Un sistema de control y monitorización de turbidez simple para microalgas: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Digamos que está aburrido de tomar muestras de agua para medir la turbidez, un término bruto que indica cualquier pequeña partícula suspendida en el agua, lo que reduce la intensidad de la luz ya sea con una trayectoria de luz creciente o con una concentración de partículas más alta o ambas. Entonces, ¿cómo hacer eso?

A continuación se muestran varios pasos que tomé para construir un sistema de monitoreo automático de la densidad de biomasa de microalgas. Se trata de microalgas que tienen un tamaño submicrónico, están bien suspendidas en el agua y, más bien, tienen un estilo de vida extremo, que convierten la energía luminosa y reducen el dióxido de carbono en biomasa recién sintetizada. Eso es suficiente sobre las microalgas.

Para medir la turbidez o la densidad de la biomasa, en mi caso, necesito medir la intensidad de la luz en el lado del detector que se convierte en una lectura de voltaje. Al principio tuve un obstáculo para encontrar un sensor adecuado que funcionara con las especies de microalgas con las que trabajé.

La turbidez se puede medir con un espectrofotómetro. El espectrofotómetro de laboratorio es caro y mide principalmente una muestra a la vez. De alguna manera, tuve suerte de haber comprado un sensor de turbidez barato que pude encontrar en ebay.com o amazon.com, y para mi sorpresa, el sensor funciona bien con las especies de microalgas que experimenté.

Paso 1: Piezas necesarias:

1. Un sensor de turbidez como este en la foto que conecta el tubo. El de la lista tiene un pasaje abierto a menos que planee sumergir el sensor.

2. Una placa Arduino. Podría ser Nano o Mega / Uno (si se usa Yun Shield)

3. Un potenciómetro. Es mejor usar el de precisión como este.

4. Una pantalla OLED. Usé SSD1306, pero otros tipos de LCD como 1602, 2004 funcionarían (y revisarían el código en consecuencia).

5. Un tablero de reproducción con dos canales como este

6. Dos interruptores de tres posiciones para control manual adicional

7. Bombas: Compré una pequeña bomba peristáltica de 12V y usé una bomba Cole Parmer de doble canal en el laboratorio como bomba principal. Si la bomba principal solo tiene un cabezal de canal, entonces use el tubo de desbordamiento para recolectar el excedente de biomasa, tenga cuidado con un posible desnatado de biomasa en la parte superior del reactor si está usando una mezcla de aire enérgico.

8. Una Raspberry Pi o una computadora portátil para registrar datos para la Opción 1 o un Escudo Yun para la Opción 2

El costo total está en el rango de $ 200. La bomba Cole Parmer cuesta alrededor de $ 1000 y no está incluida en el costo total. No hice un resumen exacto.

Paso 2: Opción 1: registrar datos en una computadora / Raspberry Pi a través de un cable USB

Usar una computadora o una Raspberry Pi para registrar algunos datos de salida

La grabación se puede realizar mediante la opción de registro como Putty (Windows) o Screen (Linux). O puede hacerlo mediante un script de Python. Este script requiere Python3 y una biblioteca llamada pyserial para ser funcional. Además de que los datos registrados son fácilmente accesibles en la computadora portátil o en Desktop Remote, este enfoque aprovecha el tiempo en la computadora que se registra en el archivo junto con otras salidas.

Aquí hay otro tutorial que escribí sobre cómo configurar una Raspberry Pi y recopilar datos de Arduino. Es una guía paso a paso para obtener datos de un Arduino a una Raspberry Pi.

Y el código para Arduino está alojado aquí para la Opción 1: operar el sistema de sensor de turbidez y registrar datos en una computadora.

Como mencioné anteriormente, este es un sistema simple, pero para que el sensor produzca datos significativos, entonces el tema de las mediciones como las microalgas, el anochecer, la leche o las partículas suspendidas debe estar suspendido, relativamente estable.

El archivo registrado contiene la marca de tiempo, el punto de ajuste, el valor de medición de la turbidez y cuándo estaba encendida la bomba principal. Eso debería darle algunos indicadores del rendimiento del sistema. Puede agregar más parámetros al Serial.println (dataString) en el archivo.ino.

Se debe agregar una coma (o una pestaña u otros caracteres para dividir los datos en cada celda de la hoja de cálculo) en cada salida para que los datos se puedan dividir en Excel para hacer un gráfico. La coma le ahorrará algo de cabello (guarda el mío), especialmente después de tener unos pocos miles de líneas de datos, y averiguar cómo dividir números y se olvidó de agregar una coma en el medio.

Paso 3: Opción 2: Los datos se registran en Yun Shield

Usando un escudo Yun en la parte superior de Arduino Mega o Uno para registrar los datos

Yun Shield ejecuta una distribución mínima de Linux y puede conectarse a Internet, tener puertos USB y ranura para tarjetas SD, por lo que los datos se pueden registrar en una memoria USB o una tarjeta SD. La hora se recupera del sistema Linux y el archivo de datos se recupera de un programa FTP como WinSCP o FileZilla o directamente desde USB, lector de tarjetas SD.

Aquí está el código alojado en Github para la Opción 2.

Paso 4: Rendimiento del sensor de turbidez

Usé un sensor de turbidez Amphenol (TSD-10) y viene con la hoja de datos. Es más difícil verificar el producto de la lista en línea. La hoja de datos incluye un gráfico de la lectura de voltaje (Vout) con diferentes concentraciones de turbidez representadas en la Unidad de Turbidez Nefelométrica (NTU). En el caso de las microalgas, la densidad de la biomasa suele tener una longitud de onda de 730 nm o 750 mm para medir la concentración de partículas, lo que se denomina densidad óptica (DO). Así que aquí está la comparación entre Vout, OD730 (medido por un espectrómetro Shimadzu) y OD750 (convertido de NTU en la hoja de datos).

El estado más deseable de este sistema es turbidez estática o turbidostato en el que el sistema puede medir y controlar automáticamente la densidad de la biomasa en (o cerca) de un valor establecido. Aquí hay un gráfico que muestra el funcionamiento de este sistema.

Divulgación:

Este sistema de control y monitoreo de turbidez (a menudo llamado turbidostato) es una de las tres unidades en las que trabajé en un intento de construir un fotobiorreactor avanzado. Este trabajo se llevó a cabo mientras trabajaba en Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Las contribuciones científicas de este sistema para promover el cultivo de algas se publicaron en Algal Research Journal.