Monitor Kekeruhan dan Sistem Kontrol Sederhana untuk Mikroalga: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Katakan saja Anda bosan dengan pengambilan sampel air untuk mengukur kekeruhan, istilah kasar yang menunjukkan partikel kecil tersuspensi dalam air, yang mengurangi intensitas cahaya dengan jalur cahaya yang meningkat atau konsentrasi partikel yang lebih tinggi atau keduanya. Jadi, bagaimana melakukannya?

Berikut adalah beberapa langkah yang saya ambil untuk membangun sistem pemantauan otomatis kepadatan biomassa mikroalga. Ini adalah mikroalga yang berukuran sub-mikron, tersuspensi dengan baik dalam air, dan memiliki gaya hidup yang ekstrim, mengubah energi cahaya dan mengurangi karbon dioksida menjadi biomassa yang baru disintesis. Itu sudah cukup tentang mikroalga.

Untuk mengukur kekeruhan atau densitas biomassa, dalam kasus saya, saya perlu mengukur intensitas cahaya di sisi detektor yang diubah menjadi pembacaan tegangan. Satu kendala yang saya miliki di awal untuk menemukan sensor yang cocok yang bekerja dengan spesies mikroalga yang bekerja dengan saya.

Kekeruhan dapat diukur dengan spektrofotometer. Spektrofotometer laboratorium mahal dan kebanyakan mengukur satu sampel pada satu waktu. Entah bagaimana, saya beruntung membeli sensor kekeruhan murah yang dapat saya temukan di ebay.com atau amazon.com, dan yang mengejutkan saya, sensor tersebut bekerja dengan baik dengan spesies mikroalga yang saya coba.

Langkah 1: Bagian yang Dibutuhkan:

1. Sensor kekeruhan seperti di foto ini yang menghubungkan pipa. Yang ada di daftar memiliki lorong terbuka kecuali jika Anda berencana untuk merendam sensor.

2. Papan Arduino. Bisa Nano, atau Mega/Uno (jika menggunakan Yun Shield)

3. Potensiometer. Lebih baik menggunakan yang presisi seperti ini.

4. Layar OLED. Saya menggunakan SSD1306, tetapi jenis LCD lain seperti 1602, 2004 akan berfungsi (dan merevisi kode yang sesuai).

5. Papan replay dengan dua saluran seperti ini

6. Dua dari tiga sakelar posisi untuk kontrol manual tambahan

7. Pompa: Saya membeli pompa peristaltik kecil 12V, dan menggunakan pompa saluran ganda Cole Parmer di lab sebagai pompa utama. Jika pompa utama hanya memiliki satu kepala saluran, kemudian gunakan tabung pelimpah untuk mengumpulkan kelebihan biomassa, waspadalah terhadap kemungkinan penggelembungan biomassa di bagian atas reaktor jika Anda menggunakan pencampuran airlift yang kuat.

8. Raspberry Pi atau laptop untuk mencatat data untuk Opsi 1 atau Yun Shield untuk Opsi 2

Total biaya berada di kisaran $200. Pompa Cole Parmer berkisar sekitar $ 1000, dan tidak termasuk dalam biaya total. Saya tidak membuat penjumlahan yang tepat.

Langkah 2: Opsi 1: Log Data ke Komputer/Raspberry Pi Melalui Kabel USB

Menggunakan komputer atau Raspberry Pi untuk merekam beberapa data keluaran

Perekaman dapat dilakukan dengan opsi logging seperti Putty (Windows) atau Screen (Linux). Atau bisa dilakukan dengan skrip Python. Skrip ini membutuhkan Python3 dan pustaka yang disebut pyserial agar berfungsi. Selain data yang dicatat mudah diakses di laptop atau di Desktop Jarak Jauh, pendekatan ini memanfaatkan waktu di komputer yang masuk ke file bersama dengan keluaran lainnya.

Berikut adalah tutorial lain yang saya tulis untuk cara mengatur Raspberry Pi dan mengumpulkan data dari Arduino. Ini adalah panduan langkah demi langkah untuk mendapatkan data dari Arduino ke Raspberry Pi.

Dan kode untuk Arduino di-host di sini untuk Opsi 1: mengoperasikan sistem sensor kekeruhan dan memasukkan data ke komputer.

Seperti yang saya sebutkan di atas, ini adalah sistem yang sederhana, tetapi agar sensor dapat menghasilkan data yang berarti, maka subjek pengukuran seperti mikroalga, senja, susu, atau partikel tersuspensi perlu disuspensi, relatif stabil.

File yang direkam berisi cap waktu, titik setel, nilai pengukuran kekeruhan dan saat pompa utama dihidupkan. Itu akan memberi Anda beberapa indikator kinerja sistem. Anda dapat menambahkan lebih banyak parameter ke Serial.println(dataString) di file.ino.

Koma (atau tab, atau karakter lain untuk membagi data ke dalam setiap sel dalam spreadsheet) harus ditambahkan di setiap output sehingga data dapat dipisah di Excel untuk membuat grafik. Koma akan menghemat beberapa rambut Anda (menghemat rambut saya), terutama setelah memiliki beberapa ribu baris data, dan mencari cara membagi angka dan lupa menambahkan koma di antaranya.

Langkah 3: Opsi 2: Data Dicatat ke Perisai Yun

Menggunakan Yun Shield di atas Arduino Mega atau Uno untuk mencatat data

Yun Shield menjalankan distro Linux minimal, dan dapat terhubung ke Internet, memiliki port USB dan slot kartu SD, sehingga data dapat dicatat ke stik USB atau kartu SD. Waktu diambil dari sistem Linux, dan file data diambil dari program FTP seperti WinSCP atau FileZilla atau langsung dari USB, pembaca kartu SD.

Berikut adalah kode yang dihosting di Github untuk Opsi 2.

Langkah 4: Kinerja Sensor Kekeruhan

Saya menggunakan sensor kekeruhan Amphenol (TSD-10) dan dilengkapi dengan lembar data. Lebih sulit untuk memverifikasi produk dari daftar online. Datasheet mencakup grafik pembacaan tegangan (Vout) dengan konsentrasi kekeruhan berbeda yang direpresentasikan dalam Nephelometric Turbidity Unit (NTU). Untuk mikroalga, densitas biomassa biasanya pada panjang gelombang 730 nm, atau 750 mm untuk mengukur konsentrasi partikel, yang disebut optical density (OD). Jadi inilah perbandingan antara Vout, OD730 (diukur dengan Spektrometer Shimadzu), dan OD750 (dikonversi dari NTU di datasheet).

Keadaan yang paling diinginkan dari sistem ini adalah kekeruhan-statis atau turbidostat bahwa sistem dapat secara otomatis mengukur dan mengontrol kepadatan biomassa pada (atau mendekati) ke nilai yang ditetapkan. Berikut adalah grafik yang menunjukkan sistem ini dilakukan.

Penyingkapan:

Sistem pemantauan dan kontrol kekeruhan ini (sering disebut turbidostat) adalah salah satu dari tiga unit yang saya kerjakan dalam upaya membangun fotobioreaktor canggih. Pekerjaan ini dilakukan saat saya bekerja di Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Kontribusi ilmiah dari sistem ini untuk memajukan budidaya alga dipublikasikan di Jurnal Penelitian Alga.