Un système simple de surveillance et de contrôle de la turbidité pour les microalgues : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Disons simplement que vous vous ennuyez avec l'échantillonnage de l'eau pour mesurer la turbidité, un terme grossier indiquant toutes les petites particules en suspension dans l'eau, ce qui réduit l'intensité lumineuse avec un chemin lumineux croissant ou une concentration de particules plus élevée ou les deux. Alors, comment faire ?

Vous trouverez ci-dessous plusieurs étapes que j'ai suivies pour créer un système de surveillance automatique de la densité de la biomasse des microalgues. Il s'agit de micro-algues de taille inférieure au micron, bien en suspension dans l'eau, et ayant plutôt un mode de vie extrême, convertissant l'énergie lumineuse et réduisant le dioxyde de carbone en biomasse nouvellement synthétisée. Cela suffit pour les microalgues.

Pour mesurer la turbidité ou la densité de la biomasse, dans mon cas, je dois mesurer l'intensité lumineuse du côté du détecteur qui est convertie en une lecture de tension. Un obstacle que j'ai eu au début pour trouver un capteur approprié qui fonctionne avec les espèces de microalgues avec lesquelles j'ai travaillé.

La turbidité peut être mesurée par un spectrophotomètre. Le spectrophotomètre de laboratoire est coûteux et mesure généralement un échantillon à la fois. D'une manière ou d'une autre, j'ai eu de la chance d'avoir acheté un capteur de turbidité bon marché que j'ai pu trouver sur ebay.com ou amazon.com, et à ma grande surprise, le capteur fonctionne bien avec les espèces de microalgues que j'ai expérimentées.

Étape 1: Pièces nécessaires:

1. Un capteur de turbidité comme celui-ci sur la photo qui relie la tubulure. Celui de la liste a un passage ouvert à moins que vous ne prévoyiez d'immerger le capteur.

2. Une carte Arduino. Ce pourrait être Nano, ou Mega/Uno (si Yun Shield est utilisé)

3. Un potentiomètre. Mieux vaut utiliser celui de précision comme celui-ci.

4. Un écran OLED. J'ai utilisé SSD1306, mais d'autres types d'écrans LCD tels que 1602, 2004 fonctionneraient (et réviseraient le code en conséquence).

5. Un plateau de relecture avec deux canaux comme celui-ci

6. Deux des interrupteurs à trois positions pour un contrôle manuel supplémentaire

7. Pompes: j'ai acheté une petite pompe péristaltique de 12 V et j'ai utilisé une pompe à double canal Cole Parmer dans le laboratoire comme pompe principale. Si la pompe principale n'a qu'une tête de canal, utilisez alors le tube de trop-plein pour récupérer le surplus de biomasse, méfiez-vous d'un éventuel écumage de biomasse sur le dessus du réacteur si vous utilisez un brassage à air vigoureux.

8. Un Raspberry Pi ou un ordinateur portable pour enregistrer les données pour l'option 1 ou un bouclier Yun pour l'option 2

Le coût total est de l'ordre de 200 $. La pompe Cole Parmer coûte environ 1000 $ et n'est pas incluse dans le coût total. Je n'ai pas fait une somme exacte.

Étape 2: Option 1: Enregistrez les données sur un ordinateur/Raspberry Pi via un câble USB

Utiliser un ordinateur ou un Raspberry Pi pour enregistrer des données de sortie

L'enregistrement peut être effectué par l'option de journalisation comme Putty (Windows) ou Screen (Linux). Ou cela peut être fait par un script Python. Ce script nécessite Python3 et une bibliothèque appelée pyserial pour être fonctionnel. Outre que les données enregistrées sont facilement accessibles sur l'ordinateur portable ou dans Desktop Remote, cette approche tire parti du temps passé sur l'ordinateur qui est connecté au fichier avec d'autres sorties.

Voici un autre tutoriel que j'ai écrit pour savoir comment configurer un Raspberry Pi et collecter des données à partir d'Arduino. Il s'agit d'un guide étape par étape pour obtenir des données d'un Arduino vers un Raspberry Pi.

Et le code pour Arduino est hébergé ici pour l'option 1: fonctionnement du système de capteur de turbidité et enregistrement des données dans un ordinateur.

Comme je l'ai mentionné ci-dessus, il s'agit d'un système simple, mais pour que le capteur produise des données significatives, l'objet de mesures telles que les microalgues, le crépuscule, le lait ou les particules en suspension devait être en suspension, relativement stable.

Le fichier enregistré contient l'horodatage, le point de consigne, la valeur de mesure de la turbidité et le moment où la pompe principale était en marche. Cela devrait vous donner quelques indicateurs de la performance du système. Vous pouvez ajouter plus de paramètres à Serial.println(dataString) dans le fichier.ino.

Une virgule (ou une tabulation ou d'autres caractères pour diviser les données dans chaque cellule de la feuille de calcul) doit être ajoutée dans chaque sortie afin que les données puissent être divisées dans Excel pour créer un graphique. La virgule vous fera économiser quelques cheveux (elle sauve les miens), surtout après avoir eu quelques milliers de lignes de données, et comprendre comment diviser les nombres et oublié d'ajouter une virgule entre les deux.

Étape 3: Option 2: Les données sont enregistrées dans le Yun Shield

Utilisation d'un Yun Shield sur Arduino Mega ou Uno pour enregistrer les données

Le Yun Shield exécute une distribution Linux minimale et peut se connecter à Internet, disposer de ports USB et d'un emplacement pour carte SD, de sorte que les données peuvent être enregistrées sur une clé USB ou une carte SD. L'heure est récupérée à partir du système Linux et le fichier de données est récupéré à partir d'un programme FTP comme WinSCP ou FileZilla ou directement à partir d'un lecteur de carte SD USB.

Voici le code hébergé sur Github pour l'option 2.

Étape 4: Performances du capteur de turbidité

J'ai utilisé un capteur de turbidité Amphenol (TSD-10) et il est livré avec la fiche technique. Il est plus difficile de vérifier le produit à partir de la liste en ligne. La fiche technique comprend un graphique de la lecture de la tension (Vout) avec différentes concentrations de turbidité représentées en unité de turbidité néphélométrique (NTU). Pour les microalgues, la densité de la biomasse est généralement à la longueur d'onde de 730 nm, soit 750 mm pour mesurer la concentration en particules, appelée densité optique (DO). Voici donc la comparaison entre Vout, OD730 (mesuré par un spectromètre Shimadzu) et OD750 (converti de NTU dans la fiche technique).

L'état le plus souhaitable de ce système est la turbidité statique ou turbidostat que le système peut mesurer et contrôler automatiquement la densité de la biomasse à (ou proche) d'une valeur définie. Voici un graphique montrant ce système exécuté.

Divulgation:

Ce système de surveillance et de contrôle de la turbidité (souvent appelé turbidostat) est l'une des trois unités sur lesquelles j'ai travaillé pour tenter de construire un photobioréacteur avancé. Ce travail a été réalisé pendant que je travaillais au Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University. Les contributions scientifiques de ce système pour faire progresser la culture des algues ont été publiées dans Algal Research Journal.