabalhei na tentativa de construir um fotobiorreator avançado. Este trabalho foi realizado enquanto eu trabalhava no Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. As contribuições científicas deste sistema para o avanço do cultivo de algas foram publicadas no Algal Research Journal.