نظام بسيط لمراقبة التعكر والتحكم في الطحالب الدقيقة: 4 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

دعنا نقول فقط أنك تشعر بالملل من أخذ عينات من المياه لقياس التعكر ، وهو مصطلح إجمالي يشير إلى أي جزيئات معلقة صغيرة في الماء ، مما يقلل من شدة الضوء إما مع زيادة مسار الضوء أو زيادة تركيز الجسيمات أو كليهما. حتى كيف نفعل ذلك؟

فيما يلي العديد من الخطوات التي اتخذتها لبناء نظام مراقبة تلقائي لكثافة الكتلة الحيوية للطحالب الدقيقة. هذه هي الطحالب الدقيقة التي يبلغ حجمها أقل من ميكرون ، ومعلقة جيدًا في الماء ، ولديها أسلوب حياة متطرف ، حيث تقوم بتحويل الطاقة الضوئية وتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى كتلة حيوية مركبة حديثًا. هذا يكفي عن الطحالب الدقيقة.

لقياس التعكر أو كثافة الكتلة الحيوية ، في حالتي ، أحتاج إلى قياس شدة الضوء في جانب الكاشف الذي يتم تحويله إلى قراءات الجهد. كانت إحدى العقبات التي واجهتها في البداية للعثور على جهاز استشعار مناسب يعمل مع أنواع الطحالب الدقيقة التي عملت معها.

يمكن قياس العكارة بواسطة مقياس الطيف الضوئي. يعتبر مقياس الطيف الضوئي المختبر مكلفًا ويقيس في الغالب عينة واحدة في كل مرة. بطريقة ما ، كنت محظوظًا لأنني اشتريت مستشعر تعكر رخيص يمكنني العثور عليه على موقع ebay.com أو amazon.com ، ولدهشتي ، يعمل المستشعر جيدًا مع أنواع الطحالب الدقيقة التي جربتها.

الخطوة 1: الأجزاء المطلوبة:

1. مستشعر تعكر مثل هذا الموجود في الصورة والذي يصل الأنبوب. واحد في القائمة به ممر مفتوح إلا إذا كنت تخطط لغمر المستشعر.

2. لوحة اردوينو. يمكن أن يكون نانو ، أو ميغا / أونو (إذا تم استخدام Yun Shield)

3. مقياس الجهد. من الأفضل استخدام الدقة مثل هذا.

4. شاشة OLED. لقد استخدمت SSD1306 ، لكن الأنواع الأخرى من شاشات الكريستال السائل مثل 1602 ، 2004 ستعمل (وراجع الكود وفقًا لذلك).

5. لوحة إعادة مع قناتين مثل هذا

6. اثنان من ثلاثة مفاتيح من ثلاثة مواضع للتحكم اليدوي الإضافي

7. المضخات: اشتريت مضخة تمعجية صغيرة بجهد 12 فولت ، واستخدمت مضخة Cole Parmer ثنائية القناة في المختبر كمضخة رئيسية. إذا كانت المضخة الرئيسية تحتوي على رأس قناة واحد فقط ، فاستخدم أنبوب الفائض لجمع الكتلة الحيوية الزائدة ، واحذر من احتمال وجود قشط للكتلة الحيوية أعلى المفاعل إذا كنت تستخدم خلطًا قويًا للجسر الجوي.

8. Raspberry Pi أو كمبيوتر محمول لتسجيل البيانات للخيار 1 أو Yun Shield للخيار 2

التكلفة الإجمالية في حدود 200 دولار. تتراوح تكلفة مضخة كول بارمر حوالي 1000 دولار ، وهي غير مشمولة في التكلفة الإجمالية. لم أقم بتحصيل دقيق.

الخطوة 2: الخيار 1: تسجيل البيانات إلى جهاز كمبيوتر / Raspberry Pi عبر كابل USB

استخدام جهاز كمبيوتر أو Raspberry Pi لتسجيل بعض بيانات الإخراج

يمكن إجراء التسجيل عن طريق خيار التسجيل مثل Putty (Windows) أو Screen (Linux). أو يمكن أن يتم ذلك بواسطة برنامج نصي بلغة بايثون. يتطلب هذا البرنامج النصي Python3 ومكتبة تسمى pyserial لكي تكون وظيفية. إلى جانب البيانات التي تم تسجيلها يمكن الوصول إليها بسهولة في الكمبيوتر المحمول أو في جهاز التحكم عن بعد لسطح المكتب ، فإن هذا الأسلوب يستفيد من الوقت على الكمبيوتر الذي تم تسجيل الدخول إليه إلى الملف إلى جانب المخرجات الأخرى.

إليك برنامج تعليمي آخر كتبته حول كيفية إعداد Raspberry Pi وجمع البيانات من Arduino. إنه دليل خطوة بخطوة للحصول على البيانات من Arduino إلى Raspberry Pi.

ويتم استضافة رمز Arduino هنا للخيار 1: تشغيل نظام استشعار التعكر وتسجيل البيانات في الكمبيوتر.

كما ذكرت أعلاه ، هذا نظام بسيط ، ولكن لكي ينتج المستشعر بيانات ذات مغزى ، فإن موضوع القياسات مثل الطحالب الدقيقة أو الغسق أو الحليب أو الجسيمات المعلقة التي يجب تعليقها ، يكون مستقرًا نسبيًا.

يحتوي الملف المسجل على الطابع الزمني ونقطة التحديد وقيمة قياس التعكر ووقت تشغيل المضخة الرئيسية. يجب أن يوفر لك ذلك بعض مؤشرات أداء النظام. يمكنك إضافة المزيد من المعلمات إلى Serial.println (dataString) في ملف.ino.

يجب إضافة فاصلة (أو علامة تبويب أو أحرف أخرى لتقسيم البيانات إلى كل خلية في جدول البيانات) في كل ناتج بحيث يمكن تقسيم البيانات في Excel لعمل رسم بياني. ستوفر لك الفاصلة بعض الشعر (تحفظ شعري) ، خاصة بعد وجود بضعة آلاف من أسطر البيانات ، وستكتشف كيفية تقسيم الأرقام ونسيت إضافة فاصلة بينهما.

الخطوة 3: الخيار 2: يتم تسجيل البيانات في Yun Shield

استخدام Yun Shield أعلى Arduino Mega أو Uno لتسجيل البيانات

يدير Yun Shield الحد الأدنى من توزيعة Linux ، ويمكنه الاتصال بالإنترنت ، ويحتوي على منافذ USB وفتحة بطاقة SD ، بحيث يمكن تسجيل البيانات على عصا USB أو بطاقة SD. يتم استرداد الوقت من نظام Linux ، ويتم استرداد ملف البيانات من برنامج FTP مثل WinSCP أو FileZilla أو مباشرة من قارئ بطاقة USB أو SD.

هذا هو الكود المستضاف على Github للخيار 2.

الخطوة 4: أداء مستشعر التعكر

لقد استخدمت مستشعر التعكر Amphenol (TSD-10) ويأتي مع ورقة البيانات. من الصعب التحقق من المنتج من القائمة على الإنترنت. تتضمن ورقة البيانات رسمًا بيانيًا لقراءات الجهد (Vout) مع تركيز تعكر مختلف ممثلة في وحدة قياس التعكر Nephelometric (NTU). بالنسبة للطحالب الدقيقة ، تكون كثافة الكتلة الحيوية عادة عند الطول الموجي 730 نانومتر ، أو 750 ملم لقياس تركيز الجسيمات ، وتسمى الكثافة الضوئية (OD). إذن هنا المقارنة بين Vout و OD730 (تم قياسه بواسطة مطياف Shimadzu) و OD750 (تم تحويله من NTU في ورقة البيانات).

أكثر الحالات المرغوبة لهذا النظام هي العكارة الساكنة أو التوربيدات التي يمكن للنظام قياسها والتحكم فيها تلقائيًا في كثافة الكتلة الحيوية عند (أو بالقرب) من القيمة المحددة. هنا رسم بياني يوضح أداء هذا النظام.

إفشاء:

يعد نظام مراقبة العكارة والتحكم فيه (غالبًا ما يسمى turbidostat) واحدًا من ثلاث وحدات عملت فيها في محاولة لبناء مفاعل حيوي ضوئي متقدم. تم تنفيذ هذا العمل أثناء عملي في Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology ، جامعة ولاية أريزونا. نُشرت الإسهامات العلمية لهذا النظام في النهوض بزراعة الطحالب في مجلة Algal Research Journal.