Jednoduchý monitor zákalu a riadiaci systém pre mikroriasy: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Povedzme, že sa nudíte so vzorkovaním vody na meranie zákalu, čo je hrubý výraz označujúci malé suspendované častice vo vode, čo znižuje intenzitu svetla buď so zvyšujúcou sa dráhou svetla, alebo s vyššou koncentráciou častíc, alebo s oboma. Ako to teda urobiť?

Nasleduje niekoľko krokov, ktoré som vykonal k vybudovaniu automatického monitorovacieho systému pre hustotu biomasy mikro rias. Jedná sa o mikro-riasy, ktoré majú veľkosť submikrónov, sú dobre suspendované vo vode a majú skôr extrémny životný štýl, premieňajú svetelnú energiu a redukujú oxid uhličitý na novo syntetizovanú biomasu. To je o mikroriasach dosť.

Na meranie zákalu alebo hustoty biomasy v mojom prípade potrebujem zmerať intenzitu svetla na strane detektora, ktorá sa prevedie na odčítanie napätia. Na začiatku som mal jednu prekážku nájsť vhodný senzor, ktorý pracuje s druhmi mikrorias, s ktorými som pracoval.

Zákal je možné merať spektrofotometrom. Laboratórny spektrofotometer je drahý a väčšinou meria jednu vzorku naraz. Akosi som mal šťastie, že som si kúpil lacný senzor zákalu, ktorý som našiel na ebay.com alebo amazon.com a na moje prekvapenie senzor funguje dobre s druhmi mikrorias, ktoré som experimentoval.

Krok 1: Potrebné diely:

1. Senzor zákalu, ako je tento, na fotografii, ktorý spája hadičku. Ten v zozname má otvorený priechod, pokiaľ neplánujete ponoriť senzor.

2. Doska Arduino. Mohlo by to byť Nano alebo Mega/Uno (ak sa používa štít Yun)

3. Potenciometer. Je lepšie použiť takú presnosť.

4. OLED obrazovka. Použil som SSD1306, ale fungovali by aj iné typy LCD, ako napríklad 1602, 2004 (a podľa toho upravili kód).

5. Doska na prehratie s dvoma kanálmi, ako je táto

6. Dva z trojpolohových spínačov pre dodatočné manuálne ovládanie

7. Čerpadlá: Kúpil som malé peristaltické čerpadlo 12V a v laboratóriu som použil dvojkanálové čerpadlo Cole Parmer ako hlavné čerpadlo. Ak má hlavné čerpadlo iba jednu kanálovú hlavu, potom pomocou prepadovej trubice zozbierajte prebytočnú biomasu. Dávajte si pozor na prípadné zachytenie biomasy na vrchu reaktora, ak používate energické miešanie leteckého nákladu.

8. Raspberry Pi alebo prenosný počítač na zaznamenávanie údajov pre možnosť 1 alebo Yun Shield pre možnosť 2

Celkové náklady sa pohybujú v rozmedzí 200 dolárov. Čerpadlo Cole Parmer sa pohybuje okolo 1 000 dolárov a nie je zahrnuté v celkových nákladoch. Nevykonal som presné zhrnutie.

Krok 2: Možnosť 1: Zaznamenajte údaje do počítača/ Raspberry Pi pomocou kábla USB

Pomocou počítača alebo Raspberry Pi zaznamenajte niektoré výstupné údaje

Nahrávanie je možné vykonať pomocou možnosti protokolovania, ako napríklad Putty (Windows) alebo Screen (Linux). Alebo to možno vykonať pomocou skriptu Python. Tento skript vyžaduje, aby bol funkčný Python3 a knižnica s názvom pyserial. Okrem toho, že sú zaznamenané údaje ľahko dostupné v prenosnom počítači alebo v programe Desktop Remote, tento prístup využíva výhody času stráveného na počítači, ktorý je prihlásený do súboru, spolu s ďalšími výstupmi.

Tu je ďalší návod, ktorý som napísal o tom, ako nastaviť Raspberry Pi a zbierať údaje z Arduina. Je to podrobný návod na získanie údajov z Arduina na Raspberry Pi.

A tu je uložený kód pre Arduino pre možnosť 1: prevádzkovanie systému senzorov zákalu a zaznamenávanie údajov do počítača.

Ako som už uviedol vyššie, je to jednoduchý systém, ale na to, aby senzor produkoval zmysluplné údaje, je potrebné, aby predmet meraní, akými sú mikroriasy, súmrak, mlieko alebo suspendované častice, bol suspendovaný, relatívne stabilný.

Zaznamenaný súbor obsahuje časovú pečiatku, nastavenú hodnotu, nameranú hodnotu zákalu a zapnuté hlavné čerpadlo. To by vám malo poskytnúť niekoľko ukazovateľov výkonu systému. Do súboru Serial.println (dataString) v súbore.ino môžete pridať ďalšie parametre.

Do každého výstupu by mala byť pridaná čiarka (alebo tabulátor alebo iné znaky na rozdelenie údajov do každej bunky v tabuľke), aby bolo možné údaje v programe Excel rozdeliť na vytvorenie grafu. Čiarka vám ušetrí vlasy (zachráni moje), najmä potom, čo bude mať niekoľko tisíc riadkov údajov, a zistí, ako rozdeliť čísla a zabudol medzi nimi pridať čiarku.

Krok 3: Možnosť 2: Údaje sa zaznamenávajú do štítu Yun

Na zaznamenanie údajov použite štít Yun Shield na vrchu Arduino Mega alebo Uno

Yun Shield beží na minimálnej distribúcii Linuxu a môže sa pripojiť k internetu, mať porty USB a slot na kartu SD, takže údaje je možné prihlásiť na USB kľúč alebo kartu SD. Čas sa načítava zo systému Linux a dátový súbor sa získava z programu FTP, ako je WinSCP alebo FileZilla, alebo priamo z čítačky kariet USB alebo SD.

Tu je kód hostený na Github pre možnosť 2.

Krok 4: Výkon snímača zákalu

Použil som snímač zákalu Amphenol (TSD-10) a dodáva sa s údajovým listom. Je ťažšie overiť produkt z online záznamu. Datasheet obsahuje graf odčítania napätia (Vout) s rôznou koncentráciou zákalu zastúpeného v Nefelometrickej jednotke turbidity (NTU). V prípade mikrorias je hustota biomasy obvykle na vlnovej dĺžke 730 nm alebo 750 mm na meranie koncentrácie častíc nazývanej optická hustota (OD). Tu je teda porovnanie medzi Vout, OD730 (merané spektrometrom Shimadzu) a OD750 (prevedeným z NTU v technickom liste).

Najžiadanejším stavom tohto systému je statický zákal alebo turbidostat, v ktorom systém dokáže automaticky merať a riadiť hustotu biomasy pri (alebo blízko) nastavenej hodnote. Tu je graf, ktorý ukazuje, ako tento systém funguje.

Zverejnenie:

Tento monitorovací a riadiaci systém zákalu (často nazývaný turbidostat) je jednou z troch jednotiek, na ktorých som pracoval v snahe vybudovať pokrokový fotobioreaktor. Táto práca bola vykonaná, keď som pracoval v Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Vedecké príspevky tohto systému k pokroku v kultivácii rias boli publikované v Algal Research Journal.