Jednoduchý monitor zákalu a kontrolní systém pro mikrořasy: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Řekněme, že vás nudí vzorkování vody pro měření zákalu, což je hrubý výraz označující malé suspendované částice ve vodě, což snižuje intenzitu světla buď se zvyšující se světelnou cestou, nebo s vyšší koncentrací částic nebo obojí. Jak to tedy udělat?

Níže je uvedeno několik kroků, které jsem podnikl k vybudování automatického monitorovacího systému pro hustotu biomasy mikrořas. Jedná se o mikrořasy, které mají velikost submikronů, jsou dobře suspendovány ve vodě a mají extrémní životní styl, přeměňují světelnou energii a redukují oxid uhličitý na nově syntetizovanou biomasu. To je dost o mikrořasách.

Pro měření zákalu nebo hustoty biomasy v mém případě potřebuji změřit intenzitu světla na straně detektoru, která je převedena na odečet napětí. Jednu překážku jsem měl na začátku najít vhodný senzor, který pracuje s druhy mikrořas, se kterými jsem pracoval.

Zákal lze měřit spektrofotometrem. Laboratorní spektrofotometr je drahý a většinou měří jeden vzorek najednou. Nějak jsem měl štěstí, že jsem si koupil levný senzor zákalu, který jsem našel na ebay.com nebo amazon.com, a k mému překvapení senzor funguje dobře s druhy mikrořas, které jsem experimentoval.

Krok 1: Potřebné součásti:

1. Senzor zákalu, jako je tento na fotografii, který spojuje hadičky. Ten v seznamu má otevřený průchod, pokud neplánujete ponořit snímač.

2. Deska Arduino. Může to být Nano nebo Mega/Uno (pokud je použit Yun Shield)

3. Potenciometr. Je lepší použít ten přesný, jako je tento.

4. OLED obrazovka. Použil jsem SSD1306, ale jiné typy LCD, jako je 1602, 2004, by fungovaly (a odpovídajícím způsobem upravily kód).

5. Deska pro přehrávání se dvěma kanály, jako je tato

6. Dva třípolohové přepínače pro dodatečné ruční ovládání

7. Čerpadla: Koupil jsem 12V malé peristaltické čerpadlo a jako hlavní čerpadlo jsem v laboratoři použil dvoukanálové čerpadlo Cole Parmer. Pokud má hlavní čerpadlo pouze jednu kanálovou hlavu, pak pomocí přepadové trubice sbírejte přebytečnou biomasu, dejte si pozor na případné sbírání biomasy v horní části reaktoru, pokud používáte energické míchání přepravou vzduchu.

8. Raspberry Pi nebo notebook pro protokolování dat pro možnost 1 nebo Yun Shield pro možnost 2

Celkové náklady se pohybují v rozmezí 200 $. Čerpadlo Cole Parmer se pohybuje kolem 1 000 $ a není zahrnuto v celkových nákladech. Přesné shrnutí jsem neprovedl.

Krok 2: Možnost 1: Zaznamenávání dat do počítače/ Raspberry Pi pomocí kabelu USB

Pomocí počítače nebo Raspberry Pi zaznamenejte některá výstupní data

Nahrávání lze provést pomocí možnosti protokolování, jako je Putty (Windows) nebo Screen (Linux). Nebo to lze provést pomocí skriptu Python. Tento skript vyžaduje, aby byl funkční Python3 a knihovna s názvem pyserial. Kromě toho, že jsou zaznamenaná data snadno dostupná v přenosném počítači nebo v Desktop Remote, tento přístup využívá výhody času na počítači, který je přihlášen do souboru, spolu s dalšími výstupy.

Zde je další tutoriál, který jsem napsal, jak nastavit Raspberry Pi a sbírat data z Arduina. Je to průvodce krok za krokem, jak získat data z Arduina na Raspberry Pi.

A zde je hostován kód pro Arduino pro možnost 1: provozování systému senzorů zákalu a protokolování dat do počítače.

Jak jsem zmínil výše, je to jednoduchý systém, ale aby senzor produkoval smysluplná data, pak předmět měření, jako jsou mikrořasy, soumrak, mléko nebo suspendované částice, musel být suspendován, relativně stabilní.

Zaznamenaný soubor obsahuje časové razítko, nastavenou hodnotu, naměřenou hodnotu zákalu a dobu, kdy bylo zapnuto hlavní čerpadlo. To by vám mělo poskytnout některé ukazatele výkonu systému. Do souboru Serial.println (dataString) v souboru.ino můžete přidat další parametry.

Do každého výstupu by měla být přidána čárka (nebo tabulátor nebo jiné znaky k rozdělení dat do každé buňky v tabulce), aby bylo možné data v aplikaci Excel rozdělit na vytvoření grafu. Čárka vám ušetří vlasy (zachrání moje), zejména poté, co má několik tisíc řádků dat, a zjistí, jak rozdělit čísla a zapomenout mezi ně přidat čárku.

Krok 3: Možnost 2: Data se zaznamenávají do štítu Yun

K protokolování dat použijte štít Yun na vrcholu Arduino Mega nebo Uno

Yun Shield provozuje minimální distribuci Linuxu a může se připojit k internetu, mít USB porty a slot pro SD kartu, takže data lze zaznamenávat na USB flash disk nebo SD kartu. Čas se načítá ze systému Linux a datový soubor se načítá z programu FTP, jako je WinSCP nebo FileZilla, nebo přímo z USB, čtečky karet SD.

Zde je kód hostovaný na Githubu pro možnost 2.

Krok 4: Výkon snímače zákalu

Použil jsem snímač zákalu Amphenol (TSD-10) a je dodáván s katalogovým listem. Ověřit produkt z online seznamu je těžší. Datový list obsahuje graf odečtu napětí (Vout) s různou koncentrací zákalu zastoupený v Nefelometrické jednotce zákalu (NTU). U mikrořas je hustota biomasy obvykle na vlnové délce 730 nm nebo 750 mm pro měření koncentrace částic, nazývaná optická hustota (OD). Zde je tedy srovnání mezi Vout, OD730 (měřeno spektrometrem Shimadzu) a OD750 (převedeno z NTU v datovém listu).

Nejžádanějším stavem tohoto systému je statický zákal nebo turbidostat, který systém dokáže automaticky měřit a řídit hustotu biomasy na (nebo blízké) nastavené hodnotě. Zde je graf ukazující provádění tohoto systému.

Zveřejnění:

Tento monitorovací a řídicí systém zákalu (často nazývaný turbidostat) je jednou ze tří jednotek, na kterých jsem pracoval ve snaze vybudovat pokrokový fotobioreaktor. Tato práce byla provedena, když jsem pracoval v Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Vědecké příspěvky tohoto systému k pokroku v pěstování řas byly publikovány v Algal Research Journal.