ระบบตรวจสอบและควบคุมความขุ่นอย่างง่ายสำหรับสาหร่ายขนาดเล็ก: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

สมมติว่าคุณเบื่อกับการสุ่มตัวอย่างน้ำเพื่อวัดความขุ่น ซึ่งเป็นคำรวมที่ระบุอนุภาคเล็กๆ แขวนลอยในน้ำ ซึ่งลดความเข้มของแสงด้วยเส้นทางแสงที่เพิ่มขึ้นหรือความเข้มข้นของอนุภาคที่สูงขึ้น หรือทั้งสองอย่าง ดังนั้นจะทำอย่างไร?

ด้านล่างนี้คือหลายขั้นตอนที่ฉันใช้เพื่อสร้างระบบตรวจสอบความหนาแน่นของสารชีวมวลของสาหร่ายขนาดเล็กโดยอัตโนมัติ นี่คือสาหร่ายขนาดเล็กที่มีขนาดย่อยไมครอน แขวนลอยอยู่ในน้ำได้ดี และมีวิถีชีวิตแบบสุดขั้ว เปลี่ยนพลังงานแสงและลดคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นชีวมวลที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ นั่นก็เพียงพอแล้วสำหรับสาหร่ายขนาดเล็ก

ในการวัดความขุ่นหรือความหนาแน่นของสารชีวมวล ในกรณีของฉัน ฉันต้องวัดความเข้มของแสงที่ด้านเครื่องตรวจจับซึ่งจะถูกแปลงเป็นการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้า อุปสรรคอย่างหนึ่งที่ฉันมีในการเริ่มต้นในการหาเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมซึ่งทำงานร่วมกับสาหร่ายขนาดเล็กที่ฉันทำงานด้วย

สามารถวัดความขุ่นได้ด้วยเครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ เครื่องวัดสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ในห้องปฏิบัติการมีราคาแพงและส่วนใหญ่จะวัดครั้งละหนึ่งตัวอย่าง ยังไงก็ตาม ฉันโชคดีที่ซื้อเซ็นเซอร์วัดความขุ่นราคาถูกที่หาได้ใน ebay.com หรือ amazon.com และฉันก็แปลกใจมากที่เซ็นเซอร์นี้ทำงานได้ดีกับสาหร่ายขนาดเล็กที่ฉันทดลอง

ขั้นตอนที่ 1: อะไหล่ที่จำเป็น:

1. เซ็นเซอร์วัดความขุ่นแบบในภาพซึ่งเชื่อมต่อกับท่อ รายการในรายการมีทางเปิดเว้นแต่คุณวางแผนที่จะจมลงใต้น้ำเซ็นเซอร์

2. บอร์ด Arduino อาจเป็นนาโน หรือเมก้า/อูโน (ถ้าใช้หยุนชิลด์)

3. โพเทนชิออมิเตอร์ ดีกว่าที่จะใช้ความแม่นยำเช่นนี้

4. หน้าจอ OLED ฉันใช้ SSD1306 แต่ LCD ประเภทอื่นๆ เช่น 1602, 2004 จะใช้งานได้ (และแก้ไขโค้ดตามลำดับ)

5. กระดานรีเพลย์ที่มีสองช่องแบบนี้

6. สวิตช์สามตำแหน่งสองจากสามตำแหน่งสำหรับการควบคุมแบบแมนนวลเพิ่มเติม

7. ปั๊ม: ฉันซื้อปั๊มบีบท่อขนาดเล็ก 12 โวลต์ และใช้ปั๊มสองช่องของ Cole Parmer ในห้องปฏิบัติการเป็นปั๊มหลัก หากปั๊มหลักมีหัวช่องเพียงช่องเดียว ให้ใช้ท่อน้ำล้นเพื่อรวบรวมชีวมวลส่วนเกิน ระวังว่าอาจมีการร่อนของสารชีวมวลที่ด้านบนของเครื่องปฏิกรณ์หากคุณกำลังใช้ส่วนผสมของลิฟต์ขนส่งทางอากาศที่แรง

8. Raspberry Pi หรือแล็ปท็อปเพื่อบันทึกข้อมูลสำหรับตัวเลือก 1 หรือ Yun Shield สำหรับตัวเลือก 2

ค่าใช้จ่ายทั้งหมดอยู่ในช่วง 200 เหรียญ ปั๊ม Cole Parmer มีราคาประมาณ 1,000 เหรียญสหรัฐ และไม่รวมอยู่ในต้นทุนทั้งหมด ฉันไม่ได้ทำการสรุปที่แน่นอน

ขั้นตอนที่ 2: ตัวเลือกที่ 1: บันทึกข้อมูลลงในคอมพิวเตอร์ / Raspberry Pi ผ่านสาย USB

ใช้คอมพิวเตอร์หรือ Raspberry Pi เพื่อบันทึกข้อมูลเอาต์พุตบางส่วน

การบันทึกสามารถทำได้โดยใช้ตัวเลือกการบันทึกเช่น Putty (Windows) หรือ Screen (Linux) หรือสามารถทำได้โดยสคริปต์ Python สคริปต์นี้ต้องใช้ Python3 และไลบรารี่ที่เรียกว่า pyserial เพื่อให้ทำงานได้ นอกจากข้อมูลที่บันทึกไว้จะเข้าถึงได้ง่ายในแล็ปท็อปหรือในเดสก์ท็อประยะไกลแล้ว วิธีนี้ยังใช้ประโยชน์จากเวลาบนคอมพิวเตอร์ที่เข้าสู่ระบบไฟล์พร้อมกับเอาท์พุตอื่นๆ

นี่คือบทช่วยสอนอื่นที่ฉันเขียนเกี่ยวกับวิธีตั้งค่า Raspberry Pi และรวบรวมข้อมูลจาก Arduino เป็นคำแนะนำทีละขั้นตอนในการรับข้อมูลจาก Arduino ไปยัง Raspberry Pi

และรหัสสำหรับ Arduino ถูกโฮสต์ไว้ที่นี่สำหรับตัวเลือกที่ 1: การทำงานของระบบเซ็นเซอร์วัดความขุ่นและการบันทึกข้อมูลลงในคอมพิวเตอร์

ดังที่ฉันได้กล่าวไว้ข้างต้น นี่เป็นระบบที่เรียบง่าย แต่สำหรับเซ็นเซอร์ในการสร้างข้อมูลที่มีความหมาย เรื่องของการวัด เช่น สาหร่ายขนาดเล็ก พลบค่ำ นม หรืออนุภาคแขวนลอยนั้นจำเป็นต้องถูกระงับ ค่อนข้างคงที่

ไฟล์ที่บันทึกประกอบด้วยการประทับเวลา จุดตั้งค่า ค่าการวัดความขุ่นและเวลาที่ปั๊มหลักเปิดอยู่ นั่นควรให้ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของระบบแก่คุณ คุณสามารถเพิ่มพารามิเตอร์เพิ่มเติมให้กับ Serial.println(dataString) ในไฟล์.ino

ควรเพิ่มเครื่องหมายจุลภาค (หรือแท็บ หรืออักขระอื่นๆ เพื่อแยกข้อมูลลงในแต่ละเซลล์ในสเปรดชีต) ในแต่ละเอาต์พุต เพื่อให้สามารถแยกข้อมูลใน Excel เพื่อสร้างกราฟได้ เครื่องหมายจุลภาคจะช่วยคุณประหยัดผมบางส่วน (ช่วยประหยัดของผม) โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากมีข้อมูลสองสามพันบรรทัด และหาวิธีแยกตัวเลขและลืมใส่เครื่องหมายจุลภาคระหว่างนั้น

ขั้นตอนที่ 3: ตัวเลือก 2: ข้อมูลถูกบันทึกลงใน Yun Shield

ใช้ Yun Shield ที่ด้านบนของ Arduino Mega หรือ Uno เพื่อบันทึกข้อมูล

Yun Shield ใช้งาน Linux distro เพียงเล็กน้อย และสามารถเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต มีพอร์ต USB และช่องเสียบการ์ด SD ดังนั้นข้อมูลจึงสามารถบันทึกลงในแท่ง USB หรือการ์ด SD ได้ เวลาถูกดึงมาจากระบบ Linux และไฟล์ข้อมูลถูกดึงมาจากโปรแกรม FTP เช่น WinSCP หรือ FileZilla หรือโดยตรงจาก USB, เครื่องอ่านการ์ด SD

นี่คือรหัสที่โฮสต์บน Github สำหรับตัวเลือก 2

ขั้นตอนที่ 4: ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์วัดความขุ่น

ฉันใช้เซ็นเซอร์วัดค่าความขุ่น Amphenol (TSD-10) และมาพร้อมกับเอกสารข้อมูล เป็นการยากที่จะตรวจสอบผลิตภัณฑ์จากรายการออนไลน์ เอกสารข้อมูลประกอบด้วยกราฟของการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้า (Vout) ที่มีความเข้มข้นของความขุ่นต่างกันซึ่งแสดงอยู่ในหน่วยความขุ่นของเนฟีโลเมตริก (NTU) สำหรับสาหร่ายขนาดเล็ก ความหนาแน่นของสารชีวมวลมักจะอยู่ที่ความยาวคลื่น 730 นาโนเมตร หรือ 750 มม. เพื่อวัดความเข้มข้นของอนุภาค ซึ่งเรียกว่าความหนาแน่นเชิงแสง (OD) นี่คือการเปรียบเทียบระหว่าง Vout, OD730 (วัดโดย Shimadzu Spectrometer) และ OD750 (แปลงจาก NTU ในแผ่นข้อมูล)

สถานะที่ต้องการมากที่สุดของระบบนี้คือค่าความขุ่นคงที่หรือค่าความขุ่นที่ระบบสามารถวัดและควบคุมความหนาแน่นของสารชีวมวลที่ (หรือปิด) โดยอัตโนมัติตามค่าที่ตั้งไว้ นี่คือกราฟที่แสดงการทำงานของระบบนี้

การเปิดเผยข้อมูล:

ระบบตรวจสอบและควบคุมความขุ่นนี้ (มักเรียกว่าเทอร์บิโดสแตท) เป็นหนึ่งในสามยูนิตที่ฉันทำงานเพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพล่วงหน้า งานนี้ดำเนินการในขณะที่ฉันทำงานที่ Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, Arizona State University ผลงานทางวิทยาศาสตร์ของระบบนี้เพื่อความก้าวหน้าในการเพาะเลี้ยงสาหร่ายได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิจัยสาหร่าย